中國地質大學
研究生課程**封面
課程名稱傅利葉紅外光譜測試技術和寶石學應用
教師姓名
研究生姓名
研究生學號
研究生專業寶石學
所在院系珠寶學院
類別: a.博士 b.碩士 c.進修生
日期: 2023年 1月 3日
紅外光譜測在寶石學上的應用
摘要：紅外光譜分析作為波譜分析這一新鬟學科中最常見的技術之一，近年來在寶石學領域中得到了廣泛的應用。在不需要製樣、不破壞樣品的情況下，紅外光譜儀就能夠在寶玉石種屬的鑑別、優化處理的確定以及天然與合成寶石的區分方面發揮重要作用。
能夠很快又方便的解決一些常規儀器和傳統方法不能解決的問題。本文是在查閱資料的基礎上，利用傅利葉紅外光譜測試了兩塊自有樣品後，得出了相應的結論。通過對樣品的測試和結論的討論，掌握了利用紅外光譜測試寶石技術，並且對其在寶石學上的應用做了簡要的**，分析了它的優點和不足。
1、紅外光譜概述
1.紅外光譜基本概念
紅外光譜是指物質在紅外錢照射下，引起分子的振動能級和轉動能級的躍遷而產生的光譜。分子的總能量由平動能量、振動能量、電子能量和轉動能量四部分構成，若以連續波長中的紅外線照射寶石．那麼其間的元素、配位基和鉻陰離子團便產生特徵的振動和轉動能級的躍遷．該能級在躍遷時．往往選擇性吸收一定波長的電磁輻射，因而產生特徵的吸收光譜。所測得吸收光譜稱紅外吸收光譜，簡稱紅外光譜。
2.應用光譜區的劃分
根據實驗技術和應用的不同，通常把紅外光譜劃分成三個光譜區：近紅外光譜區，波長0.8～2.
5微公尺，主要用來研究o-h、c-h及n-n鍵的倍頻吸收；中紅外光譜區(基本振動一轉動區)，波長2.5～25微公尺，它是寶石學應用研究最多的區域，該區的吸收主要是由分於的振動能級和轉動能緞躍遷引起；遠紅外光譜區(轉動區)，波長25～1000微公尺，分子的純轉動能級躍遷及晶體的晶格振動多出現在此區。
3.波長、頻率和波數的關係
在紅外光譜中，用波長和頻率來表示譜帶的位置，而更常用的是用波數表示。若波長以微公尺為單位，波數以cm-1為單位，它們之間的關係是γ（cm-1）=1/λ（cm）=104/λ（微公尺）。紅外光譜屬能量在1-0.
01ev，波長為0.8-1000微公尺。相當於波數為12500cm-1至10cm-1的分子振動與轉動光譜區。
2、分子振動轉動光譜基本理論
1.雙原子分子振動光譜
雙原子分子的物理模型簡單，當分子吸收紅外光後，兩個原子在連線軸線發生振動，它們之間產生的作用力可以用位移情況可以用胡克定律解釋，通過數學計算可以得到關於化學鍵力常數和頻率關係的公式：
γ=1/2 *π（k/m）1/2 （m為分子折合質量，k為化學鍵力常數）
從上式可知：化學鍵鍵強越大，原子折合質量越小，化學鍵振動頻率越大，吸收峰將出現在高波數區。
由量子力學觀點知道，分子振動能級是不連續的，而經常發生的是分子吸收能量後從基態到第一激發態的躍遷，與此對應的譜帶稱為基頻吸收譜帶，顯示比較強的峰；由基態到第
二、第三、第四等激發態之間的躍遷則稱為泛頻吸收譜帶，顯示弱峰；多原子分子中出現的倍頻、組頻是指多個基頻吸收譜帶的重疊或組合。
2.雙原子分子轉動光譜
當分子圍繞某個軸以高頻率速度轉動，並且產生了偶極矩時，吸收紅外光也會在紅外譜區出現吸收峰。轉動光譜和轉動常數、轉動量子數有關。將分子當做剛性的，不計電子質量且原子核看成質點：
i=m1m2/(m1+m2)re2（m為原子質量，re為原子間距）
e轉=h2/8πi2*j（j+1）（j為轉動量子數）
δe=2bhc（j+1）（δe為分子增加的轉動能量）
從上式可知：分子質量越大，分子轉動慣量越大，轉動常數就越大，轉動光譜的譜線波長就越長，落在微波區。
3.雙原子分子的振-轉光譜
振動能級躍遷時總是伴隨轉動能級的躍遷發生，當用紅外光照射自由分子時，就測不到單純的分子振動譜線，而是由多根很近的譜線組成的寬吸收譜帶。
