应用分享 | 使用Axia ChemiSEM进行孔雀石表征

前言

孔雀石是一种含水的碳酸铜矿物，化学式为Cu₂(CO₃)(OH)₂，其晶体形态受晶体生长方式的制约，成矿环境等外部因素决定着孔雀石的化学成分，进而影响其形态。孔雀石是原生含铜矿物蚀变所形成的次生矿物，在其蚀变过程中，Mg、Al、Si或Fe等元素可能会进入孔雀石结构中，并以包裹体的形式存在。研究化学成分与微观结构之间的关系是解释次生矿化历史的关键，相关的各项研究均旨在了解控制矿化的空间化学成分和结构关系，并正确解释晶体生长的相对时间。

采用EDS（能谱仪）等分析技术，可以初步分析矿相变化，也可以更进一步将物相与微观结构特征联系起来。但是，EDS等分析技术并不是专为此类研究而优化设计的，在使用时需要专业的知识技能，而且通常速度很慢。

在本应用分享中，我们采用Thermo Scientific™ Axia™ChemiSEM系统，在较大尺度上对矿物的化学成分变化进行gao效、快速的分析，同时，利用该系统还可轻松获取特定细节的化学性质。

方法

在进行深入表征之前，我们首先需要对样品进行筛选，如果利用传统扫描电镜（SEM）结合EDS的方法，要在较大视野范围内进行成分分析，进而筛选出感兴趣样品，则存在着诸多限制。在传统的SEM-EDS工作流程中，样品成像与元素表征往往是独立进行的，整个分析过程既耗时又麻烦；而且，传统的EDS系统不能根据化学成分来选择感兴趣区域，因此往往需要耗费太多时间寻找感兴趣区域或者特征点。

Axia ChemiSEM系统则是在采集过程中，将定量元素信息和电子图像结合起来，可以提供近乎即时的定量元素面分布图。在矿物表征方面，Axia ChemiSEM提供了一种全新方法，通过样品表面的大面积元素面分布概览，直观揭示未知包裹体在样品中的位置和分布情况，进而指导下一步的深入分析。

分析

如前所述，孔雀石的形成是一个次生矿化过程，其成分变化在很大程度上依赖于铜矿物、周围其他矿物以及水之间的相互作用。

导航蒙太奇结合实时定量元素信息，可提供样品表面的大面积概览图像，帮助初步了解感兴趣样品的成分变化和元素分布。在图像采集过程中，系统后台已经在收集X射线，从而形成样品表面的大面积元素分布图，直观显示样品表面的成分变化。

导航蒙太奇为扫描电镜标配功能，可以针对较大样品实现轻松导航，通过自动、连续采集图像，快速创建一张大面积、低倍率概览图像，在概览图像上单击任意点，样品台便会自动移动，实现导航功能或者将感兴趣点移动到视野中心位置。

图1. 大面积区域的导航蒙太奇概览图，上部图像不含元素信息，而下部图像包含元素信息。蒙太奇图像自动采集起始放大倍率为1500 倍，采集帧数为15x15。

图1所示为同一样品的不同导航蒙太奇图像，上部是传统背散射图像，而下部是背散射图像结合不同元素定量面分布的图像，同时包含整个扫描区域的成分信息。

传统的灰度图像可显示样品表面不同包裹体的分布（以及尺寸和形状）信息，但只能反映出部分成分信息，也就是在背散射电子图像中包裹体颜色较暗，表明包裹体的平均原子序数要低于孔雀石基体。

在采集导航蒙太奇图像时，同时采集定量元素信息，可以提供更多细节信息，进而快速将形貌信息和成分信息关联起来，从而确定需要进行深入分析的感兴趣区域。感兴趣区域选定之后，利用扫描电镜可以进行更深入的表征，而Axia ChemiSEM作为集成化扫描电镜系统，操作便捷，可以帮助我们快速获取所需信息。

图2. Axia ChemiSEM集成在用户界面中，显示背散射图像和对应的能谱谱图。

图2所示为传统SEM成像过程的第一步，即针对选定区域采集背散射电子（BSE）图像。Axia ChemiSEM将EDS完全集成在SEM用户界面中，系统在采集背散射图像的过程中，实时采集和处理定量元素信息，而且，X射线的获取是连续进行的（如图2所示）。

获取图像后，只需一键点击激活定量元素分布图，即可获得元素分布的预览图，显示感兴趣区域所含元素（如图3所示）。

图3. 图2所示感兴趣区域的定量元素面分布图

在同一图像中，通过取消选择某些元素，可以突出显示感兴趣元素的分布情况（如图4所示）。

图4. 图3中取消显示C、Cu、P、O元素后的元素面分布图。能谱点分析参数：加速电压15 keV，束流0.44 nA，平均计数率大约为10 kcps，采集时间每点60 秒。

图5. Al、Mg、Si元素面分布图，自上而下显示。

图5仅显示样品中所包含的部分元素，表明样品中至少包含三种不同的物相。在背散射图像中，包裹体整体灰度均一，可能误判为一种物相，利用Axia ChemiSEM提供的定量元素分布信息，就可以轻松判断出包裹体内部的成分差异，确保不错过重要信息。

为了对图5所示包裹体进行全面表征，直接选择点分析模式，再选择感兴趣的点（如图4所示），无需转换软件或者重新采集图像，即可获得点分析结果。

各点60 秒能谱采集结果如下所示。

图6. 针对图4中高亮显示的三个点进行定量分析，采集参数为：加速电压15 keV，束流0.44 nA，平均计数率约为10 kcps，各点采集时间均为60 秒。

图7. 三个分析点的谱图对比

能谱点分析的结果与之前元素面分布图一致，点1中Mg元素含量最高，Al和Si元素含量约为10%；点3所对应的包裹体主要由二氧化硅组成；点2所对应的中间位置的包裹体中含K元素。

再次采集定量元素面分布图，并在图像采集过程中选中显示K元素，进一步确定了K元素的位置（如图8所示）。

图8. 感兴趣区域的K元素定量面分布图

结论

Axia ChemiSEM可以针对孔雀石等矿物中的包裹体，提供大量信息，系统结合大面积成像和高质量能谱面分布图，可极大助力矿化过程研究。利用Axia ChemiSEM，在常规SEM成像过程中，也能够获得化学信息，对于具有相同成分衬度的包裹体，也可快速进行成分分析，而且所有操作都可在同一界面中进行，不需要切换软件，也不需要更改工作流程。