扫描电镜在土壤研究方面的应用

扫描电镜在土壤研究方面的应用曾鹏摘要：扫描电子显微镜(扫描电镜)的发明与发展，为方便快捷地观察微观世界提供了便利。

从扫描电镜的基本工作原理、电子束的产生、成像模式、真空模式等方面开启了对扫描电镜的认识，并进一步介绍了扫描电镜在土壤方面的应用，来揭示土壤微观结构。

关键字：扫描电镜；土壤；微观结构1. 扫描电镜的工作原理及其特点电子与物质相互作用会产生透射电子，弹性散射电子，能量损失电子，二次电子，背反射电子，吸收电子，X射线，俄歇电子，阴极发光和电动力等[1]。

电子显微镜就是利用这些信息来对试样进行形貌观察、成分分析和结构测定的。

电子显微镜有很多类型，主要有透射电子显微镜（简称透射电镜）和扫描电镜两大类[2]。

透射电镜观测要求试样厚度小于100 nm，电子束穿透试样，通过探测透射电子来进行观测的，放大倍数可高达100万倍，分辨率达～0.05 nm。

扫描电镜对试样的厚度无严格要求，放大倍数可达十几万倍，分辨率约几纳米，视配置的不同最高也可达1 nm以下。

扫描电镜的工作原理是由发射源产生电子束，电子束通过电场加速和透镜聚焦，形成一束非常细的高能电子束达到样品表面，进行扫描，试样被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X 射线、背散射电子等，主要是通过探测二次电子或背散射电子，将信号进行光电转换并呈现在显示器上来观察样品的表面形态的。

真空系统要保证在电子束发出的整个过程中样品室保持真空状态，电子束才不致在运行过程中与空气分子碰撞损失能量，才可到达样品表面[3]。

扫描电镜的成像原理如图1所示。

扫描电镜有以下几个显著的特点[4]：图1 扫描电镜成像原理示意图①扫描电镜具有明显的立体感扫描电镜是由电子束冲击到样品后释放出来的次级电子所形成的信号，次级电子幅度的变化，取决于样品材料的性质和电子束与样品表面所成的角度，所以其像差随样品表面的构形而改变，而不受样品大小和厚度的影响。

光学显微镜放大100倍时，聚焦深度为1~2微米，而扫描电镜放大100倍时，聚焦深度为1毫米，其景深效果至少比光学显微镜要好500倍；放大10000倍时，聚焦深度仍达10微米。

对观察微米级土壤特征相和自然结构体的表面形貌、细粒物质的空间排列和微孔特征有十分明显的立体感。

②扫描电镜的放大范围广、分辨率高扫描电镜一般所能放大的有效范围，可以从放大镜的20倍及光学显微镜的数百倍。

同时，由于扫描电镜的放大程度是随电子束扫描速度而不同，随着增加放大倍数，焦距不用改变就可进行低显微倍数（×20）到超显微倍数（×10万）的各种观察，景深也不像光学显微镜那样相对递减。

但是对于土壤样品，由于扫描电镜的像差随样品面原子序数而改变，其最大有效放大倍数，目前不超过5万倍。

扫描电镜的分辨率为50埃左右，它不仅分辨出光学显微镜难以辨认的小于5微米以下的土壤微孔和颗粒及胶膜表面形貌，而且能分辨出十分之一微米的结晶集合体。

③制备样品的操作简易扫描导电样品的制备比光学显微镜（制成薄片）、透射电子显微镜（薄膜法、复型法）要简易得多。

将供试的新鲜裂面用导电胶粘在装样品的铜垫上，为避免样品受电子轰击而造成静电荷堆积，需将样品在真空下喷涂200埃厚的碳和金属（Au或Au-Pd）导电层以保持样品的表面处于一种恒定的电势。

2. 扫描电镜在土壤学中的应用2.1 研究土壤土壤结构由于扫描电镜所揭示的是物质表面形貌的细微结构，其有效景深为1~0.01毫米，亦即可以观察这样深度的表面构形变化。

