Аномальное малоугловое рассеяние (Anomalous Small-Angle Scattering, ASAXS) представляет собой методику исследования структуры материалов, основанную на тонкой настройке энергии рентгеновского излучения вблизи поглощающих краев атомов, входящих в состав образца. В отличие от классического малоуглового рассеяния (SAXS), ASAXS позволяет выявлять пространственное распределение отдельных элементов, благодаря энергии-специфическому изменению атомного сечения рассеяния.
Ключевым физическим эффектом, используемым в ASAXS, является аномальное рассеяние рентгеновских лучей, возникающее при приближении энергии фотонов к внутренним электронным уровням атомов. Вблизи краевого поглощения атомного уровня, амплитуда рассеяния становится комплексной и описывается как:
f(E) = f0 + f′(E) + if″(E),
где f0 — обычное атомное рассеяние, f′(E) и f″(E) — энергетически-зависимые аномальные компоненты.
Эта зависимость позволяет усиливать или подавлять вклад конкретных атомов в общий сигнал рассеяния, что делает возможным выделение частиц или областей с определенным химическим составом в многокомпонентных системах.
1. Волновая теория рассеяния
Для малоуглового рассеяния интенсивность рассеяния I(q) связана с форм-фактором P(q) и структурным фактором S(q):
I(q) = ∑i, jfi(E)fj*(E)⟨exp [iq ⋅ (ri − rj)]⟩,
где q = 4πsin (θ)/λ — вектор рассеяния, θ — угол рассеяния, λ — длина волны, а fi(E) — амплитуда аномального рассеяния атома i.
В ASAXS энергия E подбирается так, чтобы f′(E) и f″(E) существенно отличались от нуля для целевого атомного типа. Это приводит к изменению интенсивности рассеянного сигнала только за счет этих атомов, позволяя эффективно выделять их пространственное распределение.
2. Многоатомные системы
Для смеси атомов с разной аномальной реакцией интенсивность рассеяния выражается через:
I(q, E) = ∑α∑βfα(E)fβ*(E)Sαβ(q),
где Sαβ(q) — частичные структурные факторы. Изменяя энергию, можно получать систему уравнений для Sαβ(q), что позволяет реконструировать распределение различных атомных компонент.
1. Выбор энергии
Энергия рентгеновских лучей подбирается с высокой точностью вблизи краевых уровней исследуемого элемента. Обычно используются K- и L-края тяжелых элементов.
2. Детектирование малоуглового рассеяния
Схема эксперимента схожа с классическим SAXS, однако с необходимостью записи интенсивности при нескольких энергиях, близких к краю поглощения.
3. Коррекция данных
Необходима учетная коррекция на поглощение, флуоресценцию и детекторные эффекты. Интенсивность рассеяния нормализуется на мониторы потока для получения достоверных спектров аномального рассеяния.
1. Биологические макромолекулы
ASAXS позволяет выделять отдельные компоненты белковых комплексов, помеченные тяжелыми атомами, и определять их взаимное расположение.
2. Нанокомпозиты и коллоидные системы
С помощью ASAXS можно выявлять распределение определенных наночастиц или функциональных групп в матрице, что невозможно при обычном SAXS.
3. Многоэлементные материалы
В сложных сплавах или стеклах ASAXS позволяет исследовать локальную среду атомов-легирующих элементов и их пространственное распределение.
1. Анализ разности сигналов
Основная стратегия — измерение рассеяния при нескольких энергиях и построение разностных кривых. Это позволяет выделить вклад целевых атомов.
ΔI(q) = I(q, E1) − I(q, E2) ≈ 2f0Δf′(E)Starget(q)
где Starget(q) — структурный фактор выделяемого компонента.
2. Ограничения метода
Аномальное малоугловое рассеяние обеспечивает мощный инструмент для изучения многокомпонентных систем, где важно различать атомные и молекулярные компоненты в наномасштабе. Благодаря сочетанию энергетической селективности и чувствительности к малым углам рассеяния, ASAXS открывает новые возможности для структурного анализа в физике материалов, биофизике и нанотехнологиях.