红外光谱在宝石检测中存在问题及对策分析

徐 麟

河北省地矿中心实验室，河北省 保定 071000

红外光谱在宝石检测中存在问题及对策分析

徐 麟

河北省地矿中心实验室，河北省 保定 071000

红外光谱技术在宝石鉴定中主要是定性分析宝石分子结构、化学成分。使用红外光谱技术对宝石进行检测时，有助于宝石类型判断、确定宝石种属、优化处理、合成与天然等信息，为宝石鉴定有着重要作用。本文分析了红外光谱在宝石检测中存在的问题，并对这些问题做了对策分析。

红外光谱；宝石检测；存在问题

随着人造宝石技术的不断成熟，传统宝石鉴定方法已经不能胜任。近年来，由于红外光谱技术对宝石不造成破坏，其广泛应用于宝石鉴定。宝石吸收红外辐射后由于分子间作用力使得晶格分子、配位基和络阴离子的振动和转动能级的跃迁从而形成了偶极矩变化，和它具有相同频率的特定波长的红外光被吸收从而形成了红外吸收谱带。宝石的峰强和峰位变化表征了宝石的特性，因此红外光谱有“指纹谱”这一称号。

1 红外光谱技术的方法及特点

红外光谱的波长范围在7.8×10-1到1.0×103um，由根据波数k=1/λ,可计算出波数范围在1.282×104到1.0×10cm-1，可将红外光谱划分为如表1所示。

表1 红外光谱划分

在宝石鉴定中红外光谱使用最广，它能反映出宝石中的分子键信息，通过计算可以确定出宝石的类型及其他特征。而远红外分析能够表征出宝石中化学键结合振动的更多复杂信息。

目前红外光谱测试方法有反射法和透射法。其中反射法包括漫反射、镜反射、衰减全反射和红外显微镜反射法；而透射法包括：粉末透射和直接透射。在宝石鉴定中采用直接透射法，该方法能在不损害宝石的情况下鉴定宝石中是否有其他高分子填充物。粉末透射法需要将宝石制成粉末然后在粉末中添加溴化钾后压片，进行测量，属于有损测试。反射法是将红外光照射到宝石上，接收端则需要接收宝石表面反射的红外光，该方法对于没有抛光面的宝石很难进行鉴定。红外光谱分析技术具有快速、准确、操作简单及维护成本低等优点：

（1）使用简单。只需将一个或多个宝石放入便可测量。

（2）数据准确。红外光谱能够检测出宝石的晶体结构和化学键，由于宝石的形成环境不同，因此任何两个宝石红外光谱理论上不相同的。

（3）高效分析。使用红外光谱分析宝石时，通常在1min到2min就可测试完毕。

2 红外光谱技术在宝石学中的应用

红外吸收光谱是宝石分子

河北省地矿中心实验室，河北省保定市百华东路156号，邮编071000

构的具体反映。通常，宝石内分子或官能团在红外吸收光谱中分别具自己特定的红外吸收区域，依据特征的红外吸收谱带的数目、波位数及位移、谱形及谱带强度、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。

2.1 确定宝石种属

从宝石的形成环境不难分析出宝石大多数是由矿物组合而成，通常宝石的检测都是无损检测，矿物分离更不可能实现，因此在检测宝石时，使用溴化钾压片法去测量宝石红外光谱意义不大。一些宝石由于成分复杂，测量的折射率变动不稳定，这样检测的密度变化也大，在使用小型宝石检测仪器时检测效果很差，因此对于红外光谱的常规分析显得格外重要。例如分析翡翠的红外光谱时。对于一些矿物成分简单的宝石，它的测量会受到大小、形状等因素的影响，密度、折射率及可见光谱的测量便存在显著的不确定性，因此常规的红外光谱检测便能够提供更准确的信息，例如绿柱石猫眼及石英猫眼等。对于一些新的宝石，由于常规参数远离了常见种类，因此在测量鉴定时变得很困难，不容易和常见的宝石区别开来，例如折射率在1.612到1.620之间的铯绿柱石及淡紫红色碧玺，在使用红外光谱时能很快区分它们。

2.2 鉴定区分钻石类型

钻石主要由C原子组成，当期晶格中存在少量的N、B、H等杂质原子时，可使钻石的物理性质如颜色、导热性、导电性等发生明显的变化。基于红外吸收光谱的研究，为鉴定合成、优化钻石提供依据。

