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的高表面靈敏度的元素化學(xué)態(tài)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(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，因無法通過光學(xué)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(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，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所研究員萬泉及其團(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（主要來源于白云石），并采用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。該方法通過檢測酸蝕溶液中的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。

實(shí)現(xiàn)了采用XPS 對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由于其元素化學(xué)狀態(tài)分析能力，已成為表征工具。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雙陽極等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對于地質(zhì)領(lǐng)域的高效、高質(zhì)量的分析。