XPS自1967年Kai Siegbahn發展后，在地質領域就開始發揮非常重要的作用，由于XPS的高表面靈敏度及獨特的元素化學態分析能力使其可以檢測到礦物表面的離子單層，非常適用于檢測礦物表面的吸附、解吸、溶解和交換反應。早在1972年Huntress 和 Wilson就使用XPS技術分析了月壤[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的氧化態為Fe2+。鐵橄欖石和石英的比較表明在鐵橄欖石中O1s的結合能小0.5eV。而進一步的使用XPS分析月球表面的浮土樣品，發現O、S、Al、Mg的XPS譜圖與流星和地球上物質的譜圖非常相同，Mg、Al、Si是氧化物，從 Al 2p的結合能得出配位數為4，從Si 2p譜線則認為在月球表面浮土中無強酸和礦物堿存在。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在地質領域也發揮著獨特且重要的作用。

下面就讓我們看看島津XPS在地質領域有哪些解決方案吧！

礦物物種分析

在地質樣品的分析中，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，研究人員發現礦物中做出來U和O的原子比2：5，但僅基于元素分析的結構，就會以為發現了“新礦物”—五價的U即U2O5。但通過XPS分析發現，其實是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+）納米級包體金（Au0）的形式賦存，因無法通過光學顯微鏡觀察而被稱為“不可見金”。“不可見金”的量化表征是卡林型金礦研究的熱點，理解“不可見金”賦存狀態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制。然而，“不可見金”難以通過常規方法進行分離和分析，目前關于卡林型金礦中不同賦存狀態金量化表征的工作鮮有發表，該研究方向急需分析技術與方法的突破。

基于此，中國科學院地球化學研究所研究員萬泉及其團隊采用逐級酸蝕與島津XPS相結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的定量化數據。該方法采用非氧化性酸去除了造成XPS金信號屏蔽的貧金層（位于含砷黃鐵礦最外層）以及造成XPS金信號干擾的Mg（主要來源于白云石），并首次采用XPS獲得了“不可見金”的定量數據，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隨黃鐵礦顆粒不同深度的變化規律。該方法通過檢測酸蝕溶液中的Fe、As、Au含量，計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定控制在納米級范圍內。

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個不同取樣點的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個不同取樣點的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的Au+和Au0的百分比含量。

首次實現了采用XPS 對卡林型礦石中金元素化學態進行了定量分析。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 表面敏感的特征結合合理的樣品表面前處理方法才能得到較好的測試結果，采用島津 XPS，利用其高靈敏度、高分辨率的特點，得到了信噪較好的譜峰數據，有效推動了研究進展。

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

島津XPS具有高能量分辨、高靈敏度、高空間分辨等特點，以及無陰影荷電中和技術、多模式、高性能深度剖析團簇離子槍及單色化Al/Ag雙陽極等技術，可實現對于地質領域的高效、高質量的分析。

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

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

本文內容非商業廣告，僅供專業人士參考。