紅外光譜在寶石檢測中存在問題及對策分析

徐 麟

河北省地礦中心實驗室，河北省 保定 071000

紅外光譜在寶石檢測中存在問題及對策分析

徐 麟

河北省地礦中心實驗室，河北省 保定 071000

紅外光譜技術在寶石鑒定中主要是定性分析寶石分子結構、化學成分。使用紅外光譜技術對寶石進行檢測時，有助于寶石類型判斷、確定寶石種屬、優(yōu)化處理、合成與天然等信息，為寶石鑒定有著重要作用。本文分析了紅外光譜在寶石檢測中存在的問題，并對這些問題做了對策分析。

紅外光譜；寶石檢測；存在問題

隨著人造寶石技術的不斷成熟，傳統(tǒng)寶石鑒定方法已經(jīng)不能勝任。近年來，由于紅外光譜技術對寶石不造成破壞，其廣泛應用于寶石鑒定。寶石吸收紅外輻射后由于分子間作用力使得晶格分子、配位基和絡陰離子的振動和轉(zhuǎn)動能級的躍遷從而形成了偶極矩變化，和它具有相同頻率的特定波長的紅外光被吸收從而形成了紅外吸收譜帶。寶石的峰強和峰位變化表征了寶石的特性，因此紅外光譜有“指紋譜”這一稱號。

1 紅外光譜技術的方法及特點

紅外光譜的波長范圍在7.8×10-1到1.0×103um，由根據(jù)波數(shù)k=1/λ,可計算出波數(shù)范圍在1.282×104到1.0×10cm-1，可將紅外光譜劃分為如表1所示。

表1 紅外光譜劃分

在寶石鑒定中紅外光譜使用最廣，它能反映出寶石中的分子鍵信息，通過計算可以確定出寶石的類型及其他特征。而遠紅外分析能夠表征出寶石中化學鍵結合振動的更多復雜信息。

目前紅外光譜測試方法有反射法和透射法。其中反射法包括漫反射、鏡反射、衰減全反射和紅外顯微鏡反射法；而透射法包括：粉末透射和直接透射。在寶石鑒定中采用直接透射法，該方法能在不損害寶石的情況下鑒定寶石中是否有其他高分子填充物。粉末透射法需要將寶石制成粉末然后在粉末中添加溴化鉀后壓片，進行測量，屬于有損測試。反射法是將紅外光照射到寶石上，接收端則需要接收寶石表面反射的紅外光，該方法對于沒有拋光面的寶石很難進行鑒定。紅外光譜分析技術具有快速、準確、操作簡單及維護成本低等優(yōu)點：

（1）使用簡單。只需將一個或多個寶石放入便可測量。

（2）數(shù)據(jù)準確。紅外光譜能夠檢測出寶石的晶體結構和化學鍵，由于寶石的形成環(huán)境不同，因此任何兩個寶石紅外光譜理論上不相同的。

（3）高效分析。使用紅外光譜分析寶石時，通常在1min到2min就可測試完畢。

2 紅外光譜技術在寶石學中的應用

紅外吸收光譜是寶石分子

河北省地礦中心實驗室，河北省保定市百華東路156號，郵編071000

構的具體反映。通常，寶石內(nèi)分子或官能團在紅外吸收光譜中分別具自己特定的紅外吸收區(qū)域，依據(jù)特征的紅外吸收譜帶的數(shù)目、波位數(shù)及位移、譜形及譜帶強度、譜帶分裂狀態(tài)等內(nèi)容，有助于對寶石的紅外吸收光譜進行定性表征，以期獲得與寶石鑒定相關的重要信息。

2.1 確定寶石種屬

從寶石的形成環(huán)境不難分析出寶石大多數(shù)是由礦物組合而成，通常寶石的檢測都是無損檢測，礦物分離更不可能實現(xiàn)，因此在檢測寶石時，使用溴化鉀壓片法去測量寶石紅外光譜意義不大。一些寶石由于成分復雜，測量的折射率變動不穩(wěn)定，這樣檢測的密度變化也大，在使用小型寶石檢測儀器時檢測效果很差，因此對于紅外光譜的常規(guī)分析顯得格外重要。例如分析翡翠的紅外光譜時。對于一些礦物成分簡單的寶石，它的測量會受到大小、形狀等因素的影響，密度、折射率及可見光譜的測量便存在顯著的不確定性，因此常規(guī)的紅外光譜檢測便能夠提供更準確的信息，例如綠柱石貓眼及石英貓眼等。對于一些新的寶石，由于常規(guī)參數(shù)遠離了常見種類，因此在測量鑒定時變得很困難，不容易和常見的寶石區(qū)別開來，例如折射率在1.612到1.620之間的銫綠柱石及淡紫紅色碧璽，在使用紅外光譜時能很快區(qū)分它們。

2.2 鑒定區(qū)分鉆石類型

鉆石主要由C原子組成，當期晶格中存在少量的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?；诩t外吸收光譜的研究，為鑒定合成、優(yōu)化鉆石提供依據(jù)。

