质地特性分析

嫦娥五号月壤样品虽然微小，但每个小颗粒从一定程度上相当于一个独立的小岩块，其矿物组成、表面形貌、内部结构和化学成分均蕴含丰富的“月球演化和太空风化”等信息。将月壤颗粒分门别类并挑选出来，可用于有目的地开展其它科学研究。与电子束和离子束等微束分析方法相比，μXRF依托X-射线分析技术，穿透性强，化学灵敏度高，且不需要对样品及其表面进行复杂的预处理，因而能在微米尺度下，快速获得月壤颗粒的化学元素组成及各种元素的分布特征，用于挑选各种类型的目标颗粒。无论是机械抛光与SEM结合，还是XRM与FIB-SEM联合，均能将目标矿物暴露到一个平整的截面，既适用于SIMS（微米分辨率的元素和同位素）分析，也同样适用于不同尺度和不同类型的微区分析，如显微拉曼（Raman，微米分辨率的化合物和矿物相鉴定）、SEM（纳米分辨率的形貌、结构和成分分析）、电子探针（EPMA，纳米分辨率的主、微量元素定量分析）、纳米二次离子质谱（NanoSIMS，亚微米到纳米分辨率的元素和同位素分析），还能直接用于FIB-SEM的精准微切割，制备微纳尺寸的“薄片”或“针尖”样品，用于更为精细的同步辐射扫描透射X-射线显微镜（STXM，纳米分辨率的化学成分、元素价态和磁学分析）、透射电镜（TEM，亚纳米到原子分辨率的形貌、结构、成分、矿物相和微磁学分析）和原子探针（APT，原子分辨率的元素和同位素分析）研究。 基于样品挑选和后续分析的共性，中国科学院地质与地球物理研究所等提出针对嫦娥五号月壤以及未来行星返回样品的单颗粒综合分析的“六步走”工作流程图：步骤1：单颗粒样品显微操作，制备成样品阵列，利用μXRF技术快速扫描分析挑选目标颗粒，并按照后续分析测试需要制备成不同类型单颗粒样品（如树脂包埋、机械抛光或表面导电处理）。步骤2：目标颗粒样品的3D-XRM/FIB-SEM联合分析，在微纳米尺度上获得样品三维形貌、结构和成分信息。步骤3：目标颗粒样品的SEM综合分析，在微纳尺度上获得样品的表面形貌、结构和化学成分信息。步骤4：目标颗粒截面样品的综合微区分析（如SEM、Raman、EPMA、SIMS、NanoSIMS），在微纳尺度上获得样品截面的形貌、结构、矿物相、化学成分（包括主量、微量元素及其同位素）等信息。步骤5：利用先进的FIB-SEM技术，对目标颗粒样品中感兴趣的微区域进行三维重构分析，以及对其进行精准微切割，制备微纳尺寸的“薄片”或“针尖”样品。步骤6：综合利用同步辐射STXM、先进的TEM和APT技术，在纳米到原子水平，对“薄片”或“针尖”样品开展形貌、结构、矿物相、化学成分、元素价态、元素同位素和微磁学等综合分析。 需要指出的是，该研究提出的“六步走”工作流程，并不能涵盖嫦娥五号和未来行星返回样品所需的所有技术，也并不是一成不变和标准程式化的，在实际工作中需要根据样品特性或具体科学目标进行调配和改进。例如，可将步骤1、步骤2/步骤4结合，快速寻找富锆颗粒并精准定位含锆矿物，开展样品的微区同位素年代学和地球化学等研究工作。将步骤1、步骤3、步骤5和步骤6结合，选定特定类型单颗粒样品，开展太空风化、行星矿物学和微磁学等研究工作。此外，该研究提出的“六步走”工作流程按照“先无损，后微损”“先单颗粒，后微纳米尺度，最后原子水平”“先侧重表面，后开展内部结构”的分析思路，将现有的多种显微学和显微谱学技术，在分析的时间节点上进行了排列组合，可对同一个样品获得不同尺度下多种信息，因而也同样适用于各种地球珍贵样品（如来自地球早期、深部或深海等来之不易、不可重现的微小样品）的综合研究。 相关成果发表在Geoscience Frontier上。研究得到科技部重点研发计划、中科院前沿科学重点研究项目、地质地球所重点部署项目和国家自然科学基金资助。