王恩妲等[5]通过X射线计算机断层摄影（CT）与扫描电子显微镜（SEM）相结合的方法研究冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征，研究发现冻融后土壤表面粗糙度增加，颗粒松散、脱离，孔壁断裂，证明了冻融交替对土壤微结构的破坏作用；同时结合电子能谱的元素分析可知冻融交替能够改变土壤颗粒表面化学特征。

黄四平等[6]对土样的SEM和3DSDDM形貌观察发现，盐分在遗址表面结晶和堆积，由于盐胀作用的发生，引起遗址表面的土颗粒之间的黏合力减小，土壤颗粒之间的距离拉大，使土体表面泛白酥解，严重时酥粉脱落。

佟金等[7]利用扫描电镜观察了土壤/橡胶粘附系统自然风干后界面处土壤表层微形态，发现土壤表层呈现各种尺度的粗糙结构，微观形态特征与界面所受法向压力的大小有关。

李建法等[8]通过扫描电镜（SEM）观察证实了聚合物-磺化氨基树脂对沙土颗粒的连结作用，从而使其形成较大的团聚体结构，进而表明该物质对风沙土结构具有较好的改良效果。

唐泽军等[9]通过扫描电镜（SEM）研究了降雨及聚丙烯酰胺作用下对土壤的封闭和结皮形成的过程，研究发现土壤结皮是由结构结皮和沉积结皮构成，入渗量与时间的历时曲线反映了结皮的4个形成过程。

周倩等[10]研究了滨海潮滩土壤中微塑料的表面微观特征（图1），研究发现土壤环境微塑料样品表面的粗糙纹理、不规则孔隙特征是微塑料的主要表观特征。

余薇薇等[11]利用SEM研究了沼液灌溉对紫色土菜地土壤特性的影响，发现长期沼液灌溉使土壤孔隙度增加，团聚物周围附着的微生物量增加，矿物种类丰富，稳定性提高。

张丹等[12]通过扫描电子显微镜（SEM）对云南楚雄地区马头山组、禄丰组、妥甸组紫色泥岩的微观结构进行观测，结果发现禄丰组、马头山组和妥甸组泥岩的微结构分别呈蜂窝状、花瓣状和团粒状结构，团粒状（妥甸组）结构强度明显低于花瓣状（马头山组）、蜂窝状（禄丰组）。

(a)，(b)碎片类微塑料(黑)表面；(c)，(d)碎片类微塑料(半透明)边缘；(e)，(f)颗粒类微塑料孔隙图1 土壤中不同类型微塑料局部表面SEM图2.2 研究土壤粒度与形貌的联系土壤粒度组成是土壤重要的物理特性之一，对提高绿洲城市土壤抗风蚀能力、持水能力和土壤养分等有重要意义。

张超等[13]利用激光衍射粒度仪和扫描电镜分析土壤粒度特征，研究发现典型样点的电镜图（图2）与粒度频率分布曲线的结果具有相似性和一致性。

余莉琳[14]用土壤粒度分析和SEM微观分析，发现改良土中细黏粒含量增加，砂粒、粉粒间粘结物质增加，并具有形成团粒结构的趋势，土壤质地明显改善，保墒能力增强，土壤质地属于砂壤土。

王学松等[15]利用SEM/EDX分析土壤中的磁性物质，研究发现人为产生的磁性矿物一般呈球形且颗粒较大，因此土壤的磁学特征可作为判断环境污染的证据。

杨雯[16]通过扫描电镜（SEM）和砂粒粒径分级研究摩擦清洗后砂粒的变化规律，结果表明：摩擦清洗能从砂粒表面去除一部分细粒土壤和铅污染物；0.25~0.5 mm处是摩擦清洗质量变化的拐点。

