月壤分析最新突破

近日，中科院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化與環(huán)境演變?nèi)珖攸c實驗室的研究團隊（ 薛丁帥高級工程師和劉艷紅高級工程師為并列第一作者 ）聯(lián)合中國科學院國家天文臺在《Analytical Chemistry》發(fā)表嫦娥六號月背土壤樣品的最新研究，使用 X 射線熒光（XRF）與飛秒激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（fs LA-ICP-MS）聯(lián)用技術，對嫦娥6帶回的月背土壤樣品中的主量元素、次量元素和痕量元素進行了精準分析，為探索月球起源與演化提供關鍵數(shù)據(jù)。

2024 年 6 月，嫦娥六號從月球背面南極 - 艾特肯盆地帶回 1935.3 克月壤樣品，這是人類shou次在月球遠側(cè)采樣。

對月背土壤的精確分析，可以加深對月球演化的理解，且由于艾特肯盆地等區(qū)域受到早期撞擊事件的拋射，可能挖掘到深部物質(zhì)甚至月幔樣品，精確分析這些土壤樣品，有助于揭示月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分，助力月球資源的開發(fā)。

艾特肯盆地

文章摘要

2024年6月，嫦娥六號（CE6）月球任務從月球背面返回了第一批月球土壤樣本。該項研究使用串聯(lián)X射線熒光（XRF）和飛秒激光燒蝕剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）技術分析了兩個CE6月球土壤樣本中的10種主要元素、1種次量元素和31種痕量元素。針對珍貴月壤樣品，使用XRF進行主要元素分析，實施了硼酸鋰熔片自動和手動制備相結(jié)合的方案。僅需30mg高度稀釋的熔片樣品（熔劑與樣品的比例為100:1），即可準確定量樣品中的所有元素組成。同時，改進制備硼酸鋰熔片方法，熔融過程無需脫模劑，從而有效地避免了Br對Mn的干擾。此外，使用飛秒激光進行大面積線掃描，以增加采樣體積，以解決在高稀釋比熔融玻璃盤中通過ICP-MS進行微量元素分析的挑戰(zhàn)。這種串聯(lián)元素分析技術允許使用快速直接的制備方法測量單個樣品的主要和痕量元素含量，該方法有效地解決了難熔礦物（如鋯石）的問題，同時顯著減少了這些珍貴樣品的樣品使用量，提高了樣品制備效率。

研究概覽圖

研究亮點 | 微量樣品的“黃金處理方案"

針對珍貴月壤，研究團隊創(chuàng)新采用硼酸鋰熔融法制備玻璃熔片：使用M4 燃氣自動熔融制樣系統(tǒng)（Malvern Panalytical），僅需 30mg 樣品與硼酸鋰溶劑（67% Li?B?O?:33% LiBO?）按 1:100 比例混合，在 1050℃下熔融成均勻玻璃熔片。該方法不僅高效消解鋯石等難熔礦物，還通過優(yōu)化制備流程，提升玻璃片平整度，確保分析代表性。

優(yōu)化1：省去脫模劑的使用

• 避免元素干擾：傳統(tǒng)方法中使用的脫模劑（NH?Br）會導致 Br 的Kα 線與 Mn 的Kα 線部分重疊，干擾 Mn 的測定。省去脫模劑后，可有效消除這一干擾，提高 Mn 元素分析的準確性，從對比實驗中較低的 J?值也能體現(xiàn)出方法精度的提升。

• 改善熔片成型：添加脫模劑會使硼酸鋰溶劑流動性過強，難以覆蓋鉑金模具，導致熔片成型不合格。省去脫模劑后，熔融混合物流動性更適宜，有助于形成合格的圓形玻璃熔片。

優(yōu)化2：改進操作方式

• 模具無需移出熔樣機：無需將模具架從 M4 熔樣機中取出，直接將預熱的鉑金模具放在模具架上接收熔融混合物。避免了玻璃熔體再通風孔上冷卻過快，導致熔片不容易成型和熔片薄厚不均現(xiàn)象。

