赤外線顕微鏡の応用
4月 30, 2013
赤外分光法は、宝石学のテストで広く使用される最も汎用性の高い分析技術の一つです。 その応用として、ダイヤモンドの分類（コリンズ、2001年；ブリーディングとシグリー、2009年）、照射およびHPHT-アニールダイヤモンドの鑑別（ウッズ、1984年；ウッズとコリンズ、1986年；コリンズおよびその他、2000年a, b；レインツおよびその他、 2000年）が含まれます。 また、この技術はエメラルド（ジョンソンおよびその他、1999年）とジェダイト（フリッチュおよびその他、1992年）におけるポリマー処理を検出するため、およびアレキサンドライト（ストックトンとケイン、1988年）とエメラルド（アダモおよびその他、2005年）の天然・合成の起源を検出するために使用されます。 さらに、顕微鏡を備えた赤外分光光度計は、宝石の形成や処理の履歴に貴重な洞察を提供し、内包物やゾーニングなどのマイクロメートルスケールの機能の研究を可能にする空間分解能を提供します。
計装
事実上、すべての赤外線機器は、中〜近赤外（〜500〜7000 cm-1）の光学を備えています。 このスペクトル範囲において、それらはマイクロメートルスケールの空間分解能の能力が理論的にあります。 遠赤外分光法（〜50〜400 cm-1）は、素材の格子振動の研究のために必須ですが、この技術は、その付加的な作業要件のため、宝石学テストには通常適用されていないことは注目に値します。赤外光の大部分を吸収するガラス光学素子を備えた典型的な光学顕微鏡とは異なり、赤外顕微鏡は、シグナルの損失を最小限に抑えて、全体の赤外線スペクトル領域（〜50〜10000 cm-1）のカバレッジを確保する、全反射光学を備えています。 赤外顕微鏡の中心的要素は、サンプルに/から光をフォーカス/集めるシュヴァルツ/カセグレン式デザインがある反射集光対物のペアであり、透過と反射分光法の両方を可能にします。 技術的および科学的な原則は、グリフィス（2009年）で説明されています。
GIAラボの赤外線システムの一つは、中·近赤外スペクトル領域で動作しているこのような全反射顕微鏡（図1）を搭載しています。 これは、グローバー光源、液体窒素冷却MCT-A（水銀カドミウムテルル）検出器、および臭化カリウムビームスプリッターを備えています。 顕微鏡は、素材の正確なマッピングを可能にするために1マイクロメートル（μm）のステップ間隔で自動化XYZステージに結合されています。
図1. これらの画像は、典型的な商業用の赤外顕微鏡の設定（左）と赤外顕微鏡の中心的要素である反射カセグレン対物（右）の概略図を示します。
顕微鏡なしでの一般的なサンプリング技法。 赤外顕微鏡を使用しない場合、2種類のアクセサリーが、通常、サンプルに赤外線ビームを向けたりフォーカスするのに適用されます。 集光光学は、透過/吸収分光測定に使用され、拡散反射フーリエ変換赤外分光 (DRIFT) は、分光の反射/吸収に使用されます。 これらの光学部品は、数ミリメートルよりも大きいマクロサイズのサンプルに最も適しています。 これらにはサブミリメートルの微視的サンプルを分析するための空間分解能に欠けています。 サンプルがゾーニングされている場合には、光学のこれらのタイプは、サンプリング領域内のすべてのスペクトルの特徴の平均を提供するのみです。応用
メレー石のタイプの選別および鑑別。 合成石（HPHTまたはCVD成長）、照射を受けた、およびHPHT-アニールのダイヤモンドはすべて、起源または処理の更なるテストのためにサンプルを選別するのに役立つ赤外線機能を持っています（ウッズ、1984年；ウッズとコリンズ、1986年；Collinsおよびその他、2000年；レイニツおよびその他、2000年）。 しかし、小さなダイヤモンドは、多くの場合、宝石にセットされており、光のアクセスが限られているため難題をもたらします。 赤外顕微鏡のセットアップは、このような状況に最も適しており（図2）、北脇およびその他によって実証されています。 （2008年）。
図2. 宝飾品にセットされたメレーダイヤモンドの赤外スペクトルは、種類の選別や識別をするために十分な品質（約6秒間に16スキャン）で収集されることができます。 このサンプルには、約0.5mmのテーブルサイズがあります。 そのパビリオンは、限られた光アクセスを可能にし、ビームコンデンサー又はDRIFTユニットのようなマクロセットアップを使用して分析することを事実上不可能にして、金属のセッティングにカプセル化されます。
欠陥とスペクトルの特徴のマッピング。 石内のスペクトルのさまざまな特徴には、その成長の履歴と環境に関する貴重な情報があります。 図3は、HPHT成長した合成ダイヤモンドウェハから収集されたマッピング·データのセットを示しています。 このウェハは、1300 cm-1に近い一次フォノン領域に赤外分光法によって容易に定量されることができる、Ib型及びIIa型の両方の特性のセクタとゾーニングされています（図4）。
図3. このHPHT成長した合成ダイヤモンドウエハ（左上）の赤外線マッピングデータは、窒素の分布を示しています（左下、緑色の彩度が窒素濃度に相関しています）。 関心領域（右上、一次フォノン領域）における赤外線スペクトルは、左画像の赤色の×印で示され、フルスペクトル範囲は、以下の細いストリップならびに吸光度の三次元マップに示されています（右下）。 個々の赤外スペクトルは、マップ内の各要素に記憶されます（本研究では50ミクロンのグリッドによる50ミクロン、左上の画像のドットで表示）。 2,000以上の個々のスペクトルが、このマップを構築するために収集され、約4時間かかりました。 データ収集パラメータが設定されると、プロセスは完全に自動化されます。
図4. 2つの領域からの代表的な赤外スペクトル（青と赤の×印で表示）は、この合成ダイヤモンドウェハ内の明瞭なIb型およびIIa型の特性を示しています。 写真（左下）、ディープUV励起（中央下）によるDiamondView画像、EPRマップ（右下）は、さまざまな窒素濃度がある地域の相関を示します。
図5. トルマリンの赤外線マッピングデータが、水酸基（OH）の変動とカラーゾーニングの間の相関関係を示します。 0.27ミリメートルの厚さである薄い二重の研磨ウエハが、定量分析のために準備されました（中央の写真の黄色のボックスで表示）。 赤外線マッピングスペクトルおよびLA-ICP-MSを用いた微量元素分布の相関しているデータは、ウェハを通して収集されました。
図 6. トルマリンは、かなり複雑な結晶構造および複数の構造要素を有するホウ素含有鉱物です（マクドナルドとホーソーンに基づく、1995年）。 マッピングデータのセット（図5）においては、水酸基（OH）の変動が明らかにされ、水素の取り込み機構をよりよく理解するためにLA-ICP-MSの化学分析と相関させることができます。
図7. 3600 cm-1付近の水酸基（OH）のスペクトル領域における変動は、トルマリンウエハー（右）にゾーンを関連付けて示されています。 各吸収バンドは、水素原子の周囲の局所的な結晶の構造および化学的環境のわずかな変動と関連しています（図6）。
その他の可能性。 光モジュールを備えた現代の赤外線システムは、適切な外部光源および検出器が取り付けられている光学分光法などの他の分析と組み合わせることができます。 また、高度に洗練されたソフトウェアは、素材の中の種の主成分や比率などのスペクトル特徴の定量分析を行うことができます。