表2 钻石的类型及红外吸收光谱特征

2.3 合成宝石与天然宝石的确定

在宝石鉴定中使用粉末透射法时，能够有效的区别分子内部基团结构，但是由于宝石的生长环境、速度等因素的影响导致了宝石在宏观上有所差异，此时使用粉末透射法已经不能解决问题。而这些问题可以使用直接透射法来解决。例如：合成黄晶和天然黄晶的区别、助熔剂法合成祖母绿与水热法合成祖母绿的区别等。

2.4 确定天然宝石是否经过处理

这里利用了红外光谱捕获外来物质基团特征峰或者显示宝石原有基团特征峰的变化来说明宝石的色心、成分、晶体结构等方面的改变，最终确定出宝石是否是经过处理。例如：翡翠充胶处理的鉴定、石英岩中填充环氧树脂假冒充胶翡翠。同时，对于目前国标中没有标注的软玉充胶的鉴定方法也可以使用类似的方法。鉴定一些名贵的蓝宝石是否经过热处理时有很重要的意义，该方法原理是水铝矿由于在热处理前时没有受到破坏，因此会有明显的O-H伸缩振动。而针对目前市场上经过玻璃充填处理的碧玺、红宝石、石榴石等宝石，利用反射法可以加以鉴定。

2.5 其他应用

在红外光谱大量应用后发现，粉末透射法不会发现这些问题：SiO2系列宝石的结晶程度及含水量问题、晶体定向问题等。这些问题对宝石鉴定有着很重要的作用。他们通常显示了宝石中结晶形态、结合体颗粒之间作用力、晶体宏观结构、水的形态等信息。

2.5.1 SiO2系列宝石的结晶程度及含水量问题

蛋白石、石英、熔炼水晶玻璃镜面反射红外光谱，它们的区别主要是在波数在1.3×103cm-1到1.0×103cm-1之间，玻璃只有一个明显的主峰，石英则有两个明显的主峰，而蛋白石峰只是有一个拐点（波数在1.24×103cm-1），显示了内部结构没有结晶，使用溴化钾压片法很难区分熔炼水晶和欧泊。

2.5.2 不同的宝石红外光谱的类似

在实际中可能存在不同的宝石具有相似的红外光谱，这些反映了宝石的集合颗粒作用力或者宏观结构是有类似的，例如异极矿、玛瑙、蛋白石。

3 红外光谱在宝石中检测问题对策分析

由于红外光谱常规化应用没有一个标准因此没有实现公开推广，因此查阅到的资料是很少的。由此产生了一个问题：将红外光谱提升到鉴定方面需要慎用，尤其是要对样品来源进行深入了解，不然会造成错误的判断。其次是需要大量的样品进行相互验证，从而获得可信的谱线，避免噪音干扰引起的错误判断。

3.1 宝石种类确定对策分析

在确定宝石种类时，最有效的方法是使用镜面反射法来获取谱线，如果谱线效果好，可以采集到波数为6.0×103到2.0×103之间的数据。尽管反射法谱线效果优于溴化钾法，但也存在着一些问题：第一需要掌握实际宝石里面的杂质和矿物体，例如含有碳酸盐类的矿物；第二尽管镜面法与粉末透射法测量的峰位有一定的偏差，但是主峰位仍然需要吻合，因此对于宝石纯度有把握的可以先采用溴化钾法。

直接透射法在鉴别宝石的种类时，其效果非常好，比如石英岩、玛瑙鉴定。但是在使用直接透射法是需要谨慎使用，主要是因为直接透射法得到的谱线是经验谱线，没有标准谱线。

3.2 合成和天然宝石的对策

目前关于使用红外光谱分析合成宝石和天然宝石的方法只能在很少的宝石上使用，同时随着人工合成技术的不断更新这几种方法鉴定的可信度将会大大下降，比如鉴定合成欧泊、合成水晶、合成祖母绿时要仔细分析。

3.3 宝石优化处理对策

在鉴定宝石时，要求在不破坏样品的条件下进行鉴定，因此当样品被送到红外光谱仪器上分析时，最好透射谱和反射谱都做。这样可以避免一些有用的信息被遗漏，例如软玉、石英岩中的充胶处理，在珠宝行业中存在了很多年，然而一些鉴定机构只是采用反射法来鉴定，而没有做透射法去关注特征频率区在4.0×103cm-1到1.6×103cm-1的信息。

4 结语

当前红外光谱技术在宝石中的应用主要是探讨宝石分子结构、化学键，而对宝石晶体结构、矿物集合程度、晶体生长缺陷、结构等对红外光谱的影响没有得到高度重视，这一领域在宝石鉴定中将会得到更好的拓展。随着计算机技术的不断发展，可以将宝石信息集中起来，添加相关标准图库，对于宝石鉴定有很重要的作用。

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