Empyrean XAS
Empyrean XASは、ラボでのXANESおよびEXAFS測定を可能にし、従来のX線回折を補完する局所の化学的知見を提供します。
広域X線吸収微細構造（EXAFS）
より深い構造上の知見を得るためのEXAFS分光法
より深い構造上の知見を得るためのEXAFS分光法
広域X線吸収微細構造（EXAFS）とは、入射エネルギーが元素の吸収端を超えた際にX線吸収スペクトルに現れる振動信号であり、通常、吸収端から約50～100 eV高い領域で観測されます。
EXAFSは、X線吸収分光法（XAS）測定における2つの補完的な領域の1つです。X線吸収端近傍構造（XANES）が吸収原子の酸化状態や配位対称性に最も敏感であるのに対し、EXAFSはその局所構造を定量化します。これには以下が含まれます。
EXAFSは元素特異的であるため、複雑な混合物中でも、元素の周囲の環境について定量的な知見を得られます。
X線をサンプルに照射すると、そのエネルギーは物質の原子内の内殻電子によって吸収されることがあります。入射X線エネルギーが電子の結合エネルギーを上回ると、吸収端において、電子が光電子として原子から放出されます。
この光電子は、吸収原子から波として外側へ伝搬し、隣接原子によって部分的に後方散乱されます。後方散乱波は、吸収原子において、隣接原子との距離と光電子のエネルギーに応じて、建設的または破壊的に、放出される光電子波と干渉します。これにより、吸収の確率が上昇または低下します。
吸収端をさらに超えて入射X線エネルギーをスキャンすると、この干渉により、測定された吸収信号に一連の振動（EXAFSスペクトル）が生じます。干渉パターンは、周囲の原子の距離、数、おおよその種類、構造の乱れに関する情報をコード化しているため、これらの振動には、吸収原子の局所環境の詳細な構造的フィンガープリントが含まれています。
この構造情報を抽出するために、EXAFS振動は光子エネルギーから光電子波数（k）に変換され、その後フーリエ変換されます。これにより、擬動径分布関数が得られ、そのピークは、吸収原子からの距離が異なる隣接原子の殻に対応します。
光電子は散乱する際に位相シフトが生じるため、これらのピークは実際の原子間距離よりもわずかに短い距離に現れます。したがって、これらのデータを構造モデルに当てはめ、以下を決定します。
EXAFS領域で見られる振動を分離し、そのデータをフーリエ変換して擬動径分布関数に変換すると、以下のことが明らかになります。
EXAFSは、長距離の周期的秩序ではなく吸収原子周辺の局所環境に依存するため、X線回折では有用な信号がほとんど得られない非晶質、不規則、ナノスケールの材料においても構造を決定することができます。このように、EXAFSは、長距離秩序を持たない系でも局所構造を同定できる強力なツールとなります。
EXAFS分析は、平均的な結晶構造よりも局所構造や結合距離を正確に把握することが重要な、幅広い産業分野の研究を支えています。その一部を以下に示します。
原子スケールでは、触媒の活性は、その活性部位の正確な形状に左右されることがよくあります。EXAFSは、特に結晶性が低い材料や微量の添加物を含む材料において、回折だけでは解明できない結合長や配位数を特定し、反応の進行に伴いこれらの局所構造がどのように変化するかを追跡します。これにより、構造変化と触媒性能を直接関連付けることが可能となります。
充放電サイクル中に、電池用電極の局所原子構造は、結合が伸びたり、縮んだり、切断されたりすることで変化します。EXAFSは、充放電時のこうした構造変化を追跡し、研究者が最終的に電池の寿命を制限する劣化プロセスを理解するのに役立ちます。
ナノ粒子の小さな径と不規則な表面は、構造的な詳細がほとんど見られない、弱く幅広いXRDピークを示します。EXAFSは長距離秩序の喪失の影響を受けないため、局所配位を解析でき、表面原子とコア原子を区別することができます。これにより、原子レベルでのサイズ依存的な挙動を説明することが可能となります。
EXAFSは、土壌、堆積物、水に結合した金属種の配位環境や結合距離を特定し、それらが鉱物表面や有機物とどのように相互作用するかを明らかにします。これにより、複雑な自然系における汚染物質の挙動や金属化学種に関する研究を支援します。
多目的X線プラットフォームに、局所の化学的知見をプラス
EXAFSの振動は微弱な信号であるため、EXAFS全範囲をスキャンするには、信頼性の高い定量的なフィッティングに必要な信号対ノイズ比を確保するために、従来、数時間のシンクロトロンのビーム利用枠が必要でした。この測定時間の延長は、既存のシンクロトロン施設の利用競争にさらなる負担を強いるだけです。
Malvern PanalyticalのEmpyrean XASソリューションは、EXAFS測定を直接ラボで行えるようにすることで、この状況を変革することを目指しています。
Empyrean XASには次のものが含まれます。
Empyrean XASにより、研究者は次のことが可能となります。
Empyrean XASは、広範囲にわたる周期表の元素測定に対応し、中Z元素（Ti、Fe、Ni、Moなど）のK吸収端や、重元素（BaやCeなど）のL吸収端を分析できます。利用可能なエネルギー範囲は4～20 keV以上です。
Empyrean XASは、ラボでのXANESおよびEXAFS測定を可能にし、従来のX線回折を補完する局所の化学的知見を提供します。