傅里叶变换红外光谱仪在宝石鉴定中的应用

傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR )是20世纪70年代发展起来的第三代红外光谱仪的典型代表。它是根据光的相干性原理设计的， 是一种干涉型光谱仪， 具有优良的特性， 完善的功能， 并且应用范围极其广泛， 同样也有着广泛的发展前景。近年来， 各国厂家对其光源、干涉仪、检测器及数据处理等各系统进行了大量的研究和改进， 红外测定技术得到不断发展和完善。

傅立叶变换红外光谱仪

基于红外光会引起宝石晶格(分子)、络阴离子团和配位基的振动能级发生跃迁， 并吸收相应的红外光而产生红外光谱， 加上红外光谱仪具有宽测量范围、高测量精度、极高的分辨率、极快的测量速度以及可进行无损检测的条件， 红外光谱法在宝石鉴定与研究领域得到了更广泛的应用。

红外线和可见光都是电磁波，而红外线是波长介于可见光和微波之间的一段电磁波。红外光又可依据波长范围分成近红外、中红外和远红外三个波区。其中， 中红外区 (2.5-25μm; 4000-400cm⁻¹)能很好地反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的特征， 对解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效。因而， 中红外区是红外光谱中应用最广的区域， 一般所说的红外光谱大都是指这一范围。

01-1、红外光区的划分

红外光谱位于可见光和微波区之间， 即波长为0.78-1000μm的电磁波， 通常将整个红外光区分为以下三个部分。

电磁波谱

01-1-1 、近红外光区

波长范围为0.78-2.5μm, 波数范围为12820-4000cm⁻¹,该区吸收谱带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团(如O-H、N-H、C-H)伸缩振动的倍频吸收导致。

如绿柱石中OH的基频伸缩振动在3650cm⁻¹处， 伸缩/弯曲振动合频在5250cm⁻¹处， 一级倍频在7210cm⁻¹处。

01-1-2、中红外光区

波长范围为2.5-25μm, 波数范围为4000-400cm⁻¹,即振动光谱区。它涉及分子的基频振动， 绝大多数宝石的基频吸收带出现在该区。基频振动是红外光谱中吸收最强的振动类型，在宝石学中应用极为广泛。通常将这个区间分为两个区域， 即基团频率区和指纹区。

中红外光区

基频振动区又称官能团区，在4000-1500cm⁻¹区域出现的基团特征频率比较稳定， 区内红外吸收谱带主要由伸缩振动产生。可利用这一区域特征的红外吸收谱带， 去鉴别大部分宝石是否存在优化处理情况。指纹区分布在1500-400cm⁻¹区域， 除单键的伸缩振动外， 还有因变形振动产生的红外吸收谱带。该区的振动与整个分子的结构有关， 结构不同的分子显示不同的红外吸收谱带。所以， 这个区域称为指纹区。可以通过该区域的图谱来识别特定的分子结构，以确定大部分宝石的种属。

01-1-3、远红外光区

波长范围为25-1000μm, 波数范围为400-10cm⁻¹。该区的红外吸收谱带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动引起的。在宝石学中应用极少。

01-2、多原子分子的振动

红外光谱属于吸收光谱， 是化合物分子振动时吸收特定波长的红外光产生的。化学键振动所吸收的红外光的波长取决于化学键动力常数和连接在两端的原子折合质量， 也就是取决于结构特征。这就是红外光谱测定化合物结构的理论依据。

红外光谱作为“分子的指纹”被广泛地用于分子结构和物质化学组成的研究。根据分子对红外光吸收后得到谱带频率的位置、强度、形状以及吸收谱带和温度、聚集状态等关系， 可以确定分子的空间构型， 求出化学键的力常数、键长和键角。

从光谱分析的角度看， 主要是利用特征吸收谱带的频率推断分子中存在某一基团或键， 由特征吸收谱带频率的变化推测临近的基团或键， 进而确定分子的化学结构。当然， 也可由特征吸收谱带强度的改变对混合物及化合物进行定量分析。而鉴于红外光谱的应用广泛性，绘出红外光谱的红外光谱仪也成了科学家们的重点研究对象。

02-1、仪器类型

傅立叶变换红外光谱仪是基于光相干性原理而设计的干涉型红外光谱仪， 它不同于依据光的折射和衍射而设计的色散型红外光谱仪。与棱镜和光栅的红外光谱仪比较， 称为第三代红外光谱仪。但由于干涉仪不能得到人们业已习惯并熟知的光源的光谱图， 而是光源的干涉图， 所以大多数傅立叶变换红外光谱仪使用迈克尔逊( Michelson) 干涉仪。通过计算机对干涉图进行快速傅立叶变换计算， 得到以波长或波数为函数的光谱图。光谱图称为傅立叶变换红外光谱， 仪器称为傅立叶变换红外光谱仪。

傅立叶变换红外光谱仪结构图

FT-IR主要由光源(硅碳棒、高压汞灯)，干涉仪，检测器， 计算机和记录系统组成。

傅立叶变换红外光谱仪基本原理图

02-2、光谱仪操作方法及步骤

02-2-1 、开机前准备

开机前检查实验室电源、温度和湿度等环境条件。当电压稳定， 室温为(21±5)°C，湿度≤65%时才能开机。

02-2-2、开机

开机时， 首先打开仪器电源， 稳定半小时， 使得仪器能量达到最佳状态。开启电脑， 并打开仪器操作平台OMNIC软件, 运行 Diagnostic菜单, 检查仪器稳定性。

