电子探针定量分析绿松石实验条件的探究

刘瑞婷，王 枫，李 凡，郭连巧，曹素巧，于 露

(安徽省地质实验研究所，安徽 合肥 230081)

绿松石为一种含水的铜、铝磷酸盐，常呈矿物集合体，化学式为A0-1B6(PO4)4(OH)8·4H2O，最常见占据A位的离子是Cu2+、Fe2+、Zn2+或空位；B位则为Al3+或Fe3+[1]。绿松石化学成分的理想值为P2O5(34.90%)，Al2O3(37.60%)，CuO(9.78%)，H2O(17.72%)[2]，然而由于A位空位的存在，以及难以完全排出的吸附水，实际测得H2O通常为18.65%～20.12%[1,3]。

国外著名的绿松石产地有伊朗、埃及、美国、墨西哥、智利、阿根廷、比利时等；我国绿松石产地有湖北十堰、安徽马鞍山、陕西白河、河南淅川、新疆哈密、青海乌兰等，其中，以湖北十堰市郧阳区、郧西、竹山一带的优质绿松石为世界著名产地[4]。由于绿松石是一种珍贵的玉石，其测试分析时常常需要无损分析与鉴定。而电子探针作为微区无损分析的重要手段，常应用于绿松石的化学成分及矿物组成研究[5]，它能快速、有效地识别宝玉石的化学组成元素及其含量，用来探究宝玉石的成矿机理、致色原因以及鉴别等[6-8]。

由于绿松石含水率高、孔隙度较发育以及电子探针测试标样、测试条件等影响因素，绿松石的电子探针成分定量分析测试结果容易出现不稳定情况。迄今，少见关于采用电子探针在不同测试条件下对定量分析绿松石测试结果影响的研究，故笔者采用岛津电子探针(EPMA-1720)对绿松石样品进行定量分析，通过设定不同的加速电压、束流和束斑直径，分析不同测试条件下绿松石的成分定量结果，旨在探讨绿松石最佳的定量分析条件。

1 样品及测试仪器

1.1 样品特征

笔者选择一件产于湖北郧阳云盖寺的绿松石样本(编号LSSH)作为测试对象，通过改变电子探针的不同测试条件，对该样品同一均匀区域多次电子探针打点测试。对于探究电子探针定量分析绿松石时的测试条件，固定用一个测试样品且在镜下尽量选择相同或相邻区域多次打点，尽量减少测试条件的变量，控制可变量，每次变动一个参数条件进行测试分析，让数据更具有可比性。

该绿松石(图1)为绿蓝色，硬度高，瓷度好，玻璃光泽；镜下显示孔隙小，背散射图大面积颜色均一，表明该样品化学成分均匀，能最大限度地降低在测试过程中由于孔隙度和质地不均匀等原因带来的结果不稳定影响。首先，样品在恒温烘箱中放置12 h，温度设置100 ℃，对其进行干燥处理；然后用喷碳仪对样品表面进行喷碳处理，使其表面具有导电性；喷碳后立即将样品放入样品舱，减少其暴露于空气中的时间，同时抽真空达12 h以上才开始进行定量分析。这些前处理能最大限度地降低由样品表面的水汽、导电性不好、真空不稳定等因素造成的影响。

图1 湖北云盖寺绿松石样品LSSH在自然光照射下观察(a)及其电子背散射图片(b)Fig.1 Appearance under natural light (a) and electron backscattering image (b) of turquoise sample LSSHfrom Yungai Temple, Hubei Province

1.2 测试仪器

采用岛津EPMA-1720电子探针对该绿松石样品的化学成分进行定量分析。测试环境条件为温度25 ℃，湿度55%。通过改变电子探针测试条件获得绿松石矿物不同的定量结果，分析测试结果从而确定电子探针定量分析的最佳加速电压、束流强度和束斑直径等测试条件。测试结果用仪器自带修正模式ZAF3进行计算，得到所测元素氧化物的百分含量。

采用X射线粉末衍射仪(D8-Focus，Bruker-AXS D8-Focus)对绿松石样品进行矿物物相分析。测试条件：温度25 ℃，湿度52%，电压40 kV，电流40 mA，Cu靶，发射狭缝与散射狭缝1°，接收狭缝0.3 mm，扫描范围5°～65°，步长0.020°，每步时间38.40 s。测试结果使用EVA 4.0软件进行处理和分析，运用10强峰、矿物名称的检索方式与国际衍射数据中心出版发行的PDF2粉末衍射数据库进行对比分析。

