仪器鉴定分析

仪器鉴定分析_结晶矿物学

二、仪器鉴定分析

矿物的仪器鉴定分析是利用不同仪器分析、鉴定、研究矿物。矿物仪器分析研究的方法有许多种。每种方法按分析项目和要求不同而具有不同特点，其分析时所使用的仪器和操作方法差异特大。导致它们对矿物样品要求和要解决的问题也各不相同。各种研究与鉴定方法见表11－1。

表11－1　鉴定与研究矿物的主要方法

说明：划“○”者表示可以完成的项目。

这些鉴定研究方法按分析项目和要求可分为成分分析、结构分析和综合分析等方法，各种方法特点如下：

（一）矿物成分分析方法

这类方法主要分析矿物的化学成分，常用的方法有：

（1）化学湿分析法。该方法准确度高，分析灵敏度不高，分析周期长，分析成本高。分析样品质量要求高，即需超过50g的纯矿物粉末。该方法只适用矿物的常量组分分析。

（2）光谱分析法。该方法准确度差，但分析灵敏度高，分析速度快，分析成本低，一次测试可获得所有元素信息。分析样品数量要求少，仅需几十mg或几mg的粉末样品。

该方法只适用矿物的微量、痕量及稀土、稀有元素半定量分析。

（3）原子吸收光谱（AAS）法。该方法灵敏度高，干扰少，快速、准确、经济。但分析过程比较复杂，一次只能分析一个元素，可分析70余种元素。

分析样品数量要求少，仅需几mg的粉末样品。

该方法只适用10^－6数量级微量元素或10^－9数量级痕量元素测定。也可测定常量元素，但误差大。对稀土、Th、Zr、Hf、Nb、Ta、W、U、B分析灵敏度不高；对P、S、O、N、C、H不能测定。

（4）X射线荧光光谱（XRF）法。该方法准确度高，分析成本低，分析速度快，可不破坏样品，分析元素范围为9F～⁹²U。

分析样品数量要求少，仅需几g或10g，也可为数十毫克的粉末样品。液态样品可分析。

该方法常适用常量元素、微量元素及稀土元素、稀有元素Th、Zr、Hf、Nb、Ta的定量分析，但不能确定变价元素价态。

（5）等离子发射光谱（ICP－AES）法。该方法分析灵敏度更高，分析速度更快，分析精度高，检测下限为0.1×10^－9～10^－8。分析元素范围广，除H、O、N及惰性元素均可分析。

分析样品数量要求少，仅需数mg的粉末样品。液态样品可分析。

该方法常适用常量元素、微量元素及稀土元素、稀有元素等定量或定性分析，可分析包裹体中的元素。

（6）激光显微光谱（LMES）法。该方法灵敏度高，分析成本低，分析速度快，样品被破坏面积小，可测70余种元素。

分析样品可以是光片、不加盖的薄片及手标本，样品表面要抛光。对重砂、粉末或液态样品要处理后才能测定。

该方法常适用微粒、微区、微量的成分测定。但对O、N、S无法分析，对碱金属、难熔金属测试灵敏度低。

（7）质谱分析（MSS）法。该方法灵敏度高，分析准确度高，分析速度快，成本低。

分析样品为纯度≥98％，粒度＜0.5mm的单矿物，分析数量为硫化物时需0.1～0.2g；硫酸盐时需2～5g。处理样品时要防止污染。

该方法作10^－6数量级定量分析，可分析元素的同位素及稀有气体元素。

（8）中子活化分析（NAA）法。该方法灵敏度特高，大多数元素的灵敏度为1×10^－6～10^－13，分析精度高（±1％～±5％）。可测试元素有80余种。可同时测定多个元素，分析速度特快，不破坏样品。

分析样品为纯单矿物的粉末，数量仅需数毫克或数十毫克。

该方法可作超痕量、痕量、微量、稀土元素、常量元素的定量分析。广泛用于测试同位素组成、同位素年龄及包裹体成分。

（9）电子探针分析（EPMA）法。该方法灵敏度特高，检测下限可达10^－16。分析精度为±1％～±2％，对微量元素的分析误差可达20％。分辨率高，可放大数十至数十万倍。分析速度快，直观，不破坏样品。可测元素波谱为⁴Be～⁹²U；能谱为¹¹Na～⁹²U。

