一、XAFS技術簡介

納米生物材料是納米科技與生物醫藥材料的結合，在藥物傳遞、含釓(Gd)/含碘(I)造影劑、生物成像和疾病診斷與治療等方面都展現出巨大的應用潛力。通過對納米生物材料的組分結構、物化性質以及與生物系統間的相互作用等方面的全方位表征，可助力納米生物材料結構的合理設計，同時也有利于揭示納米材料-生物系統界面上復雜的化學生物學作用機制。

X射線吸收精細結構（XAFS）技術被廣泛視作解析納米材料結構的“神兵利器”。如圖1所示，XAFS 是指樣品對X射線的吸收系數會隨入射光的能量變化而形成的曲線，具有對于中心吸收原子的局域電子結構、原子結構、化學環境敏感的特征。通常而言，XAFS 譜圖可分為兩個區域，其一是X射線吸收近邊結構（XANES）部分，可定性或半定量地分析出中心吸收原子的氧化態、配位構型、電子態等信息；其二是拓展X射線吸收精細結構（EXAFS）部分，可通過擬合定量地分析出中心吸收原子周圍配位原子的種類、距離、配位數、無序度等的信息。總的來說相較其他材料表征手段，XAFS技術具有不依賴材料長程有序結構、具備原子尺度探測能力、方便搭載各類原位反應裝置等優異特性。

圖1. Ru powder樣品的Ru K-edge XAFS譜圖（數據采集于安徽創譜儀器科技有限公司TableXAFS儀器，型號：TableXAFS-3000）

近年來，靜態/動態的 XAFS 測試與實驗已逐漸用于闡明納米生物材料的結構、價態、電子狀態等的研究中，所獲結果加深了人們對于納米材料與不同細胞、組織、生物流體微環境等復雜界面的相互作用規律及其代謝行為的認識，從而為下一代更高性能的納米生物材料的開發提供了堅實的理論指導和技術支持。

二、XAFS技術在納米生物材料研究中的應用案例

1、Nature Nanotechnology——XAFS用于表征新型廣譜抗新冠病毒納米材料

深圳先進技術研究院李洋副研究員、高能物理研究所王黎明研究員、國家納米科學中心陳春英院士、深圳先進技術研究院李紅昌研究員和昆明動物研究所鄭永唐研究員開發了一種可選擇性高效結合新冠病毒刺突蛋白的銅銦磷硫二維納米材料（CIPS）。CIPS 能選擇性地高效結合包括德爾塔和奧密克戎在內的多種新冠變異病毒的刺突蛋白（S蛋白），進而阻斷新冠病毒侵染宿主細胞。該研究基于“納米蛋白冠”的原理和性質，設計高效捕獲新冠病毒刺突蛋白的新型納米材料，研究為開發廣譜抗新冠病毒藥物提供了新的思路和策略。

在這項研究中，研究團隊通過 XAFS 表征解析了 CIPS 材料中 Cu 的價態和局部配位環境，結果表明 CIPS 材料中 Cu 以 +1 價的形式存在，此外通過圖 2d 中的 EXAFS 擬合分析表明 CIPS 中銅原子與硫原子配位。

圖2. CIPS納米生物材料的表征及其在體外抗SARS-CoV-2的能力

2、Nature Nanotechnology——XAFS用于表征納米蛋白冠介導的MoS2材料

國家納米科學中心陳春英院士團隊以二維過渡金屬硫化物（二硫化鉬，MoS2）作為研究對象，通過集成多種先進分析技術（微束X射線熒光、XAFS技術、軟X射線透射成像nanoCT等）系統研究了納米材料在體內轉運-轉化-利用的全過程，揭示了材料表面的“納米蛋白冠”組分介導了 MoS2 在肝臟 Kupffer 細胞和脾臟紅髓巨噬細胞中的富集。研究結果對深入理解納米-生物界面調控納米材料體內復雜的化學生物學效應和機制提供了新認識。

如該論文圖 3a 及圖 3b 所示，研究團隊通過 XAFS 技術中的 XANES 譜圖解析了 MoS 2 納米材料中 Mo 元素在不同狀態下的價態變化情況及具體價態分布。

