中科院地质所原江燕

做科研，需要全面地看待问题

宏大的自然界中，眼花缭乱的美景一览无余，而微观世界却深藏着充满惊奇和神秘的美妙——这里有着千姿百态的绚烂色彩、光怪陆离的纹路和形态，艺术与科学在此交相辉映，揭示出美的真谛。微观世界充满了无尽的美，需要借助科学家的方法和特定的仪器，才能揭开这个神秘的维度。

这里的一切美景都隐含着科学和艺术的奥秘，这是一个充满惊喜和想象力的领域。微观世界给我们带来了无数的美妙景象，但我们唯一欠缺的，就是一双发现这些微观之美的慧眼！

最近，中国科学院地质与地球物理研究所原江燕工程师凭借其作品《横看成岭侧成峰》获得了牛津仪器发现微观之美结果大赛三等奖。为此，分析测试百科网采访了原老师，请她来分享微观世界的奥秘。

2020年12月17日，内蒙古四子王旗迎来了一位特殊的“客人”：经过近一个月的太空漫游，嫦娥五号返回器顺利着陆。久别重逢，它给地球带回了一份厚礼——1731克月球样品，将揭秘月球、地球甚至太阳系的“钥匙”交到了科研人员手上。这标志着中国首次完成了月球探测的“绕、落、返”三步曲。这些样品将为科学家们提供珍贵的研究资料，对未来月球资源开发和人类探索深空有着重要的科学价值和战略意义。

Antpedia：请谈谈您当前的研究领域和近期的成果进展？

原江燕：我目前着力于“关键金属矿产”和“行星科学”开展技术研发工作。近期，我主要针对嫦娥五号月壤样品，建立了单颗粒月壤全岩主量成分的快速自动分析技术。

嫦娥五号月壤具有细小、珍贵、颗粒多、成分复杂等特点，平均粒径不足50微米。获取如此细小颗粒的全岩成分，是对微束分析技术的一大挑战。全岩成分常用方法如X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法等，这两类方法都会损耗样品，因此不能用于珍贵的月壤样品分析。目前，国际上流行的方法是运用电子探针分析获取矿物平均成分，面积法统计矿物含量，结合矿物密度计算出月壤的全岩成分。然而，月壤中的辉石和橄榄石普遍发育成分环带，仅依靠电子探针分析无法准确估计其全岩成分。此外，常规情况下将矿物密度设定为定值，但辉石和橄榄石的成分波动会引起密度变化，也会给全岩成分分析带来较大误差。

为此，我们采用扫描电镜能谱面扫描技术，它具有高效、便捷、高分辨率、无损的优点。然而，这一技术面临的难点就是，扫描数据量达到百万级别，无法自动输出全岩成分，需研发海量成分数据自动处理技术。因此，我们采用大数据分析方法，通过矿物判定法和机器学习法，判定每个扫描点的矿物类型，并以此计算出体积分数、平均成分和矿物的实际密度，从而最终实现全岩成分的自动计算。具体的流程是，我们通过收集的15000条月球矿物数据集和矿物学晶体化学原理设立了矿物判定标准，来判断每个扫描点的矿物类型。通过每个点的成分结合晶胞参数计算了实际矿物密度。全流程采用python语言，基于矿物判定规则标准和实时密度计算两个关键算法，实现了全岩成分的自动准确计算。经过准确性验证，我们开发出的全岩成分分析方法的相对误差在5%以内。与传统方法相比，该方法只需要1-2小时即可完成分析，而传统方法需要1-2天的时间。

方法建立之后，我们团队迅速将其运用于嫦娥五号月壤样品研究。我们从几百颗岩屑中挑选了27颗代表性岩屑，准确获得了嫦娥五号玄武岩的全岩成分，结合一系列岩石学和热力学模拟计算，成功恢复了嫦娥五号玄武岩的初始岩浆成分。此外，我们还将此结果与阿波罗样品的初始岩浆进行对比，推算出它们的起源深度和温度，为更全面地了解这些样品的性质提供了重要依据。

