说明：软X射线与硬X射线吸收谱因能量差异，分别擅长表面探测与体相分析，在材料、生物等领域形成互补，共同揭示物质结构与化学状态。光是一种由电子运动产生的能量形式，不同波长显示为不同颜色，尽管大多数波长人眼不可见。

图1：光/波

01、什么是X射线吸收谱

）是一种极其强大的分析工具。

这一技术的核心原理在于，当能量可调的X射线光子与物质相互作用时，会激发原子内部的芯能级电子发生跃迁，从而在特定的能量点产生一个吸收“信号” 。图2：吸收谱示意图

）。

；后者则分析吸收边之后延伸区域的振荡信号，能够精确反演出中心原子周围的配位原子种类、配位数和键长等结构信息。

。根据能量的高低（或波长的长短），X射线被划分为这两个范畴。

旨在深入剖析软X射线与硬X射线吸收谱的差异，阐述它们如何共同构建出一整套吸收谱体系。

02、基本原理与核心差异：能量决定视角

软X射线 (Soft X-ray)：硬X射线 (Hard X-ray)：指能量较高、波长较短的X射线。其能量通常高于5千电子伏特（keV），波长则短于1埃（Å）。

随着能量的增加，X射线的吸收系数会平滑下降，这意味着X射线的穿透性会显著增强。正是这一物理规律，造就了两者在探测物质时的核心差异——穿透深度。

穿透深度：表面 vs 体相

软X射线的能量较低，与物质相互作用时极易被吸收，导致其穿透能力非常有限。在实验中，软X射线吸收谱是一种接近于表面探测的技术。

对表面的极端敏感性，使得软X射线成为研究材料表面、薄膜以及界面化学与电子结构的理想工具。

相比之下，硬X射线能量高，吸收系数低，具有强大的穿透能力 。它们可以轻松穿透厚度达数十微米甚至毫米级别的样品，从而获取样品内部的、具有统计平均意义的结构与化学信息 。

由于软、硬X射线在物理性质上的巨大差异，它们的实验装置、样品制备和测量环境也遵循着截然不同的“游戏规则”。

图5：SSRF BL17B X射线吸收精细结构谱-硬X射线实验平台

软X射线在空气中会被严重吸收，是不透明的 。因此，从光源到样品再到探测器的整个光路都必须维持在高真空环境中，这对实验设备提出了严苛的要求。

硬X射线则可以穿透空气，其相关实验可以在大气环境或特定气氛下进行，为原位（in-situ）和工况（operando）研究提供了极大的便利。

在可见光波段常见的透镜、棱镜等透射式光学元件，在软X射线波段完全无法使用 。

软X射线的光束聚焦、单色化等操作主要依赖于特殊设计的反射镜系统。硬X射线则可以使用基于衍射（如晶体单色器）或折射原理的多种光学元件。

使用软X射线进行测量时，对样品的厚度有严格限制。样品如果过厚（例如超过50纳米），可能会导致吸收信号饱和或失真，从而无法获得准确的光谱信息 。

软X射线和硬X射线吸收谱虽然原理相通，但因其探测对象和深度的不同，在科研应用中扮演着互补的角色，共同推动着科学前沿的探索。

探测元素与吸收边的选择

的能量范围使其成为研究低Z元素硬X射线（激发1s轨道电子到4p轨道的跃迁）。K边EXAFS信号能够提供关于中心原子周围精确的配位结构信息（键长、配位数），是确定催化剂活性位点、金属蛋白中心结构以及材料晶格畸变等问题的金标准。

在生命科学中的独特应用

在生物学中被广泛用于研究金属酶软X射线的能量区域（约280 eV至543 eV，介于碳和氧的K吸收边之间），水对软X射线的吸收相对较弱，而含碳的有机物（如蛋白质、脂质）则有强烈的吸收。

镜能够在接近自然状态下对水环境中的完整细胞进行高分辨率成像，观察其内部的精细结构 。

随着同步辐射（XFEL）等先进光源技术的飞速发展，软、硬X射线吸收谱技术正迎来新的发展机遇。

利用XFEL提供的超快、超强X射线脉冲，科学家们正致力于发展时间分辨XAS技术，以“拍摄电影”的方式实时追踪化学反应、相变过程或生物大分子功能执行过程中的瞬态结构和电子态变化 。

设计更加精密的样品环境原位反应池，结合高穿透性的硬X射线和表面敏感的软X射线，能够在真实的反应条件（如高温、高压、电化学环境）下研究材料的动态演化，架起基础研究与实际应用之间的桥梁 。

06、结论