呈固体块状的均质样品乳制品中的塑性粘性固体有人造黄油、黄油、奶油干酪、乳清干酪、乳化干酪等产品，此类产品关键物性特点是硬度即延展性、融化性与温度相关性、加工过程中的硬度变化、内聚性等。而蜡质和绵软弹性固体样品则主要是意大利干酪、荷兰干酪、羊乳酪、白乳酪、软质乳酪等，通过质构仪可分析其硬度、表面粘附性、成熟度、货架期、水分丧失引起的表面结构变化等。典型实例 1：奶油的铺展性分析（挤压/挤出实验） 该探头专业用于检测黄油、人造黄油的铺展性、蜡质性的特殊探头，通过实验可得到样品的硬度、粘附性、柔软度等指标。实验结果解读：如图所示为不同状态下黄油的测试曲线。曲线的正向峰值反映了黄油样品的硬度，可见 Dry 的黄油由于含水量少，故而在质地上较为坚硬，而 Wet 的黄油则硬度最小，Good 的黄油硬度处于二者之间，硬度的大小也反映了反映了产品的柔软度，硬度小则柔软度高，反之则柔软度差。从图中可见，太干或太湿的黄油在硬度上都会与“Good”产品存在明显的差异。典型案例 2：传统与素食奶酪产品的质地分析（穿刺实验）实验结果解读：用小直径的柱形探头做奶酪的穿刺实验，穿刺实验主要比较的是破裂力（正向峰值前面出现的小的峰）、硬度（正向峰值）、穿刺做功（正峰面积）、粘附力和粘附性。通过质构仪分析可见，素食产品在硬度和表面粘性上均小于传统奶酪，素食产品的内部均一性要优于传统产品（穿刺过程中力量基本不发生变化），而传统产的内部随着挤压的进行力量在缓慢的增大，可见其均一性不如素食产品，即脂肪含量的不同使得素食产品含水量较少且更脆，可见素食产品还需要在硬度、表面粘性、含水量等方便进行优化与改良。典型实例 3：黄油的硬度检测分析实验结果解读：人造黄油改善了黄油脂肪含量高的问题，为了使人造黄油在口感和质地上与黄油更加的接近，生产商需要了解二者在质地和口感上存在的差异具体表现在哪里。切线切割探头可以反应切割黄油时的平均力量（最大峰值），以及挤压做功（正峰面积），通过力量与做功的比较发现，人造黄油切割力与做功都远小于天然黄油，由此可见在质地上人造黄油更为柔软。

硫化物是自然界中常见的一类矿物，其形成往往与地质运动或生命活动相关。硫化物中的硫同位素组成是示踪生命活动，厘定地质过程的重要依据。传统离子探针硫同位素分析精度虽然可以达到0.1-0.2 &permil ，但其束斑一般为10-30 &mu m，不适用于微生物活动相关的微细硫化物颗粒(5 mm)和硫化物复杂环带等样品的硫同位素分析。纳米离子探针具有高空间分辨的特点，但通常其分析精度较传统离子探针逊色，前人在~2 mm空间分辨下，硫化物硫同位素分析的精度仅为2-4&permil ，制约了其在地球科学中的应用。 　　为获得更高的空间分辨和分析精度，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室张建超工程师与其合作者以纳米离子探针为平台，开展了超高空间分辨与高精度的硫同位素分析方法研究。QSA效应(电子倍增器无法记录几乎同时到达的两个离子而造成的测量误差)是制约高精度同位素分析的关键因素，该研究创新性地提出了精确校正QSA效应方法，并成功研发了不同空间尺度内硫同位素高精度分析的实验方法，其空间分辨和外部分析精度分别为：~5 mm尺度内分析精度0.3&permil 、 ~2 mm尺度内分析精度0.5&permil 、 ~1 mm尺度内分析精度1&permil 。这一结果是同等空间分辨下最优的分析精度，处于国际领先水平层次，能够满足微米-亚微米尺度的硫化物颗粒(如草莓状黄铁矿)及复杂环带的高精度硫同位素分析的需求。 　　该研究成果近期发表在国际分析技术刊物Journal of Analytical Atomic Spectrometry 上(Zhang et al. Improved precision and spatial resolution of sulfur isotope analysis using NanoSIMS. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2014, 29(10) : 1934-1943)。　　 地质地球所提出硫化物颗粒的高精度硫同位素分析方法