專利名稱：礦物材料紅外熒光分析法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對礦物和材料樣品進(jìn)行微量元素、缺陷等特性進(jìn)行分析和鑒別的方法，具體說，是對礦物、寶石、人工晶體或其它天然或人造材料進(jìn)行紅外熒光測試分析和相似樣品鑒別的方法。
背景技術(shù)：
熒光分析方法是一個(gè)古老的分析技術(shù)，一般認(rèn)為用藍(lán)光、紫光或紫外光等波長較短的光照射某些樣品產(chǎn)生波長較長的可見光就是熒光，熒光顏色、波長和強(qiáng)度可以反應(yīng)樣品的種類、微量元素、缺陷及其分布，廣泛應(yīng)用生物、醫(yī)學(xué)、有機(jī)化工、農(nóng)業(yè)、食品、寶石、地學(xué)、考古、刑偵等領(lǐng)域。對應(yīng)的儀器主要有紫外熒光燈觀察器、熒光顯微鏡、陰極發(fā)光儀等。近年來熒光分析方法有廣義化傾向，如用高能電子束激發(fā)的陰極熒光、X射線激發(fā)的X射線熒光等，被激發(fā)的熒光也不一定是可見光，而可以是X射線、紫外光、紅外光等。如陰極紫外發(fā)光微區(qū)分析儀等(自然科學(xué)基金項(xiàng)目“微米級礦物不可見陰極熒光分析及地質(zhì)應(yīng)用”，楊勇等)。但是具體的紅外熒光分析方法作為一種專門的礦物、材料分析方法和儀器還未見報(bào)道。目前的紅外熒光應(yīng)用還僅局限于生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用(不少需要對樣品進(jìn)行紅外熒光染色劑或造影劑等處理)、防偽油墨及鑒定、軍事用紅外激光熒光報(bào)警(紡織品)涂料、熒光染料法油料分析等。與紅外熒光分析有關(guān)系的專利有梯度場熒光關(guān)聯(lián)譜儀(申請?zhí)?1142027.8)用于分析生物分子相關(guān)樣品；多功能分子雷達(dá)(申請?zhí)?1136671.0)用于生物細(xì)胞相關(guān)樣品；便攜式文件檢驗(yàn)儀(ZL95220975.6)用于鑒定文件真?zhèn)?；鑒定液體石油產(chǎn)品的方法(申請?zhí)?3121606.0)該法主要是在樣品中混入熒光物質(zhì)，再分析熒光特征來推測油料品質(zhì)?？傊?，目前的熒光方法的主要特點(diǎn)是所分析的熒光的波長是可見光(X射線熒光除外)；有些需要加適當(dāng)試劑；多用于有機(jī)試樣；激發(fā)(照明)光源是藍(lán)、紫、紫外光、X射線、陰極射線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種樣品分析范圍擴(kuò)大、可分析的波長范圍擴(kuò)展、成本低的礦物材料紅外熒光分析法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是礦物材料紅外熒光分析法，其特征是選取波長為近紫外-紅外的光源以面、線或點(diǎn)方式照射放置在樣品臺上的待分析的礦物材料樣品，激發(fā)出紅外熒光，將紅外熒光會聚到分光器的入射窗口上，在分光器出射窗口處設(shè)置光電探測器，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將紅外熒光轉(zhuǎn)換成的電信號模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)接口輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)繪制波長-強(qiáng)度曲線，即熒光光譜，對熒光光譜的峰形、峰位、強(qiáng)度分析，獲取礦物材料樣品信息；也可以將光電轉(zhuǎn)換后的電信號調(diào)制顯示器的亮度進(jìn)行紅外熒光圖像顯示，或?qū)⒛?shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號相對樣品位置生成熒光數(shù)字圖像；或在進(jìn)行面掃描照明(含擴(kuò)束照明)時(shí)直接或通過顯微鏡用紅外底片拍照。采用標(biāo)樣對比、相似樣品對比等方法進(jìn)行分析，有些樣品顯示不同譜特征或熒光圖像及就已達(dá)目的。
