一种分析磷灰石中稀土元素的前处理方法及其检测方法

本发明涉及分析检测领域，具体涉及一种分析磷灰石中稀土元素的前处理方法及其检测方法。

背景技术：

2011年，日本的研究团队在naturegeosciences期刊上首次报道称：深海海盆中的富稀土沉积物有潜力可作为未来的稀土资源(katoetal.,2011；naturegeosciences)。此后，该研究引起全球性的关注，然而关于深海沉积物的稀土富集机制却无明确结论。目前，学界普遍认为，深海沉积物中的稀土元素主要赋存于海洋生物的骨骼和牙齿化石之中，其主要组成矿物为羟基磷灰石。然而，这些生物磷灰石之中的稀土元素赋存状态，仍有待进一步厘清。现有技术中还缺乏一种可以用于检测生物磷灰石中的稀土元素赋存状态的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种分析磷灰石中稀土元素的前处理方法及其检测方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种分析磷灰石中稀土元素的前处理方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将树脂在模具中凝固至粘度为1.2～1.8pa·s；树脂的深度为模具深度的20％～60％；

(2)将含有磷灰石的待测样品置于步骤(1)的树脂表面并且使得磷灰石的晶体生长方向与水平面平行；

(3)注入树脂至步骤(2)处理后的待测样品被完全包埋并对树脂进行完全固化得到树脂包埋后的样品；

(4)将所述树脂包埋后的样品进行切片得到切片样品，切片的方向与树脂的上表面垂直且与磷灰石的晶体生长方向垂直；所述切片样品的厚度为50～100nm。

上述分析磷灰石中稀土元素的前处理方法利用树脂固化对含有磷灰石的待测样品进行固定，在固定的过程中使得磷灰石的晶体生长方向与水平面平行，这样就使得树脂固化后上表面与磷灰石的晶体生长方向垂直，由此，对树脂包埋后的样品进行切片，得到切片样品的切片的方向与树脂的上表面垂直且与磷灰石的晶体生长方向垂直；能够完整地保留晶体结构，而且在进行后续检测的时候，能够正对着磷灰石晶体的正晶带轴获取信息，以确定磷灰石中稀土元素的赋存状态。上述前处理方法相比于粉末法前处理方法而言，具有以下优点：(1)利用粉末法的前处理方法处理过的样品，大小和厚度是随机的，用于检测时样品的分布也是随机的，对于后续检测获取完整的保留晶体结构的信息造成了困难；(2)利用粉末法的前处理方法处理过的样品在后续检测时，需要筛选合适的待测样品，花费时间长，而且未必能够获得合适的样品。传统的“粉末法”的前处理技术，无法满足快速且精确分析样品晶体结构的要求。而上述的分析磷灰石中稀土元素的前处理方法既能够正对着磷灰石晶体的正晶带轴获取信息，以确定磷灰石中稀土元素的赋存状态，并且能够获得更完整的样品的信息，实现了磷灰石中稀土元素的快速且精确的分析检测。

优选地，所述步骤(2)中，通过显微镜观察并确定含有磷灰石的待测样品中磷灰石的晶体生长方向，然后固定含有磷灰石的待测样品使得磷灰石的晶体生长方向与水平面平行。

上述方法通过显微镜观察来明确磷灰石的晶体生长方向，通过不断的调整摆放使得磷灰石的晶体生长方向与水平面平行，由此，可以确保后续切割的方向垂直于晶体的生长方向，在后续通过透射电镜获取切片样品的信息时，能够沿磷灰石的晶体生长方向进行观察获取信息。

优选地，所述前处理方法还包括步骤：进行步骤(2)之前对含有磷灰石的待测样品进行清洗。

优选地，所述清洗的清洗溶液为c1～c3的醇类有机溶剂和过氧化氢的混合溶液。

上述分析磷灰石中稀土元素的前处理方法利用c1～c3的醇类有机溶剂和过氧化氢的混合溶液进行清洗，可以去除样品表面的油类物质和还原性物质，实现更好的树脂固定包埋效果，与树脂的结合效果更好，切片后更有利于分析检测。

