激光拉曼光谱助力矿物包裹体研究

引言

包裹体（inclusion），是指矿物中由一相或多相物质组成的并与宿主矿物具有相的界限的封闭系统，包裹体中的物质成分是研究相关地质过程中的密码，它可以揭示不同时期成岩成矿的物化条件和物质来源。激光拉曼光谱作为一种高精度、原位、无损和便捷的分子谱，现已成为研究包裹体的重要手段[1]。利用激光拉曼光谱，可以获得包裹体中分子和化学基团信息，了解其成分、结果和对称性；也可以对包裹体进行一些定量分析，比如利用特征峰与浓度、内压之前的线性关系，对其盐度和压力等性质进行分析[2]。此外激光拉曼光谱系统与其他设备联用还可以获得更多的材料信息。

卓立汉光的应用团队成功地将拉曼光谱技术应用于矿物包裹体的鉴定与分析中，获得了以下研究成果：

1. 利用拉曼光谱技术，实现对天然绿辉石包裹体的组分鉴定，其中不仅可以对裸露在外的包裹体进行光谱测量，而且还可以对隐藏在样品内部的包裹体进行光谱测量；

2. 利用Mapping自动分析功能，实现矿物包裹体的空间结构分析。

激光拉曼光谱检测原理

拉曼光谱是一种散射光谱，拉曼光谱技术是一种基于拉曼散射效应，通过分析与入射光频率（波长）不同的散射光，从而获得物质信息的分子光谱技术。当一束单色光照射样品时，样品分子会使入射光发生散射。大部分散射光只是改变了运动方向，而光的频率（波长）相较入射光未发生变化，这种散射被称为瑞利散射，属于弹性散射；少部分散射光不仅传播方向发生了改变，而且光的频率（波长）也发生了改变，这种散射被称为拉曼散射，属于非弹性散射。

散射光和入射光之间的频率差称为拉曼位移。拉曼位移和入射光的频率无关，它只与物质的分子结构有关。拉曼位移的大小由物质分子的振动能级结构决定，不同的化学键和基团种类与拉曼位移是一一对应的，因此拉曼光谱也被认为是物质的“指纹光谱”。

图1拉曼光谱原理示意图

实验方案及分析

实验方案：

实验设备采用的是我公司“Finder930”全自动化拉曼光谱分析系统，测量过程均为共聚焦检测；激发波长为532nm；激发功率：~6.5mW；光谱仪参数：320mm焦长，600g/mm光栅刻线；物镜：50X长焦物镜；针孔大小：50μm；狭缝宽度：100μm。

图2“Finder930”全自动化拉曼光谱分析系统

实验主要对绿辉石（主晶）的矿物包裹体进行拉曼光谱研究。实验选取了3个包裹体进行单点检测和Mapping扫描，采集时间依样品的实际拉曼光谱而定。

实验分析：

3.1包裹体的单点拉曼光谱分析

天然绿辉石会因为其无序-有序的相变而表现出不同的拉曼光谱特征。一般而言，绿辉石的拉曼光谱可以分成四个部分：100cm-1~300cm-1区域内存在一些低强度的拉曼峰；300cm-1~450cm-1区域内会出现一组重叠峰；在600cm-1~800cm-1区域内存在一个强的非对称特征峰（~680cm-1）；在800cm-1~1300cm-1区域内会出现一个强的非对称特征峰（~1010cm-1）[3]。当绿辉石内部的有序性发生变化时，其特征拉曼光谱也会产生些许变化。图3为绿辉石（主晶）和其包裹体的拉曼光谱图，与之相对的包裹体图像也附在图中。

图3.1绿辉石（主晶）和包裹体1的拉曼光谱图

图3.2绿辉石（主晶）和包裹体2的拉曼光谱图

图3.3绿辉石（主晶）和包裹体3的拉曼光谱图

从图3的数据我们可以看出，主晶是绿辉石的岩石可以包含多种包裹体。在测量过程中我们可以根据拉曼光谱对主晶（绿辉石）和各种包裹体快速地进行定性分析。

3.2包裹体的Mapping拉曼光谱分析

从3.1节我们可以发现，包裹体的拉曼光谱存在区别于主晶（绿辉石）的特征峰（具体已在图中使用蓝色三角进行标识），因此我们可以选取这三个特征峰，对不同包裹体的共焦拉曼光谱数据进行处理，得到如图4所示的Mapping图像。

图4.1包裹体1 Mapping结果

扫描区域：18*18μm；扫描步长：0.5μm；积分时间：1s

图4.2包裹体2 Mapping结果

扫描区域：80*60μm；扫描步长：1μm；积分时间：1s

图4.3包裹体3 Mapping结果

扫描区域：60*60μm；扫描步长：1μm；积分时间：1s

从以上结果可以看出，“Finder930”全自动化拉曼光谱分析系统可以持续稳定地对样品材料进行Mapping扫描。

结论

拉曼光谱作为一种无损的分子检测光谱，可以简单快速地对样品进行定性定量分析。通过以上实验研究，我们可以看到通过搭配透射式光源，“Finder930”全自动化拉曼光谱分析系统可以非常好地对岩石包裹体进行检测，在这一过程中我们不仅可以对裸露在外的包裹体进行检测，而且可以对隐藏在岩石切片内部的包裹体进行检测；此外我们还可以对相应的包裹体进行持续稳定的共聚焦拉曼成像扫描，得到更为丰富的数据信息。

共聚焦拉曼成像数据是一个多维数据，一般包含样品点位置（X、Y轴坐标点）、光谱、强度和时间等信息，无法直观地对空间样品进行显示，因此我们会针对性地对拉曼成像数据进行选取，即降低成像数据维数以显示信息。在这一过程中，我们一般会选取位置、波数、强度信息来进行二维Mapping成像，比如上文中的Mapping成像便是以样品的位置、特征峰波数、特征峰强度等信息实现的。

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本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司“Finder930”全自动化拉曼光谱分析系统，如需了解该产品，欢迎咨询我司。

参考文献

[1]卢焕章. 流体包裹体[M]. 科学出版社, 2004.1-8.

[2]何佳乐, 潘忠习, 冉敬. 激光拉曼光谱法在单个流体包裹体研究中的应用进展[J]. 岩矿测试, 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.

致谢

本文所使用样品均来自于深海所极端环境模拟研究实验室，对此深表感谢。