喜迎登月 | 北测带你走进月壤分析

11月24日，万众瞩目的“嫦娥五号”一飞冲天，成功登月，12月17日凌晨嫦娥五号返回器2公斤左右的月球土壤样品在内蒙古预定区域安全着陆，圆满完成了我国首次地外天体采样返回之旅。这不仅意味着中国航天技术取得巨大飞跃，而中国也将成为继美国和苏联之后，全世界第三个从月球带回月壤样品的国家。

中国嫦娥带回的月壤为何如此珍贵？为什么所有国家都想要？氦-3又是什么宝物？为何说会引发下一次工业革命？

人类如果想要走出太阳系，那必须先能够在月亮上生存下去，这铁定是将来航天航空发展的最基本目标，谁能抢先研究月球土壤，谁就能提前抢得先机。氦-3则是核聚变反应的最理想原材料，不会产生辐射。也许下一次工业革命，就隐藏在这些月壤里。

从1969年到1972年，美国先后进行了7次载人登月，成功了6次，一共带回了超过382千克的月球土壤。前苏联3次登月总计带回约330克的月壤。嫦娥五号此次从月球带回2千克的月壤，已经让我国成为排名第二国家，珍贵的月亮“土特产”为我们了解月球，认识地月系统，提供非常宝贵的数据支持。

月球化学的研究技术手段有哪些？NTEK带您了解月壤元素分析的常用技术手段：

快速无损定性分析——X射线荧光光谱仪

在不破坏材料的情况下，X射线照射在样品表面，样品中元素的内层电子向外跃迁，被激发电子返回基态的时候，放射出次级X射线（荧光），不同元素的特征X射线具有不同的能量或波长，根据不同的特征X射线实现对材料的元素分析。在月壤分析中，可以在不破坏月壤样品的情况下对元素进行定性和半定量分析，是月壤元素分析必不可少的设备。

微痕量元素的定量分析——ICP-OES

材料产品经过硝酸、盐酸等强酸的消解，成为水溶液后，在最高10000K温度的等离子体中原子化、离子化，检测元素发射的特征谱线，对元素进行定性、定量检测，实现微量和痕量级分析。通过XRF对月壤元素进行定性分析后，可以通过ICP-OES对月壤中微量元素进行定量分析，确认月壤中元素的精确含量。

探究月壤的晶体结构——X射线衍射仪（XRD）

XRF、ICP-OES等仪器可以分析出材料的元素组成，但是无法对材料中元素的存在状态和化合物信息进行分析。X射线衍射仪可实现材料相的定性、定量和晶粒尺寸等物理量的分析测定。将材料成分中化合物含量、结构等一一分析出来。通过X射线衍射仪可对月壤中矿物种类、含量和晶体结果完整的呈现给您。

月壤材料化合物的含量分析——GC-MS仪器

气相色谱具有极强的分离能力，质谱对未知化合物具有独特的鉴定能力，且灵敏度极高。通过气相色谱-质谱联用仪对材料中的有机物进行定性和定量分析，确定材料中有机物的含量，帮助材料主成分的定量。通过GC-MS分析，可以检测月壤中部分化合物的含量，助力全面解析月壤成分。

探究分析月壤材料的显微结构——SEM/EDS仪器

扫描电子显微镜/X-射线能谱仪（ SEM/EDS ） SEM是用细聚焦的高能电子束轰击试样表面，通过电子与试样相互作用产生的二次电子，背闪射电子信息可对月壤中矿物质进行形貌观察。

EDS通过测量电子与试样相互作用所产生的特征X射线，根据被激发的X射线光子的能量对月壤中物质进行元素定性分析，并根据X射线强度进行元素定量分析。

探究月壤材料的分子结构——FTIR仪器

FTIR一般指傅立叶变换红外吸收光谱仪，其原理是物质分子中的基团吸收红外光，产生特征红外吸收谱带，通过这些特征红外吸收谱带进行可对月壤中物质进行分子结构和化学组成定性分析。

月壤材料的热稳定性分析——热重分析仪（TGA）

TGA法是测量样品质量随温度或时间的变化关系。通过分析热重曲线，我们可以知道月壤中可能产生的中间产物的组成、热稳定性、热分解情况及生成的产物与质量相联系的信息。

探究月壤的热力学性能——差示扫描量热仪（DSC）

DSC是研究在温度程序控制下物质随温度的变化其物理量的变化，即通过程序控制温度的变化，在温度变化的同时，测量试样和参比物的功率差与温度的关系。此法可以用来研究月壤中物质的分子结构、聚集态结构。并可针对月壤中单一物质进行分析其熔点，结晶度，玻璃化转变温度，氧化诱导时间，比热容，纯度等。