4.多原子分子的簡正振動和轉動光譜
組成分子的多原子各自同時振動，以相同頻率簡諧或非簡諧振動，即簡正振動。振動形式有伸縮振動、變形振動。原子沿鍵軸方向伸縮，鍵長改變、面鍵角不變的振動稱為伸縮振動（v），其又可分為對稱振動（vs）和反對稱伸縮振動（vas），一般情況下同一基團中反對稱伸縮振動頻率稍高於對稱伸縮振動。
當鍵角發生週期變化而鍵長不變的振動稱變形振動（δ），其又可分為麵內變形和麵外變形振動。
簡正振動數目由分子自由度確定，因為分子作為整體有三個平動自由度和三個轉動自由度（線性分子兩個），根據公式3n-6或3n-5就可以確定分子的基頻吸收譜帶。然而實際中並沒有理論上這麼多的基頻吸收譜帶，主要原因是:沒有偶極矩變化的振動不產生紅外吸收；相同頻率的振動吸收重疊；儀器條件限制，不能區別頻率接近的振動或吸收很弱。
由於多原子分子的轉動慣量較大，而它們的轉動能級間距比較小，所以很難觀察到吸收光譜。多原子分子振動光譜的產生也有一定的要求，只有瞬間偶極矩變化的簡正振動才能在紅外光譜中看到。當分子的對稱性很好時，會發生簡併振動，導致紅外譜峰減弱。
與雙原子分子一樣，其紅外譜圖中除基頻峰外，也有倍頻、組頻、泛頻等峰。
三、傅利葉變換紅外光譜儀原理
該儀器是通過對兩束相干的光產生干涉，所得干涉圖經傅利葉變換數值計算來測定光譜圖的。使用連續波長的紅外光源測定樣品。樣品中的分子選擇性吸收某些波長的光。
沒有被吸收的光到達檢測器，檢測器將檢測到的光訊號經過模數轉換，再經過傅利葉變換，即可得到樣品的單光束光譜。為了得到樣品的紅外光譜，需要從樣品的單光束光譜中扣除掉背景的單光束光譜，也就是測試無樣品時得到的背景單光束光譜。這樣得到的背景單光束光譜中包含了儀器內部各種零件和空氣的資訊。
在測試樣品的單光束光譜和測試背景的單光束光譜時，從樣品的單光束光譜中扣除掉背景的單光束光譜後就得到樣品的紅外光譜。表現在紅外光譜中，在被吸收的光的波數字置會出現吸收峰。某一波長的光被吸收得越多，透射率就越低，吸收峰就越強。
當樣品中分子吸收很多種波長的光時，在測得的紅外光譜中就會出現許多吸收峰。
四、測試樣品描述
本次試驗選取黑色電氣石原石和廣州市場購買的翡翠觀音掛件分別進行紅外測試。用翡翠做紅外透射測試，用電氣石製作溴化鉀壓片透射測試。黑色電氣石結晶形態呈復三方柱狀，晶面縱紋發育不明顯，可呈現一定程度的光滑平面，斷口呈貝殼狀。
翡翠半透明，厚度在2-5mm，淺灰綠色。
五、實驗步驟
本次試驗測試儀器為nicolet-550型傅利葉變換紅外光譜儀，解析度為4cm-1，掃瞄範圍為400-4000cm-1，掃瞄訊號累加次數為16次。
1.翡翠的透射測試
將翡翠用夾板夾住並對準較薄部位，直接放到樣品測試台開始測試，記錄光譜。
2.電氣石粉末壓片測試
壓片的製作：首先在實驗前將溴化鉀粉末置於40攝氏度的烘箱中烘烤5個小時以除去其中的水分。然後按照樣品粉末和溴化鉀晶體質量比1:
100的比例，用銼刀刮取電氣石粉末少量，稱溴化鉀112.5mg。將樣品和溴化鉀一起置於瑪瑙研缽中，一邊研磨一邊轉動瑪瑙研缽，使樣品和溴化鉀充分混合均勻。
研磨時間4-5分鐘，以避免因為研磨時間短導致的顆粒太粗或時間過長導致溴化鉀吸水生。研磨到顆粒尺寸小於2.5μm以下，以避免引起中紅外光的散射。
壓片模具在使用前要用棉籤蘸乙醇將壓片模具裡面擦洗乾淨。研磨好以後，用不鏽鋼小扁鏟將混合物倒入模具並鋪平。接著用手指的力量一面旋轉壓片模具的壓桿，一方面稍加向下的壓力使混合物更加平整。
使用壓片機給壓片模具施加壓力，通常情況下要施加20個壓力並保持10分鐘。最後用壓片模具附帶的開口圓筒在壓片機上將壓好的樣品圓片頂下來。
把壓好的溴化鉀壓片用橡膠泥固定於樣品夾中，放於樣品室中，使用透射紅外光進行測試，記錄光譜。
6、測試結果與分析
1.翡翠紅外圖譜如下：
