傅立叶变换红外光谱仪在宝石测试与研究中的应用

一、基本原理

宝石在红外光（波数范围在400～4000cm-1的电磁波）的照射下，引起晶格（分子）、络阴离子团和配位基的振动能级发生跃迁，并吸收相应的红外光而产生的光谱称为红外光谱。红外光谱属于一种带状光谱。测量和记录红外吸收光谱的仪器称为红外光谱仪。目前在宝石测试与研究中，主要采用傅立叶变换红外光谱仪。它利用物质对红外光的选择性吸收，定性或定量分析宝石的组成或结构。

傅立叶变换红外光谱仪

红外光是波长约在0.78～1000μm范围的电磁波，位于可见光和微波区之间，通常将整个红外光区分为以下三个部分。

（1）远红外光区：波长范围为25～1000μm，波数范围为10～400cm-1。一般宝石分析不在此区范围内进行。

（2）中红外光区：波长范围为2.5～25μm，波数范围为400～4000cm-1，分为基频振动区和指纹区两个区域。基频振动区，又称为官能团区或特征频率区，分布在1500～4000cm-1区域内，出现的基团特征频率较稳定，可利用该区红外吸收特征峰鉴别宝石中可能存在的官能团。指纹区分布在400～1500cm-1区域，可通过该区域的图谱来识别特定的分子结构。

（3）近红外光区：波长范围为0.78～2.5μm，波数范围为4000～12 820cm-1。

红外光分区

二、测试方法

在傅立叶变换红外光谱仪中，首先是把光源发出的光经过迈克尔逊干涉仪变成干涉光，再让干涉光照射样品。经检测器（探测器—放大器—滤波器）获得干涉图，由计算机将干涉图进行傅立叶变换得到光谱。

工作原理示意

根据样品状态，测试方法可分为透射法和反射法。

1.透射法

包括粉末透射法、直接透射法两种。

粉末透射法为有损检测方法，适用于宝石矿物原料，需按要求从测试样品上刮下少量粉末，与溴化钾以1∶100～1∶200的比例混合，压制成一定直径或厚度的透明片，然后进行测定。

直接透射法是将宝石直接置于样品台上透光进行测试。直接透射法属于无损测试方法，但对一些不透明的宝玉石、底部包镶的宝玉石饰品进行鉴定时，能得到的信息非常有限。

透射法测试附件(www.xing528.com)

2.反射法

红外反射光谱（镜反射、漫反射）在宝石鉴定与研究中具有重要意义。常应用于半透明—不透明的玉石材料，如翡翠、软玉和绿松石等。

反射法测试附件

三、在宝石学中的应用

红外光谱是宝石分子结构的具体反映，通常，宝石内分子的各种基团或官能团具特定的红外吸收，依据特征的红外吸收谱带的数目、波数位、位移、谱形、谱带强度、谱带分裂状态等内容，有助于对宝石的红外吸收光谱进行定性表征，以期获得与宝石鉴定相关的重要信息。

红外光谱一般以波数（cm-1）作为横坐标，以透过率T（％）或吸收率A（％）作为纵坐标。

傅立叶变换红外光谱仪的主要用途包括以下几种。

1.确定宝石品种

不同种属的宝石，其晶体结构、分子配位基结构及化学成分存在一定差异，依据各类宝石特征的红外吸收光谱有助于鉴别。如天然翡翠与仿制品的红外反射吸收光谱。

2.确定宝石中水的类型

自然界中，含羟基和水分子的天然宝石居多，在官能团区3000～3800cm-1处可见羟基和水分子振动引起的吸收谱带。如天然绿松石晶体结构中普遍存在结晶水和吸附水，而吉尔森仿绿松石中明显缺乏跟羟基和水分子有关的吸收谱带，同时显示高分子聚合物的吸收谱带。

3.确定钻石类型

钻石主要由C原子组成，当其晶格中存在少量的N、B、H等杂质原子时，可使钻石的物理性质如颜色、热导性、导电性等发生明显的变化。基于红外吸收光谱表征，有助于确定杂质原子的成分及存在形式，并作为钻石分类的主要依据之一。

4.鉴别充填处理宝石

环氧树脂多以填充物的形式，广泛应用在人工充填处理翡翠、绿松石、碧玺及祖母绿等宝玉石中。如天然翡翠在2800～3200cm-1范围内无吸收峰。充填处理翡翠的特征峰为2873cm-1、2930cm-1、2965cm-1、3037cm-1、3056cm-1、3096cm-1，其中3037cm-1、3056cm-1、3096cm-1是苯环ν（C—H）伸缩振动引起的特征峰。含少量蜡的翡翠在红外光谱具有2851cm-1、2924cm-1、2957cm-1的吸收峰，但石蜡中不含苯环，因此，利用红外光谱检测时是否出现3037cm-1、3056cm-1、3096cm-1等处的吸收峰，可作为检测翡翠“A货”“B货”的可靠证据。