寶石鑒定儀器使用

1、傅立葉變換紅外光譜儀在寶石學研究中的作用摘要隨著科技的不斷發(fā)展,新興的合成寶石和各種寶石處理技術(shù)不斷出現(xiàn),傳統(tǒng)的寶石鑒定方法已難以滿足需要,因此現(xiàn)代測試技術(shù)在寶石學中的應用越來越廣泛和重要,傅立葉變換紅外光譜儀是現(xiàn)代測試儀器中的一種,它是利用寶石在紅外光的照射下,引起晶格(分子、絡陰離子團和配位基的振動能級發(fā)生躍遷,并吸收相應的紅外光,從而產(chǎn)生出特定的光譜,定性或定量的分析寶石的組成或結(jié)構(gòu)。該方法是一種無損的測定方法,可以在不損壞寶石樣品的情況下,測定出寶石的品種,寶石是否經(jīng)過優(yōu)化處理,區(qū)分天然寶石與合成寶石,劃分鉆石類型,測定寶石中的羥基、水分子等。關鍵詞:傅立葉變換紅外光譜儀、紅外光譜、寶

2、石、鑒定、分子振動AbstractSummary as technology of constantly development, emerging of synthesis gem and various gem processing technology constantly appears, traditional of gem identification method has difficult to meet needs, so modern test technology in gem learn in the of application increasingly widely

3、 and important, FT leaves transform infrared spectrometer is modern test instrument in the of a, it is using gem in infrared light of irradiation Xia, caused lattice (molecular, and complex Yin ion mission and distribution bit base of vibration-level occurs jumped moved, and absorption corresponding

4、 of infrared light, to produced out specific of spectrum, Qualitative or quantitative analysis of composition or structure of the gem. Is a non-destructive method for the determination of the method, you can not damage stones sample cases, determination of the gemstone varieties, if a gem is optimiz

5、ed to distinguish natural gem and synthetic gems, diamond type, Division, determination of hydroxyl, water molecules in the gem.Keywords: Fourier transform infrared spectroscopy, infrared spectroscopy, gemstones, identification, molecular vibrations目錄摘要-1Abstract-1第一章傅立葉變換紅外光譜儀-2第二章測試方法-32.1 透射法-32.

6、2 反射法-3第三章寶石學中的應用-33.1 寶石中的羥基、水分子的檢測-33.2 劃分鉆石類型-43.3 鑒別人工填充處理寶石-43.4 確定寶石品種-43.5 鑒別仿制古玉-4參考文獻-5第一章傅立葉變換紅外光譜儀1.1 基本原理寶石在紅外光的照射下,引起晶格(分子、絡陰離子團和配位基的振動能級發(fā)生躍遷,并吸收相應的紅外光而產(chǎn)生的光譜稱為紅外光譜。測量和記錄紅外吸收光譜的儀器稱為紅外分光光度計(或紅外光譜儀。它利用物質(zhì)對紅外光的選擇吸收,定性或定量的分析有色寶石的組成或結(jié)構(gòu)。能量在4000400cm-1的紅外光不足以使樣品產(chǎn)生分子電子能級的躍遷,而只是振動能級與轉(zhuǎn)動能級的躍遷。由于每個振動

7、能級的變化都伴隨許多轉(zhuǎn)動能級的變化,因此紅外光譜屬一種帶狀光譜。分子在振動和轉(zhuǎn)動過程中,當分子振動伴隨偶極矩改變時,分子內(nèi)電荷分布變化會產(chǎn)生交變電場,當其頻率與入射輻射電磁波頻率相等時才會產(chǎn)生紅外吸收。紅外光譜產(chǎn)生的條件:輻射應具有能滿足物質(zhì)產(chǎn)生振動躍遷所需的能量;輻射與物質(zhì)間有相互偶合作用。例對稱分子沒有偶極矩,輻射不能引起共振,無紅外活性,如N2、O2、Cl等。而非對稱分子有偶極矩,具紅外活性。1.2 分子的振動(1多原子分子的振動多原子分子由于原子數(shù)目增多,組成分子的鍵或基團和空間結(jié)構(gòu)不同,其分子真實振動光譜比雙原子分子要復雜,但在一定條件下作為很好的近似,分子一切可能的任意復雜的振動方

8、式都可以看成是有限數(shù)量的且相互獨立的和比較簡單的振動方式的疊加,這些相對簡單的振動稱為簡正振動。(2簡諧振動的形式一般將簡正振動形式分成兩類:伸縮振動和彎曲振動(變形振動。1. 伸縮振動指原子間的距離沿鍵軸方向發(fā)生周期性變化,而鍵角不變的振動稱為伸縮振動,通常分為對稱伸縮振動和不對稱伸縮振動。對同一基團,不對稱伸縮振動的頻率要稍高于對稱伸縮振動,而官能團的伸縮振動一般出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)。2.彎曲振動(又稱變形振動指具有一個共有原子的兩個化學鍵鍵角的變化,或與某一原子團內(nèi)各原子間的相互運動無關的、原子團整體相對于分子內(nèi)其他部分的運動。多表現(xiàn)為鍵角發(fā)生周期變化而鍵長不變。變形振動又分為面內(nèi)變形和面外變