02-2-3、测试样品

根据样品特性以及状态， 制定相应的制样方法并制样。

A、漫反射法鉴定

红外光谱仪+UPIR反射附件 或ATR全反射附件， 主要用于无损鉴定宝石矿物种属。

B、透射法鉴定

透射法分为粉末透射法和直接透射法。粉末透射法是一种有损测试方法，不建议使用。直接透射法，因宝石厚度和不透明原因以及贵金属镶嵌等，测试得到宝石的结构信息十分有限。

02-2-4、 扫描和输出红外光谱图

测试红外光谱图时，先放置背景板扫描空光路背景信号， 再扫描样品信号，经傅立叶变换得到样品红外光谱图。根据需要， 打印或者保存红外光谱图。

02-2-5、关机

关机时, 先关闭OMNIC软件, 再关闭仪器电源， 盖上仪器防尘罩；并在记录本记录使用情况。

红外吸收光谱是宝石分子结构的具体反映。通常，宝石内分子或官能团在红外吸收光谱中分别具有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、波数位及位移、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。

03-1、宝石种属的鉴定

不同种属的宝石， 其内部分子结构及化学成分会有所差异， 应根据各类宝石特征的红外吸收光谱对其进行鉴定。采用红外反射法， 配上漫反射支架， 直接测试样品光滑表面， 很快就可以得出该样品的特征红外吸收光谱。特别对于一些不透明、表面抛光较差的翡翠， 或者其他相似玉石， 通过对谱图的分析极易将其区分开。 不同种属的宝石对应的红外图谱是完全不同的， 因此， 在实际的检测中可以通过红外光谱快速、准确、无损地将不同种属的珠宝玉石区分开。

不同种属的宝石的反射谱图

03-2、天然与合成宝石的鉴定

天然珠宝玉石因为资源缺乏产量较少， 而这也催生出了合成宝石这种行业。从物理化学性质来看， 天然宝石与合成宝石的区别微乎其微， 如果是利用一般常规的检测方法， 很难准确辨别天然宝石与合成宝石。因此， 需要依靠红外光谱技术进行鉴定。例如， 天然祖母绿与合成祖母绿从折射率、密度等物理特征来看， 二者极为相似， 利用常规检测方法无法准确辨别祖母绿是天然的还是合成的。而依靠红外光谱技术，从水分子伸缩振动、强度等方面对祖母绿进行检测， 并分析检测结果， 就可以准确、高效地鉴别祖母绿是属于天然还是合成， 并且检测过程也不会对祖母绿造成损坏。

一般合成祖母绿的方法有助熔剂法和水热法。利用红外光谱技术检测祖母绿的结晶水吸收峰， 可以准确辨别天然祖母绿与合成祖母绿， 因为天然祖母绿的结晶水吸收峰为3400-3800cm⁻¹,但不包括3490, 2995, 2830,2745cm⁻¹等几个点。合成祖母绿的结晶水吸收峰却不同， 其中以水热法合成的祖母绿在几个特定点有结晶水吸收峰, 如4357, 3490, 2995,2745,2830cm⁻¹等， 而以助熔剂法合成的祖母绿没有结晶水吸收峰。通过对祖母绿结晶水吸收峰的检测，可以准确鉴定出天然祖母绿与合成祖母绿。

不同类型祖母绿的红外光谱

此外， 红外光谱技术也可用于鉴定以水热法合成的红宝石、以查塔姆助熔剂法合成的红宝石等。另外， 利用红外光谱技术也能够鉴定珠宝玉石是天然还是经过优化处理。

03-3、宝石及其仿制品的鉴定

在珠宝玉石鉴定中， 红外光谱技术也常被用于鉴定珠宝玉石及其仿制品。宝石及其仿制品在外观、特殊性质等方面都极为相似， 利用常规检测方法很难准确辨别宝石是天然宝石还是仿制品。但利用红外光谱技术则可以准确鉴定珠宝玉石及其仿制品。例如和田玉与玻璃， 玻璃是对和田玉的仿制，其外观如用肉眼观察没有太大的区別，而利用红外光谱技术对两种物质进行检测，通过分析两种物质的红外反射测试结果。则可以准确、快速地对玻璃与和田玉进行鉴定。

和田玉和其它仿品的红外光谱

03-4、优化处理宝石的鉴定

对于用塑料和树脂等高分子材料浸染或充填的珠宝玉石材料。如翡翠、欧沿、绿松石、水晶等、用红外光谱可以进行准确、快捷、无预的检测。

翡翠的透射图谱

B货翡翠的鉴别是红外光谱仪目前在宝石学领域中较常应用的一项鉴定内容。天然A货翡翠在2600-3200cm⁻¹透过率好。B货充填的环氧树脂属芳烃类有机物，因而在 2800-3100cm⁻¹ 有一组特征吸收峰，通过检测这组取收峰，可将其与未经处理的A货翡翠区分开。 通过红外光谱仪分析，采用直接透射法，得出其特征吸收图谱，样品在2808， 2675，4500-3800，4585，4667cm⁻¹处有明显吸收峰，而传统翡翠B货具有3028 cm⁻¹环氧树脂峰，部分伴有2854，2920cm⁻¹蜡峰。通过利用红外光谱技术对翡翠进行检测，并分析红外光谱图中羟基吸收峰，可以准确鉴定出翡翠是否经过漂白充满处理。有利于鉴别经过优化处理的翡翠与天然翡翠。

珠宝鉴定师、钻石分级师 、NGTC 宝石学家、资深珠宝投资顾问。贵金属首饰与宝玉石检测高级技师（国家一级）、美石嘉珠宝创始人、担任黑龙江省玉文化研究会秘书长、哈尔滨商业大学宝石专业客座教授。从事中国玉文化研究与珠宝行业发展趋势分析工作多年。

注释：部分文字和图片来源于《系统宝石学》、《宝玉石鉴定与检测技术》和《珠宝首饰检验》以及网络软文等。欢迎广大玉友提出宝贵意见。如转载需标注来源。