蔡司場發射掃描電鏡-拉曼關聯系統地質應用

 　　來自中國科學院地質與地球物理研究所電子探針與蔡司掃描電鏡實驗室團隊的原江燕工程師，蘇文研究員等，近期在月壤和地礦相關研究方面獲得了一系列重大成果產出。其中就有基于蔡司場發射掃描電鏡-激光拉曼關聯系統(RISE)研發的微細礦物快速識別與定量分析技術，解決了復雜樣品的三維重構，微細復雜礦物的快速精準識別、定位以及定量分析等重要科學問題。在《Application of Raman Imaging and Scanning Electron Microscopy Techniques for the Advanced Characterization of Geological Samples》一文中系統介紹了RISE的發展和工作機理，從點、線、面及三維結構分析角度，介紹了其在不同地學研究中的幾個典型應用。

　　01　同質多象和類質同象的鑒定(相轉變分析)

　　同質多象和類質同象是礦物學領域較為常見的現象，僅靠掃描電鏡、能譜或電子探針無法準確地區分，尤其是當礦物體積較小且形貌結構復雜，則難度增加。RISE 系統的背散射成像、能譜與拉曼光譜相結合, 可有效區分類質同象和同質多象礦物。

　　▲ (a) SEM背散射圖, 柯石英顆粒能譜面掃結果，(b)Si，(c)Al，(d)Fe元素分布

　　以采自大別山超高壓變質帶含有柯石英殘留體的退變石英顆粒包裹體為例，我們可看到包裹體主要由SiO2組成，寄主礦物主要由SiO2、Al2O3和FeO組成，單從 X 射線能譜面掃描圖中無法對不同礦物相進行鑒別。

　　▲ (a)背散射圖像和光鏡圖像聯用，(b)G點的拉曼譜圖，(c)能譜點掃

　　使用RISE系統，將光鏡圖和電鏡圖重疊，對寄主礦物 G點進行了拉曼分析，搜索Ruff拉曼譜圖礦物學數據庫，無法判斷寄主礦物為錳鋁榴石還是鐵鋁榴石，結合能譜成分分析可分析得到寄主礦物為鐵鋁榴石。

　　▲ (a) 拉曼礦物分布圖;(b) 整個顆粒中的礦物的拉曼譜圖;(c) A-D四點的拉曼譜圖;(d) A-D點，對應柯石英譜圖中465cm-1和521cm-1峰強度占比

　　石英中 465 cm-1 為對稱伸縮振動，柯石英中 521 cm-1 為反對稱伸縮振動，這兩個特征峰可有效區分石英與柯石英。對包裹體進行二維拉曼面掃成像，石英與柯石英共生關系一目了然，表明柯石英退變過程中石英首先在柯石英表面成核，呈放射狀包裹柯石英并向內逐步取代。

　　因此，掃描電鏡成像，X 射線能譜成分分析，結合拉曼光譜對結構的解讀, 對于地學領域常見的同質多象及類質同象現象可進行準確的物相鑒定，這為礦物相轉變和礦物成因等機制提供有力證據。

　　02　熔體包裹體三維重構

　　熔體包裹體尺寸較小且成分復雜，由玻璃相，籽晶和揮發份氣泡組成。大多數熔體包裹體的尺寸不會超過幾微米。傳統的光學顯微鏡集成拉曼的系統不能分辨熔體包裹體中納米到微米尺度的成分分布，影響到每一相的精確定量。

　　文章提出原位激光共聚焦拉曼系統的一個新應用，對熔體包裹體進行了逐層掃描(X，Y方向步長500nm，Z方向步長1μm，掃描體積28×28×10μm)可以對熔體包裹體三維空間分布實現重構(見圖4a-c)，結合能譜數據，提供完整的物相成分分析。

　　▲(a)熔體包裹體拉曼二維成像(一到六層);(b)各相對應拉曼譜圖;(c)拉曼三維空間分布相圖

　　同時，文章對RISE在沉積有機質研究中應用也進行了介紹。結合SEM高分辨成像和拉曼光譜，對比分析了頁巖中有孔與無孔有機質的成熟度。

　　通過這篇文章的介紹，我們進一步了解了RISE的基本原理和該技術在地球科學中的應用潛力。實踐證明，蔡司場發射掃描電鏡作為一個多功能平臺，其較大的電鏡樣品艙室更易與原位實驗設備和(EBSD、能譜、拉曼光譜和背散射探頭等)附件進行聯用，可有效擴展掃描電鏡的尺度和應用范圍，不僅可以獲得樣品的形貌組成，而且能夠得到礦物的三維結構信息，這對于礦物學中同質多象和類質同相鑒定非常有幫助。

　　此外，蔡司掃描電鏡的高空間分辨率極大地提高了尋找微納尺度礦物的便利性，將拉曼光譜分析拓展至亞微米和納米尺度。我們相信RISE技術在地球科學領域中的作用會越來越重要，有更大的發展潛力。蔡司一級代理昆山友碩400-1500-108