9、形振動。面內(nèi)變形振動又分為剪式和平面搖擺振動。面外變形振動又分為非平面搖擺和扭曲振動。紅外光譜位于可見光和微波區(qū)之間,即波長約為0.781000µm范圍內(nèi)的電磁波,通常將整個紅外光區(qū)分為以下三個部分:波長范圍為251000µm,波數(shù)范圍為40010cm-1。該區(qū)的紅外吸收譜帶主要是由氣體分子中的純轉(zhuǎn)動躍遷、振動轉(zhuǎn)動躍遷、液體和固體中重原子的伸縮振動、某些變角振動、骨架振動以及晶體中的晶格振動所引起的。在寶石學中應用極少。波長范圍為2.525µm,波數(shù)范圍為4000400cm-1。即振動光譜區(qū)。它涉及分子的基頻振動,絕大多數(shù)寶石的基頻吸收帶出現(xiàn)在該區(qū)。基頻振動是紅外

10、光譜中吸收最強的振動類型,在寶石學中應用極為廣泛。通常將這個區(qū)間分為兩個區(qū)域,即稱基團頻率區(qū)和指紋區(qū)?；l振動區(qū)(又稱官能團區(qū),在40001500cm-1區(qū)域出現(xiàn)的基團特征頻率比較穩(wěn)定,區(qū)內(nèi)紅外吸收譜帶主要由伸縮振動產(chǎn)生。可利用這一區(qū)域特征的紅外吸收譜帶,去鑒別寶石中可能存在的官能團。指紋區(qū)分布在1500400cm-1區(qū)域,除單鍵的伸縮振動外,還有因變形振動產(chǎn)生的紅外吸收譜帶。該區(qū)的振動與整個分子的結(jié)構(gòu)有關,結(jié)構(gòu)不同的分子顯示不同的紅外吸收譜帶,所以這個區(qū)域稱為指紋區(qū),可以通過該區(qū)域的圖譜來識別特定的分子結(jié)構(gòu)。波長范圍為0.782.5µm,波數(shù)范圍為12820-4000cm-1,該區(qū)

11、吸收譜帶主要是由低能電子躍遷、含氫原子團(如OH、NH、CH伸縮振動的倍頻吸收所致。如綠柱石中OH的基頻伸縮振動在3650cm-1,伸/彎振動合頻在5250cm-1,一級倍頻在7210cm-1處。第二章測試方法2.1 透射法透射法又可分為粉末透射法和直接透射法。粉末透射法屬一種有損測試方法,具體方法是將樣品研磨成2FAm以下的粒徑,用溴化鉀以1:1001:200的比例與樣品混合并壓制成薄片,即可測定寶石礦物的透射紅外吸收光譜。直接透射法是將寶石樣品直接置于樣品臺上,由于寶石樣品厚度較大,表現(xiàn)出2000cm-以外波數(shù)范圍的全吸收,因而難以得到寶石指紋區(qū)這一重要的信息。直接透射技術(shù)雖屬無損測試方法

12、,但從中獲得有關寶玉石的結(jié)構(gòu)信息十分有限,由此限制丁紅外吸收光譜的進一步應用。特別對于一些不透明寶玉石、圖章石和底部包鑲的寶玉石飾品進行鑒定時,則難以具體實施。2.2 反射法紅外反射光譜是紅外光譜測試技術(shù)中一個重要的分支,目前在寶玉石的測試與研究中備受關注,根據(jù)采用的反射光的類型和附件分為:鏡反射、漫反射、衰減全反射和紅外顯微鏡反射法。紅外反射光譜(鏡、漫反射在寶石鑒定與研究領域中具有較廣.闊的應用前景。根據(jù)透明或不透明寶石的紅外反射光譜表征,有助于獲取寶石礦物晶體結(jié)構(gòu)中羥基、水分子內(nèi)、外振動,陰離子、絡陰離子的伸縮或彎曲振動,分子基團結(jié)構(gòu)單元及配位體對稱性等重要的信息,特別是為某些充填處理的

13、寶玉石中有機高分子充填材料的鑒定提供了一種便捷、準確、無損的測試方法?；趯毷瘶悠返难芯繉Ρ群丸b定之目的,可分別采用Nicolet550型傅立葉變換紅外光譜儀及鏡面反射附件和TENSOR27型傅立葉變換紅外光譜儀及“漫反射附件”。在具體測試過程中,視樣品的具體情況,采用分段測試的方法(即分為40002000cm-1,2000 400cm-1對相關的寶石樣品進行測試?？紤]到寶石的紅外反射光譜中,由于折射率在紅外光譜頻率范圍的變化(異常色散作用而導致紅外反射譜帶產(chǎn)生畸變(似微分譜形,要將這種畸變的紅外反射光譜校正為正常的并為珠寶鑒定人員所熟悉的紅外吸收光譜,可通過Dispersion校正或Kram

