红外光谱在珠宝玉石中的应用

百花草 · 发表于 2009-12-27 21:34

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、Å埃、cm厘米）
1μ=1000nm=10000Å=10^-4cm
1Å=10^-1nm=10^-4μ=10^-8cm
1cm=10⁴μ=10⁷nm=10⁸ Å
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）
AsO₄^3-	880―770
BO₃^3-	1500―1300、950―850、700―400
BO₄^5-	880―700、700―400
CO₃^2-	1530―1320、100―1040、890―800、745―670
CrO₄^2-	900―820
HCO₃^2-	3300―2000、1930―1840、1700―1600、1000―940 840―830、710―690、670―640
H₂O	3650―3000、1700―1590
MoO₄^2-	850―780、700―200
NO₃^-	1810―1730、1520―1280、1060―1020、850―800、770―715
OH^-	3700―2900
PO₄^3-	1200―940、650―540
SiO₄^4-	1175―860、540―470
SO₄^2-	1210―1040、680―570
VO₄^3-	930―730
U₂O₇	900―880、480―470、280―270
WO₄^2-	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
伊利石	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
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、2830、2995、3490cm^-1吸收峰是不存在的。
红外光谱对聚合物充填类饰品具一定的优势，如天然翡翠经酸蚀后聚合物充填处理，在红外光谱图上反映出2827、2928、2942、2969cm^-1吸收峰存在，系高分子材料充填所致，天然翡翠无2827、2928、2942、2969cm^-1吸收峰。
天然绿松石中无2950cm-1吸收峰，注塑绿松石中具2950cm-1吸收峰。
天然欧泊中无5725、5810、5780、5810、5890、5925cm^-1吸收峰，聚合物充填欧泊中具5725、5810、5780、5810、5890、5925cm^-1吸收峰。
天然紫晶中无3540cm^-1吸收峰，合成紫晶中具3540cm^-1吸收峰。
矿物实例还很多不一一赘述，在宝玉石中的应用还在不断的开发，作为一种矿物的测试手段还在不断完善，红外光谱的应用将日趋发展，并有助于解决宝玉石检测中的难点、疑点。