圖 3. MoS 2 納米生物材料的 XAFS 表征

3 、 Nature Communications—— XAFS 用于表征腫瘤治療與抗炎的鐵蛋白納米酶

中國科學院生物物理研究所閻錫蘊院士及 范克龍研究員團隊報道了一項生物合成鐵蛋白的鐵核作為天然納米酶用于清除超氧自由基的研究，結果表明原核生物鐵蛋白的鐵核具有比真核生物更高的超氧自由基清除活性。進一步的研究表明，催化能力的差異是由鐵芯中鐵/磷比的變化引起的，而鐵/磷比的變化主要由鐵蛋白的結構決定。

如該論文圖 4d-f 所示，研究團隊通過 XAFS 技術研究了不同鐵蛋白中 Fe 元素的價態與 Fe 原子的局域配位結構。結果表明生物合成的 HFN 核與古菌鐵蛋白 pfFn 和 pyFn 核的主要區別是鐵原子第二層的磷配位，這可能影響了與超氧化物的反應能力。

圖4. 鐵蛋白鐵核的原子結構和DFT分析

4 、 Nano-Micro Letters —— XAFS 用于表征醫用單原子催化劑

中國科學院上海硅酸鹽研究所施劍林院士、逯向雨團隊受社會科學和生態學領域的概念 -密度效應啟發，通過鋅與鐵的交換構建了高負載量、高氧化酶樣活性和高穩定性的鐵單原子催化劑（h3-FNCs），表現出了高效的催化氧氣還原為超氧陰離子、耗竭谷胱甘肽、抗菌促進傷口愈合能力，該研究為設計高效納米藥物提供了方法，有望推廣用于合成高效催化劑

如該論文圖 5 所示，研究團隊通過 XAFS 技術表征了所制備的鐵單原子催化劑，確認了該納米生物材料中 Fe 原子單分散的存在形式。圖 5a 可知 h3-FNCs 中鐵的價態介于 +2 和 +3 之間。FT-EXAFS 譜圖（圖 5b）中 2.13 ? 處沒有屬于 Fe-Fe 鍵的峰，表明在 h3-FNCs 中 Fe 原子相互隔離從而形成原子分散的 Fe 位點。擬合結果得到的 Fe 單原子結構以 Fe-N4 的形式存在（圖5c，圖5d），這種配位與天然氧化酶中的鐵卟啉中心非常相似。Fe-foil 的小波變換譜圖（圖5e）顯示了 Fe-Fe 鍵對應的強度最大值，而 h3-FNCs 的 WT 圖（圖5f）中卻沒有，進一步證實 h3-FNCs 中沒有金屬基納米顆粒。

圖5. h3-FNCs醫用單原子催化材料的XAFS表征

三、實驗室級 XAFS 設備——創譜儀器 TableXAFS 譜儀

事實上，除了納米生物材料， XAFS 技術在化學、催化、新能源、環境等眾多科學研究領域均發揮著無法替代的重要作用。然而，目前 XAFS 的測試與實驗很大程度上需要依賴同步輻射光源，大科學裝置的稀缺性使得廣大研究者們的需求嚴重受限于光源的機時。為了突破這一限制，短波光譜儀器專家——創譜儀器基于多年來在大科學裝置領域積累的前沿技術，自主開發了 TableXAFS 儀器，可足不出戶地在實驗室開展多種樣品的 XAFS/XES 測試與實驗。

自 2022 年伊始推向市場以來，基于創譜儀器專業的短波光譜儀器開發制造能力，已完成 TableXAFS 譜儀的批量交付，越來越多的科研工作者們使用 TableXAFS 譜儀獲得了高質量的實驗數據，已發表了 150 余篇 SCI 論文（IF＞10論文100余篇），原位 XAFS 成果 10 篇（包括光催化、電催化、熱催化、二次電池），交付儀器產出 40 余篇論文。用戶用的好，是儀器質量過硬、售后完善的最佳證明，同時也是我們實現“將同步輻射裝置通用化，服務更多科學家”這一愿景的最大動力。