紅外光譜技術(shù)研究古生物化石的現(xiàn)狀

我國(guó)是古生物化石大國(guó)，但古生物化石保護(hù)形勢(shì)十分嚴(yán)峻。許多重要化石產(chǎn)地均沒(méi)有得到有效保護(hù)，遭到了不同程度的破壞。因此，對(duì)化石產(chǎn)地監(jiān)測(cè)和保護(hù)工作刻不容緩，而監(jiān)測(cè)工作則是保護(hù)工作的基礎(chǔ)和支撐。

紅外光譜技術(shù)是種常用的地物探測(cè)技術(shù)，它用定波段范圍的紅外光對(duì)地物進(jìn)行探測(cè)，其光譜征可間接判定物體物理或化學(xué)性的變化。化石的主要礦物成分是磷灰石、方解石及少量的石英，但由于碳酸鹽容易受到流體的侵蝕，造成化石的自然風(fēng)化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，其光譜的產(chǎn)生主要是由于組成物質(zhì)內(nèi)部離子與基團(tuán)的晶體場(chǎng)效應(yīng)和基團(tuán)振動(dòng)的結(jié)果。而風(fēng)化產(chǎn)生的表面覆被層的礦物質(zhì)，其質(zhì)地與新鮮巖石的礦物或是相似或是不同，雖然這類(lèi)表面層的厚度僅有幾微米到幾毫米，但它們對(duì)整個(gè)表面的紅外光譜起到?jīng)Q定作用。因此，通過(guò)測(cè)量化石的光譜征，精準(zhǔn)識(shí)別地物屬性是獲取巖礦類(lèi)型、礦物征及成礦背景等信息的重要手段。

傳統(tǒng)的傅里葉紅外光譜(FTIR, Fourier Transform Infrared)，尤其是衰減全反射法(ATR, attenuated total reflection)，在使用透射模式測(cè)量厚樣品時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收峰值，包括均勻的固體樣品，多層固體的表層或固體的涂層，不規(guī)則形堅(jiān)硬固體甚至些液體分析也能使用堅(jiān)硬的ATR晶體材料（比如金剛石）進(jìn)行分析。但使用ATR對(duì)古生物化石樣品進(jìn)行成份分析，仍面對(duì)系列的挑戰(zhàn)：

1. 傳統(tǒng)的FTIR和ATR 方法空間分辨率有限，約為5-20 μm;

2. 盡管FTIR可使用制備好的超薄化石切片而ATR可以直接使用固體樣品，其表面的崎嶇不平會(huì)造成嚴(yán)重的散射相差，無(wú)法得到有用的分子振動(dòng)信息；

3. ATR晶體需要與樣品直接接觸，會(huì)引起交叉污染或應(yīng)力造成分子取向的變化

光學(xué)光熱紅外技術(shù)

基于光學(xué)-光熱紅外技術(shù)(O-PTIR)的亞微米分辨率紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)mIRage，使用寬可調(diào)諧的脈沖紅外激光源激發(fā)樣品，在樣品中產(chǎn)生調(diào)制光熱效應(yīng)。通過(guò)光熱效應(yīng)提取并計(jì)算紅外吸收, 通過(guò)檢測(cè)反射探頭光束強(qiáng)度的變化作為紅外波數(shù)調(diào)諧的函數(shù)，從而提供紅外吸收光譜。這種短波長(zhǎng)脈沖探測(cè)光束(通常是532 nm)決定了紅外測(cè)試空間分辨率，而不是傳統(tǒng)FTIR/QCL顯微鏡中依賴(lài)的紅外波長(zhǎng)。由于其*的系統(tǒng)架構(gòu)，短波長(zhǎng)探測(cè)光束同樣也能作為個(gè)拉曼激光源，當(dāng)集成拉曼光譜儀，mIRage系統(tǒng)可以提供同地點(diǎn)，同時(shí)間，同空間分辨率的亞微米紅外+拉曼顯微鏡的檢測(cè)結(jié)果。

基于O-PTIR技術(shù)的mIRage相對(duì)于常規(guī)紅外技術(shù)（FTIR和ATR），在生物化石分析上具有顯著的勢(shì):

1. 和拉曼光譜致的亞微米空間分辨率，比傳統(tǒng)FTIR/QCL顯微鏡提高30倍，達(dá)到500 nm；

2. 非接觸式測(cè)量，非破壞性，反射(遠(yuǎn)場(chǎng))模式測(cè)量，無(wú)須復(fù)雜的樣品制備；

3. 高質(zhì)量光譜(測(cè)試可兼容粒子形狀/尺寸和表面粗糙度)，沒(méi)有色散/散射偽影問(wèn)題；

4. 可直接在商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配搜索

5. 可實(shí)現(xiàn)紅外和拉曼光譜成像同步測(cè)量

具體案例：

國(guó)內(nèi)某zhi名研究所，使用亞微米分辨率紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)mIRage對(duì)獲取的phillipsite（鈣十字沸石）礦石樣品進(jìn)行了分析。整個(gè)礦石被直接放在mIRage顯微鏡樣品臺(tái)上進(jìn)行觀察，使用的紅外激光器為QCL（quantum cascade laser， 800-1850 cm^-1）, 觀察模式為反射模式，波譜分辨率約為1-2 cm^-1. 結(jié)果證實(shí)，高分辨率mIRage可對(duì)5 -20 µm大小的高散射十字花石礦物中的有機(jī)-無(wú)機(jī)包體區(qū)域進(jìn)行分析，提供常規(guī)FTIR無(wú)法實(shí)現(xiàn)的化學(xué)細(xì)節(jié)。

紅外光譜清晰地顯示了其內(nèi)部存在化學(xué)可微的夾雜物，樣品中含有嵌入的phillipsite內(nèi)含物。由于礦石散射面太多，傳統(tǒng)傅立葉變換會(huì)產(chǎn)生色散偽影，而O-PTIR譜圖則不會(huì)出現(xiàn)。根據(jù)獲得的紅外光譜與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)分析，其主要組成成份為乳酸鈣。