⑴ 天然翡翠以3500cm-1為中心有寬的吸收帶，吸收帶有寬有窄，而透過峰右部程度不同地有吸收現象，是礦物h0、xoh吸收峰分布區。翡翠是硬玉為主的多晶質礦物集合體。硬玉本身不含水，但其伴生組分角閃石、層狀矽酸鹽礦物、沸石等都是含水(h0、oh)礦物，此外還有吸附水、氣液包體水等都有oh基團，水峰是它們的特徵反映。
故認為本次測試翡翠樣品在3619cm-1和3547.8cm-1處的吸收峰是水峰。
⑵ 3200-2800cm-1吸收帶是ch吸收帶，這是判斷有機質存在的特徵標誌。以3000cm-1為界，>3000cm-1是不飽和烴基化合物炔類(3300cm-1)、烯烴(3095-3010cm-1)和芳烴(3100-3000cm-1)吸收峰分布區；<3000cm-1則是飽和脂肪族化合物(烷烴)的甲基(ch)、亞甲基(ch)基團吸收峰分布區，頻率分別是(2960—2915cm-1)和(2875—2845cm-1)，透過峰內左部呈雙尖峰狀。測試翡翠在2917cm-1和2845cm-1處有很弱的吸收峰，故認為樣品含微量的有機質。
但是樣品採用的是非常薄的一面，透過率很低的話不能證明它就是充蠟或膠的翡翠，需要進別的測試輔助鑑定。
⑶ 2800—2500cm-1吸收帶是nh和sh基團吸收峰分布區。nh基團頻率在2750-2450cm-1是一組寬、強且尖銳的處於透過峰頂部吸收峰；sh基團較弱，頻率在2600—2500cm-1間。本樣品在2702cm-1處有一吸收峰，推測為nh基團所致，
⑷ 2500-2200cm-1吸收帶可能有三個**：其一是有機物c≡n(包括脂肪族和芳香族的氰化物）頻率分別在2252-2245cm-1和2245-2230cm-1和p-h吸收峰分布區(頻率2460—2270cm-1)；其二是矽酸鹽礦物si-o的倍頻峰；其三是光路中的co2，頻率是(2390—2280cm-1）。本樣品在2385cm-1處有峰，推測是co2所致。
2497.5cm-1可能為si-o的倍頻峰。
筆者分析後認為該翡翠掛件為天然翡翠，但是含有微量的有機質存在。
2.電氣石紅外圖譜如下：
⑴ 通常3400-3600cm-1和1630cm-1等峰是電氣石中羥基和水的振動吸附的特徵譜帶。本樣品在3563cm-1、3437cm-1寬緩的吸收峰為羥基吸收峰，1638.7cm-1附近寬緩的吸收峰應該為吸附水所致。
⑵ bo3原子團振動：電氣石中b和三個o組成平面三角形絡陰離子，硼陰離子呈孤島狀，其紅外吸收只是對矽酸鹽陰離子吸收的簡單迭加。通常bo3的伸縮振動在1200cm-1-1300cm-1之間。
本樣品在1261.8cm-1處的吸收峰可能為該基團的伸縮振動引起。
近紅外光譜總結new
一 近紅外光譜介紹 近紅外 near infrared,nir 光是指波長介於可見區與中紅外區之間的電磁波，其波長範圍約為800 2500nm，波數範圍約為12500 4000cm 1，波數 104 波長 近紅外光譜分析是指利用近紅外譜區包含的物質資訊，主要用於有機物質定性和定量分析的一種分析技術。...
傅利葉變換紅外光譜分析測試方法
劉玉飛 貴州大學材料與冶金學院，國家復合改性聚合物材料工程技術研究中心 一 關於傅利葉變換紅外光譜分析的詳盡介紹請學習翁詩甫 傅利葉變換紅外光譜分析測試方法 第三版，化學工業出版社 1 二 學習心得筆記 1.分析紅外光譜必須由基本的量子化學基礎，特別是原子結構 化學鍵與分子結構等基礎知識。在 無機化...
如何解析紅外光譜圖
一 預備知識 1 根據分子式計算不飽和度公式 不飽和度 n4 1 n3 n1 2 其中 n4 化合價為4價的原子個數 主要是c原子 n3 化合價為3價的原子個數 主要是n原子 n1 化合價為1價的原子個數 主要是h,x原子 2 分析3300 2800cm 1區域c h伸縮振動吸收 以3000 cm ...