分析样品可以是光片、不加盖的薄片及矿物颗粒，样品表面要抛光、清洁、平坦。

该方法系微区成分分析法，可适用常量元素的定量、定性、线扫描、面扫描分析。可研究元素种类、分布、含量。特适用矿物中的包体元素分析。

该方法只能分析固体，不能分析元素的同位素组成、元素的价态、水的组成和挥发组分。

（二）矿物结构分析方法

这类方法主要分析矿物的晶体结构、分子结构、原子中电子状态等精细结构。其中大部分的方法不破坏样品，分析结果常是各种图谱。特别适用于宝石无损鉴定。常用的方法有：

（1）X射线分析（XRD）法。该类分析方法较多，一般常用单晶分析法和粉晶分析法。

①单晶分析法，又称为X射线结构分析法。可分为照相法和衍射仪法。目前主要应用四圆单晶衍射仪法，该方法自动化程度高、快速、准确度高。

该方法要求样品为矿物单晶体，要无包裹体、无双晶、无裂纹，大小在0.1～0.5mm左右。

该方法可确定晶体空间群、晶胞参数、原子或离子在晶胞内坐标、键长和键角等。也可进行物相分析、绘制晶体结构图。

②粉晶分析法，又称粉末分析法。可分为粉晶照相法和粉晶衍射仪法。目前主要应用粉晶衍射仪法，该方法简便、快速、灵敏度高、分辨能力强、分析准确度高。根据仪器自动记录的衍射图可查出晶体面网间距d和衍射强度。

该方法要求样品为结晶质粉末，可为单晶，也可为多晶混合样，粒径很小很细。样品用量少，一般为200～500mg。

该方法主要用于确定结晶矿物的物相、测定晶胞参数、确定同质多象变体、多型、结构的有序、无序，特别适宜粘土矿物的鉴定及物相分析。

（2）红外吸收光谱（IR）法。该方法测谱迅速，数据可靠，特性强。目前普遍使用的傅里叶变换红外光谱仪具有很高的分辨率和灵敏度及很快的扫描速度。

该方法样品物理状态不要求，可以是气、液、固态，也可以是晶质或非晶质的无机或有机化合物。一般需要干燥粉末样品1～2mg。但对反射红外吸收光谱仪一般无样品限制，且不破坏样品。

该方法主要用于物质的分子结构和成分分析研究。可用于研究原子的极性键，测定分子的键长、键角等结构参数，研究矿物的结构和物相，特别适宜研究矿物中水的存在形式、络阴离子团、类质同象混入物、晶体结构的有序、无序等方面。是研究粘土矿物、沸石矿物的最有效分析仪器之一。

反射红外吸收光谱仪目前主要用在宝石的鉴定研究方面，可研究天然宝石、人工合成宝石、非宝石等之间的区别。

（3）激光拉曼光谱（LRS）法。该方法测谱迅速，图谱简单，谱带尖锐，容易分辨解释，测试条件宽松，测试材料无要求。

该方法样品要求为粉末或单晶，不需特别制样。粉末需样品极少。测试过程不破坏样品。

该方法主要应用于物质的分子结构和成分分析研究。可用于研究原子的极性键，也可以用在宝石的鉴定研究方面，可研究天然宝石、人工合成宝石、非宝石等之间的区别。

（4）可见光吸收光谱（VBS）法。该方法简便、可信、不需选择样品，分析过程不破坏样品。但主要适合研究颜色艳、多色性强的单晶体。

该方法主要研究矿物中过渡型元素的电子构型、配位特点、晶体场特征和色心作用等方面，主要探讨透明矿物的呈色机制，特适用于宝石的鉴定研究。

（5）穆斯堡尔谱（NGR）法，又称为核磁伽玛共振。该方法分析准确、灵敏度高、快速、解谱容易。目前可测定40种元素及近90种同位素。测试的成分可以为主要成分，也可为少量的杂质组分。

该方法样品要求为可以是晶质或非晶质，也可以是粉末或单晶。但样品中需含有一定浓度的与放射源中γ射线的核相同的元素。一般含铁矿样品Fe的离子浓度为5mg/cm³；硅酸盐样品一般Fe离子浓度为100mg/cm³。

该方法主要研究⁵⁷Fe与¹¹⁹Sn元素的离子价态、配位特点、自旋性、键性、磁性状态、占位特征及结构中的无序、有序特征及相变等，特别适用于粘土矿物、陨石、月岩、沉积物等混合物的研究。

（6）电子顺磁共振（EPR）法，又被称为电子自旋共振（ESR）。该方法灵敏度高，不破坏样品。但只适宜研究顺磁性的离子，在常温下可测定V⁴⁺、Cr³⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Eu²⁺、Gd³⁺；在低温下可测试Ti³⁺、V³⁺、Fe²⁺、Co²⁺及稀土元素离子。

该方法样品要求可以是固体、液体、压缩气体或有机化合物，也可以是粉末或单晶，但以单晶为最好。样品中顺磁离子浓度不超过1％，以0.001％～0.1％最好。样品不需经过处理。

该方法主要研究过渡型离子及稀土离子的价态、键性、电子结构、赋存状态、配位特点、占位特征、类质同象置换及结构的电子－空穴心、结构的有序、无序及相变等特征，可进行微量元素的定量测定或地质年龄的分析。该方法也可用在宝石的鉴定研究方面，可研究天然宝石、人工合成宝石、非宝石及宝石的染色等区别。

