院士团队信赖，顶刊力证：看XAFS技术解码纳米生物材料，助力医学突破！

一、XAFS技术简介

纳米生物材料是纳米科技与生物医药材料的结合，在药物传递、含钆(Gd)/含碘(I)造影剂、生物成像和疾病诊断与治疗等方面都展现出巨大的应用潜力。通过对纳米生物材料的组分结构、物化性质以及与生物系统间的相互作用等方面的全方位表征，可助力纳米生物材料结构的合理设计，同时也有利于揭示纳米材料-生物系统界面上复杂的化学生物学作用机制。

X射线吸收精细结构（XAFS）技术被广泛视作解析纳米材料结构的“神兵利器”。如图1所示，XAFS 是指样品对X射线的吸收系数会随入射光的能量变化而形成的曲线，具有对于中心吸收原子的局域电子结构、原子结构、化学环境敏感的特征。通常而言，XAFS 谱图可分为两个区域，其一是X射线吸收近边结构（XANES）部分，可定性或半定量地分析出中心吸收原子的氧化态、配位构型、电子态等信息；其二是拓展X射线吸收精细结构（EXAFS）部分，可通过拟合定量地分析出中心吸收原子周围配位原子的种类、距离、配位数、无序度等的信息。总的来说相较其他材料表征手段，XAFS技术具有不依赖材料长程有序结构、具备原子尺度探测能力、方便搭载各类原位反应装置等优异特性。

图1. Ru powder样品的Ru K-edge XAFS谱图（数据采集于安徽创谱仪器科技有限公司TableXAFS仪器，型号：TableXAFS-3000）

近年来，静态/动态的 XAFS 测试与实验已逐渐用于阐明纳米生物材料的结构、价态、电子状态等的研究中，所获结果加深了人们对于纳米材料与不同细胞、组织、生物流体微环境等复杂界面的相互作用规律及其代谢行为的认识，从而为下一代更高性能的纳米生物材料的开发提供了坚实的理论指导和技术支持。

二、XAFS技术在纳米生物材料研究中的应用案例

1、Nature Nanotechnology——XAFS用于表征新型广谱抗新冠病毒纳米材料

深圳先进技术研究院李洋副研究员、高能物理研究所王黎明研究员、国家纳米科学中心陈春英院士、深圳先进技术研究院李红昌研究员和昆明动物研究所郑永唐研究员开发了一种可选择性高效结合新冠病毒刺突蛋白的铜铟磷硫二维纳米材料（CIPS）。CIPS 能选择性地高效结合包括德尔塔和奥密克戎在内的多种新冠变异病毒的刺突蛋白（S蛋白），进而阻断新冠病毒侵染宿主细胞。该研究基于“纳米蛋白冠”的原理和性质，设计高效捕获新冠病毒刺突蛋白的新型纳米材料，研究为开发广谱抗新冠病毒药物提供了新的思路和策略。

在这项研究中，研究团队通过 XAFS 表征解析了 CIPS 材料中 Cu 的价态和局部配位环境，结果表明 CIPS 材料中 Cu 以 +1 价的形式存在，此外通过图 2d 中的 EXAFS 拟合分析表明 CIPS 中铜原子与硫原子配位。

图2. CIPS纳米生物材料的表征及其在体外抗SARS-CoV-2的能力

2、Nature Nanotechnology——XAFS用于表征纳米蛋白冠介导的MoS2材料

国家纳米科学中心陈春英院士团队以二维过渡金属硫化物（二硫化钼，MoS2）作为研究对象，通过集成多种先进分析技术（微束X射线荧光、XAFS技术、软X射线透射成像nanoCT等）系统研究了纳米材料在体内转运-转化-利用的全过程，揭示了材料表面的“纳米蛋白冠”组分介导了 MoS2 在肝脏 Kupffer 细胞和脾脏红髓巨噬细胞中的富集。研究结果对深入理解纳米-生物界面调控纳米材料体内复杂的化学生物学效应和机制提供了新认识。