利用扫描电镜可进一步观察土壤的微观结构，进而可更好的解释土壤粒径分布及其表面形态的联系。

通过对SEM图像作空间变换和三维数字模拟操作，还可逼真显示土壤微观孔隙结构特征[17]。

图2 不同采样区典型土样的电镜图2.3 研究重金属污染土壤钝化修复机理重金属污染土壤钝化技术通过向污染土壤中添加一些活性物质，以降低重金属在土壤中的活性及生物有效性。

何哲祥等[18]利用高炉渣长期稳定修复重金属污染土壤，通过SEM分析发现（图3），钝化过程中有水化产物低钙硅质量比的C-S-H凝胶生成，土壤内部结构致密，有利于吸附或共沉淀、包裹和固化重金属，而且有效态锌、镉和铅的质量分数分别降低了64.08%、66.37%和57.15%。

尹鹏[19]对改性工业废渣对重金属污染土壤的稳定化修复进行了研究，发现钝化剂与重金属反应后有新的物质生成且表面形态也发生了显著的变化。

姚海燕等[20]利用牛粪生物炭、菌液以及两者混合物等不同钝化剂修复As、Cd、Pb污染土壤，通过XRD、SEM对修复机理进行初步解析，发现钝化剂中含有的多种官能团以及牛粪生物炭的微孔结构、微生物代谢产物中的大分子基团、二价硫离子、磷酸根离子等物质对重金属的稳定化有着重要的影响。

成雪君等[21]利用SEM-EDX研究负载有鸟粪石的人造沸石的磷回收产物（PRP材料）来揭示其修复机理（图4），研究发现PRP材料对土壤中重金属铜的固定机制主要是对土壤中铜的吸附和沉淀作用，还可通过调节土壤的pH增强了土壤胶体本身对铜的吸附能力。

Basta等[22]通过X光衍射（XRD）及扫描电镜（SEM）分析发现，在铅污染土壤中加入磷酸二氢钙和磷矿粉能十分有效地在植物根际土壤、土壤表层（0~10 cm）及亚表层（20～40 cm）形成稳定性磷酸铅盐的沉淀，使铅的生物有效性降低48%~95%。

谢伟强等[23]以一定比例混合的磷酸二氢钾、生石灰、氯化钾，对铅锌矿区污染土壤进行稳定化处理，通过XRD和SEM分析表明，稳定化处理后形成的Ca-P-Pb沉淀、磷酸铅盐（PbHPO4、Pb3(PO4)2）、类磷氯铅矿（Pb-PO4-Cl/OH）及混合重金属沉淀物（Fe-PO4-Ca-Pb-Zn-OH）相互交联将重金属离子裹缚起来，形成稳定的结构，使得重金属离子难以浸出。

(a) 原土壤；(b) 14 d；(c) 28 d；(d) 90 d图3 不同养护时间土壤样品的SEM图图4 人造沸石和PRP材料的SEM-EDX图3. 展望显微仪器设计的目的就是为了帮助人们更好地去认识微观世界，判断显微仪器的好坏最直接的方法就是看其成像的质量以及清晰度，是否可以突破衍射极限，达到原子分辨率量级，而这又与光学有着直接的联系。

通过采用SEM-EDX结合其它现代仪器分析技术（场发射、同步辐射等）不仅可较好地表征土壤样品的形貌，还能同时得到成分信息和矿物学信息。

为打开土壤“黑箱”进一步提供了良好的平台和技术支撑。

电子显微镜技术在短短数十年间取得巨大的进步，其在各个学科领域的应用也日益普及。

尽管现在电子显微镜尚且存在许多问题，但可以肯定，电子显微镜技术还具有很大的发展潜力。

尤其是近些年来，现代计算机技术与电子显微镜技术的结合的研究更是取得了相当大的进展。

可以想见，未来电子显微镜将发挥越来越重要的作用。

我国的仪器制造工作者和研究人员应该抓住电镜发展所带来的全新机遇，不断缩小自身与世界先进水平的差距，努力赢得新技术变革所带来的挑战。

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