同步辐射X射线吸收光谱在环境矿物学中的应用

本文介绍了同步辐射X射线吸收光谱(XAS)在环境矿物学中的应用与进展,尤其是在矿物载体催化剂的环境催化活性研究、固-液界面的微观机制研究、毒性痕量元素在矿物中赋存状态的研究、核废料的矿物处置研究等方面的发展现状。最后指出,XAS对推动环境矿物学的发展、优化环境矿物材料和原料的工艺流程具有独特的优势,在我国还有待进一步加强其发展和应用。

利用同步辐射X射线吸收光谱技术表征Ziegler-Natta催化剂活性位点的研究进展

Ziegler-Natta催化剂是聚烯烃生产的核心,但在原子层面对催化剂结构和聚合机理的认识仍不够清晰。同步辐射X射线吸收光谱(XAFS)技术可有效观测催化剂活性中心原子临近壳层的化学结构,辅助探究聚合机理。综述了利用XAFS技术对Ziegler-Natta催化剂进行表征的研究进展,重点关注催化剂各组分对活性中心结构的影响,并对聚合机理的研究进行总结。

合成掺铁水晶同步辐射X射线吸收光谱初探

紫晶等掺铁水晶的致色机理非常复杂,伴随着研究方法的进步对其致色机理认识逐渐深入。通过化学分析、紫外-可见光谱、电子顺磁共振、理论计算等研究方法,人们已经提出了多种致色模型。同步辐射X射线吸收光谱(XAS)技术,通过高亮度X射线激发样品中Fe离子的光电效应来采集吸收光谱,并对光谱中的边前峰、吸收边和主峰进行分析,可以直观了解Fe元素在掺铁水晶中的价态、占位情况。合成紫黄晶、绿水晶的颜色和Fe元素密切相关,利用XAS技术考察Fe元素在三者中的价态、占位情况有助于了解三种Fe致色水晶在致色机理上的差异。本文对水热法合成紫黄晶和绿水晶进行了同步辐射XAS实验,结果表明合成绿水晶中含有Fe^(2+)和Fe^(3+),并可能占据在八面体间隙(I6)。合成紫黄晶中以Fe^(3+)为主,紫晶区域Fe^(3+)占据对称型更低的四面体间隙或占据两种间隙位(I4和/或S)而黄晶区域中Fe^(3+)则只占据一种四面体位。实验结果证明了间隙位Fe^(3+)对紫晶致色具有重要意义,说明了Fe在不同颜色掺铁水晶中各不相同。

基于同步辐射光源X射线散射对聚乙醇酸挤出棒材退火条件的优化

文中用同步辐射光源对聚乙醇酸(PGA)挤出棒材的切片进行广角X射线散射(WAXS)和小角X射线散射(SAXS)表征,研究聚乙醇酸棒材在挤出成型后优选的退火条件,以尽可能消除内应力,改善棒材后续的机械加工性。WAXS结果表明,高温更有利于微观应变的减小,但较高温时晶粒尺寸会随退火时间的延长而减小。SAXS结果表明,高温更有利于取向程度的减小,退火时间对取向程度的影响明显弱于退火温度。综合各数据建立目标函数,并利用响应面分析法进行分析。结果表明,在实验范围内,PGA棒材的优选退火条件为200℃退火2h。

基于X射线吸收光谱法的塑料薄膜厚度测量

塑料薄膜是我国塑料产品中占比五分之一的大宗类型,在厂家生产时最重要的指标之一为塑料薄膜厚度,如何准确、快速、方便地测量塑料薄膜厚度是一项具有重大经济价值的研究课题。为验证X射线吸收光谱法测量塑料薄膜厚度的可行性,制作了不同厚度的聚乙烯塑料薄膜实验样本,设置30 kV的管电压以及1μA的管电流激发X射线,照射不同厚度的塑料薄膜样品,用X射线探测器采集空白光谱数据和不同样本的原始X射线吸收光谱数据,得到各光谱在256个通道中的光子强度。在数据分析过程中,为达到数据降维的效果,选择主成分分析法处理所采集的数据;再将维数降低后的新数据集分两次分析,一次直接进行机器学习,另一次进行归一化处理后再进行机器学习。在机器学习中,其中的70%作为训练集,剩余的30%作为测试集,输入数据为各组样本X射线吸收光谱,输出数据为模型预测的塑料薄膜厚度。同时,为降低随机性导致的误差,多次训练,以平均的准确率来评价厚度估计的效果。最后,对比分析实验数据的结论是,当误差包容度设置为50μm时,使用归一化处理后经机器学习的X射线吸收光谱法测量塑料薄膜厚度的准确率可以达到98.4%。同时,只要增加原始光谱数据的样本数,并有效规划不同厚度的采样分布,理论上可以大大提高该方法的精度,而且可以推广到其他材料的测厚任务。与市场上的其他测厚方式相比,X射线吸收光谱法测厚具备无损检测、快速检测以及适用范围广的优势,这对于丰富厂家生产线以及相关监管部门的塑料薄膜测厚技术、提高测厚效率、提升测量准确率具有较好的应用前景。