14、ersKronig變換的程序予以消除。具體方法為:若選用Nicolet550型紅外光譜儀的鏡面反射附件測得寶石紅外反射光譜,則采用OMNIC軟件內(nèi)Process下拉菜單中OtherCorrec-tions里選擇Dispersion進行校正;同理,若采用TENSOR27型紅外光譜儀的“漫反射附件”測得寶石的紅外反射光譜,可用其OPUS軟件內(nèi)譜圖處理下拉菜單中選擇KramersKronig變換予以校正(簡稱KK變換。下文中,將經(jīng)過Dispersion校正或K K變換的紅外反射光譜,統(tǒng)稱為紅外吸收光譜。第三章寶石學中的應用3.1 寶石中的羥基、水分子的檢測基頻振動(中紅外區(qū)作為紅外吸收光譜中吸收最強

15、的振動類型,在寶石學中的應用最為廣泛。通常將中紅外區(qū)分為基頻區(qū)(又稱官能團區(qū),40001500cm-和指紋區(qū)(1500400cm-1兩個區(qū)域。自然界中,含羥基和H2O的天然寶石居多,與之對應的伸縮振動導致的中紅外吸收譜帶主要集中分布在官能團區(qū)38003000cm-1波數(shù)范圍內(nèi)。而彎曲振動導致的紅外吸收譜帶則變化較大,多數(shù)寶石的紅外吸收譜帶的位140017000cm-1波數(shù)范圍內(nèi)。通常情況下,羥基或水分子的具體波數(shù)位置,亦受控于寶石中氫鍵力的大小。至于具體的波數(shù)位,則主要取決于各類寶石內(nèi)的氫鍵力的大小。與結(jié)晶水或結(jié)構(gòu)水相比,吸附水的對稱和不對稱伸縮振動導致的紅外吸收寬譜帶中心主要位3400cm-

16、1處。例如,天然綠松石晶體結(jié)構(gòu)中普遍存在結(jié)晶水和吸附水,其中由羥基伸縮振動致紅外吸收銳譜帶位于3466cm-1、3510cm-1處,而由(M Fe,Cu一OH伸縮振動導致的紅外吸收譜帶則位于3293cm-1、3076cm-1處,多呈較舒緩的寬譜態(tài)展布。同時,在指紋區(qū)內(nèi)顯示磷酸鹽基團的伸縮與彎曲振動導致的紅外吸收譜帶。反之在官能團區(qū)域內(nèi),吉爾森仿綠松石中明顯缺乏天然綠松石所特有的由羥基和水分子伸縮振動致紅外吸收譜帶,同時顯示由高分子聚合物中as(CH2不對稱伸縮振動致紅外吸收銳譜(2925cm-1、s(CH2對稱伸縮振動致紅外吸收銳譜帶(2853cm-1,同時伴有as(CH2不對稱伸縮振動致紅外

17、吸收銳譜帶(2959cm-1。指紋區(qū)內(nèi),顯示碳酸根基團振動的特征紅外吸收譜帶。測試結(jié)果表明,俗稱吉爾森法綠松石實屬壓制碳酸鹽仿綠松石。同理,根據(jù)助熔劑法合成祖母綠與水熱法合成祖母綠的紅外吸收光譜中有無水分子伸縮振動致吸收譜帶而給予區(qū)分。助熔劑法合成祖母綠是在高溫熔融條件下結(jié)晶而成,故其結(jié)構(gòu)通道內(nèi)一般不存在水分子;而水熱法合成祖母綠是在水熱條件下結(jié)晶生長而成,在其結(jié)構(gòu)通道中往往存在不等量的水分子和少量氯酸根離子(礦化劑。3.2 鉆石中雜質(zhì)原子的存在形式及類型劃分鉆石主要由C原子組成,當其晶格中存在少量的N、B、H等雜質(zhì)原子時,可使鉆石的物理性質(zhì)如顏色、導熱性、導電性等發(fā)生明顯的變化。基于紅外吸收

18、光譜表征,有助于確定雜質(zhì)原子的成分及存在形式,并作為鉆石分類的主要依據(jù)之一。3.3 人工充填處理寶玉石的鑒別由兩個或兩個以上環(huán)氧基,并以脂肪族、脂環(huán)族或芳香族等官能團為骨架,通過與固化劑反應生成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物類的環(huán)氧樹脂,多以充填物的形式,廣泛應用在人工充填處理翡翠、綠松石及祖母綠等寶玉石中。環(huán)氧樹脂的種類很多,并且新品種仍不斷出現(xiàn)。常見品種為環(huán)氧化聚烯烴、過醋酸環(huán)氧樹脂、環(huán)氧烯烴聚合物、環(huán)氧氯丙烷樹脂、雙酚A樹脂、環(huán)氧氯丙烷雙酚A縮聚物、雙環(huán)氧氯丙烷樹脂等。與蠟質(zhì)物的紅外吸收光譜表征明顯不同的是,在充填處理翡翠中,環(huán)氧樹脂中由苯環(huán)伸縮振動致紅外吸收弱譜帶位3028cm-1處;與之對應由v as(CH2不對稱伸縮振動致紅外吸收譜帶位2922cm-1處,而V s(CH2對稱伸縮振動致紅外吸收銳譜帶則