所有实验测试均在安徽省地质实验研究所完成。

1.3 分析元素和标样的确定

笔者通过电子探针波谱定性分析，确定样品LSSH的元素组成主要为Al、P、Cu、Fe、K、Na、Ca、Ba、Zn、S。根据电子探针分析的一般原则，选择合适的特征X射线线系[9]、测定晶体及测试通道，如表1。

表1 待测元素的线系和晶体选择

定量分析结果的准确性与所选标样合适与否有密切关系，应尽量选择和未知样品相似标样(包括组成、结构、含量等相似)[10]，以降低基体效应的影响，提高分析准确度与精密度。

根据电子探针分析标样选择的一般原则，结合大量的实验数据和经验，本实验选用美国SPI标样组(AS02753-AB 53 Minerals Standard Serial)系列中的矿物标样来标定实验样品中的待测元素含量，所选标样如表2。

表2 待测元素选用的标样及其组成

2 结果与讨论

2.1 束斑直径对测量结果的影响

对不同性质、不同测试目的的样品，所选用的仪器工作条件不同。一般原则是超轻元素选择低电压、大束流、大束斑；重元素选择高电压、小束流、小束斑[9-11]，见表3。

根据表3，结合绿松石主量元素(Al和Cu)属于金属元素，需要较高的激发电压，而P属于非金属易激发元素，电压又不宜过高，所以加速电压选择15 kV；当加速电压为15 kV时，为了使照射到样品表面的电子束具有足够的激发能量，增加仪器的灵敏度，选择束流强度为20 nA。因此，先设定加速电压为15 kV、束流强度为20 nA，进行束斑直径为1、5、10 μm和20 μm的对比实验，每组实验测试5个点位，实验数据见表4。

表3 电子探针定量分析条件选择的一般原则

表4 湖北云盖寺绿松石样品LSSH在不同束斑直径下所测得的电子探针数据

所测得元素总量(100%)减去绿松石实际含水量18.65%～20.12%，其合理总量为79.88%～81.35%。结果表明，当加速电压为15 kV、束流强度为20 nA时，束斑直径为1 μm时测得的元素总量为80.39%～81.13%，均符合要求；束斑为5、10 μm和20 μm时测得的元素总量分别为81.41%～82.95%、82.54%～83.79%和83.47%～84.57%，总量均偏高。

上述实验表明，当设定加速电压为15 kV、束流强度为20 nA时，束斑直径1 μm为最佳测试条件；随着束斑直径的增大，测得的绿松石总量也呈增加趋势，主要表现在Al含量测试值随束斑直径的增大而升高，从而导致总量升高。

人们往往据总量判断探针数据结果的好坏，却忽略了其合理性。有的探针定量分析结果，虽总量满足要求，且具有很好的重现性，但并不合理[12]。笔者认为，应该结合单元素含量符合或者不符合其理论值时能够给出合理解释偏差出现的原因，从而判断数据是否合理。本样品中Cu低于理论值、Al和P接近理论值、含少量的Fe和Zn，且可进入绿松石分子A位的Cu、Fe、Zn加和仍低于Cu含量理论值，表明实验所用绿松石样品LSSH的化学成分中A位具有少量的空位，这与前人的研究成果[1]相符，数据合理可信。

2.2 加速电压和束流强度对测量结果的影响

实验得出绿松石的最佳测试束斑直径为1 μm；设定束斑直径为1 μm，分别改变加速电压和束流强度，进行4组对比实验测试：第一组15 kV-10 nA，第二组15 kV-20 nA，第三组20 kV-10 nA，第四组20 kV-20 nA；每组实验测试5个点位，见表5。

表5 湖北云盖寺绿松石样品LSSH在不同加速电压和束流强度下所测得的电子探针数据

结果表明：第一组实验元素总量为79.95%～81.23%，第二组实验元素总量为80.39%～ 81.13%，第三组实验元素总量为82.00%～83.18%，第四组实验元素总量为82.83%～83.59%。第一组和第二组元素总量均符合要求，第三组和第四组元素总量整体偏高。

