电子探针特点应用 电子探针与扫描电镜实验室原创技术方法介绍

电子探针与扫描电镜实验室原创技术方法介绍

导语：

中国科学院地质与地球物理研究所公共技术中心前身是1999年成立的“中国科学院地质与地球物理研究所公共支撑系统”，在中国科学院的大力支持下，经过20多年的发展，我所公共技术中心已发展为我国地球与行星科学领域具有国际先进水平的综合性技术支撑服务平台。为进一步促进交流合作和大型仪器开放共享，科技平台处策划了原创技术方法专题，详细介绍各仪器平台研发的技术方法。

本期介绍电子探针与扫描电镜实验室的原创技术方法。

01

电子探针同步测定

尖晶石主、微量元素

与Fe3+/∑Fe比值

尖晶石是地球上镁铁-超镁铁质岩中重要的副矿物，同时也广泛发育在月球、火星及其他天体陨石样品中，是揭秘岩石成因和地球化学过程的关键矿物。通常，尖晶石微量元素和Fe3+/∑Fe比值要分别使用LA-ICP-MS和穆斯堡尔谱分析，且空间分辨率较低，无法精确获得微细颗粒或者具有复杂成分环带的尖晶石的成分信息。此外，目前尖晶石标样严重缺失，特别是兼具主量、微量元素和铁价态的尖晶石标样。微量元素和铁价态分析是当前电子探针显微分析的国际前沿技术，面临着检出限高、分析精度差以及缺少监控标样等一系列难题。

本实验室在研发了兼具主量、微量元素和Fe3+/∑Fe的尖晶石标样基础上，建立了电子探针同测试尖晶石主、微量元素与Fe3+/∑Fe比值的分析方法。与常规电子探针分析方法相比，新方法具有3个显著优势：

1.将微量元素检出限降至16-55 ppm，降低了15-30倍；

2.将微量元素分析精度控制在± 6% (1σ)以内，提高了3-10倍；

3.同时测定Fe3+/∑Fe比值，分析精度< 0.04 (2σ)，优于现有其他矿物铁价态的测试准确度。

综上所述，该方法可为地球和行星样品中的尖晶石提供高精度的成分信息，为行星氧逸度、物质源区和岩浆演化等关键科学问题研究提供重要的技术支撑。

代表性成果：

Jia Lihui, et al., Simultaneous in-situ determination of major, trace elements and Fe3+/∑Fe in spinel using EPMA. Atomic Spectroscopy, 2022, 43: 42−52

新方法应用——岩浆铜镍硫化物矿床

尖晶石Fe3+/∑Fe比值可有效监测岩浆氧逸度演化，可作为评估岩浆铜镍硫化物成矿的指标之一。

代表性成果：

Jia Lihui, et al., Oxygen-fugacity evolution of magmatic Ni-Cu sulfide deposit in East Kunlun: Insights from Cr-spinel composition. American Mineralogist, 2022, 107: 1968−1981

02

单颗粒月壤全岩成分

快速自动分析

嫦娥五号月壤具有细小、珍贵、颗粒多、成分复杂等特点，平均粒径不足50微米。获取如此细小颗粒的全岩成分，是对微束分析技术的一次挑战。传统方法通常运用电子探针分析获取矿物平均成分，用面积法统计矿物含量，再结合矿物密度，计算出月壤的全岩成分。然而，月壤矿物（如橄榄石和辉石）普遍发育显著的成分环带，为矿物平均成分统计带来很大的不确定性。

因此，传统方法不仅效率低，误差也大。

针对这一问题，本实验室建立了基于SEM-EDS和大数据分析技术，实现了单颗粒月球样品全岩主量元素快速自动分析。

该方法具有以下显著优势：

1、本研究相对于常规面积法而言，相对误差缩小2-3倍，更准。

2、本方法全流程使用python语言自动分析计算了实际的像素点百分比、平均值及实时密度，更加高效便捷。

代表性成果：

Jiangyan Yuan, et al Automatic Bulk composition Analysis of Lunar Basalts: Novel Big Data Algorithm for Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy. ACS Earth and Space Chemistry. 2023. 7: 370-378.

03

月球玻璃珠微量

Na、K、P、S、Cr和Ni的

高精度电子探针分析技术

月球玻璃珠是月壤的重要组成部分，根据成因可分为火山玻璃珠和冲击玻璃珠，其主量元素为Si、Al、Ca、Mg和Fe，但可含有Na、K、P、S、Cr和Ni等微量元素，约几十至几千ppm，这些微量元素对确定月球玻璃珠类型、约束月岩起源年代、表征挥发过程和研究月球岩浆演化历史有重要意义。常规电子探针分析方法元素检测限为几百ppm, 无法满足这些微量元素的测试需求。

针对以上问题，本实验室采用双束流分析的方法分别测试主量与微量元素，通过优化束流条件、合理规划谱仪、校正谱峰干扰等途径建立电子探针高精度测试月球玻璃珠微量Na、K、P、S、Cr和Ni的分析方法。

该方法可将这些微量元素的检测限降低至17-96 ppm(3σ)，分析精度优于10%，并可同时获得月球玻璃珠主量及微量元素，提高分析效率。目前，该方法已被用于嫦娥五号月球玻璃珠的成分分析。

代表性成果：

Zhang et al., High-precision Measurement of Trace Level Na, K, P, S, Cr, and Ni in Lunar Glass Using Electron Probe Microanalysis. 2022. Atomic Spectroscopy, 43(1): 28-41.

