掃描電鏡在土壤研究方面的應(yīng)用

1、掃描電鏡在土壤研究方面的應(yīng)用曾鵬摘要：掃描電子顯微鏡（掃描電鏡）的發(fā)明與發(fā)展，為方便快捷地觀察微觀世界提供了便利。從掃描電鏡的基本工作原理、電子束的產(chǎn)生、成像模式、真空模式等方面開啟了對(duì)掃描電鏡的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)一步介紹了掃描電鏡在土壤方面的應(yīng)用，來(lái)揭示土壤微觀結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵字：掃描電鏡；土壤；微觀結(jié)構(gòu)1 .掃描電鏡的工作原理及其特點(diǎn)電子與物質(zhì)相互作用會(huì)產(chǎn)生透射電子，彈性散射電子，能量損失電子，二次電子，背反射電子，吸收電子，X射線，俄歇電子，陰極發(fā)光和電動(dòng)力等1。電子顯微鏡就是利用這些信息來(lái)對(duì)試樣進(jìn)行形貌觀察、成分分析和結(jié)構(gòu)測(cè)定的。電子顯微鏡有很多類型，主要有透射電子顯微鏡（簡(jiǎn)稱透射電鏡）和掃描電鏡兩

2、大類。透射電鏡觀測(cè)要求試樣厚度小于100nm,電子束穿透試樣，通過探測(cè)透射電子來(lái)進(jìn)行觀測(cè)的，放大倍數(shù)可高達(dá)100萬(wàn)倍，分到率達(dá)0.05nm。掃描電鏡對(duì)試樣的厚度無(wú)嚴(yán)格要求，放大倍數(shù)可達(dá)十幾萬(wàn)倍，分辨率約幾納米，視配置的不同最高也可達(dá)1nm以下。掃描電鏡的工作原理是由發(fā)射源產(chǎn)生電子束，電子束通過電場(chǎng)加速和透鏡聚焦，形成一束非常細(xì)的高能電子束達(dá)到樣品表面，進(jìn)行掃描，試樣被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征X射線、背散射電子等，主要是通過探測(cè)二次電子或背散射電子，將信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并呈現(xiàn)在顯示器上來(lái)觀察樣品的表面形態(tài)的。真空系統(tǒng)要保證在電子束發(fā)出的整個(gè)過程中樣品室保持真空狀態(tài)，電子束才不致在運(yùn)

3、行過程中與空氣分子碰撞損失能量，才可到達(dá)樣品表面3。掃描電鏡的成像原理如圖1所示。掃描電鏡有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)4:艮電攝罔I猶母軍丸圖1掃描電鏡成像原理示意圖掃描電鏡具有明顯的立體感掃描電鏡是由電子束沖擊到樣品后釋放出來(lái)的次級(jí)電子所形成的信號(hào)，次級(jí)電子幅度的變化，取決于樣品材料的性質(zhì)和電子束與樣品表面所成的角度，所以其像差隨樣品表面的構(gòu)形而改變，而不受樣品大小和厚度的影響。光學(xué)顯微鏡放大100倍時(shí)，聚焦深度為12微米，而掃描電鏡放大100倍時(shí)，聚焦深度為1毫米，其景深效果至少比光學(xué)顯微鏡要好500倍；放大10000倍時(shí)，聚焦深度仍達(dá)10微米。對(duì)觀察微米級(jí)土壤特征相和自然結(jié)構(gòu)體的表面形貌、細(xì)粒物

4、質(zhì)的空間排列和微孔特征有十分明顯的立體感。掃描電鏡的放大范圍廣、分辨率高掃描電鏡一般所能放大的有效范圍，可以從放大鏡的20倍及光學(xué)顯微鏡的數(shù)百倍。同時(shí)，由于掃描電鏡的放大程度是隨電子束掃描速度而不同，隨著增加放大倍數(shù)，焦距不用改變就可進(jìn)行低顯微倍數(shù)（X20）到超顯微倍數(shù)（X10萬(wàn)）的各種觀察，景深也不像光學(xué)顯微鏡那樣相對(duì)遞減。但是對(duì)于土壤樣品，由于掃描電鏡的像差隨樣品面原子序數(shù)而改變，其最大有效放大倍數(shù)，目前不超過5萬(wàn)倍。掃描電鏡的分辨率為50埃左右，它不僅分辨出光學(xué)顯微鏡難以辨認(rèn)的小于5微米以下的土壤微孔和顆粒及膠膜表面形貌，而且能分辨出十分之一微米的結(jié)晶集合體。制備樣品的操作簡(jiǎn)易掃描導(dǎo)電樣