实验表明，当设定束斑直径为1 μm时，加速电压和束流强度15 kV-10 nA和15 kV-20 nA为最佳实验条件；加速电压和束流强度设定为20 kV-10 nA和20 kV-20 nA，所测得的元素总量均高于合理范围。

对比4组数据可以发现，随着电压从15 kV变为20 kV，绿松石的主量元素P含量稳定在理论值附近，Al含量逐渐升高，Cu、Fe和Zn的含量基本稳定，重现性很好。

2.3 对最佳测试条件的实验验证

笔者随机选取4颗绿松石样品，每颗绿松石样品测试2个点，对最佳测试条件之一(15 kV-10 nA-1 μm)进行了实验验证，测试数据见表6。测试结果显示，元素总量在79.88%～81.35%的合理范围内，且各元素含量均为合理值。

表6 不同绿松石样品在15 kV-10 nA-1 μm条件下所测得的电子探针数据

3 加速电压和束斑直径影响测定结果的原因讨论

以上条件实验表明,当设定加速电压为15 kV、束流强度为20 nA时，束斑直径从1 μm升至20 μm，Al和总量含量随之升高；当设定束斑直径为1 μm，随着电压从15 kV变为20 kV，Al含量也明显升高。Al偏高直接导致绿松石总量偏高，超过理论范围，推测原因如下：绝大多数绿松石为柱状或鳞片状的隐晶质矿物集合体形态，其微晶短径多在不足1 μm到几个μm，晶体之间有许多孔隙，孔隙内可以存在与绿松石在成因上有联系的共伴生矿物[13-14]。故束斑直径从1 μm升至20 μm时，电子探针束斑可能包含了绿松石集合体中其他含Al较高、含水较低的矿物。

基于上述猜测，对绿松石样品LSSH进行了X射线粉末衍射测试，结果见图2。

图2 湖北云盖寺绿松石样品LSSH的X射线粉末衍射图Fig.2 X-ray powder diffraction patterns of turquoise sample LSSH from Yungai Temple, Hubei Province

测试结果(图2)显示，样品主要衍射峰分别为d=3.68(I/I0=97)，2.90(I/I0=77)，6.12(I/I0=66)，3.43(I/I0=37)Å均与国际衍射数据中心出版的PDF2粉末衍射数据库中绿松石衍射峰相吻合；d=7.10，3.58 Å均与高岭石衍射峰相吻合。

结果显示，绿松石样品LSSH中存在高岭石。高岭石是一种含水的层状硅酸盐矿物，可以杂质形式存在于绿松石中[14]。高岭石化学成分为Al4[Si4O10](OH)8，三斜晶系，晶体呈菱形片或六方片状，其中Al2O3和H2O理论含量为分别为41.2%和10.8%[2]，高于绿松石中Al2O3和H2O的理论含量37.60%和17.72%。当束斑直径较大(5 μm及以上)时，电子束易轰击到绿松石孔隙中的高岭石杂质，导致Al元素含量升高，继而导致绿松石元素总量偏高，超出绿松石元素总量的理论范围，致使实验数据不可用。另，当电压从15 kV升至20 kV时，可能导致样品中的H2O烧失，从而影响测试结果。

4 结论

通过以上实验，可以得出以下结论。

(1)使用钨灯丝发射电子探针对绿松石进行定量分析，在选用标样与本实验所用标样一致的情况下，定量分析绿松石的最佳束斑直径为1 μm，加速电压和电流组合可以为15 kV-10 nA或15 kV-20 nA。

(2)绿松石是含水量较高的矿物，电子探针测试过程中应该尽可能用大的束斑直径，来降低由于H2O烧失而带来的数据偏高的影响。但本实验数据表明，小束斑直径(1 μm)测得的数据更为合理，而大束斑直径(5 μm及以上)测得元素含量数据反而偏高(随束斑直径增大主要是Al含量偏高，高于理论值)，究其原因，可能是由于绿松石矿物孔隙中存在高岭石等微晶矿物杂质。

综上，绿松石电子探针定量分析过程中，对于含水率高、孔隙度相对发育的绿松石样品，需采用小束斑直径、避开孔隙、选择电子显微镜下颜色均匀的点位进行测试。