激光拉曼光譜助力礦物包裹體研究
引言
包裹體（inclusion），是指礦物中由一相或多相物質(zhì)組成的并與宿主礦物具有相的界限的封閉系統(tǒng)，包裹體中的物質(zhì)成分是研究相關(guān)地質(zhì)過(guò)程中的密碼，它可以揭示不同時(shí)期成巖成礦的物化條件和物質(zhì)來(lái)源。激光拉曼光譜作為一種高精度、原位、無(wú)損和便捷的分子譜，現(xiàn)已成為研究包裹體的重要手段[1]。利用激光拉曼光譜，可以獲得包裹體中分子和化學(xué)基團(tuán)信息，了解其成分、結(jié)果和對(duì)稱性；也可以對(duì)包裹體進(jìn)行一些定量分析，比如利用特征峰與濃度、內(nèi)壓之前的線性關(guān)系，對(duì)其鹽度和壓力等性質(zhì)進(jìn)行分析[2]。此外激光拉曼光譜系統(tǒng)與其他設(shè)備聯(lián)用還可以獲得更多的材料信息。
卓立漢光的應(yīng)用團(tuán)隊(duì)成功地將拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于礦物包裹體的鑒定與分析中，獲得了以下研究成果：
- 利用拉曼光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然綠輝石包裹體的組分鑒定，其中不僅可以對(duì)裸露在外的包裹體進(jìn)行光譜測(cè)量，而且還可以對(duì)隱藏在樣品內(nèi)部的包裹體進(jìn)行光譜測(cè)量；
- 利用Mapping自動(dòng)分析功能，實(shí)現(xiàn)礦物包裹體的空間結(jié)構(gòu)分析。
激光拉曼光譜檢測(cè)原理
拉曼光譜是一種散射光譜，拉曼光譜技術(shù)是一種基于拉曼散射效應(yīng)，通過(guò)分析與入射光頻率（波長(zhǎng)）不同的散射光，從而獲得物質(zhì)信息的分子光譜技術(shù)。當(dāng)一束單色光
照射樣品時(shí)，樣品分子會(huì)使入射光發(fā)生散射。大部分散射光只是改變了運(yùn)動(dòng)方向，而光的頻率（波長(zhǎng)）相較入射光未發(fā)生變化，這種散射被稱為瑞利散射，屬于彈性散射；少部分散射光不僅傳播方向發(fā)生了改變，而且光的頻率（波長(zhǎng)）也發(fā)生了改變，這種散射被稱為拉曼散射，屬于非彈性散射。
散射光和入射光之間的頻率差稱為拉曼位移。拉曼位移和入射光的頻率無(wú)關(guān)，它只與物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。拉曼位移的大小由物質(zhì)分子的振動(dòng)能級(jí)結(jié)構(gòu)決定，不同的化學(xué)鍵和基團(tuán)種類與拉曼位移是一一對(duì)應(yīng)的，因此拉曼光譜也被認(rèn)為是物質(zhì)的“指紋光譜”。
圖1拉曼光譜原理示意圖
實(shí)驗(yàn)方案及分析
實(shí)驗(yàn)方案：
實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是我公司“Finder930”全自動(dòng)化拉曼光譜分析系統(tǒng)，測(cè)量過(guò)程均為共聚焦檢測(cè)；激發(fā)波長(zhǎng)為532nm；激發(fā)功率：~6.5mW；光譜儀參數(shù)：320mm焦長(zhǎng)，600g/mm光柵刻線；物鏡：50X長(zhǎng)焦物鏡；針孔大?。?0μm；狹縫寬度：100μm。
圖2“Finder930”全自動(dòng)化拉曼光譜分析系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)主要對(duì)綠輝石（主晶）的礦物包裹體進(jìn)行拉曼光譜研究。實(shí)驗(yàn)選取了3個(gè)包裹體進(jìn)行單點(diǎn)檢測(cè)和Mapping掃描，采集時(shí)間依樣品的實(shí)際拉曼光譜而定。
實(shí)驗(yàn)分析：
3.1包裹體的單點(diǎn)拉曼光譜分析
天然綠輝石會(huì)因?yàn)槠錈o(wú)序-有序的相變而表現(xiàn)出不同的拉曼光譜特征。一般而言，綠輝石的拉曼光譜可以分成四個(gè)部分：100cm-1~300cm-1區(qū)域內(nèi)存在一些低強(qiáng)度的拉曼峰；300cm-1~450cm-1區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一組重疊峰；在600cm-1~800cm-1區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)強(qiáng)的非對(duì)稱特征峰（~680cm-1）；在800cm-1~1300cm-1區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)的非對(duì)稱特征峰（~1010cm-1）[3]。當(dāng)綠輝石內(nèi)部的有序性發(fā)生變化時(shí)，其特征拉曼光譜也會(huì)產(chǎn)生些許變化。圖3為綠輝石（主晶）和其包裹體的拉曼光譜圖，與之相對(duì)的包裹體圖像也附在圖中。
