蔡司场发射扫描电镜-拉曼关联系统地质应用

 　　来自中国科学院地质与地球物理研究所电子探针与蔡司扫描电镜实验室团队的原江燕工程师，苏文研究员等，近期在月壤和地矿相关研究方面获得了一系列重大成果产出。其中就有基于蔡司场发射扫描电镜-激光拉曼关联系统(RISE)研发的微细矿物快速识别与定量分析技术，解决了复杂样品的三维重构，微细复杂矿物的快速精准识别、定位以及定量分析等重要科学问题。在《Application of Raman Imaging and Scanning Electron Microscopy Techniques for the Advanced Characterization of Geological Samples》一文中系统介绍了RISE的发展和工作机理，从点、线、面及三维结构分析角度，介绍了其在不同地学研究中的几个典型应用。

　　01　同质多象和类质同象的鉴定(相转变分析)

　　同质多象和类质同象是矿物学领域较为常见的现象，仅靠扫描电镜、能谱或电子探针无法准确地区分，尤其是当矿物体积较小且形貌结构复杂，则难度增加。RISE 系统的背散射成像、能谱与拉曼光谱相结合, 可有效区分类质同象和同质多象矿物。

　　▲ (a) SEM背散射图, 柯石英颗粒能谱面扫结果，(b)Si，(c)Al，(d)Fe元素分布

　　以采自大别山超高压变质带含有柯石英残留体的退变石英颗粒包裹体为例，我们可看到包裹体主要由SiO2组成，寄主矿物主要由SiO2、Al2O3和FeO组成，单从 X 射线能谱面扫描图中无法对不同矿物相进行鉴别。

　　▲ (a)背散射图像和光镜图像联用，(b)G点的拉曼谱图，(c)能谱点扫

　　使用RISE系统，将光镜图和电镜图重叠，对寄主矿物 G点进行了拉曼分析，搜索Ruff拉曼谱图矿物学数据库，无法判断寄主矿物为锰铝榴石还是铁铝榴石，结合能谱成分分析可分析得到寄主矿物为铁铝榴石。

　　▲ (a) 拉曼矿物分布图;(b) 整个颗粒中的矿物的拉曼谱图;(c) A-D四点的拉曼谱图;(d) A-D点，对应柯石英谱图中465cm-1和521cm-1峰强度占比

　　石英中 465 cm-1 为对称伸缩振动，柯石英中 521 cm-1 为反对称伸缩振动，这两个特征峰可有效区分石英与柯石英。对包裹体进行二维拉曼面扫成像，石英与柯石英共生关系一目了然，表明柯石英退变过程中石英首先在柯石英表面成核，呈放射状包裹柯石英并向内逐步取代。

　　因此，扫描电镜成像，X 射线能谱成分分析，结合拉曼光谱对结构的解读, 对于地学领域常见的同质多象及类质同象现象可进行准确的物相鉴定，这为矿物相转变和矿物成因等机制提供有力证据。

　　02　熔体包裹体三维重构

　　熔体包裹体尺寸较小且成分复杂，由玻璃相，籽晶和挥发份气泡组成。大多数熔体包裹体的尺寸不会超过几微米。传统的光学显微镜集成拉曼的系统不能分辨熔体包裹体中纳米到微米尺度的成分分布，影响到每一相的精确定量。

　　文章提出原位激光共聚焦拉曼系统的一个新应用，对熔体包裹体进行了逐层扫描(X，Y方向步长500nm，Z方向步长1μm，扫描体积28×28×10μm)可以对熔体包裹体三维空间分布实现重构(见图4a-c)，结合能谱数据，提供完整的物相成分分析。

　　▲(a)熔体包裹体拉曼二维成像(一到六层);(b)各相对应拉曼谱图;(c)拉曼三维空间分布相图

　　同时，文章对RISE在沉积有机质研究中应用也进行了介绍。结合SEM高分辨成像和拉曼光谱，对比分析了页岩中有孔与无孔有机质的成熟度。

　　通过这篇文章的介绍，我们进一步了解了RISE的基本原理和该技术在地球科学中的应用潜力。实践证明，蔡司场发射扫描电镜作为一个多功能平台，其较大的电镜样品舱室更易与原位实验设备和(EBSD、能谱、拉曼光谱和背散射探头等)附件进行联用，可有效扩展扫描电镜的尺度和应用范围，不仅可以获得样品的形貌组成，而且能够得到矿物的三维结构信息，这对于矿物学中同质多象和类质同相鉴定非常有帮助。

　　此外，蔡司扫描电镜的高空间分辨率极大地提高了寻找微纳尺度矿物的便利性，将拉曼光谱分析拓展至亚微米和纳米尺度。我们相信RISE技术在地球科学领域中的作用会越来越重要，有更大的发展潜力。蔡司一级代理昆山友硕400-1500-108