月球的 探索 只是我们迈出去的一步，人类将走的更远。月壤分析研究当然不局限于以上分析仪器，从嫦娥升空奔月、落地勘探、月壤采集到返回地球，全过程使用了许多科学仪器，帮助人类了解、 探索 月球及太空中隐藏着无限的奥秘。

沉积环境中的有机质是指动植物死亡之后被埋藏在地层中，未腐烂分解的组织和它们的部分降解产物以及存在于地层中的微生物。它包括三个主要部分：①可确定或未确定的高分子量有机物质，如多糖和蛋白质；②简单的物质，如糖、脂肪酸和其他小分子化合物；③腐殖质。

沉积环境中有机质通常简单地说是由腐殖质和非腐殖质组成的（图4—1）。

1.非腐殖质

非腐殖质（nonhumic substances）系指那些可以被列入单独的化合物类别中的有机化合物，非腐殖质主要包括糖、脂类和氨基酸。下面分别作简单介绍：

（1）糖类

多数岩石中糖（carbohydrates）的成分占有机质的5%～25%，系由植物残余物中的纤维素被细菌、放线菌和真菌降解合成而形成的。糖可以连接无机粒子进入稳定的聚合物，也可与金属离子形成络合物，糖对腐殖质的合成起到一定作用。糖类可分三个主要部分：①单糖（monosaccharides），是醛和酮的衍生物；②低聚糖（oligosaccharides），由少量单糖组合而成；③聚糖类（polysaccharides），由大量单糖聚合而成。不同型号和结构类型的聚合糖，有很强的连接粘土和腐殖质胶体的作用，单糖的分子结构见图4-2。

图4—1 沉积环境有机质分类

（据Senesi，1994）

图4—2 单糖分子结构示意图

（据Stevenson，1982）

（2）类脂类

类脂类（lipids）是岩石、土壤中有机化合物的一种组合，范围从简单的脂肪酸到复杂的有机质化合物如甾醇、垓、多核碳氢化合物、叶绿素、脂肪、蜡和树脂等。岩石、土壤中的类脂类多以脂肪、蜡和树脂出现。

（3）氨基酸

氨基酸（amino acids）在岩石或土壤中主要以以下几种形式存在：①自由氨基酸，存在于溶液或岩石空隙中；②以氨基酸、缩氨酸或蛋白质连接粘土的形式存在；③以氨基酸、缩氨酸或蛋白质连接腐殖酸胶体形式存在，这种连接主要靠H 键和范德华力以及醌—氨基酸之间的共价键；④以黏蛋白的形式存在；⑤以胞壁酸形式存在。氨基酸的基本分子结构式见图4—3。

图4—3 氨基酸基本分子结构示意图

（据Stevenson，1982）

氨基酸极易被微生物降解，在岩石或土壤中存在时间短暂，因此，在岩石或土壤中的氨基酸在任何时间都处于被微生物合成与破坏之间的平衡状态。岩石或土壤中氨基酸的含量强烈地受气候、湿度、植物类型及有机残余物补充条件等因素影响。

2.腐殖质

腐殖质（humic substances）在环境中，如土壤、水和沉积物中是普遍存在的。从最近的研究已认识到，腐殖质在地球水系统中的含量占可溶有机质总量的95%以上。在地表水中含量为（0.1～50）×10-6，在海水中含量为（0.5～1.2）×10-6，在地下水中为（0.1～10）×10-6（图4-4）。腐殖质的含量在岩石中约占0～10%。

图4—4 腐殖质在水系统中的平均含量

（据Schulten，1998）

1—地表水；2—海水；3—地下水

腐殖质是指发现于环境中、不能再归类于其他化合物（如多糖、蛋白质等）的那部分有机化合物。腐殖质是植物的残骸在微生物参与下经过复杂的化学-和生物的分解及合成反应生成的产物。

（1）腐殖质的分类

腐殖质根据颜色和溶解性质可以分成三个部分：黄腐酸（fulvic acids），指在任何pH值条件下都可溶解于溶液中的有机化合物，呈淡黄到黄褐色；腐殖酸（humic acids）是指在酸性条件下（pH＜2）不溶解、但碱性条件下可溶的有机化合物，呈黑褐至灰黑色；腐黑物（humin），指在任何pH值范围内都不溶的那一部分化合物，其颜色为黑色。腐殖质的分类可见图4-5。图中未转变的物质指在岩石中未发生任何变化的有机化合物。转变来的物质指在结构上已经在其母质物基础上发生改变的物质。

