亞微米光學光熱紅外技術O-PTIR——古生物化石研究器

紅外光譜技術研究古生物化石的現狀

我國是古生物化石大國，但古生物化石保護形勢十分嚴峻。許多重要化石產地均沒有得到有效保護，遭到了不同程度的破壞。因此，對化石產地監測和保護工作刻不容緩，而監測工作則是保護工作的基礎和支撐。

紅外光譜技術是種常用的地物探測技術，它用定波段范圍的紅外光對地物進行探測，其光譜征可間接判定物體物理或化學性的變化?；闹饕V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，造成化石的自然風化現象較為嚴重，其光譜的產生主要是由于組成物質內部離子與基團的晶體場效應和基團振動的結果。而風化產生的表面覆被層的礦物質，其質地與新鮮巖石的礦物或是相似或是不同，雖然這類表面層的厚度僅有幾微米到幾毫米，但它們對整個表面的紅外光譜起到決定作用。因此，通過測量化石的光譜征，精準識別地物屬性是獲取巖礦類型、礦物征及成礦背景等信息的重要手段。

傳統的傅里葉紅外光譜(FTIR, Fourier Transform Infrared)，尤其是衰減全反射法(ATR, attenuated total reflection)，在使用透射模式測量厚樣品時會產生強烈的吸收峰值，包括均勻的固體樣品，多層固體的表層或固體的涂層，不規則形堅硬固體甚至些液體分析也能使用堅硬的ATR晶體材料（比如金剛石）進行分析。但使用ATR對古生物化石樣品進行成份分析，仍面對系列的挑戰：

1. 傳統的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造成嚴重的散射相差，無法得到有用的分子振動信息；

3. ATR晶體需要與樣品直接接觸，會引起交叉污染或應力造成分子取向的變化

光學光熱紅外技術

基于光學-光熱紅外技術(O-PTIR)的亞微米分辨率紅外拉曼同步測量系統mIRage，使用寬可調諧的脈沖紅外激光源激發樣品，在樣品中產生調制光熱效應。通過光熱效應提取并計算紅外吸收, 通過檢測反射探頭光束強度的變化作為紅外波數調諧的函數，從而提供紅外吸收光譜。這種短波長脈沖探測光束(通常是532 nm)決定了紅外測試空間分辨率，而不是傳統FTIR/QCL顯微鏡中依賴的紅外波長。由于其*的系統架構，短波長探測光束同樣也能作為個拉曼激光源，當集成拉曼光譜儀，mIRage系統可以提供同地點，同時間，同空間分辨率的亞微米紅外+拉曼顯微鏡的檢測結果。

基于O-PTIR技術的mIRage相對于常規紅外技術（FTIR和ATR），在生物化石分析上具有顯著的勢:

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

2. 非接觸式測量，非破壞性，反射(遠場)模式測量，無須復雜的樣品制備；

3. 高質量光譜(測試可兼容粒子形狀/尺寸和表面粗糙度)，沒有色散/散射偽影問題；

4. 可直接在商業數據庫中匹配搜索

5. 可實現紅外和拉曼光譜成像同步測量

具體案例：

國內某zhi名研究所，使用亞微米分辨率紅外拉曼同步測量系統mIRage對獲取的phillipsite（鈣十字沸石）礦石樣品進行了分析。整個礦石被直接放在mIRage顯微鏡樣品臺上進行觀察，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. 結果證實，高分辨率mIRage可對5 -20 µm大小的高散射十字花石礦物中的有機-無機包體區域進行分析，提供常規FTIR無法實現的化學細節。

紅外光譜清晰地顯示了其內部存在化學可微的夾雜物，樣品中含有嵌入的phillipsite內含物。由于礦石散射面太多，傳統傅立葉變換會產生色散偽影，而O-PTIR譜圖則不會出現。根據獲得的紅外光譜與數據庫進行比對分析，其主要組成成份為乳酸鈣。