本文总结同步辐射透射与荧光模式的选择策略，从原理差异出发，围绕样品厚度、元素含量等特性，结合实验目的及技术限制展开分析，并辅以多领域案例。读者可掌握两种模式的选择逻辑，高效开展同步辐射实验，获取高质量数据。
PART.01、两种模式的核心原理
透射模式的核心原理基于“光子衰减定律”。当入射光穿过样品时，部分光子会被样品中的原子吸收，部分会发生弹性或非弹性散射，探测器接收的透射光强（I）与入射光强（I0）遵循特定的数学关系，即μ(E)=
其中μ是质量吸收系数；x则是样品的厚度。通过对透射信号的分析，能够反推样品的整体吸收特性，这种特性包含了样品的结构信息和成分信息的综合体现。比如，在研究晶体材料时，透射信号的变化可以反映出晶体内部的原子排列情况以及晶体缺陷的分布。
荧光模式则依赖于“光致发光效应”。当样品吸收入射光子后，原子的内层电子会被激发到高能级状态，处于不稳定状态。随后，外层电子会跃迁到内层填补空位，在这个过程中会释放出特征荧光光子，其能量等于两个能级之间的能量差。
探测器捕捉到的荧光信号，其能量大小直接对应着元素的种类，因为每种元素都有其独特的特征能量；而信号的强度则与元素的含量相关。
这种特性使得荧光模式能够精准地对样品中的元素进行识别和定量分析。例如，在检测合金中的微量元素时，通过荧光信号的能量可以确定元素种类，通过强度可以大致判断其含量。
PART.02、样品本身的特点选择
1.样品厚度与基质吸收
样品的厚度是选择探测模式时需要考虑的关键因素之一。对于薄样品，如薄膜、单层材料等，当厚度小于10μm时，优先选择透射模式。
这是因为在这种情况下，光子在样品中的衰减程度适中，透射信号的强度能够满足实验需求，而且可以很好地反映样品整体的密度分布和界面结构。
而对于厚样品，像块状材料、生物组织切片等，当厚度大于50μm时，优先选择荧光模式。
厚样品对入射光的衰减作用极强，此时透射信号可能已经接近探测器的噪声水平，难以从中提取有效的信息。而荧光信号主要来自样品表层一定的深度，通常在微米级别，受样品整体厚度的影响较小。
此外，样品基质的吸收特性也会影响模式的选择。如果样品基质对入射光具有很强的吸收能力，即使样品厚度不是特别大，透射信号也会受到严重衰减，这时就需要考虑采用荧光模式。相反，如果基质的吸收能力较弱，那么透射模式可能仍然适用。
2.元素含量与分布特征
元素在样品中的含量也是决定探测模式的重要因素。主量元素，即含量大于1%的元素，适合采用透射模式进行分析。
高含量元素对入射光的吸收作用显著，在透射信号中能够呈现出清晰的吸收边和精细结构，如EXAFS（扩展 X 射线吸收精细结构）中的配位信息。
对于痕量元素，也就是含量小于0.1%的元素，必须选择荧光模式。痕量元素的吸收对透射信号的贡献极其微弱，很难从强烈的背景信号中区分出来。
而荧光信号具有元素特异性，通过能量分辨技术可以有效地滤除背景干扰，其灵敏度比透射模式高出1-3个数量级。
元素的分布特征也会影响模式的选择。如果元素在样品中分布均匀，那么透射模式和荧光模式都有可能适用，具体可根据其他因素综合判断。
但如果元素在样品中呈局部富集分布，荧光模式在探测这种分布特征时更具优势，能够清晰地显示出元素富集的区域。
PART.03、实验目的选择
1.结构分析和成分分析
当实验的核心目标是获取样品的宏观结构信息时，如密度分布、孔隙率、相界面位置等，透射模式更为优越。
在X射线CT成像中，透射信号的衰减差异直接对应着样品内部的结构异质性，通过对这些信号的处理和分析，可以重建出样品的三维形貌，为研究样品的内部结构提供直观的图像。
若实验需要精准分析元素的种类、含量及空间分布，如生物细胞内的微量元素成像、催化剂表面活性组分分布等，荧光模式则是首选。
其能量分辨能力能够区分原子序数相邻的元素，如Fe和Ni，通过扫描的方式可以获得元素分布。
DOI：10.1111/ffe.13255
DOI：10.1039/d0ee03947k
2.化学状态分析的适用性
透射模式在研究元素的化学价态与配位环境方面具有显著优势。其吸收谱（XAS）中的近边结构（XANES）对元素的化学状态非常敏感，如Fe2+与Fe3+的吸收边位置存在明显差异，通过对XANES谱的分析可以确定元素的价态。
扩展边（EXAFS）则能够提供配位原子的种类和键长等信息。在分析金属蛋白中活性中心的配位结构时，透射XAS是公认的金标准，能够为理解金属蛋白的功能提供关键的结构信息。
荧光模式在化学状态分析中存在一定的局限性。
