《红外可见光检测宝玉石》
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专业：宝石及材料工艺学
前言
彩色宝石的颜色是评价宝石的基础, 颜色的美与否决定着宝石的档次、品级和价值。大部分宝石的颜色都是宝石晶体中含有杂质或结构缺陷而产生的颜色。颜色是由吸收引起的。光吸收反映了宝石的化学成分( 呈色元素) 和品体结构( 呈色离子所在的配位体及环境) , 二者的综合信息。因此, 颜色的真伪可用吸收光谱加以鉴别。宝石在若干特定波长出现相应强度的宽带和窄带吸收便构成了有鉴定意义的特征吸收谱。紫外-可见光、红外光谱、拉曼光谱、X 荧光等大型高科技仪器在宝石鉴定中越来越占据重要位置。本文着重讨论红外-可见吸收光谱。
红外可见光吸收光谱
一、实验目的
1、了解红外可见光光谱仪的基本结构和工作原理；
2、掌握红外可见光光谱仪的基本操作流程。
二、实验原理
1、红外光谱基本理论
当一束红外光照射在矿物上时，矿物就要吸收一部分能量，同时将吸收的能量转变为分子振动能和分子转动能。
分子振动光谱：分子振动能级比分子转动能级大，当分子振动能级跃迁时伴随有分子转动能级跃迁。
分子转动光谱：出现在远红外区，它能给出分子的转动惯量、核间距离、分子的对称性。
在近红外、中红外区光子激发分子振动能级的同时，也激发分子转动能级，但不能激发电子能级跃迁。
当一束红外光照射在矿物上时，一种可能为矿物内部分子运动全部吸收，不再从矿物内部射出，另一种可能为红外光束强度大，部分能量被分子能级跃迁吸收，还有部分能量透过矿物。
有关的名词解释：
波长―二个相邻波峰（波谷）之间距离, 波长单位：微米（μ）。
波数―单位长度波振动次数（波长倒数cm-1），波数单位：厘米-1（cm-1）。
频率―每秒钟内振动次数（单位时间通过固定点波数）。
透射比―入射矿物光强度（I0），透过矿物光强度（I），I / I0。
透过率―I / I0×100。
红外吸收光谱图―不同频率的辐射于矿物上，导致不同透射比，以纵座标为透过率，横座标为频率，形成矿物变化曲线，则称该矿物红外吸收光谱图。
近红外―波长范围：0.78―2.5μ，波数：12820―4000cm-1。
中红外―波长范围：2.5―50μ，波数：4000―200cm-1。
远红外―波长范围：50―1000μ，波数：200―10cm-1。
单位变换：（μ微米、μm毫微米、?埃、cm厘米）
1μ=1000nm=10000?=10-4cm
1?=10-1nm=10-4μ=10-8cm
1cm=104μ=107nm=108 ?
1μm=10-7cm
2、矿物红外光谱特征
矿物红外光谱反映矿物化学成分、结构特征，矿物大多数属离子化合物，具各种阴离子团（硅酸盐、碳酸盐、硼酸盐、磷酸盐、硫酸盐、钨酸盐、钼酸盐、砷酸盐、钒酸盐、铬酸盐），振动强大、稳定。
矿物红外光谱能较快测出各种阴离子团，以阴离子团再研究相关的阳离子成分及矿物成分结构。
具同一阴离子团矿物类，吸收频率、强度是一致的，因此利用矿物阴离子团及特征吸收频率，通过相应的研究能迅速测定矿物。
矿物阴离子团及特征吸收频率（cm-1）
矿物阴离子团
特征吸收频率（cm-1）
AsO43-
880―770
BO33-
1500―1300、950―850、700―400
BO45-
880―700、700―400
CO32-
1530―1320、100―1040、890―800、745―670
CrO42-
900―820
HCO32-
3300―2000、1930―1840、1700―1600、1000―940 840―830、710―690、670―640
H2O
3650―3000、1700―1590
MoO42-
850―780、700―200
NO3-
1810―1730、1520―1280、1060―1020、850―800、770―715
OH-
3700―2900
1200―940、650―540
SiO44-