本發(fā)明將礦物、材料等樣品的(紫外-)可見熒光分析擴(kuò)展到紅外熒光波段，大幅度擴(kuò)展熒光信息范圍，擴(kuò)展了可分析樣品的種類，彌補(bǔ)現(xiàn)有熒光分析方法獲取熒光信息只限于可見光，可分析礦物或材料樣品種類有限，紫外熒光探測儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、紫外-可見熒光激發(fā)困難等缺陷?？捎糜诓煌该鳌胪该骱屯该鞯V物和合成晶體的生長環(huán)帶結(jié)構(gòu)、微量元素及分布、缺陷及分布、晶體中分子排列有序度、晶體生長條件、后期經(jīng)歷、晶體次生加大、重結(jié)晶過程、礦物世代關(guān)系等分析和寶石鑒定。還可能用于種子、農(nóng)產(chǎn)品、食品、飲料、化工原料等品質(zhì)檢測。
(1)擴(kuò)展可進(jìn)行熒光分析的礦物樣品范圍。常規(guī)的熒光分析方法只能對部分透明礦物晶體進(jìn)行分析，如金剛石等。紅外熒光可能對一些不透明的金屬和半金屬礦物進(jìn)行分析。如圖3，4是部分樣品的紅外熒光圖譜。
(2)擴(kuò)展了信息范圍。一般的熒光分析的分析范圍是0.4-0.7μm，紅外熒光的分析范圍可寬達(dá)0.4-25μm或更寬(180nm以上的近紫外范圍也可分析)。
(3)由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)樣品臺或控制激發(fā)光束的掃描可實(shí)現(xiàn)對樣品點(diǎn)、線、面熒光特征分析。
(4)控制激發(fā)源的照射可分析樣品熒光的時(shí)間特性。
(5)由于近紫外—紅外光在空氣中吸收較少，儀器系統(tǒng)不需要真空設(shè)備保持真空，系統(tǒng)運(yùn)行及成本較低，方便。
(6)由于紅外激光等光源、紅外探測器成本低于紫外光源和紫外探測器，這樣儀器成本會較低。


圖1各波長小型半導(dǎo)體激光器或LED光源裝配2是以小型半導(dǎo)體激光器和LED為光源的熒光分析示意3是磨料金剛砂近紅外光譜4是某摻雜GaAs樣品紅外熒光譜圖具體實(shí)施方式
礦物材料紅外熒光分析法，其具體步驟如下1).選取近紫外、可見和紅外光源，如選擇各種波長的小型半導(dǎo)體激光器、各種波長的發(fā)光二極管的LED器件，波長分別為460-470、470-480、500-510、520-530、585-593、600-610、620-635、650、680、850、880、940nm等等波長作為激發(fā)光源；將各波長的光源1按波長順序安裝在可旋轉(zhuǎn)的圓盤2上，圓盤可繞軸3旋轉(zhuǎn)，并由定位銷4定位。
2).用試驗(yàn)的方法，嘗試用幾個(gè)波長的光，如400nm，800nm，1200nm，1600nm左右等波長的光激發(fā)樣品，初步觀察所激發(fā)的熒光峰波長的位置，確定重點(diǎn)待分析的熒光波長的短波限λL，則最有效的激發(fā)源波長約為λL-10至λL-100nm，可用實(shí)驗(yàn)的方法獲得準(zhǔn)確的最佳激發(fā)波長，使所激發(fā)出的熒光最突出。
3).將最佳激發(fā)波長的光源旋轉(zhuǎn)到位后接通電源5發(fā)光，光經(jīng)過聚焦或擴(kuò)束器6、光掃描器7，照射到礦物材料樣品(如磨料金剛砂)8上，礦物材料樣品(如磨料金剛砂)8固定在多維樣品臺9上，樣品臺9各維的驅(qū)動(dòng)可以是計(jì)算機(jī)10控制的電動(dòng)或人工手動(dòng)；所激發(fā)的熒光進(jìn)入單色儀11，由光電探測器12轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)AD轉(zhuǎn)換器13輸入計(jì)算機(jī)10，分析中由計(jì)算機(jī)10控制進(jìn)行譜掃描分析或定波長強(qiáng)度分析；分析中保持光掃描器7、樣品臺9不動(dòng)可實(shí)現(xiàn)樣品8點(diǎn)分析，光掃描器7或樣品臺9一維掃描可進(jìn)行樣品8線分析，光掃描器7或樣品臺9二維同時(shí)掃描可進(jìn)行樣品8面分析；計(jì)算機(jī)繪制波長-強(qiáng)度曲線，即熒光光譜，對照標(biāo)樣譜或同類待區(qū)分樣品的熒光光譜的峰形、峰位、強(qiáng)度特征可分析或獲取礦物材料樣品信息。采用標(biāo)樣對比、相似樣品對比、譜及熒光圖像變化分析、熒光圖像特征分析等方法分析；樣品分析方法為通用的熒光分析方法。