04

俯冲带超临界多相

流体包裹体定量分析技术

流体是地球不同圈层间物质和能量传输的重要“媒介”和“载体”。按其地球化学性质，可以进一步分为富水流体、含水熔体以及超临界流体。其中，超临界流体（Supercritical fluid）是一类形成于高温-高压环境下，具有相对低粘度、高活动性和超强元素迁移能力的流体。这种超常规物理化学性质使其在触发中-深源地震和火山作用、促进俯冲带元素迁移、物质循环和金属元素富集成矿，以及影响地球宜居性演化方面均发挥着重要作用。然而，目前矿物中超临界流体的微区识别及定量分析仍存在极大的挑战。

针对上述问题，本实验室通过显微原位拉曼光谱三维扫描与建模技术，对碧溪岭超高压脉体中绿辉石和石榴石的多相流体包裹体进行三维建模研究，重建了被捕获流体的成分，确定了深俯冲过程中释放的超临界流体的定量组成，讨论了超临界流体在俯冲带深部碳硫循环过程中所发挥的巨大作用。

通过对这些包裹体的三维激光拉曼建模和成分定量计算，研究团队恢复了多相流体包裹体所记录的原始成脉流体成分。结果显示，该流体主要包含约22wt.%的SiO2、13wt.%的CaO和41wt.%的水，以及大量的碳和硫等挥发性元素（7wt.%SO3和6wt.%CO2）和其他金属元素。

代表性成果：

Jin, D., Y. Xiao, D.-B. Tan, Y.-Y. Wang, X. Wang, W. Li, W. Su and X. Li (2023). "Supercritical fluid in deep subduction zones as revealed by multiphase fluid inclusions in an ultrahigh-pressure metamorphic vein." Proceedings of the National Academy of Sciences 120(20): e2219083120.

05

电子探针高精度测定

斜长石微量元素技术

月球背面是我国深空探测的主要战略方向，可研究太阳系早期撞击历史和月球地质演化等科学问题。由斜长石组成的高地斜长岩对于研究月球早期岩浆洋演化和初始月壳成分意义重大。然而，前人对这类斜长石的微量元素研究较为薄弱。由于月壤样品大多为微米级矿物颗粒，且斜长石往往具有复杂精细的成分环带，传统微量元素分析方法均属有损分析，且分辨率无法满足月壤的测试需求。电子探针斜长石微量元素分析面临检出限高、分析精度差以及缺少监控标样等一系列难题，是当前电子探针显微分析的国际前沿技术。

针对上述问题，本实验室在研发了MGP-1斜长石标样基础上，建立了电子探针微量元素分析方法。与常规方法相比，该方法具有以下显著优势 ：

1.将微量元素检出限降至11-46 ppm (3σ) ；

2.将微量元素分析精度控制在10% (2σ)以内；

该技术为高地斜长岩的研究提供有效的技术支撑，在研究月球物质组成、早期岩浆洋演化和初始月壳成分等重大科学问题上扮演着关键的角色。该方法还可以应用于斑岩型Cu-Au矿床和岩浆型Cu-Ni-Co矿床具有复杂微细成分环带的斜长石样品。

代表性成果：

Jia Lihui, et al., MGP-1 Plagioclase: A Potential Element and Sr Isotope Reference Material for In Situ Microanalysis. Geostandards and Geoanalytical Research, 2023, doi: 10.1111/ggr.12542

策划｜科技平台处

供稿｜电子探针与扫描电镜实验室

编辑｜薛皓中

“仪器平台巡礼”④｜电子探针与扫描电镜实验室

导读：

01

实验室简介

电子探针与扫描电镜实验室 （Electron Probe and Scanning Electron Microscopy Laboratory）隶属中国科学院地质与地球物理研究所公共技术中心，是我所最早一批建立的实验室之一，经历了四代电子探针和三代扫描电镜的仪器更替。

02

实验室主要分析对象

及应用领域

电子探针与扫描电镜实验室主要针对固体地质样品的微区形貌和结构观察（亚微米级）、高精度微区（微米级）原位无损成分分析以及元素线、面扫描分析。面向国内外地球科学领域的科研人员和研究生开放，主要服务于固体地球科学、行星科学和环境科学等研究领域。

03

代表性成果

1. 尖晶石微量和铁价态分析支撑战略性金属矿床成因研究

尖晶石普遍发育于镁铁-超镁铁岩，是铬-铜-镍-钴等战略性金属矿床中的重要矿物，其微量元素和铁价态可用于限定矿床岩浆演化过程。本实验室基于电子探针，研发了同时测定尖晶石微量元素和Fe3+/ΣFe高精度分析方法，微量元素检测限为16-55 ppm (3σ)，分析精度优于10%，Fe3+/ΣFe分析精度为±0.04（2σ）。该方法已成功应用于铜镍钴等矿床成因研究。