优选地，所述c1～c3的醇类有机溶剂和过氧化氢的混合溶液的体积比为20:0.8～1.2。

优选地，所述含有磷灰石的待测样品为生物质磷灰石。

优选地，所述含有磷灰石的待测样品为海洋动物的骨化石或者牙齿化石。

上述分析磷灰石中稀土元素的前处理方法对海洋动物的骨化石或者牙齿化石进行前处理后，样品通过透射电镜可以获得海洋动物的骨化石或者牙齿化石中稀土元素的赋存状态，能够获得更完整的样品的信息，实现了海洋动物的骨化石或者牙齿化石中稀土元素的快速且精确的分析检测。

优选地，所述切片样品的厚度为50～80nm。

当切片样品的厚度为50～80nm时，有利于透射电镜获取更清晰的原子图像和能谱分析图。

优选地，所述步骤(3)中，完全固化的方式为：在30～40℃热烘10～15小时。

本发明还提供一种磷灰石中稀土元素的检测方法，所述方法包括以下步骤：

(ⅰ)应用上述任一所述分析磷灰石中稀土元素的前处理方法对含有磷灰石的待测样品进行处理得到切片样品；

(ⅱ)用透射电镜对所述切片样品进行检测。

上述磷灰石中稀土元素的检测方法既能够正对着磷灰石晶体的正晶带轴获取信息，以确定磷灰石中稀土元素的赋存状态，并且能够获得更完整的样品的信息，实现了磷灰石中稀土元素的快速且精确的分析检测。

优选地，所述步骤(ⅱ)中，用透射电镜获取切片样品的原子像图、能谱分析图、原子像信号强度图中的至少一种。

上述磷灰石中稀土元素的检测方法通过原子像可以获取磷灰石的原子的排列，能谱分析图能够获取样品的元素组成的信息，通过原子像信号强度图可以获取峰的强度与对应位置原子的原子序数呈函数关系，突起的高峰意味着有高原子序数的重原子进入晶格，偏低的峰则对应较轻的元素，从而确定稀土元素的赋存状态。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种分析磷灰石中稀土元素的前处理方法及其检测方法，本发明的分析磷灰石中稀土元素的前处理方法既能够正对着磷灰石晶体的正晶带轴获取信息，以确定磷灰石中稀土元素的赋存状态，并且能够获得更完整的样品的信息，实现了磷灰石中稀土元素的快速且精确的分析检测，本发明的磷灰石中稀土元素的检测方法通过原子像可以获取磷灰石的原子的排列，能谱分析图能够获取样品的元素组成的信息，通过原子像信号强度图可以获取峰的强度与对应位置原子的原子序数呈函数关系，突起的高峰意味着有高原子序数的重原子进入晶格，偏低的峰则对应较轻的元素，从而确定稀土元素的赋存状态。本发明的磷灰石中稀土元素的检测方法首次将超薄切片的技术和透射电镜检测结合起来应用于含有磷灰石的待测样品、深海鱼牙骨化石的透射电镜检测，并且通过不断的尝试，明确最理想的切割方向，清楚拍摄到生物磷灰石的原子图像，能够确定稀土元素的赋存状态；本发明的磷灰石中稀土元素的检测方法能清楚拍摄到生物磷灰石正晶带轴的原子像，能在透射电镜的视域下快速找到目标样品，大幅提高实验效率；样品切片厚度可灵活控制，能根据样品的性质和透射电镜的工作条件，有效调整样品的切割厚度，实现最佳的拍摄效果。

附图说明

图1为本发明实施例的待测样品在显微镜下的放大图像。

图2为本发明实施例的分析磷灰石中稀土元素的前处理方法的包埋样品的流程示意图。

图3为本发明实施例磷灰石中稀土元素的检测方法的检测效果图。

图4为本发明实施例磷灰石中稀土元素的检测方法的高分辨透射电镜图。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

作为本发明实施例的一种分析磷灰石中稀土元素的前处理方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将树脂倒入模具中并在模具中于35℃烘2小时凝固粘度为1.5pa·s(如图2a)；树脂的深度为模具深度的50％；