如圖3所示，礦物材料樣品為某磨料金剛砂時(shí)的近紅外光譜圖。
如圖4所示，樣品為某摻雜GaAs樣品紅外熒光譜圖。(注GaAs是一種合成的半導(dǎo)體晶體材料)具體事項(xiàng)(1)選取激發(fā)光源①選取激發(fā)光波長的原則選取一定波長的激發(fā)光源是關(guān)鍵。選取的方法和原則是先用試驗(yàn)的方法，嘗試用幾個(gè)波長的光(如400nm，800nm，1200nm，1600nm左右等)激發(fā)樣品，初步觀察所激發(fā)的熒光峰波長的位置，確定重點(diǎn)待分析熒光的波長短波限λL，則最有效的激發(fā)源波長約為λL-10至λL-100nm，可用實(shí)驗(yàn)的方法獲得準(zhǔn)確的最佳激發(fā)波長，使所激發(fā)的熒光最突出。
②選取光源的種類最佳光源是可調(diào)波長可見-近紅外激光器(或多支激光器的組合)，其優(yōu)點(diǎn)是亮度大，激發(fā)效率高，焦距和光束掃描方便，可進(jìn)行微區(qū)分析和光束面、線、點(diǎn)掃描分析。缺點(diǎn)是成本高、波長調(diào)節(jié)范圍小。
光源還可以選普通連續(xù)輻射光源和原子燈等，如SiC、W絲燈、碘鎢燈、高壓汞燈、氘燈、鈉燈、黑體輻射源等等，原則是高亮度、可見-紅外光成份強(qiáng)、工作穩(wěn)定。從中選取特定波長的光作為激發(fā)源的方法是用濾色鏡(片)或單色儀(光柵、棱鏡等)選出需要的波長的光。優(yōu)點(diǎn)是波長范圍廣、波長調(diào)整方便、成本低，缺點(diǎn)是選出一定波長的光后，亮度低，激發(fā)出的熒光較弱。
綜合效果較好的光源選擇方案是選擇各種波長的小型半導(dǎo)體激光器和各種波長的發(fā)光二極管(LED)如發(fā)光較強(qiáng)的HF18、HF19、HF30等系列(InGaN和AlGaInP等材料)的LED器件，波長分別為460-470、470-480、500-510、520-530、585-593、600-610、620-635、650、680、850、880、940nm等等波長作為激發(fā)光源。
選取發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光管等小型器件作為激發(fā)光源時(shí)的具體裝置如圖2所示將各波長的光源1(已按照半導(dǎo)體激光器和LED的使用說明，裝好限流電阻、分壓電阻等的供電適配器17，并固定好接觸電極16，由發(fā)光管18發(fā)光，見如圖1)按波長順序安裝在可旋轉(zhuǎn)的圓盤2上，圓盤可繞軸3旋轉(zhuǎn)，并由定位銷4定位，一個(gè)波長的光源旋轉(zhuǎn)到位后接通電源5發(fā)光，激發(fā)光14經(jīng)過聚焦或擴(kuò)束器6(商品)、光掃描器7(商品)，照射到樣品8上，樣品8固定在多維(X、Y、Z、R旋轉(zhuǎn)、T傾斜等，也可簡化至1維)樣品臺9(商品)上，各維的驅(qū)動(dòng)可以是計(jì)算機(jī)10控制(驅(qū)動(dòng)軟硬件都有商品)的電動(dòng)或人工手動(dòng)。所激發(fā)的熒光15進(jìn)入單色儀11(商品)，由光電探測器12(商品)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)AD轉(zhuǎn)換器13(商品)輸入計(jì)算機(jī)10(商品)，分析中由計(jì)算機(jī)10控制進(jìn)行譜掃描分析或定波長強(qiáng)度分析(控制和分析軟硬件都有商品)。分析中保持光掃描器7、樣品臺9不動(dòng)可實(shí)現(xiàn)樣品8點(diǎn)分析；光掃描器7或樣品臺9一維掃描可進(jìn)行樣品8線分析，光掃描器7或樣品臺9二維同時(shí)掃描可進(jìn)行樣品8面分析。
(2)激發(fā)光的控制①激發(fā)光尺寸控制若需要分析樣品的宏觀平均熒光情況，可對激發(fā)光進(jìn)行擴(kuò)束(擴(kuò)束的方法是普通幾何光學(xué)中的一般方法，如透鏡組或望遠(yuǎn)鏡反向使用等)，若需要分析樣品微區(qū)的情況需要對激發(fā)光聚焦。焦距的簡單方法是普通幾何光學(xué)聚焦的方法，如透鏡組加光欄的方法等。
