一种新型的主量元素原位微区分析方法桌上型SEMSDDEDS分析系统

　　近日，北京大学地球与空间科学学院研究生陈玉滢在导师刘曦研究员及中国科学院地质与地球物理研究所陈意研究员的指导下，在《Solid Earth Sciences》上在线发表论文，报导了一种相比于电子探针而言更经济、快速、准确、受工作条件影响小的主量元素微区分析方法——桌上型扫描电镜/硅漂移探测器-能谱分析系统。该研究表明，这种系统能够在极低硬件配置条件下准确定量造岩矿物中常见主量元素。
　　准确测定造岩矿物中常见主量元素含量（含量>0.1 wt%），并结合相关微量元素及同位素组成信息，对探讨矿物结晶、岩石形成等地球化学及地球动力学过程具有重要价值。目前，配有波谱仪（WDS）的电子探针是原位微区主量元素定量的主要手段，具有高空间分辨率、高信噪比、对样品无损等特点，为固体地球科学的发展做出了卓越贡献。然而，该方法也面临诸多困难和挑战，如仪器价格昂贵（一般为300-400万人民币）、分析效率较低（单个分析常需时间约5分钟）、依赖大量高质量标样及高素质技术人员、占用过多实验室空间等。这些因素制约了它的广泛应用。目前，我国固体地球科学界拥有的处于工作状态的电子探针不过数十台，远不能满足相关测试要求，极大制约了固体地球科学的发展。因此，发展新型、经济、快速、准确、受工作条件影响小的主量元素微区分析方法，具有重要现实意义。
　　通过调研，论文作者发现，由于近年软、硬件的发展，特别是硅漂移探测器的引入，扫描电镜（SEM）/硅漂移探测器（SDD）-能谱（EDS）分析系统有可能满足造岩矿物主量元素的定量要求，其中尤其值得关注的是在2005年开始上市的桌上型SEM/SDD-EDS分析系统：它具有价格便宜（一般约60万人民币）、无需特殊冷却设备、不耗费实验室空间、无需配备专业技术人员、无需依赖系统而繁多标样等特点。
　　论文作者进而对一款具有极低硬件配置的桌上型SEM/SDD-EDS分析系统的精确度、准确度进行了严格而系统的研究，并得出这一分析系统能满足造岩矿物中常见主量元素定量要求的结论。所用仪器为配有JED–2300型号EDS的桌上型扫描电镜JEOL–6000 PLUS，所用探测器为一个仅10 mm2的SDD，使用便宜的W灯丝产生电子。所用矿物样品为橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、斜长石、钾长石、尖晶石、金红石和方钠石。测试内容为造岩矿物中含量最高、最常见的11种氧化物组分（Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、K2O、CaO、TiO2、Cr2O3、MnO、FeO及NiO）。测试在标准束流（约30 nA）或高束流（约40 nA）下进行，电子束直径为1微米，分析时间为30s、100s、180s、240s或300s，采用远程标样（随机所带标准数据库JCM6000PlUS-DX200）进行定量。研究结果表明：除标准束流-30秒分析时间的分析条件以外，其它条件下的EDS分析精度与常规WDS分析精度相当（图1）；同样，其它条件下的EDS分析准确度与常规WDS分析准确度相当（图2）。因此，可以认为这些分析条件下的EDS分析结果是可靠的。此外，研究人员利用该桌上型SEM/SDD-EDS分析系统对橄榄石矿物标样（San Carlos Ol standard USNM 111312/44）进行了分析，分析结果验证了上述结论。
　　图1 不同分析条件下EDS分析精度（上）与常规 WDS分析精度（下）对比
　　图2 不同分析条件下各氧化物EDS定量分析结果（EDS–Std–30分析结果除外）与WDS分析结果之间的相对偏差
　　作者的进一步分析表明，桌上型SEM/SDD-EDS分析系统应用于造岩矿物中常见主量元素定量的优异表现主要与以下因素有关：（1）优良的能量分辨率（可以准确区分这些元素的特征X射线峰；图3）；（2）SDD的高X射线计数能力（一个10 mm2的SDD就能轻松实现与常规WDS分析相当的X射线计数；图3）；（3）完整的远程标准数据库（不仅免除仪器标定过程，而且轻松消除实验室间分析差别）；（4）优良的系统稳定性（当电子剂量超过一定阈值如30 nA×100 s时，常见主量元素的特征X射线峰的峰形与位置非常稳定；图4）。
　　图3 不同分析条件下橄榄石WDS/EDS定量分析谱图
　　图4 不同分析条件下橄榄石中元素峰位与半高宽
　　该研究工作充分证明，物美价廉的桌上型SEM/SDD-EDS系统能够以最小的硬件配置实现造岩矿物常见主量元素的准确定量。相比于电子探针仪，该分析系统具有经济、快速、准确、受工作条件影响小、操作简单、维护成本低、无需标样等特点。可以相信，桌上型SEM/SDD-EDS系统以后可能会成为小型课题组的常规成分分析工具，在定量造岩矿物常见主量元素方面得到广泛应用。相应地，昂贵的电子探针仪不必再花太多时间在这些工作上，而会聚焦于一些更具挑战性的分析工作，比如准确分析含量在1000至几十ppm浓度的元素、定量同一元素不同价态离子（比如石榴石中Fe2+及Fe3+）的含量等。
　　作者认为，目前我国配有能谱仪的扫描电镜有7000多台，主要用于显微结构研究。本研究表明，这些仪器具有准确测定造岩矿物中常见主量元素的潜力，一经开发，可以为固体地球科学的发展做出重要贡献。
　　该研究受到中科院战略性先导科技专项（No. XDB42000000）、科技部国家科技基础条件平台项目＂国家岩矿化石标本资源共享平台＂的资助。论文信息：
　　Chen Y, Chen Y, Liu Q, Liu X (2023). Quantifying common major and minor elements in minerals/rocks by economical desktop scanning electron microscopy/silicon drift detector energy-dispersive spectrometer (SEM/SDD-EDS). Solid Earth Sciences, 10.1016/j.sesci.2022.12.002（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451912X22000502）