同步辐射X射线吸收谱及其在矿物学、地球化学中的应用

矿物谱学是目前矿物学，甚至岩石学、地球化学中方兴未艾的一个研究领域。但现在常用于矿物学研究的谱学方法都有一定的局限性，如穆斯堡尔谱只能研究穆斯堡尔核，通常为５７Ｆｅ、１１９Ｓｎ。可见吸收光谱限于研究能产生颜色的过渡金属离子或色心，电子顺磁共振谱要求被...

应用同步辐射微束X射线荧光光谱法研究单个大气PM_(2.5)颗粒物的源特征

将高灵敏度的同步辐射微束X射线荧光光谱分析方法与计算机模式识别技术相结合,用于上海市大气PM2.5单颗粒物的源识别。分析了污染排放源的PM2.5单颗粒物,结果表明,来自不同污染排放源的颗粒物具有不同的能谱特征。同时分析了环境空气监测样品PM2.5单颗粒物,结果表明,在上海市中心区大气PM2.5的污染源主要以机动车尾气为主,而在吴淞工业区大气PM2.5的污染源主要以钢铁工业尘和燃煤烟尘为主。

同步辐射软X射线近边吸收谱方法研究长期施肥对黑土有机碳官能团的影响

以定位20年的黑土肥料试验为平台,利用同步辐射软X射线近边吸收谱(C-1sNEXAFS)方法,研究了长期施用化肥以及化肥配施玉米秸秆对土壤有机碳官能团的影响。结果表明:与不施肥的空白处理(CK)相比,单施化肥(N,NPK)后土壤的芳香C和羧基C含量增加,脂族C和羰基C含量下降,脂族C/芳香C比值降低;与单施化肥处理相比,化肥配施玉米秸秆后芳香C含量下降而脂族C含量增加,脂族C/芳香C比值增加,并随玉米秸秆用量增加表现的更为明显;无论配施玉米秸秆与否,NPK肥混施处理的芳香C、脂族C以及脂族C/芳香C比值均高于单施N肥处理。上述结果说明,单施化肥比不施肥使土壤有机碳官能团中芳香类化合物的相对比例增加,而脂肪烃类化合物的相对比例下降;化肥配施玉米秸秆则比单施化肥增加了脂肪烃类化合物的相对比例,配施高量比低量玉米秸秆的增加趋势更为明显,同时NPK肥混施比单施N肥有利于提高脂肪烃类化合物的相对比例。C-1sNEXAFS方法能够原位表征长期定位施肥条件下土壤有机碳官能团组成的变化。

同步辐射高分辨X射线荧光谱仪及其应用进展

本文简要综述了近几年来国内外利用高分辨大接收角度球面聚焦晶体阵列组成的同步辐射 X 射线荧光谱仪的发展及其在化学结构分析中的应用情况。重点介绍了高分辨 X 射线荧光谱仪的基本结构、工作原理及其在材料科学和生命科学中过渡金属元素化学结构分析领域的应用。

同步辐射微区X射线荧光光谱法原位分析蚯蚓中K,Ca,Cu,Zn和Pb

为了研究重金属元素在蚯蚓体内的富集和存储机制,使用同步辐射微区X射线荧光光谱法(μ-SRXRF)研究了K,Ca,Cu,Zn和Pb元素在生长于南京栖霞山铅锌矿区附近菜园土壤的蚯蚓体内的分布特征,发现Pb主要富集在蚯蚓后部消化道周围的区域,Zn,Cu在蚯蚓后部的分布规律与Pb类似,推测后部消化道周围区域的分布是蚯蚓为了阻断毒性重金属元素威胁而特有的富集和存储方式。5种元素的相关性表明,Pb和Zn相关性最高,存储方式最为相似,Pb与K和Ca在蚯蚓后部的分布呈显著正相关,说明毒性元素Pb在蚯蚓体内的富集和存储过程可能伴随着其它元素的吸收。本研究表明,μ-SRXRF在原位微区分析蚯蚓样品的元素空间分布方面具有很大优势,而进一步开展土壤及蚯蚓中Pb的形态研究,是研究重金属胁迫下蚯蚓解毒机制的重要前提。