②激發(fā)光束的掃描控制。若需要分析樣品熒光特征沿直線或平面的分布，可以通過控制光束的掃描方式進(jìn)行。掃描的方法是采用現(xiàn)有是光束掃描元件(商品)，如振鏡、多面轉(zhuǎn)鏡、聲光或電光偏轉(zhuǎn)鏡等。
(3)樣品臺及控制①根據(jù)樣品的體積和重量設(shè)計(jì)樣品臺，樣品臺應(yīng)可以進(jìn)行X、Y、Z三方向的調(diào)節(jié)和計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)，并最好有樣品臺水平旋轉(zhuǎn)功能(絕大多數(shù)情況下可以直接選購或參考光學(xué)儀器廠的精密光學(xué)臺產(chǎn)品)，此旋轉(zhuǎn)功能是方便先在顯微鏡下觀察和尋找待分析的微小區(qū)域，鎖定位置并旋轉(zhuǎn)180度后將選定的分析對象置于激發(fā)光的激發(fā)點(diǎn)上。
②X、Y、Z計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)步長和速度可選擇。用于方便地設(shè)置分析位置，并實(shí)現(xiàn)樣品臺驅(qū)動(dòng)方式的樣品點(diǎn)、線或面分析。
(4)熒光分光和探測①將熒光會聚道單色儀(或其它分光元件上)入射窗口上，按一般單色儀的調(diào)整方法調(diào)節(jié)入射窗口和出射窗口、選取對應(yīng)波長的光柵或棱鏡、調(diào)整其方向(可由計(jì)算機(jī)控制)對熒光進(jìn)行相應(yīng)波段的掃描分析。
②在分光器出射窗口處設(shè)置對應(yīng)波段的光電探測器(如PbS、光電倍增管、雪崩光敏管、熱釋電、熱堆等可見或紅外光電探測器件)，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。若信號微弱還需要采用光子計(jì)數(shù)器或鎖相放大器等微弱信號分析設(shè)備(有商品)。
③探測用嶄光、快門控光等方法控制快速光激發(fā)和快速中止光激發(fā)時(shí)的熒光變化曲線。
(5)熒光信號處理①將熒光轉(zhuǎn)換成的電信號模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)接口輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)按其對應(yīng)的波長繪制波長-強(qiáng)度曲線，即熒光光譜。對熒光光譜的峰形、峰位、強(qiáng)度分析，獲取樣品信息。
②將熒光轉(zhuǎn)換成的電信號對記錄儀Y方向調(diào)制繪制譜曲線。
③將熒光轉(zhuǎn)換成的電信號對顯示器亮度調(diào)制，獲取熒光圖像?；蚰?shù)轉(zhuǎn)換后根據(jù)對應(yīng)位置生成對應(yīng)一定波長通道的數(shù)字熒光圖像。
(6)其它的分析方式①將光電轉(zhuǎn)換后的電信號直接調(diào)制顯示器的亮度、將光掃描信號調(diào)制顯示器的掃描進(jìn)行紅外熒光圖像顯示。
②模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號及對應(yīng)樣品位置的座標(biāo)生成熒光數(shù)字圖像。
③在進(jìn)行面掃描照明(含擴(kuò)束照明)時(shí)直接或通過顯微鏡用紅外底片拍照樣品的熒光圖像。
權(quán)利要求
1.礦物材料紅外熒光分析法，其特征是選取波長為近紫外-紅外光源以面、線或點(diǎn)方式照射放置在樣品臺上的待分析的礦物材料樣品，激發(fā)出紅外熒光，將紅外熒光會聚到分光器的入射窗口上，在分光器出射窗口處設(shè)置光電探測器，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將紅外熒光轉(zhuǎn)換成的電信號模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)接口輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)繪制波長-強(qiáng)度曲線，即熒光光譜