这里要重点强调一下腐殖质的分类，因为腐殖质的分类（特别是国内）方法很多但也很混乱，容易造成一些不必要的误解，因此首先有必要对腐殖质的分类进行说明。归纳一下不同学者的腐殖质分类方法，主要有以下几种：

图4—5 腐殖质分类

（据Stevenson，1982）

1）将腐殖质分成三类：①胡敏素（humin），不溶于碱溶液而能溶于乙酰溴；②胡敏酸（humic acids），为碱抽提液中能被无机酸沉淀的部分；③富啡酸（fulvic acids），为碱抽提液用酸处理之后留在溶液中的那一部分。后两类（即胡敏酸与富啡酸）总称为腐殖酸。

2）将腐殖酸分成三个部分：①黄腐酸；②棕腐酸；③黑腐酸。这种分类可能是把腐殖质当成了腐殖酸，这种现象很普遍，很多人一提起腐殖质，就认为单指的是腐殖酸，实际上这是两个概念。

3）一些土壤学上的分类，将腐殖质分为两部分：①腐殖酸，指将碱溶物进行酸化后的不溶部分，即棕腐殖酸和黑腐酸（实际可能指的是本书分类中的腐殖酸和腐黑物）的混合物称为腐殖酸；②黄腐酸，指上述的溶解部分（实际上指的是本书分类中的黄腐酸）。

还有前苏联学者的分类，把腐殖质分为可溶于水的白腐酸（креновая и алскеноваякислота）、可溶于酒精的棕腐酸（гиматомелановая кислота）和不溶于水和酒精的黑腐酸。

由此可见，腐殖质及其分类还不尽一致，各学者据其个人研究目的及方法不同而采用不同的分类方法，因此有必要在这里作合理的说明，以避免引起不必要的误解。经作者查阅中外大量有关腐殖质方面的研究成果，包括著名的研究腐殖质方面的专家Stevenson、Schnitzer及Jeffrey等，都将腐殖质据其溶解性质和颜色特征分为三部分，即黄腐酸（fulvic acids）、腐殖酸（humic acids）和腐黑物（humin）。英文名都是统一的，中文名是本书作者根据以往已经使用的较合理名字而采用的。

（2）腐殖质的一般特点

腐殖质有较广范围的分子大小和分子量，分子量从几百到几千，一般土壤、岩石中来源的腐殖质比水体中来源的腐殖质分子要大，腐殖质的元素组成因其来源不同、地区不同、提取方法不同等而有所区别，但其基本结构是相似的。腐殖质的元素组成相对狭窄，含约40%～60%的碳，30%～50%的氧，4%～5%的氢，1%～4%的氮，1%～2%的硫和0～0.3%的灰分。与黄腐酸相比，腐殖酸含有相对高的氢、碳、氮和硫，较少的氧。腐黑物的结构与腐殖酸基本相似，只不过在结构中连接着更多的无机物。

腐殖质由烃基或芳香核的骨架组成，它们主要由氧和氮与一些官能团，如羧基、酚和醇烃基、酮和醌基，呈交叉连接。

腐殖质的一个显著特性是可与金属离子、氢氧化物、矿物质、有机质（包括有害农药污染物）等相互反应，形成可溶或不溶、在化学和生物稳定性上广泛不同的络合物。

腐殖质是由植物残体经生物化学作用的降解及微生物的作用而形成的，其最终产物为复杂有机结构，这种结构的特点是比其母质物更具有稳定性。

腐殖酸是一种在加热时会分解的黑棕色无定形物，相对密度介于1.330～1.448 之间，分子量为3000～7000 dalton（道尔顿），腐殖酸易与碱金属的氢氧化物发生中和反应，生成水溶性的腐殖酸盐。一价金属腐殖酸盐能溶于水，盐的水溶液呈碱性。其二价金属盐难溶于水。三价金属盐基本上不溶于水。腐殖酸的骨架是由一个或数个不太大的芳核通过醚键、亚胺键、羰基、较短的烷烃桥键随机连接起来组成的。在这些芳核和桥键上，随机分布着羧基、羟基、羰基烯醇基、氨基、醌基、甲氧基等多种官能团。这些活性基团的存在，决定了腐殖酸的酸性、亲水性、离子交换性、络合能力及较高吸附能力等性质。芳核通常由2～5个环缩合而成。其中可能包括5员或6员的芳杂环。少量的肽链残片、糖基残片、烷烃基、金属离子等通过共价键或配位键连接在芳核或官能团上。几个这种相似的结构单元之间可通过氢键、金属离子桥、电荷转移或络合等形成或缔合成巨大的复合体。腐殖酸的分子结构模型见图4-6。

