浅述小角x射线散射

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1、小角Ｘ射线散射技术在纳米溶胶中的应用摘要：小角X射线散射是当前物理与化学学科前沿交叉领域—软凝聚态物质的一个强有力研究工具。本报告重点论述了小角X射线散射在纳米溶胶研究中的应用，主要涉及纳米粒子粒径及其分布的测定、纳米粒子比表面积计算及界面结构解析、纳米粒子聚集形态表征等，同时对小角X射线散射的部分基础理论及常用研究方法进行了描述。关键词小角X射线散射纳米溶胶界面结构聚集形态1.引言X射线的发现要追溯到1895年，伦琴在从事阴极射线的研究过程中发现了比可见光波长小的辐射，由于对该射线性质一无所知,伦琴将其命名为X射线(X-ray)

2、。到20世纪30年代，人们以固态纤维和胶态粉末为研究物质发现了小角度X射线散射现象。当X射线照射到试样上时，如果试样内部存在纳米尺度(1—100nm)的电子密度不均匀区，则会在入射光束周围的小角度范围内(一般2θ≤6°)出现散射X射线，这种现象称为小角X射线散射(SmallAngleX-rayscattering,简写为SAXS)[1]。其物理实质在于散射体和周围介质电子云密度的差异，所以它被人们广泛用于研究尺度在1—100nm左右的电子密度非均质体，这一特点使SAXS近年来成为研究胶体分散体系与有序分子组合体的有力工具[2,3]

3、。纳米材料广泛的应用前景促进了人们对纳米材料研究的关注,该领域研究的重点之一是制备l—100nm尺度的纳米粒子。由于纳米粒子与分散介质之间存在电子密度差，而且该尺度的纳米粒子处于正好在小角X射线散射范围之内，使得SAXS成为研究纳米溶胶的有效手段。对于纳米溶胶分散体系，它可以获取许多定性和定量的结构信息，例如，纳米粒子粒径及其分布[4]、纳米粒子比表面积计算及界面结构[5]、纳米粒子聚集形态[6]等。SAXS是一种非破坏性的分析方法，在实验过程中具有许多优点：适用样品范围宽，干、湿态样品都适用；与透射电子显微镜(TEM)比较，几乎

4、不需特殊样品制备，能表征TEM无法测量的样品；对弱序、液晶性结构、取向和位置相关性有较灵敏的检测；可以直接测量体相材料，有较好的粒子统计平均性[7]。在SAXS测定中，实验上测量的散射强度除样品的散射强度外，还有空气、荧光、狭缝边缘、分散介质和仪器电压波动等引起的寄生散射，这些寄生散射统称背景散射，对解决某些结构问题来说正确的扣除背景散射是十分重要的。一般说来，SAXS的准直系统可8以分为两类：针孔准直和狭缝准直。不同的准直系统对散射曲线会产生不同的影响，如针孔准直系统不适合实时观测，狭缝准直系统可使数据“失真”或产生“模糊”效应

5、。SAXS最初的理论公式都是针对点状截面的初级光束推导出来的，只有用针孔准直才能具有这样的截面。但在实际测量中，由于对提高散射强度的要求，人们多使用狭缝光阑[8].2.SAXS在纳米粒子粒径及其分布研究中的应用在SAXS测定中，总散射强度I主要与两个因素密切相关[9]：I(h)∝S(h)∙P(h)式中S(h)为结构因子，与体系内相互作用有关；P(h)为形状因子，与散射体的形状和大小有关；h为散射因子，定义为h=4πsinθ/λ这里2θ为散射角，λ为入射光的波长。当X射线透过纳米粒子时，发生电子共振从而产生相干散射，因纳米粒子与周围

6、介质(空气、溶液等)存在一定的电子密度差，这样散射因子就与散射体的大小呈现一定的对应关系，即散射体越小，对应的散射因子越大；反之，散射体越大，得到的散射曲线越趋近于小角部分。引起散射的粒子体系主要有稀疏单分散系、稀疏取向系、多分散系、稠密粒子系和密度不均匀粒子系等几种体系。其中稀疏粒子系是比较简单的体系，粒子随机取向，形状一致，并且每个粒子内部具有均匀的电子密度，整个体系的散射强度为各个粒子本身散射强度的简单加和，因此人们也往往以这种体系作为粒子研究的对象。对于稀疏粒子体，由于粒子之间距离远远大于粒子本身，粒子间相互作用力非常微弱

7、，因此可以忽略S(h)对I(h)的贡献，通过P(h)得到粒子的回转半径：I(h)=I(0)exp(-h2RG3/3)这就是著名的Guinier近似式，适用于很小角度和各种形状的散射体。其中h为散射因子，I(0)为零角处的散射强度，RG为散射体的回转半径。将Guinier近似式取对数，并以lnI(h)对h2作图，在低角部分得到一条直线，其斜率为-RG3/3，从而可求出粒子的回转半径。对一定形状的粒子，其体积为RG的函数，所以可选用RG来代表粒子的尺寸。回转半径和粒子的几何形状存在一定的对应关系，由此可以确定粒子的几何半径[1]。对于

8、球形粒子，回转半径与几何半径的对应关系为RG=3/5R。对于多分散的纳米粒子体系，简单采用Guinier近似式容易造成较大的偏差，此时Guinier区域的lnI(h)对h2图已不再是直线而是一条下凹的曲线。利用这种曲线解析粒子尺8寸分布有多种方法[