1175―860、540―470
SO42-
1210―1040、680―570
VO43-
930―730
U2O7
900―880、480―470、280―270
WO42-
850―780、720―200
某些矿物特征吸收频率（cm-1）
矿物名称
特征吸收频率（cm-1）
萤石
275
方解石
721、873―881、1435―1410
白云石
729
菱铁矿
737
菱镁矿
748
菱锌矿
743
菱锰矿
727
白铅矿
1410、677
文石
1471、707、692
石英
512―515、778―780、796―800、1084―1085
微斜长石
1142、1134、1120、1100、768、742、728、648、602、584、535、463、428、398
高岭石
3704―3689、3672―3664、3653―3650、3628―3620、1100―1093、1038―1035、1012―1000、918―912、542―535、475―468
透闪石―铁阳起石
3625、3648、3660、3673
蒙脱石
620―630、845―850、1080―1090
822―845、1010―1025、1070―1080
钙铝榴石―钙铁榴石
550―650、800―1000
镁橄榄石―铁橄榄石
800―1000
3、红外光谱在宝玉石检测中的应用
近二十年来宝石学上的重要进展几乎都体现在先进技术手段的使用上，其中尤以红外光谱广泛应用而醒目，原来看似复杂昂贵的红外光谱仪，随着性能价格比的提高，在宝石界越来越成为一种较普遍的测试手段，已有大量关于红外光谱仪使用的报道。9
宝石鉴定中红外技术的特点及要求
准确可靠：红外光谱特征取决于物质成分及结构，几乎没有两种物质的红外光谱是完全相同的，如天然及合成水晶、紫晶。要求：仪器分辨率好、精确度高。
不需特殊方法制样，不损伤样品：宝石鉴定的特点决定在整个鉴定过程中不能对样品造成物理损害或化学腐蚀。
要求：KBr压片法对宝石的无损鉴定不适用。
鉴定速度块。
要求：仪器的操作简便，反应灵敏。
研究样品种类复杂，包括无机物和有机物、测试方法多样。
红外光谱不同区段在宝石鉴定中的特点
远红外光谱主要反映分子的内振动，包括重原子之间的伸缩振动和弯曲振动以及分子之间的振动，如晶格振动产生的共振吸收。
中红外光谱主要反映物质的指纹频率，大多数物质（尤其是组成宝石的无机物质）的基频振动出现在中红外区，少数出现在远红外区。中红外光谱与远红外光谱结合成为鉴定宝石种属的关键指纹区。近红外。分子中只有基频振动的频率在2000 cm-1以上的振动，其倍频吸收才能处于近红外区。近红外谱区除了有不同级别的倍频谱带外，还包含许多不同形式组成的合频吸收。因此，近红外谱区成为研究含氢基团（C-H，N-H，O-H）的理想谱区。
宝玉石检测基本上是采用无损伤方式，随着宝玉石工艺的不断革新发展，人工优化改善充填技术日益提高。
在宝玉石检测中任何检测手段的应用，在某些方面都存在局限性，红外光谱也不例外。
红外光谱正常的矿物检测样品制备，先将矿物研磨成粉末状，再渗入白色粉末状溴化钾共同研磨，在压片机上压制成测试圆形薄片，然而宝玉石饰品不可能研磨制备，因而饰品需有一个以上或更多的抛光平面进行测试，也可能需要将饰品重新处理再进行测试，这就是红外光谱测试的局限性。
红外光谱运用于宝玉石检测，用其所长，能较快准确测定宝玉石中(OH)n、H2O、H3O、OH-及高分子材料（硅基聚合物、环氧树脂、塑料）确定宝玉石名称及优化处理内涵。
合成宝玉石虽与天然宝玉石在物理化学性质基本相同，但从某些微细方面也存在差异，这在红外光谱上有不同反应。
天然祖母绿与助熔剂合成祖母绿区别在于天然祖母绿在3400―3800cm-1有一强吸收峰，助熔剂合成祖母绿无3400―3800cm-1强吸收峰，这与天然祖母绿中含有一定结晶水（H2O）有关。
水热法合成祖母绿具2745、2830、2995、3490cm-1吸收峰，而在天然祖母绿中2745、