TEM-EDS微区分析中电子源、加速电压与检测系统的比较研究及其在矿物定量分析中的应用

本研究针对TEM-EDS（透射电镜-能谱联用）微区分析中仪器差异导致的定量偏差问题，通过对比场发射与热离子源、200/300 kV加速电压及4通道与单通道硅漂移探测器(SDD)系统，揭示了kX/Si 因子需仪器特异性校准的规律，验证了吸收校正法在厚/密样品中的优越性，为矿物定量分析提供了方法学优化方案。

　　

在微观世界的探索中，透射电子显微镜(TEM)与能谱分析(EDS)的联用技术如同科学家的"纳米尺"，能够揭示材料在原子尺度的成分秘密。然而，这把尺子的刻度——即定量分析的准确性，却因仪器配置差异而摇摆不定。不同电子源（场发射与热离子源）、加速电压（200 kV与300 kV）以及检测系统（4通道与单通道硅漂移探测器SDD）的组合，如同不同的"方言"，使得跨仪器数据比对成为难题。更棘手的是，传统Cliff-Lorimer近似法在分析厚或致密样品时会忽略X射线吸收效应，而标准less方法虽便捷却牺牲了精度。这些矛盾呼唤着一场仪器性能的"大比武"，以建立普适的定量分析准则。

针对这一挑战，格拉纳达大学科学仪器中心与米兰比可卡大学的研究团队展开了一项系统性研究。他们采用三台配置迥异的TEM：FEI TITAN G2（300 kV场发射）、ThermoFisher TALOS F200X（200 kV场发射）和JEOL JEM 2100P（200 kV热离子源），分别配备4通道SDD和单SDD检测系统。研究团队创新性地将Cliff-Lorimer近似与基于电中性的吸收校正法(ACM)并行应用，通过16种标准矿物样本建立了元素特异性k因子数据库，并借助开源HyperSpy软件消除商业软件的处理偏差。这项发表于《Ultramicroscopy》的工作，为TEM-EDS定量分析树立了新的方法学标杆。

关键技术方法包括：1）STEM模式下50 nm×50 nm选区分析，结合50秒/10秒（Na/K）双时间采集策略；2）使用Velox、Aztec和HyperSpy三套软件进行光谱处理与定量比对；3）基于电子中性原则的改进型吸收校正算法，可调节氧价态以补偿氢元素贡献；4）通过电流密度计算（24-49 pA·nm^-2
）评估辐射损伤效应。

3.1 k因子研究
数据揭示k因子具有显著的仪器依赖性：场发射电镜TITAN与TALOS的Cliff-Lorimer因子(CLA)相近，但吸收校正因子(ACM)在TALOS中呈现低能区偏高、高能区偏低的特点。这归因于200 kV下更大的电子相互作用体积（图2），导致X射线吸收增强。值得注意的是，4通道SDD系统凭借120 mm²
总探测面积（单SDD仅80 mm²
），使计数效率提升40-80%，显著降低检测限。但令人意外的是，热离子源JEOL虽电流密度最高（49 pA·nm^-2
），却因3 nm束斑导致的局部高剂量，引发更严重的K元素迁移（图3），这颠覆了传统认为场发射源辐射损伤更强的认知。

3.2 标准样品验证
在铁橄榄石(fayalite)分析中（表1），吸收校正使Fe含量偏差从CLA法的8.9%降至ACM法的3.97%。HyperSpy处理进一步将Si的偏差从4.13%优化至0.86%，证实开源算法在主要元素定量中的优势。但对微量Mg（0.4 wt%）的测定仍存在23.8%波动，凸显低浓度元素的检测挑战。在锰钙辉石(johannsenite)中，Mn的43%偏差暴露了矿物化学分区的本征问题，而黑云母(biotite)中K的22%偏差则印证了层状硅酸盐对电子束的敏感性。

4. 结论与展望
这项研究确立了三条重要准则：首先，k因子必须"专机专用"，任何试图建立通用因子的尝试都将失败；其次，4通道SDD系统虽提升探测效率，但需与吸收校正法联用才能发挥最大精度；最后，针对不同密度矿物（阈值2.90 g/cm³
）应制定差异化的k_O/Si
因子。这些发现不仅解决了TEM-EDS分析中长期存在的"仪器方言"问题，更为未来开发矿物类别特异性的k因子数据库奠定了基础。研究者特别指出，当分析羟基矿物时，通过调节氧价态（如云母中O^-1.83
）来补偿氢的算法创新，为含水矿物的精确分析开辟了新途径。

这项工作的深远意义在于，它将TEM-EDS从半定量工具提升为可靠的定量分析手段，尤其为地球科学中复杂矿物的纳米级成分解析提供了方法论保障。研究团队公开的改进版计算表格，更是将学术成果转化为实践利器，推动整个领域向更高精度迈进。