5、品的制備比光學(xué)顯微鏡（制成薄片）、透射電子顯微鏡（薄膜法、復(fù)型法）要簡(jiǎn)易得多。將供試的新鮮裂面用導(dǎo)電膠粘在裝樣品的銅墊上，為避免樣品受電子轟擊而造成靜電荷堆積，需將樣品在真空下噴涂200埃厚的碳和金屬（Au或Au-Pd）導(dǎo)電層以保持樣品的表面處于一種恒定的電勢(shì)。2 .掃描電鏡在土壤學(xué)中的應(yīng)用2.1 研究土壤土壤結(jié)構(gòu)由于掃描電鏡所揭示的是物質(zhì)表面形貌的細(xì)微結(jié)構(gòu)，其有效景深為10.01毫米，亦即可以觀察這樣深度的表面構(gòu)形變化。王恩妲等5通過X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影（CT）與掃描電子顯微鏡（SEM）相結(jié)合的方法研究?jī)鋈诮惶婧蟛煌叨群谕两Y(jié)構(gòu)變化特征，研究發(fā)現(xiàn)凍融后土壤表面粗糙度增加，顆粒松散、脫離，孔壁

6、斷裂，證明了凍融交替對(duì)土壤微結(jié)構(gòu)的破壞作用；同時(shí)結(jié)合電子能譜的元素分析可知凍融交替能夠改變土壤顆粒表面化學(xué)特征。黃四平等6對(duì)土木的SEM和3DSDDM形貌觀察發(fā)現(xiàn)，鹽分在遺址表面結(jié)晶和堆積，由于鹽脹作用的發(fā)生，引起遺址表面的土顆粒之間的黏合力減小，土壤顆粒之間的距離拉大，使土體表面泛白酥解，嚴(yán)重時(shí)酥粉脫落。佟金等7利用掃描電鏡觀察了土壤/橡膠粘附系統(tǒng)自然風(fēng)干后界面處土壤表層微形態(tài)，發(fā)現(xiàn)土壤表層呈現(xiàn)各種尺度的粗糙結(jié)構(gòu)，微觀形態(tài)特征與界面所受法向壓力的大小有關(guān)。李建法等8通過掃描電鏡（SEM）觀察證實(shí)了聚合物-磺化氨基樹脂對(duì)沙土顆粒的連結(jié)作用，從而使其形成較大的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而表明該物質(zhì)對(duì)風(fēng)沙土結(jié)

7、構(gòu)具有較好的改良效果。唐澤軍等9通過掃描電鏡（SEM）研究了降雨及聚丙烯酰胺作用下對(duì)土壤的封閉和結(jié)皮形成的過程，研究發(fā)現(xiàn)土壤結(jié)皮是由結(jié)構(gòu)結(jié)皮和沉積結(jié)皮構(gòu)成，入滲量與時(shí)間的歷時(shí)曲線反映了結(jié)皮的4個(gè)形成過程。周倩等10研究了濱海潮灘土壤中微塑料的表面微觀特征（圖1）,研究發(fā)現(xiàn)土壤環(huán)境微塑料樣品表面的粗糙紋理、不規(guī)則孔隙特征是微塑料的主要表觀特征。余薇薇等11利用SEM研究了沼液灌溉對(duì)紫色土菜地土壤特性的影響，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期沼液灌溉使土壤孔隙度增加，團(tuán)聚物周圍附著的微生物量增加，礦物種類豐富，穩(wěn)定性提高。張丹等12通過掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)云南楚雄地區(qū)馬頭山組、祿豐組、妥甸組紫色泥巖的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)

8、，結(jié)果發(fā)現(xiàn)祿豐組、馬頭山組和妥甸組泥巖的微結(jié)構(gòu)分別呈蜂窩狀、花瓣?duì)詈蛨F(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)，團(tuán)粒狀（妥甸組）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯低于花瓣?duì)睿R頭山組）、蜂窩狀（祿豐組）。（a）,（b）碎片類微塑料（黑）表面；（c）,（d）碎片類微塑料（半透明）邊緣；（e）,顆粒類微塑料孔隙圖1土壤中不同類型微塑料局部表面SEM圖2.2 研究土壤粒度與形貌的聯(lián)系土壤粒度組成是土壤重要的物理特性之一，對(duì)提高綠洲城市土壤抗風(fēng)蝕能力、持水能力和土壤養(yǎng)分等有重要意義。張超等13利用激光衍射粒度儀和掃描電鏡分析土壤粒度特征，研究發(fā)現(xiàn)典型樣點(diǎn)的電鏡圖（圖2）與粒度頻率分布曲線的結(jié)果具有相似性和一致性。余莉琳14用土壤粒度分析和SEM微觀分析，