• 快速操作確保成型：將熔融混合物倒入模具后，迅速夾緊模具并用鍍鉑鉗子攪拌熔融混合物，直至形成圓形玻璃片。這種操作減少了熔片因冷卻不均而出現(xiàn)的厚度不均現(xiàn)象，提升了熔片質(zhì)量。

圖1 使用M4自動熔樣機改進前后熔片制備程序的比較：（a）拆除模具架，將鉑金模具定位在冷卻位；（b）將白金模具直接放置在模具架上。

圖2 熔片的厚度。（a）不含脫模劑的標準圓形玻璃熔片（6.0g助熔劑和0.6g樣品）。（b）使用手動旋轉(zhuǎn)技術制備的玻璃熔片，不含脫模劑（3.0g助熔劑和0.03g樣品）。（c）使用手動旋轉(zhuǎn)技術制備的玻璃熔片，其中含有脫模劑（3.0g助熔劑和0.03g樣品）。

研究亮點丨XRF, 主量元素的“核心擔當"

該項研究中選擇使用Axios Mineral波長色散X射線熒光光譜儀（Malvern Panalytical）對制備的熔片樣品進行分析， 并借助來自7家機構(gòu)的45種認證參考物質(zhì)，利用馬爾文帕納科Super Q軟件構(gòu)建校準模型，采用理論系數(shù)法結(jié)合實驗系數(shù)法進行校正基體和譜線干擾，為 XRF 分析月壤等樣品精準定標。嚴謹?shù)男什呗猿蔀?XRF 技術可靠檢測的關鍵支撐，保障月壤元素分析數(shù)據(jù)準確 。XRF在此項研究中的具有如下特點：

• 規(guī)避干擾：省去脫模劑（NH?Br），避免 Br 對 Mn 的衍射峰干擾，顯著提升 Mn 測定精度（圖 1）；

圖1 Br Kα的XRF圖譜與Mn Kα的圖譜部分重疊

• 數(shù)據(jù)可靠：XRF對 SiO?、P?O?等主量元素的測定結(jié)果與標準參考物質(zhì)高度吻合，優(yōu)于      LA-ICP-MS（圖 2）；與XRF相比，fs LA-ICP-MS對SiO2和P2O5的分析準確度和精度降低，這表明Si和P的非金屬特性在激光燒蝕分析過程中會引起明顯的基體效應。

圖2 XRF測量值與CRM（GBW07104和GBW07105）的認證值一致，而fs LA-ICPMS始終產(chǎn)生較低的值，分析精度降低（圖S7a-d）。這種系統(tǒng)性偏差在CE6月球土壤分析中同樣明顯（圖S7e）

• 高效協(xié)同：與 LA-ICP-MS 聯(lián)用，實現(xiàn)同一玻璃片上主量與微量元素的同步分析，減少樣品消耗的同時縮短流程。

  
  

關鍵數(shù)據(jù)速覽

實驗證實，嫦娥六號月壤主量元素以 SiO?（~45.8%）、Al?O?（~14.3%）、TFeO（~17.2%）為主，微量元素中 Ni、Zr 含量分別約 260μg/g 和 116μg/g（表 1）。

表1 CE6月背土壤樣品元素組成

結(jié)論

Conclusion

該研究表明使用硼酸鋰熔融的制備技術具有簡單、高效、可靠以及與各種分析方法兼容等優(yōu)點，使其成為許多實驗室樣品制備的選擇。均勻制備的固體玻璃熔片，確保耐酸礦物的分解以及高場強元素的溶解(Ta, Hf, Nb, Zr)。該方法有助于XRF與fs LA-ICP-MS聯(lián)用，實現(xiàn)同一個熔片樣品的同步分析，以準確定量月壤中主量、次量和痕量元素（10種主量、1種次量、31種痕量元素）。該方法還可以減少樣品消耗、縮短檢測流程，高效支撐多維度成分研究，為未來深空探索其他小行星和火星樣本提供技術參考。