同步辐射X射线荧光光谱及应用

一、同步辐射光由于常规X射线源(如:X-光管;放射性同位素)的强度低,散射背景高,使得X射线荧光光谱(XRF)法的检测限不如其他一些方法低。借助于化学预富集(如:共沉淀,萃取,离子交换…),检测限虽下降1~2个数量级,却牺牲了其他方面的优点。

原位微区同步辐射X射线荧光和近边吸收谱研究铅耐受细菌吸附-转化铅机理

为了从微观水平研究细菌生物吸附及转化铅机理,利用原位微区同步辐射X射线荧光(μ-SRXRF)及X射线吸收近边结构谱(XANES)研究云南兰坪铅锌矿区农田土壤样品中筛选的铅耐受性细菌吸附铅的分布特征及铅形态转化规律。土壤中具有铅耐受性的菌株主要为Arthrobacter sp.属(节杆菌属),采用μ-SRXRF对其吸附铅的含量进行快速简单直接分析,部分细菌吸附铅的含量高达5925μg/g,富集系数达14.8。XANES结果表明,细菌吸附Pb后存在形态为Pb S、(C_(17)H_(35)COO)_2Pb和Pb_5(PO_4)_3Cl分别占58.0%,22.2%和19.8%,与培养基本身以有机态为主的Pb形态有明显差异,表明培养基中铅被细菌吸附后有向硫化物转化的趋势,这为研究重金属生物有效性的影响因素提供了实验参考。

固体表面结构的同步辐射研究:X射线吸收近边结构(XANES)

表面x-射线吸收近边结构是与团体表面原子的内壳层的电子向未占据轨道跃迁密切相关的。吸收边阈值之上的大约50eV的低能范围的潜图结构含有与吸收原子近邻的局域结构和局城电子态相关的信息。因此它已经成为研究固体表面局域特性，诸如同城几何结构，键长和键角的有用工具．为了和实验的表面XANES谱一致和对实测XANES谱进行解释，已经发展起来多种XANES的理论计算方法，比较成功的有能带结构近似理论和多原子体系的多重散射理论近似方法．在本文中，还简要介绍了利用同步辐射进行表面XANES实验的技术要求和相关方法的比较，并给出了若干实例说明表面XANES在固体表面结构研究方而的应用．

米曲霉孢子对同步辐射C、N、O元素K吸收边附近软X射线的吸收剂量分布研究

以C、N、O元素的K吸收边附近能量的软X射线为辐射光源,通过模型分析,比较了米曲霉孢子不同部位对不同能量软X射线吸收剂量分布。同时利用合肥同步辐射软X射线显微术光束线准单色的软X射线对孢子进行辐照实验,对不同能量辐照存活率结果进行了比较。理论分析表明,由于C、N、O元素K吸收边效应以及孢子不同部位元素组成的不同,受照时孢子不同部位对软X射线的吸收剂量分布随能量变化存在差异。实验结果显示,3种元素K吸收边附近软X射线对米曲霉孢子均有很强的辐射失活效应,其中2.3nm波长的软X射线对孢子的辐射损伤效应要高于3.2nm和4.4nm波长的软X射线。

第四代同步辐射光源的光束线站及其应用

随着第四代同步辐射光源的兴起,得益于X射线亮度和相干性的大幅度提升,同步辐射实验技术在谱学、散射和成像等方面取得了显著进步。这些技术能够探测复杂非均匀体系和动态变化过程中的物质结构、成分、化学价态、电子态和磁性等关键信息,在基础科学领域和应用基础研究中发挥关键作用。文章旨在介绍第四代同步辐射光源的线站技术优势,并结合具体例子探讨其在若干物理研究中的应用,同时也讨论了当前存在的工程技术挑战。希望人们能够了解第四代同步辐射光源的光束线站的特点和应用潜力,以促进其在各个科研领域的推广。

同步辐射X射线荧光和吸收谱技术在环境汞污染研究中的应用进展

汞作为一种重要的全球性重金属污染物,被许多国际组织列为优先控制污染物。常规的汞分析手段,例如电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、原子荧光光谱(AFS)等,对汞的分析精度较高,方法比较成熟,但对样品前处理要求也较高。同步辐射技术由于其高、精、准的优势,且对样品前处理要求比较简单、可实现原位无损分析,因此被广泛应用于环境样品的分析中。随着研究的发展,同步辐射X射线荧光光谱(SRXRF)和同步辐射X射线吸收光谱(SRXAS)技术在环境汞污染分析领域得到了越来越多的应用。主要介绍了我国环境汞污染现状及污染特征,同步辐射技术对于汞分布蓄积、含量和化学形态分析方面的独特优势,重点回顾了本项目组和其他一些研究组近几年关于SRXRF和SRXAS技术在环境介质如土壤、植物体内汞的分布蓄积、相对含量和化学形态转化研究领域的应用进展,对进一步发展并提高同步辐射技术在环境及生物体汞污染水平、毒性机理和生态毒理评价方面的应用进行了展望。