表2 鉆石的類型及紅外吸收光譜特征

2.3 合成寶石與天然寶石的確定

在寶石鑒定中使用粉末透射法時，能夠有效的區(qū)別分子內(nèi)部基團結構，但是由于寶石的生長環(huán)境、速度等因素的影響導致了寶石在宏觀上有所差異，此時使用粉末透射法已經(jīng)不能解決問題。而這些問題可以使用直接透射法來解決。例如：合成黃晶和天然黃晶的區(qū)別、助熔劑法合成祖母綠與水熱法合成祖母綠的區(qū)別等。

2.4 確定天然寶石是否經(jīng)過處理

這里利用了紅外光譜捕獲外來物質(zhì)基團特征峰或者顯示寶石原有基團特征峰的變化來說明寶石的色心、成分、晶體結構等方面的改變，最終確定出寶石是否是經(jīng)過處理。例如：翡翠充膠處理的鑒定、石英巖中填充環(huán)氧樹脂假冒充膠翡翠。同時，對于目前國標中沒有標注的軟玉充膠的鑒定方法也可以使用類似的方法。鑒定一些名貴的藍寶石是否經(jīng)過熱處理時有很重要的意義，該方法原理是水鋁礦由于在熱處理前時沒有受到破壞，因此會有明顯的O-H伸縮振動。而針對目前市場上經(jīng)過玻璃充填處理的碧璽、紅寶石、石榴石等寶石，利用反射法可以加以鑒定。

2.5 其他應用

在紅外光譜大量應用后發(fā)現(xiàn)，粉末透射法不會發(fā)現(xiàn)這些問題：SiO2系列寶石的結晶程度及含水量問題、晶體定向問題等。這些問題對寶石鑒定有著很重要的作用。他們通常顯示了寶石中結晶形態(tài)、結合體顆粒之間作用力、晶體宏觀結構、水的形態(tài)等信息。

2.5.1 SiO2系列寶石的結晶程度及含水量問題

蛋白石、石英、熔煉水晶玻璃鏡面反射紅外光譜，它們的區(qū)別主要是在波數(shù)在1.3×103cm-1到1.0×103cm-1之間，玻璃只有一個明顯的主峰，石英則有兩個明顯的主峰，而蛋白石峰只是有一個拐點（波數(shù)在1.24×103cm-1），顯示了內(nèi)部結構沒有結晶，使用溴化鉀壓片法很難區(qū)分熔煉水晶和歐泊。

2.5.2 不同的寶石紅外光譜的類似

在實際中可能存在不同的寶石具有相似的紅外光譜，這些反映了寶石的集合顆粒作用力或者宏觀結構是有類似的，例如異極礦、瑪瑙、蛋白石。

3 紅外光譜在寶石中檢測問題對策分析

由于紅外光譜常規(guī)化應用沒有一個標準因此沒有實現(xiàn)公開推廣，因此查閱到的資料是很少的。由此產(chǎn)生了一個問題：將紅外光譜提升到鑒定方面需要慎用，尤其是要對樣品來源進行深入了解，不然會造成錯誤的判斷。其次是需要大量的樣品進行相互驗證，從而獲得可信的譜線，避免噪音干擾引起的錯誤判斷。

3.1 寶石種類確定對策分析

在確定寶石種類時，最有效的方法是使用鏡面反射法來獲取譜線，如果譜線效果好，可以采集到波數(shù)為6.0×103到2.0×103之間的數(shù)據(jù)。盡管反射法譜線效果優(yōu)于溴化鉀法，但也存在著一些問題：第一需要掌握實際寶石里面的雜質(zhì)和礦物體，例如含有碳酸鹽類的礦物；第二盡管鏡面法與粉末透射法測量的峰位有一定的偏差，但是主峰位仍然需要吻合，因此對于寶石純度有把握的可以先采用溴化鉀法。

直接透射法在鑒別寶石的種類時，其效果非常好，比如石英巖、瑪瑙鑒定。但是在使用直接透射法是需要謹慎使用，主要是因為直接透射法得到的譜線是經(jīng)驗譜線，沒有標準譜線。

3.2 合成和天然寶石的對策

目前關于使用紅外光譜分析合成寶石和天然寶石的方法只能在很少的寶石上使用，同時隨著人工合成技術的不斷更新這幾種方法鑒定的可信度將會大大下降，比如鑒定合成歐泊、合成水晶、合成祖母綠時要仔細分析。

3.3 寶石優(yōu)化處理對策

在鑒定寶石時，要求在不破壞樣品的條件下進行鑒定，因此當樣品被送到紅外光譜儀器上分析時，最好透射譜和反射譜都做。這樣可以避免一些有用的信息被遺漏，例如軟玉、石英巖中的充膠處理，在珠寶行業(yè)中存在了很多年，然而一些鑒定機構只是采用反射法來鑒定，而沒有做透射法去關注特征頻率區(qū)在4.0×103cm-1到1.6×103cm-1的信息。

4 結語

當前紅外光譜技術在寶石中的應用主要是探討寶石分子結構、化學鍵，而對寶石晶體結構、礦物集合程度、晶體生長缺陷、結構等對紅外光譜的影響沒有得到高度重視，這一領域在寶石鑒定中將會得到更好的拓展。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，可以將寶石信息集中起來，添加相關標準圖庫，對于寶石鑒定有很重要的作用。

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