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100nm，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：

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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

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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

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