(2)用显微镜观察，明确含有磷灰石的待测样品的晶体生长方向(如图2)，将含有磷灰石的待测样品摆放在步骤(1)的树脂表面，并通过显微镜观察使得磷灰石的晶体生长方向与水平面平行；含有磷灰石的待测样品预先浸泡在乙醇和过氧化氢的混合溶液中进行超声波清洗，乙醇和过氧化氢的体积比为20:1，样品清洗后自然风干；所述含有磷灰石的待测样品为鱼牙骨化石；

(3)注入树脂至步骤(2)处理后的待测样品被完全包埋并对树脂进行完全固化得到树脂包埋后的样品；完全固化的方式为：在35℃热烘12小时；

(4)将所述树脂包埋后的样品进行切片得到切片样品，切片的方向与树脂的上表面垂直且与磷灰石的晶体生长方向垂直；所述切片样品的厚度为50nm。

实施例2

作为本发明实施例的一种分析磷灰石中稀土元素的前处理方法，本实施例与实施例1的唯一区别为：所述切片样品的厚度为80nm。

实施例3

作为本发明实施例的一种分析磷灰石中稀土元素的前处理方法，本实施例与实施例1的唯一区别为：所述切片样品的厚度为100nm。

实施例4

作为本发明实施例的磷灰石中稀土元素的检测方法，所述方法包括以下步骤：

(ⅰ)应用实施例2所述分析磷灰石中稀土元素的前处理方法对含有磷灰石的待测样品进行处理得到切片样品；

(ⅱ)用透射电镜对所述切片样品进行检测，获取切片样品的原子像图、能谱分析图、原子像信号强度图。

对比例1

作为本发明对比例的一种分析磷灰石中稀土元素的前处理方法，所述方法包括以下步骤：

将含有磷灰石的待测样品放入玛瑙研钵中，滴入适量乙醇，将样品碾碎后，通过搅拌让样品碎片悬浮于乙醇中；

所述含有磷灰石的待测样品为鱼牙骨化石。

对比例2

作为本发明对比例的一种磷灰石中稀土元素的检测方法，将对比例1得到的悬浮在乙醇中的样品碎片，用透射电镜检测，具体操作为将对比例1得到的悬浮在乙醇中的样品碎片用滴管吸取部分滴入上机观察的铜网。

将实施例1-3的分析磷灰石中稀土元素的前处理方法获得的切片样品进行观察，发现切片样品的厚度为50nm～80nm时，切片的效果更好。

如图3(a)为对比例2拍摄到的显微图像。图3(b)为实施例4透射电镜拍摄到的显微图像，图3(c)、图3(d)为实施例4的局部放大图，采用垂直晶体生长方向的切割方法，其切片在透射电镜下可观察到许多近似六边形的纳米晶体。(d)右上角的衍射花样确定拍摄方向是沿着磷灰石的[001]方向(即c轴)。图3(a)中无法获得样品的这些信息。

图4为实施例4的高分辨透射电镜分析图。图4(a)呈现六边形的羟基磷灰石纳米晶体，其右上角的衍射花样确定拍摄方向是沿着[001]方向(c轴)。图4(b)沿着[001]晶带轴的磷灰石原子像，与图4(a)图中展示的是同一个纳米晶体，圆形的亮点是钙原子的排列。图4(c)磷灰石的原子排列球棒模型(hughesandrakovan,2015)。图4(d)能谱分析图，确定样品的主要元素组成。(e-f)原子像信号强度的剖面分析图，其剖面在(b)和(c)中被线框标记出来。峰的强度与对应位置原子的原子序数呈函数关系，突起的高峰意味着有高原子序数的稀土元素进入晶格，偏低的峰则对应较轻的元素，图4e和图4f中，凸起的信号峰有标记ln，ln是镧系元素的代号，即是稀土元素，凸起的信号峰对应的是原子图像(图4b)中的亮点，表明稀土元素是以类质同象的方式，取代ca的位置，赋存于磷灰石的晶格之中。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。