红外光谱技术在宝石鉴定和研究中的实际应用

天然钻石（下）及合成钻石（上）
二、宝石学研究/鉴定对红外光谱技术的要求
数据正确可靠； 信息数据直观; 尽可能不损伤宝石； 测试速度快； 操作简便。
三、红外光谱技术在宝石学研究/鉴定中 能够提供的信息
1. 物理性质； 2. 化学性质； 3. 物质结构状态。
3-1 物理性质
宝石的光学性质
如颜色、多色性、吸收性等
用反射光谱鉴定蜡充填（B货）翡翠
5. 25 %T 4. 5
3. 75
3
2. 25
1. 5
0. 75
0
4000
3600
F TI R Meas urem ent
3200
2800
2400
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400 1/ c m
最好用透过测量鉴定树脂、蜡充填
鉴定树脂、蜡充填前要先测反射谱确定真、假翡翠
应用K-K转换（Kramers-Kronig transformation）可以消除异常色散引起的光 谱变异
均匀的纯物质的反射光谱适于进行K-K转换处理； 混合物、薄膜及粉末状物质的反射光谱不适于进行K-K转换处理。
聚苯乙烯薄膜的红外反射光谱，无需进行K-K转换
水晶的粉末谱（上）、反射谱（中）、K-K转换谱（下）
3674
3660
3651
3644
3632
3621 3604
阳离子指派
Mg2+ Mg2+ Mg2+
Mg2+ Mg2+ Fe2+
Mg2+ Mg2+ Fe3+
Mg2+ Fe2+ Fe2+
Mg2+ Fe3+ Fe3+
Fe2+ Fe2+ Fe2+
Fe3+ Fe3+ Fe3+
5-3 确定宝石晶体内的微量物质
包括微量元素、杂质、包裹体等
微区测量
偏振测量
4-3 反射光谱技术
特点：
是一种成熟的老技术，近十多年有飞快的发展； 现场/原位测量，需要配备反射附件； 不污染/消耗样品、不需制样； 需要有足够放置样品的空间； 尽可能高的仪器的信噪比。
反射附件有许多种，用于不同场合
平面镜：不同入射角的平面镜、ATR 曲面镜：球面镜、抛物面镜、漫反射镜、积分球镜等
4-4.3 矿物的反射光谱特征：长、短波段光谱的相位相反
4-4.4 单晶体的红外反射光谱与它的粉末红外光谱会有一定差别 这与矿物晶体结构的各向异性有关。
单晶体测量获得的是单晶特定方位的光谱信息；
而粉末光谱则是多晶体的全方位测量，获得的是所有方位的平均光谱 信息。
晶体的各向异性引起红外反射光谱间的差异，一方面给光谱的识别带 来困难，另一方面又为深入研究晶体结构开辟了新的途径。
反射附件：曲面（右）反射镜、60度角平面（左）反射镜
反射光谱是弱信号，要求光谱仪要有高的信噪比
4-4 反射光谱特点
4-4.1 信息准确可靠
4-4.2 反射测量得到的红外光谱形态比较复杂
由于反射光谱测量光的入射角通常大于全反射临界角，检测器实际测 到的并不是纯的反射谱，还叠加有透过谱； 反射光谱还受到物质的折光率影响，可能在强吸收带附近产生折光率 异常色散，光谱发生畸变； 由此引起反射光谱的谱带位置与吸收光谱有差异，使得读谱困难。
金绿宝石的粉末谱（上）和反射谱（中、下）
4-5 红外反射光谱的吸收谱带强度表征
目前各红外光谱仪厂ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ还没有解决如何来表征用红外反射光谱方法测 量的吸收谱带强度（纵坐标）。反射光谱的纵坐标可以用“相对吸收 强度”来表示，向下的吸收峰用基线强度减吸收峰强度，取绝对值。
五、 红外光谱技术在宝石学研究和鉴定的应用
四、 红外光谱仪器配置
4-1 光谱范围 近红外—中红外为主—远红外
4-2 测量方式 透射谱、反射谱 微区测量、偏振测量
4-1 光谱范围：近－中红外光谱（粉末、透过方式测量）
远红外光谱（粉末透过方式测量）
4-2 测量方式：透过测量和反射测量
单晶体透过方式测量可能得不到中红外谱信息
单晶体透过测量在近红外波段能够获得满意的光谱
3-2 化学性质
1. 主要元素组成； 2. 微量元素； 3. 杂质元素。
微量元素及杂质
From Navon, O. et al (1988)
3-3 物质结构状态
物相鉴定； 确定结晶程度及结构有序度； 确定同分异构体（同质多相）； 确定异质同相。
3-3.1 物相鉴定
3-3.2 确定结晶度和结构有序度
红外光谱技术在宝石 鉴定和研究中 的实际应用
前言 红外光谱技术在宝石学研究/鉴定中能够
提供的信息 宝石学研究/鉴定对红外光谱技术的要求 相关的红外光谱仪器配置及测试分析技术
红外光谱技术在宝石学研究和宝石鉴定的 应用
一、前言
红外光谱技术用于宝石学研究和鉴定已有40多年历史. 近20年来,由于计算机和红外光谱仪的飞跃进步,红外光谱 技术已经成为鉴定宝石的不可或缺的技术. 矿物的红外光谱是将其用于宝石学研究和鉴定的基础.
确定宝石中的非化学计量水
根据钻石晶体中的杂质氮确定钻类型石
确定钻石单晶体中氮的分布状态，判断其形成环境
金刚石中的杂质氮含量变化，图中从中心到边缘，N含量由少到多，呈环带状分布，表明在 金刚石形成过程中N的聚集过程。
据林 淼
根据宝石中的杂质矿物（包裹体）确定天然/合成宝石
用反射光谱鉴定树脂充填（B货）翡翠
3-3.3 确定同分异构体
HgS的同分异构体
3-3.4 确定异质同相
石榴石A3B2(SiO4)3
PY = Mg3Al2(SiO4)3 ALM = Fe3Al2(SiO4)3 SPE = Mn3Al2(SiO4)3 GRO= Ca3Al2(SiO4)3 UV = Ca3Cr2(SiO4)3 AND = Ca3Fe2(SiO4)3
5-1确定宝石品种
主要使用不制样、原位、快速、无损伤的反射光谱测量技术
鉴定真/假田黄石
鉴定真（上） 、假（下）钻石
鉴定真（上）、假（下）翡翠
5-2 确定、计算宝石晶体中阳离子占位、结构水
和田玉AB2C5T8O22(OH,F,Cl)
计算软玉的OH及M1、M3位置的阳离子含量，软玉分类
谱带(cm-1)
使用近红外波段鉴定树脂、蜡充填翡翠
5-4 微区测量技术 鉴定充填于绿柱石中的树脂（上）、油（下）
5-5 FT-IR图像分析技术 充填于绿柱石中的树脂（左）、油（右）的2d、3d图
5-6 研究宝石的晶体结构