虽然可以通过荧光XAS获取元素的价态信息，但由于荧光产额与元素的种类、入射光的能量密切相关，对于轻元素，如C、N等，其荧光产额较低，导致荧光XAS谱的信噪比不高，化学状态分析的精度远低于透射模式。因此，在对轻元素的化学状态进行分析时，通常优先选择透射模式。
PART.04、技术特点和实验局限选择
1.探测灵敏度与背景干扰
荧光模式在探测灵敏度方面具有显著优势。对于痕量元素，如ppm级别的元素，其探测能力比透射模式高10-100倍。
这是因为荧光信号可以通过能量选择的方式有效地滤除大部分背景信号，如散射光等。然而，荧光模式也存在“自吸收效应”的问题，当样品中元素的含量较高时，荧光光子在样品内部会被再次吸收，这可能导致对元素含量的计算结果偏低。
为了减少自吸收效应的影响，可以通过优化样品的制备方法，如将样品制成薄片状，或者采用适当的数学模型对数据进行校正。
透射模式在背景干扰方面面临着较大的挑战。它容易受到样品散射的影响，尤其是非晶样品，散射会导致吸收谱的基线抬升，影响对吸收边和精细结构的分析。
为了降低这种影响，可以通过拟合的方法对基线进行校正，或者在实验设计上采取措施，如提高单色器的分辨率，减少散射光的进入。
不过，透射模式的信号强度与样品的厚度呈线性关系，这使得在进行定量分析时更加直接和准确，不需要像荧光模式那样考虑自吸收等复杂因素的影响。
2.元素类型的适配性
不同类型的元素对两种探测模式的适配性存在差异。对于轻元素，即原子序数Z≤20的元素，如C、O、Al等，透射模式更为可靠。
这是因为轻元素的荧光产额较低，俄歇电子跃迁的概率较高，导致荧光信号较弱，而且容易受到背景信号的干扰。同时，轻元素的吸收边位于软X射线区域，在这个区域，透射信号的信噪比更高，能够提供更清晰的吸收信息。
对于重元素，即原子序数Z＞20的元素，如Fe、Pb等，荧光模式具有明显的优势。重元素的荧光产额较高，能够产生较强的荧光信号，而且硬X射线的穿透能力较强，能够减少样品厚度对探测的限制。
例如，在分析地质样品中的稀土元素时，荧光模式能够高效地采集到稀土元素的特征荧光信号，从而实现对稀土元素的定性和定量分析。
PART.05、应用案例
1.生物医学领域
在生物医学领域，两种探测模式有着不同的应用场景。
当研究细胞内钙离子（Ca2+）的分布时，由于Ca在细胞内属于痕量元素，而且细胞的厚度约为10μm，处于适中范围，荧光模式的元素映射能够清晰地显示出Ca在细胞器中的富集情况，为研究细胞的生理功能提供重要线索。
而当研究细胞的整体密度分布时，透射CT则更为适用，它能够通过透射信号的衰减差异重建出细胞的三维结构，展示细胞内部的密度变化。
DOI：10.1002/adem.202100157
2.材料科学领域
在材料科学领域，分析锂电池正极材料（LiCoO2）的Co价态变化时，需要采用透射XANES模式。因为Co的L边对价态非常敏感，透射XANES谱能够清晰地反映出Co价态的变化情况，为研究锂电池的性能提供关键信息。
而在寻找材料中的微量杂质，如Fe时，则需要利用荧光模式的高灵敏度，能够准确地检测到微量Fe的存在和含量。
DOI：10.1016/j.radphyschem.2021.109766
3.环境科学领域
在环境科学领域，测定土壤中总汞的含量时，由于汞在土壤中属于痕量元素，荧光模式能够直接对其进行定量分析，快速准确地得到土壤中汞的含量水平。
而在分析土壤的整体孔隙结构时，透射模式的小角散射（SAXS）则更为合适，通过对小角散射信号的分析，可以了解土壤孔隙的大小分布和结构特征，为研究土壤的透气性和保水性等性质提供依据。
DOI：10.1038/s41598-021-86573-9
同步辐射实验的模式选择本质上是“信号与干扰的博弈”，需要综合考虑样品的特性、实验的目标以及技术的优缺点，进行动态权衡。
只有掌握了两种模式的底层逻辑，才能在实验中做出正确的选择，最大化同步辐射装置的优势，获取高质量的数据，为科学研究提供有力的支持。
在实际应用中，还需要不断积累经验，根据具体的实验情况进行灵活调整，以达到最佳的实验效果。
PART.06、总结
本文阐述同步辐射透射与荧光模式的原理差异，从样品厚度、元素含量等特性，结合实验目的与技术限制分析选择策略，辅以生物医学、材料科学等领域案例。
读者可掌握选择逻辑，高效开展实验。未来可进一步探索复杂样品的模式优化组合，结合人工智能提升模式选择效率与数据解读精度，拓展在更多交叉学科的应用，推动同步辐射技术更广泛服务科研。