如该论文图 3a 及图 3b 所示，研究团队通过 XAFS 技术中的 XANES 谱图解析了 MoS 2 纳米材料中 Mo 元素在不同状态下的价态变化情况及具体价态分布。

图 3. MoS 2 纳米生物材料的 XAFS 表征

3 、 Nature Communications—— XAFS 用于表征肿瘤治疗与抗炎的铁蛋白纳米酶

中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士及 范克龙研究员团队报道了一项生物合成铁蛋白的铁核作为天然纳米酶用于清除超氧自由基的研究，结果表明原核生物铁蛋白的铁核具有比真核生物更高的超氧自由基清除活性。进一步的研究表明，催化能力的差异是由铁芯中铁/磷比的变化引起的，而铁/磷比的变化主要由铁蛋白的结构决定。

如该论文图 4d-f 所示，研究团队通过 XAFS 技术研究了不同铁蛋白中 Fe 元素的价态与 Fe 原子的局域配位结构。结果表明生物合成的 HFN 核与古菌铁蛋白 pfFn 和 pyFn 核的主要区别是铁原子第二层的磷配位，这可能影响了与超氧化物的反应能力。

4 、 Nano-Micro Letters —— XAFS 用于表征医用单原子催化剂

中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林院士、逯向雨团队受社会科学和生态学领域的概念 -密度效应启发，通过锌与铁的交换构建了高负载量、高氧化酶样活性和高稳定性的铁单原子催化剂（h3-FNCs），表现出了高效的催化氧气还原为超氧阴离子、耗竭谷胱甘肽、抗菌促进伤口愈合能力，该研究为设计高效纳米药物提供了方法，有望推广用于合成高效催化剂

如该论文图 5 所示，研究团队通过 XAFS 技术表征了所制备的铁单原子催化剂，确认了该纳米生物材料中 Fe 原子单分散的存在形式。图 5a 可知 h3-FNCs 中铁的价态介于 +2 和 +3 之间。FT-EXAFS 谱图（图 5b）中 2.13 Å 处没有属于 Fe-Fe 键的峰，表明在 h3-FNCs 中 Fe 原子相互隔离从而形成原子分散的 Fe 位点。拟合结果得到的 Fe 单原子结构以 Fe-N4 的形式存在（图5c，图5d），这种配位与天然氧化酶中的铁卟啉中心非常相似。Fe-foil 的小波变换谱图（图5e）显示了 Fe-Fe 键对应的强度最大值，而 h3-FNCs 的 WT 图（图5f）中却没有，进一步证实 h3-FNCs 中没有金属基纳米颗粒。

图5. h3-FNCs医用单原子催化材料的XAFS表征

三、实验室级 XAFS 设备——创谱仪器 TableXAFS 谱仪

事实上，除了纳米生物材料， XAFS 技术在化学、催化、新能源、环境等众多科学研究领域均发挥着无法替代的重要作用。然而，目前 XAFS 的测试与实验很大程度上需要依赖同步辐射光源，大科学装置的稀缺性使得广大研究者们的需求严重受限于光源的机时。为了突破这一限制，短波光谱仪器专家——创谱仪器基于多年来在大科学装置领域积累的前沿技术，自主开发了 TableXAFS 仪器，可足不出户地在实验室开展多种样品的 XAFS/XES 测试与实验。

自 2022 年伊始推向市场以来，基于创谱仪器专业的短波光谱仪器开发制造能力，已完成 TableXAFS 谱仪的批量交付，越来越多的科研工作者们使用 TableXAFS 谱仪获得了高质量的实验数据，已发表了 150 余篇 SCI 论文（IF＞10论文100余篇），原位 XAFS 成果 10 篇（包括光催化、电催化、热催化、二次电池），交付仪器产出 40 余篇论文。用户用的好，是仪器质量过硬、售后完善的最佳证明，同时也是我们实现“将同步辐射装置通用化，服务更多科学家”这一愿景的最大动力。