2. 月球玻璃珠微量元素电子探针高精度分析技术

月球玻璃珠是月壤的重要组成部分，含有Na、K、P、S、Cr和Ni等微量元素，它们是确定月球玻璃珠类型、约束月球岩浆演化和挥发分演变过程的重要基础。本实验室成功建立了月球玻璃珠微量元素的电子探针高精度分析方法，检测限降至17-96 ppm (3σ)，分析精度优于10%。该方法可应用于嫦娥五号等返回月壤中的玻璃成分分析。

3. 单颗粒月壤全岩成分快速自动分析

嫦娥五号月壤具有细小、珍贵、颗粒多、成分复杂等特点，平均粒径不足50微米。获取如此细小颗粒的全岩成分，是对微束分析技术的一大挑战。我们采用大数据分析方法结合扫描电镜能谱定量面扫描分析技术，实现全岩成分的自动计算。该方法将常规面积法相对误差缩小2-3倍，且单个月壤颗粒仅需2个小时，分析效率显著提高。

4. 多相复杂包裹体的三维显微拉曼光谱定量分析技术

俯冲带超高压岩石中常见复杂的流体包裹体，蕴含俯冲带深部流体的物质信息。本实验室使用显微拉曼光谱仪，对超高压多相流体包裹体进行了三维成像建模技术研发。重建了被捕获流体的成分，解析了包裹体的内部三维结构，首次实现俯冲带深部超临界流体组成的定量分析。

04

实验室主要仪器

电子探针

（JEOL JXA-8100）

该仪器由日本JEOL公司制造，配备钨灯丝电子枪、4道波谱仪、8块分光晶体和INCA能谱仪。仪器束流范围为10-5 ~ 10-12A，图像可实现40倍至30000倍的观察，空间分辨率可达数十纳米级别。该仪器可进行高精度的点、线、面扫描分析。

电子探针

（CAMECA SXFiveFE）

该仪器由法国CAMECA公司生产，配置场发射源、4道波谱仪、8块分光晶体。加速电压为5~30kV，空间分辨率可达6nm，可分析F~U间的元素。在10kV加速电压的条件下，可获得100nm直径的电子束，从而确保高质量、高精度的微量元素和稀土元素分析。

扫描电镜-拉曼联机系统

Gemini 450场发射电镜为德国Zeiss公司生产，Alpha 300R激光拉曼光谱仪为德国WITec公司生产。该系统配备了两种二次电子探头和背散射电子探头。电子束分辨率可达1.0nm，放大倍率范围12~2000000倍。加速电压20V~30kV，电子束流3pA~0nA。共聚焦拉曼光谱仪可进行固体样品超高分辨率的点/线/面/三维拉曼光谱分析。

激光拉曼光谱仪

（WITec alpha 300R）

该仪器由德国WITec公司生产，配置ZEISS 多个倍数物镜，搭配488nm和532nm激光器以及300、600和1800g/mm三种光栅。该仪器具有易操作、自动化程度高、高空间分辨率特点，可进行气、液、固态物质官能团定性分析；物质特定成分的定量分析；高温高压条件光谱测试；显微单点分析、二维显微成像、三维显微成像。

傅里叶变换红外光谱仪

德国布鲁克红外光谱仪，主机型号为VERTEX 70V，配置有HYPERION 2000型红外显微镜、MCT检测器。可进行气、液、固态物质官能团定性分析；高温高压条件光谱测试；有机/无机物质特定成分定量分析；显微单点分析与二维显微成像。

05

实验室技术服务项目

（1）电子探针

1. 常规硅酸盐矿物、硫化物、碳酸盐、磷酸盐等主量元素定量分析

2. 特定矿物（如橄榄石、斜方辉石、石英、钛铁矿、尖晶石和金红石等）微量元素定量分析

3．低含量挥发组分（如F、Cl等）分析4．尖晶石中主、微量元素和Fe3+ /∑Fe同时分析

5. 稀土矿物成分分析

6. 造岩矿物中主要元素的面扫描分析（X-ray Mapping）

（2）扫描电镜

1. 微米尺度上矿物BSE、SEI图像观察、拍照

2. 造岩矿物面扫描与定量分析技术

3. 微细矿物快速定位与定量分析技术 （SEM）

（3）红外光谱-拉曼光谱

1. 气、液、固态物质定性定量分析

2. 地质样品挥发分定性定量分析

3. 红外/拉曼光谱显微成像

06

实验室人员

陈意

研究员

实验室主任

贾丽辉

高级工程师

技术负责人

张迪

高级工程师

李晓光

高级工程师

原江燕

高级工程师

07

联系方式

联系人：贾丽辉

联系电话：010-8299 8483

邮箱：jialihui@mail.iggcas.ac.cn

实验室地点：北京市朝阳区北土城西路19号地7楼325室

关于电子探针与扫描电镜实验室的更多信息

策划｜科技平台处

供稿｜电子探针与扫描电镜实验室

编辑｜薛皓中

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