紅外光譜儀在寶石鑒定中的應用

李鵬 劉平 曲直 都佳

【摘要】隨著我國珠寶行業迅速發展，大量的彩色寶石、有機寶石、人工合成及處理寶石進入市場，出現的問題越來越多，常規的珠寶鑒定儀器已經無法滿足日常的檢測需要，因此大型儀器在珠寶檢測中的應用越來越多。本文對紅外光譜儀在寶石鑒定中的應用進行簡要分析。

【關鍵詞】紅外光譜儀；寶石；優化處理；鑒定

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.01.020

Application of Infrared Spectrometer in Gem Identification

LI Peng，LIU Ping，QU Zhi，DU Jia

（Qingdao Institute of Measurement Technology，Qingdao 266100，China）

Abstract：With the rapid development of the jewelry industry in China，a large number of colored gemstones，organic gemstones，synthetic and processed gemstones have entered the market，and more and more problems have arisen. Conventional jewelry identification instruments have been unable to meet the daily detection needs，so large-scale instruments are increasingly used in jewelry detection. This paper briefly analyzes the application of infrared spectrometer in gem identification.

Key words：infrared spectrometer；gem；optimization processing；appraisal

在CNAS-CL01-A015：2018《檢測和校準實驗室能力認可準則在珠寶玉石、貴金屬檢測領域的應用說明》中明確要求：對于珠寶玉石檢測，實驗室應配備能檢測珠寶玉石優化處理、合成等特征的大型儀器，如紅外光譜儀等。可見紅外光譜儀已成為珠寶檢測實驗室的必備儀器。因此，珠寶鑒定師對常規儀器使用方法的掌握和大型儀器的應用是非常必要的。

1紅外光譜產生的原理和劃分

1.1產生紅外光譜的條件

輻射應具有能夠滿足物質產生振動躍遷所需的能量，輻射與物質間要有相互的偶合作用。寶石在紅外線的照射下會引起晶格（分子）、絡陰離子團和配位基的振動能級發生躍遷，并引發相應的紅外能量衰減，這時產生的光譜為紅外光譜。紅外光譜與已知譜庫里的光譜進行匹配、分析，為珠寶玉石鑒定提供充分可靠的依據。

1.2紅外光區的劃分

1）近紅外光區：波數為12500～4000 cm-1（波長0.75～2.5μm）。近紅外區就是靠近紅外線的區域，靠近700 nm左右的紅光區。這個區域主要是研究含氫的原子團的震動，如碳氫鍵、氮氫鍵、氫氧鍵等。所以近紅外光區對一些對有機物充填處理寶石或者有機寶石（琥珀、蜜蠟）具有鑒定意義。

2）中紅外光區：波數為4000～400 cm-1（波長2.5～25μm）。

中紅外光區是絕大多數有機化合物和無機離子的基頻吸收帶。寶玉石檢測用到的基本是中紅外光區，分為功能團區和指紋區，4000～1500 cm-1被稱為功能團區，1500～400 cm-1被稱為指紋區。

3）遠紅外光區：波數為400～10 cm-1（波長25～1000μm）。遠紅外區在寶石檢測中用到的非常少。

2紅外光譜儀類型及測試方法

2.1紅外光譜儀的種類

根據分光裝置的不同，紅外光譜儀分為色散型紅外光譜儀和干涉型傅里葉變換紅外光譜儀。目前寶石鑒定中以干涉型傅里葉紅外光譜儀為主。它主要基于對干涉后的紅外光進行紅外變換的原理而開發的紅外光譜儀。干涉型傅里葉紅外光譜儀具有測量范圍寬，分辨率高，對環境條件溫度、濕度、光線要求低，掃描速度快等優點。

2.2傅里葉紅外光譜儀測試方法

1）溴化鉀粉末壓片透射法。這種方法需要從樣品上刮取微量的粉末，然后以一定比例和溴化鉀混合在一起，壓制成薄片進行透射分析。由于該方法是有損檢測，所以在珠寶檢測中用到的不多，一般只有在檢測琥珀、綠松石等寶石才會使用粉末透射法來進行驗證。

2）直接透射法。這種方法屬于無損檢測，直接將樣品放在樣品臺上，讓紅外光線穿過寶石樣品，產生吸收得到紅外光譜。這種方法對寶石的透明度有一定要求。

3）反射法。反射法分為鏡面反射、漫反射、衰減全反射，以及紅外顯微鏡反射。珠寶實驗室常用的是漫反射法，利用漫反射附件測量寶石的反射紅外光譜。反射法要求寶石具有良好的拋光面，這樣可以將紅外光線盡量多的反射回接收器。