圖3.1綠輝石（主晶）和包裹體1的拉曼光譜圖
圖3.2綠輝石（主晶）和包裹體2的拉曼光譜圖
圖3.3綠輝石（主晶）和包裹體3的拉曼光譜圖
從圖3的數(shù)據(jù)我們可以看出，主晶是綠輝石的巖石可以包含多種包裹體。在測(cè)量過(guò)程中我們可以根據(jù)拉曼光譜對(duì)主晶（綠輝石）和各種包裹體快速地進(jìn)行定性分析。
3.2包裹體的Mapping拉曼光譜分析
從3.1節(jié)我們可以發(fā)現(xiàn)，包裹體的拉曼光譜存在區(qū)別于主晶（綠輝石）的特征峰（具體已在圖中使用藍(lán)色三角進(jìn)行標(biāo)識(shí)），因此我們可以選取這三個(gè)特征峰，對(duì)不同包裹體的共焦拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如圖4所示的Mapping圖像。
圖4.1包裹體1 Mapping結(jié)果
掃描區(qū)域：18*18μm；掃描步長(zhǎng)：0.5μm；積分時(shí)間：1s
圖4.2包裹體2 Mapping結(jié)果
掃描區(qū)域：80*60μm；掃描步長(zhǎng)：1μm；積分時(shí)間：1s
圖4.3包裹體3 Mapping結(jié)果
掃描區(qū)域：60*60μm；掃描步長(zhǎng)：1μm；積分時(shí)間：1s
從以上結(jié)果可以看出，“Finder930”全自動(dòng)化拉曼光譜分析系統(tǒng)可以持續(xù)穩(wěn)定地對(duì)樣品材料進(jìn)行Mapping掃描。
結(jié)論
拉曼光譜作為一種無(wú)損的分子檢測(cè)光譜，可以簡(jiǎn)單快速地對(duì)樣品進(jìn)行定性定量分析。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)研究，我們可以看到通過(guò)搭配透射式光源，“Finder930”全自動(dòng)化拉曼光譜分析系統(tǒng)可以非常好地對(duì)巖石包裹體進(jìn)行檢測(cè)，在這一過(guò)程中我們不僅可以對(duì)裸露在外的包裹體進(jìn)行檢測(cè)，而且可以對(duì)隱藏在巖石切片內(nèi)部的包裹體進(jìn)行檢測(cè)；此外我們還可以對(duì)相應(yīng)的包裹體進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定的共聚焦拉曼成像掃描，得到更為豐富的數(shù)據(jù)信息。
共聚焦拉曼成像數(shù)據(jù)是一個(gè)多維數(shù)據(jù)，一般包含樣品點(diǎn)位置（X、Y軸坐標(biāo)點(diǎn)）、光譜、強(qiáng)度和時(shí)間等信息，無(wú)法直觀地對(duì)空間樣品進(jìn)行顯示，因此我們會(huì)針對(duì)性地對(duì)拉曼成像數(shù)據(jù)進(jìn)行選取，即降低成像數(shù)據(jù)維數(shù)以顯示信息。在這一過(guò)程中，我們一般會(huì)選取位置、波數(shù)、強(qiáng)度信息來(lái)進(jìn)行二維Mapping成像，比如上文中的Mapping成像便是以樣品的位置、特征峰波數(shù)、特征峰強(qiáng)度等信息實(shí)現(xiàn)的。
產(chǎn)品推薦
本研究采用的是北京卓 立漢光儀器有限公司“Finder930”全自動(dòng)化拉曼光譜分析系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。
參考文獻(xiàn)
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[2]何佳樂(lè), 潘忠習(xí), 冉敬. 激光拉曼光譜法在單個(gè)流體包裹體研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 巖礦測(cè)試, 2015, 34(4):9.
[3] Katerinopoulou A , Musso M , Amthauer G . A Raman spectroscopic study of the phase transition in omphacite [J]. Vibrational Spectroscopy, 2008, 48(2):163-167.
致謝
本文所使用樣品均來(lái)自于深海所極端環(huán)境模擬研究實(shí)驗(yàn)室，對(duì)此深表感謝。
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