9、發(fā)現(xiàn)改良土中細(xì)黏粒含量增加，砂粒、粉粒間粘結(jié)物質(zhì)增加，并具有形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)，土壤質(zhì)地明顯改善，保墻能力增強(qiáng)，土壤質(zhì)地屬于砂壤土。王學(xué)松等15利用SEM/EDX分析土壤中的磁性物質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)人為產(chǎn)生的磁性礦物一般呈球形且顆粒較大，因此土壤的磁學(xué)特征可作為判斷環(huán)境污染的證據(jù)。楊雯16通過掃描電鏡（SEM）和砂粒粒徑分級(jí)研究摩擦清洗后砂粒的變化規(guī)律，結(jié)果表明：摩擦清洗能從砂粒表面去除一部分細(xì)粒土壤和鉛污染物；0.250.5mm處是摩擦清洗質(zhì)量變化的拐點(diǎn)。利用掃描電鏡可進(jìn)一步觀察土壤的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可更好的解釋土壤粒徑分布及其表面形態(tài)的聯(lián)系。通過對(duì)SEM圖像作空間變換和三維數(shù)字模擬操作，還可逼真顯

10、示土壤微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征17。圖2不同采樣區(qū)典型土樣的電鏡圖2.3 研究重金屬污染土壤鈍化修復(fù)機(jī)理重金屬污染土壤鈍化技術(shù)通過向污染土壤中添加一些活性物質(zhì)，以降低重金屬在土壤中的活性及生物有效性。何哲祥等18利用高爐渣長(zhǎng)期穩(wěn)定修復(fù)重金屬污染土壤，通過SEM分析發(fā)現(xiàn)（圖3）,鈍化過程中有水化產(chǎn)物低鈣硅質(zhì)量比的C-S-H凝膠生成，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，有利于吸附或共沉淀、包裹和固化重金屬，而且有效態(tài)鋅、鎘和鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低了64.08%、66.37%和57.15%。尹鵬19對(duì)改性工業(yè)廢渣對(duì)重金屬污染土壤的穩(wěn)定化修復(fù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鈍化劑與重金屬反應(yīng)后有新的物質(zhì)生成且表面形態(tài)也發(fā)生了顯著的變化。姚海燕等

11、20利用牛糞生物炭、菌液以及兩者混合物等不同鈍化劑修復(fù)As、Cd、Pb污染土壤，通過XRD、SEM對(duì)修復(fù)機(jī)理進(jìn)行初步解析，發(fā)現(xiàn)鈍化劑中含有的多種官能團(tuán)以及牛糞生物炭的微孔結(jié)構(gòu)、微生物代謝產(chǎn)物中的大分子基團(tuán)、二價(jià)硫離子、磷酸根離子等物質(zhì)對(duì)重金屬的穩(wěn)定化有著重要的影響。成雪君等21利用SEM-EDX研究負(fù)載有鳥糞石的人造沸石的磷回收產(chǎn)物（PRP材料）來(lái)揭示其修復(fù)機(jī)理（圖4）,研究發(fā)現(xiàn)PRP材料對(duì)土壤中重金屬銅的固定機(jī)制主要是對(duì)土壤中銅的吸附和沉淀作用，還可通過調(diào)節(jié)土壤的pH增強(qiáng)了土壤膠體本身對(duì)銅的吸W力。Basta等22通過X光衍射（XRD）及掃描電鏡（SEM）分析發(fā)現(xiàn)，在鉛污染土壤中加入磷酸二氫

12、鈣和磷礦粉能十分有效地在植物根際土壤、土壤表層（010cm）及亞表層（2040cm）形成穩(wěn)定性磷酸鉛鹽的沉淀，使鉛的生物有效性降低48%95%。謝偉強(qiáng)等23以一定比例混合的磷酸二氫鉀、生石灰、氯化鉀，對(duì)鉛鋅礦區(qū)污染土壤進(jìn)行穩(wěn)定化處理，通過XRD和SEM分析表明，穩(wěn)定化處理后形成的Ca-P-Pb沉淀、磷酸鉛鹽（PbHPO4、Pb3（PO4）2）、類磷氯鉛礦（Pb-PO4-Cl/OH）及混合重金屬沉淀物（Fe-PO4-Ca-Pb-Zn-OH）相互交聯(lián)將重金屬離子裹縛起來(lái)，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得重金屬離子難以浸出。(a)原土壤；(b)14d;(c)28d;(d)90d圖3不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間土壤樣品的SEM圖