，對熒光光譜的峰形、峰位、強(qiáng)度分析，獲取礦物材料樣品信息；或?qū)⒐怆娹D(zhuǎn)換后的電信號直接調(diào)制顯示器的亮度、將光掃描信號調(diào)制顯示器的掃描進(jìn)行紅外熒光圖像顯示；或?qū)⒛?shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號及對應(yīng)樣品位置的座標(biāo)生成熒光數(shù)字圖像；或在進(jìn)行面掃描照明時(shí)直接或通過顯微鏡用紅外底片拍照樣品的熒光圖像進(jìn)行樣品分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦物材料紅外熒光分析法，其特征是其具體步驟如下1).選取近紫外-紅外光源，如選擇各種波長的小型半導(dǎo)體激光器、各種波長的發(fā)光二極管器件作為激發(fā)光源，將各波長的光源1按波長順序安裝在可旋轉(zhuǎn)的圓盤2上，圓盤可繞軸3旋轉(zhuǎn)，并由定位銷4定位；2).采用先用試驗(yàn)的方法，嘗試用幾個(gè)波長的光，如400nm，800nm，1200nm，1600nm等激發(fā)樣品，初步觀察所激發(fā)的熒光譜峰的波長的位置，確定重點(diǎn)待分析的熒光波長短波限λL，則最有效的激發(fā)源波長約為λL-10至λL-100nm，可用實(shí)驗(yàn)的方法在此區(qū)間獲得準(zhǔn)確的最佳激發(fā)波長，使待分析的熒光最突出；3).將最佳激發(fā)波長的光源旋轉(zhuǎn)到位后接通電源5發(fā)光，光經(jīng)過聚焦或擴(kuò)束器6、光掃描器7，照射到礦物材料樣品8上，礦物材料樣品8固定在多維樣品臺9上，樣品臺9各維的驅(qū)動(dòng)可以是計(jì)算機(jī)10控制的電動(dòng)或人工手動(dòng)；所激發(fā)的熒光進(jìn)入單色儀11，由光電探測器12轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺俳?jīng)AD轉(zhuǎn)換器13輸入計(jì)算機(jī)10，由計(jì)算機(jī)10控制進(jìn)行譜掃描分析或定波長強(qiáng)度分析；分析中保持光掃描器7、樣品臺9不動(dòng)可實(shí)現(xiàn)樣品8點(diǎn)分析，光掃描器7或樣品臺9一維掃描可進(jìn)行樣品8線分析，光掃描器7或樣品臺9二維同時(shí)掃描可進(jìn)行樣品8面分析；計(jì)算機(jī)繪制波長-強(qiáng)度曲線，即熒光光譜，對熒光光譜的峰形、峰位、強(qiáng)度分析，獲取礦物材料樣品信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對礦物和材料等樣品進(jìn)行微量元素、缺陷、生長條件及過程等特性進(jìn)行分析和鑒別的方法。礦物等材料紅外熒光分析法，其特征是選取波長短于且僅略短于待分析熒光譜峰波長的近紫外－紅外光源以面、線、點(diǎn)或擴(kuò)束方式照射放置在樣品臺上的待分析的礦物材料等樣品，激發(fā)出紅外熒光，將紅外熒光會聚到分光器的入射窗口上，在分光器出射窗口處設(shè)置光電探測器，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將熒光轉(zhuǎn)換成的電信號模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)接口輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)繪制波長－強(qiáng)度曲線，即熒光光譜，對熒光光譜(主要是紅外部分)的峰形、峰位、強(qiáng)度分析，獲取礦物材料等樣品信息。本發(fā)明具有可分析的礦物和材料等樣品種類多、可分析的波長范圍廣、熒光激發(fā)效率高、成本低的特點(diǎn)。
文檔編號G01N21/64GK1556394SQ20031012543
公開日2004年12月22日 申請日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者楊勇, 楊文璐, 楊 勇 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)