紅外光譜技術(shù)研究古生物化石的現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)地監(jiān)測和保護工作刻不容緩，而監(jiān)測工作則是保護工作的基礎(chǔ)和支撐。

紅外光譜技術(shù)是種常用的地物探測技術(shù)，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(xué)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(fēng)化現(xiàn)象較為嚴重，其光譜的產(chǎn)生主要是由于組成物質(zhì)內(nèi)部離子與基團的晶體場效應(yīng)和基團振動的結(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?jīng)Q定作用。因此，通過測量化石的光譜征，精準(zhǔn)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(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)，在使用透射模式測量厚樣品時會產(chǎn)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(guī)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(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(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)。通過光熱效應(yīng)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(shù)調(diào)諧的函數(shù)，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(tǒng)FTIR/QCL顯微鏡中依賴的紅外波長。由于其*的系統(tǒng)架構(gòu)，短波長探測光束同樣也能作為個拉曼激光源，當(dāng)集成拉曼光譜儀，mIRage系統(tǒng)可以提供同地點，同時間，同空間分辨率的亞微米紅外+拉曼顯微鏡的檢測結(jié)果。

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

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(fù)雜的樣品制備；

3. 高質(zhì)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(yè)數(shù)據(jù)庫中匹配搜索

5. 可實現(xiàn)紅外和拉曼光譜成像同步測量

具體案例：

國內(nèi)某zhi名研究所，使用亞微米分辨率紅外拉曼同步測量系統(tǒng)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(jié)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(qū)域進行分析，提供常規(guī)FTIR無法實現(xiàn)的化學(xué)細節(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)傅立葉變換會產(chǎn)生色散偽影，而O-PTIR譜圖則不會出現(xiàn)。根據(jù)獲得的紅外光譜與數(shù)據(jù)庫進行比對分析，其主要組成成份為乳酸鈣。