溶液法原位大面积制备钙钛矿光电薄膜成膜的同步辐射可视化结晶过程研究

溶液法是新型光电器件制备的重要手段,然而以钙钛矿半导体材料为代表的薄膜样品制备通常需要在手套箱环境下完成,传统的实验表征大多在空气环境下进行,这显然很难反映薄膜结构与器件性能间的真实关联,因此急需对溶液成膜过程的微结构演变开展原位实时研究.为了实现溶液法成膜中的结构与形貌的同步辐射掠入射广角散射实时观测,本文结合上海同步辐射光源线站布局,报道了一种基于手套箱的原位成膜观测装置,可实现标准手套箱环境(c(H_(2)O,O_(2))<1×10^(-6))下远程控制薄膜旋涂、涂布及样品后处理,并实时可视化监测微结构和形貌演变.基于该装置进行的钙钛矿薄膜狭缝涂布大面积成膜结晶过程的原位GIWAXS/GISAXS(gtrazing incidence wide and small angle X-ray scattering)可视化测试揭示了薄膜微结构转变的内在驱动力:钙钛矿薄膜沉积界面层的优化对提升钙钛矿成核速率、诱导结晶择优取向、形成晶粒有序堆叠等具有“共性作用”,同时在成膜过程中的新生中间相显著提升软晶格薄膜质量和稳定性.基于各层均采用卷对卷全溶液狭缝涂布方法制备的大面积全柔性三维钙钛矿薄膜太阳能电池转换效率提升至5.23%(单个器件面积约15 cm^(2)),为迄今报道的这一体系该尺寸的全溶液狭缝涂布柔性钙钛矿器件的最高器件效率之一.因而,基于该同步辐射原位GIWAXS/S/GISAXS装置可以获得控制薄膜生长界面特性和薄膜品质的关键工艺,指导优化制备薄膜的最佳工艺条件.

同步辐射X射线荧光光谱国内外研究进展

同步辐射光源是带电粒子在加速器储存环中以接近光速的速度运动时,沿轨道切线方向发射出的辐射,同步辐射X射线荧光分析(SR-XRF)是以同步辐射X射线作为激发光源的X荧光光谱分析技术。同步辐射X射线荧光分析包括了用于微区及微量元素分析的同步辐射XRF、用于表面及薄膜分析的同步辐射全反射X射线荧光(SR-TXRF)以及用于三维无损分析的同步辐射X射线荧光扫描和成像方法(如X射线荧光CT、X射线荧光全场成像、共聚焦X射线荧光和掠出射X射线荧光等)。X射线荧光光谱法通过测量元素的特征X射线发射波长或能量,识别元素,该方法首先通过测量发射的特征线强度,然后将该强度与元素浓度联系起来,对给定元素进行量化分析。X射线荧光光谱技术可以进行多元素同时分析,同步辐射X射线荧光谱亮度高,可调谐,相干性、准直性及偏振性好,可以用于分析样品元素的含量和空间分布。近些年来随着新光源技术的使用、分析软件的更新换代和定量分析方法的发展,对同步X射线荧光光谱分析产生了极大促进,采用新型X射线光学元件和探测器,能极大提升分辨率和探测效率,促进相关学科应用的发展。介绍了近几年来国内外同步辐射X射线荧光光谱分析技术及其应用发展状况,给出了国内外比较典型的同步辐射X射线荧光光谱分析光束线站最新技术方面的发展概况,并列举了一些典型应用成果,例如在生物医学、环境科学、地质考古、材料科学和物理及化学等领域的应用。对于本领域及相关领域的专家学者了解国内外同步辐射技术发展现状、应用研究成果具有一定的参考意义。

扁平样品体系的同步辐射层析成像检测技术

利用同步辐射X射线高穿透性、高亮度等特点,结合三维重建方法,可以实现样品的三维无损成像,该技术在生物、材料、化学等领域发挥着重要作用。针对扁平样品体系,计算机断层成像(computed tomography,CT)这种常规的三维成像方法,由于其高角度信息缺失,无法实现兼顾尺寸与分辨率的无损高精度成像。近年来再次发展起来的计算机层析成像(computed laminography,CL)可以满足对扁平样品的高精度三维成像的需求。然而,当前的三维重建方法需要足够多的投影数目才能实现高质量重建。文章在已有的三维重建算法的基础上,发展了一种针对CL的傅里叶迭代重建算法(laminography Fourier iterative algorithm,LFIA),在投影角度有限的情况下,利用投影之间的相关信息恢复缺失信息,从而实现更高的重建分辨率,并通过模拟与实验验证算法的可行性。