紅外光譜在珠寶玉石中的應用

1、紅外光譜基本理論

當一束紅外光照射在礦物上時，礦物就要吸收一部分能量，同時將吸收的能量轉變為分子振動能和分子轉動能。

分子振動光譜：分子振動能級比分子轉動能級大，當分子振動能級躍遷時伴隨有分子轉動能級躍遷。

分子轉動光譜：出現在遠紅外區，它能給出分子的轉動慣量、核間距離、分子的對稱性。

在近紅外、中紅外區光子激發分子振動能級的同時，也激發分子轉動能級，但不能激發電子能級躍遷。

當一束紅外光照射在礦物上時，一種可能為礦物內部分子運動全部吸收，不再從礦物內部射出，另一種可能為紅外光束強度大，部分能量被分子能級躍遷吸收，還有部分能量透過礦物。

有關的名詞解釋：

波長―二個相鄰波峰(波谷)之間距離,波長單位：微米(μ)。

波數―單位長度波振動次數(波長倒數cm-1)，波數單位：厘米-1(cm-1)。

頻率―每秒鐘內振動次數(單位時間通過固定點波數)。

透射比―入射礦物光強度(I0)，透過礦物光強度(I)，I/I0。

透過率―I/I0×100。

紅外吸收光譜圖―不同頻率的輻射于礦物上，導致不同透射比，以縱座標為透過率，橫座標為頻率，形成礦物變化曲線，則稱該礦物紅外吸收光譜圖。

近紅外―波長范圍：0.78―2.5μ，波數：12820―4000cm-1。

中紅外―波長范圍：2.5―50μ，波數：4000―200cm-1。

遠紅外―波長范圍：50―1000μ，波數：200―10cm-1。

單位變換：(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、礦物紅外光譜特征

礦物紅外光譜反映礦物化學成分、結構特征，礦物大多數屬離子化合物，具各種陰離子團(硅酸鹽、碳酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、鎢酸鹽、鉬酸鹽、砷酸鹽、釩酸鹽、鉻酸鹽)，振動強大、穩定。

礦物紅外光譜能較快測出各種陰離子團，以陰離子團再研究相關的陽離子成分及礦物成分結構。

具同一陰離子團礦物類，吸收頻率、強度是一致的，因此利用礦物陰離子團及特征吸收頻率，通過相應的研究能迅速測定礦物。

礦物陰離子團及特征吸收頻率(cm-1)

礦物陰離子團特征吸收頻率(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―940840―830、710―690、670―640

H2O3650―3000、1700―1590

MoO42-850―780、700―200

NO3-1810―1730、1520―1280、1060―1020、850―800、770―715

OH-3700―2900

PO43-1200―940、650―540

SiO44-1175―860、540―470

SO42-1210―1040、680―570

VO43-930―730

U2O7900―880、480―470、280―270

WO42-850―780、720―200

某些礦物特征吸收頻率(cm-1)

礦物名稱特征吸收頻率(cm-1)

螢石275

方解石721、873―881、1435―1410

白云石729

菱鐵礦737

菱鎂礦748

菱鋅礦743

菱錳礦727

白鉛礦1410、677

文石1471、707、692

石英512―515、778―780、796―800、1084―1085

微斜長石1142、1134、1120、1100、768、742、728、648、602、584、535、463、428、398

高嶺石3704―3689、3672―3664、3653―3650、3628―3620、1100―1093、1038―1035、1012―1000、918―912、542―535、475―468

透閃石―鐵陽起石3625、3648、3660、3673

蒙脫石620―630、845―850、1080―1090

伊利石822―845、1010―1025、1070―1080

鈣鋁榴石―鈣鐵榴石550―650、800―1000

鎂橄欖石―鐵橄欖石800―1000

3、紅外光譜在寶玉石檢測中的應用

寶玉石檢測基本上是采用無損傷方式，隨著寶玉石工藝的不斷革新發展，人工優化改善充填技術日益提高。

在寶玉石檢測中任何檢測手段的應用，在某些方面都存在局限性，紅外光譜也不例外。

紅外光譜正常的礦物檢測樣品制備，先將礦物研磨成粉末狀，再滲入白色粉末狀溴化鉀共同研磨，在壓片機上壓制成測試圓形薄片，然而寶玉石飾品不可能研磨制備，因而飾品需有一個以上或更多的拋光平面進行測試，也可能需要將飾品重新處理再進行測試，這就是紅外光譜測試的局限性。

紅外光譜運用于寶玉石檢測，用其所長，能較快準確測定寶玉石中(OH)n、H2O、H3O、OH-及高分子材料(硅基聚合物、環氧樹脂、塑料)確定寶玉石名稱及優化處理內涵。

合成寶玉石雖與天然寶玉石在物理化學性質基本相同，但從某些微細方面也存在差異，這在紅外光譜上有不同反應。

天然祖母綠與助熔劑合成祖母綠區別在于天然祖母綠在3400―3800cm-1有一強吸收峰，助熔劑合成祖母綠無3400―3800cm-1強吸收峰，這與天然祖母綠中含有一定結晶水(H2O)有關。

水熱法合成祖母綠具2745、2830、2995、3490cm-1吸收峰，而在天然祖母綠中2745、2830、2995、3490cm-1吸收峰是不存在的。

紅外光譜對聚合物充填類飾品具一定的優勢，如天然翡翠經酸蝕后聚合物充填處理，在紅外光譜圖上反映出2827、2928、2942、2969cm-1吸收峰存在，系高分子材料充填所致，天然翡翠無2827、2928、2942、2969cm-1吸收峰。

天然綠松石中無2950cm-1吸收峰，注塑綠松石中具2950cm-1吸收峰。

天然歐泊中無5725、5810、5780、5810、5890、5925cm-1吸收峰，聚合物充填歐泊中具5725、5810、5780、5810、5890、5925cm-1吸收峰。

天然紫晶中無3540cm-1吸收峰，合成紫晶中具3540cm-1吸收峰。

礦物實例還很多不一一贅述，在寶玉石中的應用還在不斷的開發，作為一種礦物的測試手段還在不斷完善，紅外光譜的應用將日趨發展，并有助于解決寶玉石檢測中的難點、疑點。