13、02468100246810能吊/keV能收做V(a)人造沸石(b)PRP材料圖4人造沸石和PRP材料的SEM-EDX圖3 .展望顯微儀器設(shè)計(jì)的目的就是為了幫助人們更好地去認(rèn)識(shí)微觀世界，判斷顯微儀器的好壞最直接的方法就是看其成像的質(zhì)量以及清晰度，是否可以突破衍射極限，達(dá)到原子分辨率量級(jí)，而這又與光學(xué)有著直接的聯(lián)系。通過采用SEM-EDX結(jié)合其它現(xiàn)代儀器分析技術(shù)(場(chǎng)發(fā)射、同步輻射等)不僅可較好地表征土壤樣品的形貌，還能同時(shí)得到成分信息和礦物學(xué)信息。為打開土壤“黑箱”進(jìn)一步提供了良好的平臺(tái)和技術(shù)支撐。電子顯微鏡技術(shù)在短短數(shù)十年間取得巨大的進(jìn)步，其在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用也日益普及。盡管現(xiàn)在電子顯微鏡尚

14、且存在許多問題，但可以肯定，電子顯微鏡技術(shù)還具有很大的發(fā)展?jié)摿?。尤其是近些年?lái)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子顯微鏡技術(shù)的結(jié)合的研究更是取得了相當(dāng)大的進(jìn)展?？梢韵胍姡磥?lái)電子顯微鏡將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。我國(guó)的儀器制造工作者和研究人員應(yīng)該抓住電鏡發(fā)展所帶來(lái)的全新機(jī)遇，不斷縮小自身與世界先進(jìn)水平的差距，努力贏得新技術(shù)變革所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)1李萍，徐曉華，胡問國(guó).掃描電鏡中束徑與束流關(guān)系的研究J.數(shù)據(jù)采集與處理.1989,4(S1):55-56.2姚駿恩.電子顯微鏡的最近進(jìn)展J.電子顯微學(xué)報(bào).1982(1):1-9.3郭航.掃描電鏡基本原理及其在土壤學(xué)方面的應(yīng)用J.科技展望.2017(22):112.4

15、謝萍若.掃描電鏡在微土壤學(xué)中的應(yīng)用J.土壤學(xué)進(jìn)展.1981(2):52-55.5王恩姮，趙雨森，夏祥友，等.凍融交替后不同尺度黑土結(jié)構(gòu)變化特征J.生態(tài)學(xué)報(bào).2014,34(21):6287-6296.6黃四平，趙崗，李玉虎，等.模擬土遺址中可溶鹽運(yùn)移規(guī)律的初步探索J.土壤學(xué)報(bào).2011,48(2):295-301.7佟金，任露泉，孫世元，等.土壤/橡膠粘附界面土壤表層微形態(tài)SEM研究J.電子顯微學(xué)報(bào).1993(4):348-351.8李建法，宋湛謙，高宏.磺化氨基樹脂對(duì)風(fēng)沙土的結(jié)構(gòu)改良作用研究J.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè).2006,26(3):17-22.9唐澤軍，雷廷武，張晴雯，等.降雨及聚丙烯酰胺(

16、PAM)作用下土壤的封閉過程和結(jié)皮的形成J.生態(tài)學(xué)報(bào).2002,22(5):674-681.10周倩，章海波，周陽(yáng)，等.濱海潮灘土壤中微塑料的分離及其表面微觀特征J.科學(xué)通報(bào).2016,61(14):1604-1611.11余薇薇，張智，羅蘇蓉，等.沼液灌溉對(duì)紫色土菜地土壤特性的影響J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2012,28(16):178-184.12張丹，陳安強(qiáng)，蘇友波，等.云南典型紫色泥巖微觀結(jié)構(gòu)的定量特征J.土壤通報(bào).2014,45(2):320-327.13張超，陳學(xué)剛，權(quán)曉燕，等.烏魯木齊城市土壤粒度特征分析J.水土保持研究.2015,22(2):213-218.14余莉琳.干旱礦區(qū)生態(tài)修復(fù)

17、土壤改良及植物選擇實(shí)驗(yàn)D.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014.15王學(xué)松，秦勇.徐州城市表層土壤的磁學(xué)特征J.科學(xué)導(dǎo)報(bào).2005,11(23):14-19.16楊雯.典型鉛污染土壤修復(fù)工藝技術(shù)研究D.武漢：武漢理工大學(xué)，2013.17張季如，祝杰，黃麗，等.土壤微觀結(jié)構(gòu)定量分析的IPP圖像技術(shù)研究J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào).2008,30(4):80-83.18何哲祥，肖威，李翔.基于高爐渣的土壤重金屬穩(wěn)定/固化劑J.中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2017,47(7):1957-1963.19尹鵬.改性工業(yè)廢渣對(duì)重金屬污染土壤的穩(wěn)定化修復(fù)研究D.廣州：華南理工大學(xué)，2015.20姚海燕，李洋，龍飛，等.電子廢棄物處理場(chǎng)地重金屬污染土壤的鈍化修復(fù)及其機(jī)理初析J.上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2016,33(2):127-133.21成雪君，王學(xué)江，陳杰，等