Antpedia：科学研究离不开科研仪器，日常工作中，您会使用哪些牛津仪器的产品，它们有哪些特点，对您的科研工作有哪些帮助？在使用产品时有哪些技巧与注意点？

原江燕：团队配备了牛津仪器的EDS-EBSD系统和WITec拉曼成像解决方案，这些多技术的联用在矿物分析过程中发挥了关键作用。牛津仪器的EDS和拉曼系统都表现出极高的定量准确性，对于我们进行全岩成分分析非常有帮助。在能谱分析过程中，每个元素都需要使用适当的标样进行有标定量。对于拉曼分析，样品表面的抛光平整度对实验结果影响很大，因此需要特别注意。

Antpedia：恭喜您获得牛津仪器发现微观之美结果大赛三等奖，请您谈谈获奖感言。您的作品《横看成岭侧成峰》包含了哪些理念？

原江燕：当我收到牛津仪器发现微观之美结果大赛的参赛邀请时，恰巧正在为古脊椎所的学生做恐龙蛋壳上方解石的取向分布。我注意到它的形貌非常独特，看起来像一座座山峰。这让我想起苏轼的《题西林壁》：“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中。”

这首诗描绘了我们身处庐山不同位置时看到的景色也不相同，如果要了解真正的风貌，需要全面的看待问题。我的想法是，在做科研时也需要全面看待问题。如果过于主观或片面，就会得出错误的结论。我们必须从多个角度来分析和解释数据，以确保获得的结论是准确的。

Antpedia：《横看成岭侧成峰》这副作品产生的过程中，有哪些有趣的故事可以分享？

原江燕： 地质样品与材料学样品有所不同。在材料学中，通常从原材料、合成方法或加工工艺等角度进行分析。我以前从事矿物材料合成研究时，使用过溶胶-凝胶法或高温水热法，以获取不同形貌的样品。在地质学中，样品的选择对于研究结果的好坏至关重要。例如，我们在实验过程中发现恐龙蛋壳很有趣，于是决定将其作为研究对象。微观世界中隐藏着许多奇特的美景，而我们恰好发现了其中一个绝妙的图案。

Antpedia：《横看成岭侧成峰》的获奖对您未来的研究有何帮助，您将来研究的侧重点是什么？

原江燕：每年，牛津仪器都会举办发现微观之美结果大赛。虽然获得奖项很让人兴奋，但我认为更重要的是有机会与其他研究人员交流技术。通过这个平台，我知晓了不同样品测试所需的特定仪器设备，并能前往其他单位进行检测分析。

未来，我的研究重点仍将放在关键金属和行星科学方面。关键金属在矿床中常具有“稀”、“伴”、“细”的主要特征，含量极低，矿物类型繁多，独立矿物小而少，不易被直接观察到。因此，建立自动识别分类技术将面临更大的挑战。在行星科学方面，我们将继续开发定量技术，为小行星和火星样品返回做好相应技术储备。

Antpedia：您觉得当前或者未来哪些技术的进展/仪器功能的开发将有助于推动科研快速发展？

原江燕：我认为可以从以下两个方面做出改进：硬件和软件。

首先，虽然现有的仪器硬件已经足以满足目前的科学研究，但轻元素（如铍、锂）的准确定量分析仍然很困难。未来，随着轻元素分析需求的增加，相关技术的加强将非常有必要。

其次，软件方面的升级也十分重要。我建议设备供应商提供一个开放的接口，以便地质学、材料学和生物学用户可以将自己的想法和程序添加到软件模块中。这种开放性将极大地改善用户体验，提高仪器的实用性和应用范围。

牛津仪器主办的显微分析成果大赛——发现微观之美活动围绕“突破技术革新之路，挑战显微分析至高极限；尽享科学研究之美，发现科研路上风景独好”为主题，力求作品既能体现科技创新及表征难度，又兼具配色明快，见之爱之，希望可以通过发现微观之美大赛活动，推动研究人员对包括能谱、EBSD等显微表征及分析技术的了解及掌握，鼓励更多科研人员醉心其中发挥出现有分析设备的极限。