XPS自1967年Kai Siegbahn發(fā)展后,，在地質(zhì)領(lǐng)域就開始發(fā)揮非常重要的作用,，由于XPS的高表面靈敏度及獨(dú)特的元素化學(xué)態(tài)分析能力使其可以檢測(cè)到礦物表面的離子單層，非常適用于檢測(cè)礦物表面的吸附,、解吸,、溶解和交換反應(yīng)。早在1972年Huntress 和 Wilson就使用XPS技術(shù)分析了月壤[1],，如下圖所示：

圖1. Apollo-11 月壤XPS全譜

XPS提供迅速的非破壞性元素分析方法,，并給出了Fe的氧化態(tài)為Fe2+。鐵橄欖石和石英的比較表明在鐵橄欖石中O1s的結(jié)合能小0.5eV,。而進(jìn)一步的使用XPS分析月球表面的浮土樣品,，發(fā)現(xiàn)O、S,、Al,、Mg的XPS譜圖與流星和地球上物質(zhì)的譜圖非常相同,，Mg,、Al、Si是氧化物,，從 Al 2p的結(jié)合能得出配位數(shù)為4,，從Si 2p譜線則認(rèn)為在月球表面浮土中無(wú)強(qiáng)酸和礦物堿存在。鐵的XPS譜圖表明在月球的表面浮土以金屬鐵為主,，也含少量的S,。由此可見XPS在地質(zhì)領(lǐng)域也發(fā)揮著獨(dú)特且重要的作用。

下面就讓我們看看島津XPS在地質(zhì)領(lǐng)域有哪些解決方案吧,！

礦物物種分析

在地質(zhì)樣品的分析中,，常常采用EPMA等元素分析技確定礦物的原子比，以確定礦物的組成,，在該案例中,，研究人員發(fā)現(xiàn)礦物中做出來(lái)U和O的原子比2：5，但僅基于元素分析的結(jié)構(gòu),，就會(huì)以為發(fā)現(xiàn)了“新礦物"—五價(jià)的U即U2O5,。但通過(guò)XPS分析發(fā)現(xiàn)，其實(shí)是UO2和UO3的混合物,。

圖2. U礦物的U 4f高分辨譜圖

卡林型金礦中“不可見金"定量表征

卡林型金礦的顯著特征是金在載金礦物（主要為含砷黃鐵礦）中常以晶格金（Au+）納米級(jí)包體金（Au0）的形式賦存,，因無(wú)法通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察而被稱為“不可見金"?！安豢梢娊?的量化表征是卡林型金礦研究的熱點(diǎn),，理解“不可見金"賦存狀態(tài)有利于改善卡林型金礦這種難處理金礦的選冶,，以及完善金的微觀成礦機(jī)制。然而,，“不可見金"難以通過(guò)常規(guī)方法進(jìn)行分離和分析,，目前關(guān)于卡林型金礦中不同賦存狀態(tài)金量化表征的工作鮮有發(fā)表，該研究方向急需分析技術(shù)與方法的突破,。

基于此,，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所研究員萬(wàn)泉及其團(tuán)隊(duì)采用逐級(jí)酸蝕與島津XPS相結(jié)合的手段建立了有效且可靠定量表征卡林型金礦中金賦存狀態(tài)的方法，并以貴州貞豐水銀洞金礦樣品為例,，獲得了一系列金賦存狀態(tài)的定量化數(shù)據(jù),。該方法采用非氧化性酸去除了造成XPS金信號(hào)屏蔽的貧金層（位于含砷黃鐵礦最外層）以及造成XPS金信號(hào)干擾的Mg（主要來(lái)源于白云石），并首次采用XPS獲得了“不可見金"的定量數(shù)據(jù),，包括Au,、As含量、Au+與Au0的比例,、Au0納米顆粒的尺寸以及上述參數(shù)隨黃鐵礦顆粒不同深度的變化規(guī)律,。該方法通過(guò)檢測(cè)酸蝕溶液中的Fe、As,、Au含量,，計(jì)算出各次酸蝕被溶解的表層黃鐵礦中Au、As的含量,，并估算出被溶解黃鐵礦的厚度,。除最表面氧化層外，非氧化性酸在黃鐵礦上的刻蝕深度可以穩(wěn)定控制在納米級(jí)范圍內(nèi),。

圖3. Py0 (a), Py1 (b), Py2 (c), Py3 (d) and Py4 (e) （酸蝕0,、1、2,、3,、4次）樣品表面3個(gè)不同取樣點(diǎn)的Au 4f XPS譜圖

圖4 Py0 (a), Py1 (b), Py2 (c), Py3 (d) and Py4 (e) （酸蝕0、1,、2,、3、4次）樣品表面3個(gè)不同取樣點(diǎn)的Au+和Au0的百分比含量

由上述Au+和Au0的譜圖可以得到不同樣品及樣品點(diǎn)的Au+和Au0的百分比含量,。

首次實(shí)現(xiàn)了采用XPS 對(duì)卡林型礦石中金元素化學(xué)態(tài)進(jìn)行了定量分析,。由于樣品中金含量低、分布不均且譜峰間存在互相干擾,，因此利用XPS 表面敏感的特征結(jié)合合理的樣品表面前處理方法才能得到較好的測(cè)試結(jié)果,，采用島津 XPS，利用其高靈敏度,、高分辨率的特點(diǎn),，得到了信噪較好的譜峰數(shù)據(jù),，有效推動(dòng)了研究進(jìn)展。

在礦物樣品的分析中,，已有大量的光譜和成像分析技術(shù)用于確定元素的濃度,、化學(xué)狀態(tài)、形態(tài)和空間分布,，XPS由于其獨(dú)特的元素化學(xué)狀態(tài)分析能力,，已成為必不可少的表征工具。以上我們列舉了一些島津XPS在地質(zhì)領(lǐng)域的案例,。

島津XPS具有高能量分辨,、高靈敏度、高空間分辨等特點(diǎn),，以及無(wú)陰影荷電中和技術(shù),、多模式、高性能深度剖析團(tuán)簇離子槍及單色化Al/Ag雙陽(yáng)極等技術(shù),，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于地質(zhì)領(lǐng)域的高效,、高質(zhì)量的分析。

[1] Chemical Geology, 25(1979) 227—243

[2] J. Anal. At. Spectrom., 2021, 36, 1900–1911

本文內(nèi)容非商業(yè)廣告,，僅供專業(yè)人士參考,。