图4—6 腐殖酸的分子结构模型

（据Stevenson，1982）

电镜下观察（放大12000倍），可看出腐殖酸是由一串串直径为60～80埃的球状粒子组成的（图4-7）。随着pH值的升高，粒子的分散性增加，经测定，粒子的平均直径为50埃。在电镜下可看到腐殖酸的粒子不是互相连接成十分紧密的球体，而是形成疏松、多孔、直径大小不同的孔隙式网状结构，立体呈海绵状结构。据研究，这种结构对腐殖酸的性质有很重要的意义，正是这种空隙使腐殖酸具有捕获或固定有机或无机物（包括金属元素）的作用。整体的腐殖酸电镜影像显示出是相对松弛和开放式的结构。腐殖酸中氮含量愈大，粒子间连接愈紧密。

在酸性条件下，腐殖酸的特征是：①呈海绵状多聚结构，被相对较大的孔和洞所穿透；②这种海绵状多聚结构是自由态的，是由直径为50埃的球体相互交织而成；③这种结构对较小的pH值表现敏感，在pH＜3时，这种结构呈伸长纤维状，在pH=3～7时，这种结构又呈海绵状结构，当pH增加至7～10时，结构发生明显变化，表现为均一的球粒状。

电镜下观察不同来源的腐殖酸，它们的聚合程度是不同的。图4-8为褐煤、泥炭和土壤中提取的腐殖酸。由图可见，它们粒子直径为60～500埃，由褐煤➝泥炭➝土壤，其中的腐殖酸结构越来越趋于松散。这主要是由腐殖化的过程而决定的，它影响腐殖酸的空间结构。这种结构上的不同主要表现在环、链和簇的形成上。

图4—7 腐殖酸SEM图

（据Geoffreg Davies，1998）

图4—8 电镜显示的不同来源腐殖酸的结构

（据Drozd，1978）

从腐殖酸的这种海绵状结构分析，铀酰离子UO2+，离子半径3.22埃）完全可以被吸附在腐殖酸结构的空隙中。

黄腐酸的结构与腐殖酸基本相似（其结构模型见图4-9），区别是黄腐酸分子量较低，为2000～3000 doltons。黄腐酸能溶于酸、碱和水。水溶液呈酸性。低分子量的黄腐酸可与一些过渡金属离子形成可溶的络合物，对金属离子具有增溶效果，从而影响其迁移，相反，高分子量的腐殖酸对多价离子起到“下沉”作用。这说明黄腐酸与腐殖酸在金属的迁移与沉淀富集过程中，所起到的作用是不同的。

图4—9 黄腐酸分子结构模型

（据Buffle，1992）

黄腐酸与腐殖酸相比结构中含更多的氧、较低含量的碳。更重要的是黄腐酸中含更多的活性含氧官能团（表4—1）。黄腐酸的总酸度要比腐殖酸高很多，这决定了黄腐酸的化学活动性要比腐殖酸强得多。另外黄腐酸中氧的含量主要存在于官能团（COOH、OH和C=O等）（表4—2）中，而在腐殖酸中氧的存在主要是在分子核结构中，由表可见，腐殖酸与黄腐酸的官能团之间的区别是，前者只有较小一部分氧是在COOH、OH和C=O中，而在黄腐酸中大多数氧都分布在官能团中。

表4—1 黄腐酸和腐殖酸中含氧官能团含量（meq/100g

1meq/g 1mmol/g。

）

（据Schnitzer，1969）

表4—2 黄腐酸与腐殖酸中官能团的氧的分布［w（O）/%］

（据何立千，2000）

腐殖质中COOH基含量与分子量呈负相关，低分子量黄腐酸中以COOH形态的氧比例较高。在酸性介质中，所有腐殖酸和黄腐酸都具有还原性质。黄腐酸➝腐殖酸➝腐黑物的一些化学组成变化见图4-10。一般由泥炭到褐煤，腐殖酸与黄腐酸含量的比率迅速下降（图4—11）。而随深度的增加，该比率也不断降低。

图4—10 腐殖质化学成分的变化

（据Stevenson，1982）

图4—11 褐煤与泥炭中HA/FA比率

HA/FA—腐殖酸与黄腐酸含量的比率

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