（7）核磁共振（NMR）法。该方法分辨率高，灵敏度高，测量速度快。但可测量的元素种类有限，主要为1H、⁷Li、⁹B、¹¹B、¹³C、¹⁹F、²³Na、²⁷Al、²⁹Si、³¹P、⁴⁰Ca等。

该方法样品要求可以是固体（20～80mg）、较浓的液体（0.5mL）、气体。

该方法主要研究矿物中水的存在形式，原子的结构位置、离子键性、配位特点和结构的有序、无序及相变和晶格缺陷等。

（三）其他测试方法

这类方法比较复杂，各方法差别较大。

（1）透射电子显微镜（TEM）法。该方法分辨率极高（达0.1nm），放大倍数极大（可达200万倍），可直接观察原子特征。

该方法使用样品为光片、不加盖的薄片或矿物粉末，表面要求光滑平坦。

该方法主要研究样品的形貌、晶格缺陷和超显微结构（包括显微双晶、出溶结构等），可用电子衍射花样标定晶体结构参数和晶格取向等。加上成分测试设备可进行微区元素分析。

（2）扫描电子显微镜（SEM）法。该方法分辨率高（达5nm），放大倍数大（可达10～30万倍），图像清晰，立体感强。

该方法使用样品为光片、不加盖的薄片或矿物粉末或手标本，制样简单。

该方法主要研究样品的形貌、生长特征，也常可加上成分测试设备进行微区元素的点、线、面扫描分析，可研究元素的赋存状态。

（3）微分干涉显微镜（DIC）法。该仪器分为反射型和透射型。该方法为纵向分辨率高，立体感强。使用样品为带晶面的晶体颗粒或不加盖的薄片。反射型仪器主要研究晶体表面微形貌、晶体表面的生长纹，探讨晶体生长机制；透射型仪器主要研究矿物的结晶状态和内部显微结构及矿物受力特征。

（4）热分析法。该方法根据矿物在加热过程中所发生的热效应或质量变化来研究鉴定矿物。常采用的方法为差热分析法和热重分析法：

①差热分析（DTA）法。该方法使用仪器设备简单，样品用量少，分析时间短。但受干扰因素多，混合样品分析效果差，且分析过程破坏样品。

该方法仅适合受热后物理、化学性质明显发生改变的矿物，样品要求纯度高。但数量少，为100～200mg的矿物纯粉末样品。

该方法利用矿物加热过程的吸热（脱水、分解等）和放热（氧化、结晶等）效应来研究矿物的晶体结构、水的存在形式、矿物的结晶程度、类质同象混入物及含量等，可进行其物相分析，尤其适用于粘土矿物、氢氧化物、含水矿物及碳酸盐类矿物等的研究。

②热重分析（TG）法。该方法使用仪器设备简单，样品用量少，分析时间短，且分析过程破坏样品，仅适宜含水矿物。

该方法仅适合受热后物理、化学性质明显发生改变的矿物，样品要求纯度高，为2～5g的矿物纯粉末样品。

该方法主要研究水在矿物中的赋存形式。

（四）一些常规鉴定、分析方法

一些常规鉴定或研究方法在矿物及其他的行业中经常使用。由于其方便、快速、成本低，在鉴定过程中不破坏样品而得到比较广泛的应用。主要的方法有：

（1）偏光显微镜法，经改装可成为宝石偏光镜。该方法仪器设备简单，观察快速、准确，具有放大效果，不破坏样品。使用样品为光片、薄片或矿物粉末或手标本或矿物制品（宝石）。主要研究矿物在偏光下对光的吸收与透过的规律，对宝石鉴别特别有效。

（2）实体显微镜法，经改装可成为宝石显微镜。该方法仪器设备简单，观察快速、准确，放大效果一般，不破坏样品。使用样品为手标本或矿物制品（宝石）。主要研究矿物或宝石在放大条件下内部包裹体特征（包括包裹体种类、大小、颜色等）、晶体表面特征（包括面的组成、平滑、生长纹、蚀象等）。

（3）密度仪法。该方法仪器设备简单，观察快速、准确，成本低，不破坏样品。使用样品为纯净的矿物标本或矿物制品（宝石）。主要通过测试矿物密度的大小来鉴定矿物。

（4）折射仪法。该方法仪器设备简单，观察快速、准确，成本低，不破坏样品。使用样品为纯净的具有平面或具有光滑平面的矿物标本或矿物制品（宝石）。主要通过测试矿物折射率的大小来鉴定矿物。

（5）分光镜法。该方法仪器设备简单，观察快速、准确，成本低，不破坏样品。使用样品为含过渡型元素的矿物（带色矿物）标本或矿物制品（带色）（宝石）。主要通过测试含过渡型元素矿物（带色矿物）对可见光选择性吸收而形成不同光谱特征来鉴定研究矿物。