4）內部全反射法。適用于切割比例滿足內部全反射，或底面具有非紅外活性襯底的寶石樣品，如標準圓鉆型切工的鉆石或被金屬封底的翡翠薄片。

5）紅外顯微鏡反射法。該方法在確定一些小顆粒的寶石品種的時候會用到。采用顯微直接透射法、顯微內反射法或表面反射法來獲得樣品的紅外光譜。

3紅外光譜儀在寶石學中的應用

寶石中的分子和功能團分別具有自己特定的紅外吸收光譜。所以我們可以通過紅外光譜確定寶石的品種，判斷寶石是天然還是合成，寶石是否經過處理。

3.1充填處理寶玉石的鑒別

紅外光譜可以快速地檢測聚合物類的環氧樹脂，而漂白充填處理的翡翠是將結構疏松，且基底帶有黃、灰、褐色雜質的翡翠浸泡在強酸中，通過破壞翡翠的原有結構將產生雜色的鐵、錳等元素去除，將有機聚合物（環氧樹脂等）充填縫隙中，加固翡翠的同時又提高了翡翠的透明度。因此，只要利用紅外光譜儀檢測翡翠中是否含有環氧樹脂就可以快速地區分天然與漂白充填處理翡翠。

圖1顯示天然翡翠在3000～3200 cm-1透過率好，沒有多余吸收峰；浸蠟翡翠的紅外光譜在2920 cm-1、2850 cm-1顯示蠟的吸收峰，浸蠟是翡翠加工中的一項傳統工序，是被業界允許和接受的，浸蠟只是提高了翡翠的光澤，掩蓋了細小的裂隙，不會影響翡翠的結構，因此浸蠟翡翠屬于優化；漂白充填處理翡翠在3000 cm-1左右有一個非常明顯的吸收，這個吸收主要是有機質環氧樹脂的特征吸收峰。實驗室主要通過這一吸收峰來判斷翡翠是否經過漂白充填處理。用這種方法同樣可以對充填處理的祖母綠、綠松石等寶石進行檢測。

3.2相似寶玉石品種的鑒定

不同寶石的晶體結構、分子配位基結構、化學成分都存在差異，根據不同寶石特征的紅外吸收光譜可以快速無損地鑒定寶石的種屬。圖2為四種外觀相似的白色玉石，可以看到四種玉石的紅外光譜區別非常明顯，從上至下分別為和田玉、石英質玉、大理石玉、玻璃。每種寶石的紅外光譜在1500～400 cm-1都是不一樣的。不同的寶石在這個區域擁有不同的、獨特的紅外光譜圖，因此這個區域稱為指紋區。將指紋區測得的紅外光譜圖與已知寶石的紅外光譜圖庫進行檢索、比對，我們就可以快速地確定寶玉石的品種。

3.3天然寶石與合成寶石的鑒定

對于一些內部包裹體干凈、生長痕跡不明顯的合成寶石，用常規儀器鑒定往往很困難，然而紅外光譜的介入為天然與合成寶石的鑒定提供有效解決途徑。圖3為天然黃晶與合成黃晶紅外光譜圖。天然黃晶的光譜在2800～2000 cm-1附近吸收強烈雜亂，而合成黃晶在這個范圍內表現為缺失或是較弱的、不明顯的吸收峰。

圖4為天然歐泊與合成歐泊紅外光譜圖，可以明顯地看到兩張譜圖的水分子振動譜存在較明顯的差異。天然歐泊具有5250 cm-1附近的吸收峰，合成歐泊4000～2000 cm-1與天然歐泊明顯不同，同時具有3675 cm-1尖銳吸收峰，這兩個非常明顯的區別為鑒定提供了依據。

紅外光譜法在鑒定天然寶石和合成寶石（如祖母綠、藍寶石、綠松石、碧璽等）時大多是通過觀察1500～4000 cm-1或是6000 cm-1左右碳氫鍵、羥基吸收峰的區別來判斷。

3.4鉆石的類型劃分

根據鉆石的紅外光譜來判定鉆石的類型。鉆石分類主要是依據鉆石中是否含氮，含氮的為Ⅰ型鉆石，不含氮的為Ⅱ型鉆石（見表1）。具體是否含氮主要是根據紅外光譜氮的吸收。紅外光譜對氮的檢測能力越高，鉆石的劃分就越細。最初的紅外光譜精度不夠，原來檢測可能是Ⅱ型的鉆石，現在可能就是Ⅰ型鉆石。所以說Ⅰ型鉆石和Ⅱ型鉆石是相對的。

Ⅰ型鉆石的主要特征是含氮，根據氮在晶格中的存在方式又將Ⅰ型鉆石分為Ⅰa型和Ⅰb型。Ⅰa型鉆石為聚合氮。雙氮原子替代晶格中的碳原子（稱為ⅠaA型），在紅外區產生的主要吸收是1282 cm-1；3個氮原子替代晶格中的碳原子（稱為ⅠaAB型）；4～9個氮原子聚集成集合體氮晶或片晶氮，替代晶格中的碳原子（稱為ⅠaB型），集合體氮的紅外吸收峰為1175 cm-1，片晶氮的紅外吸收峰為1365～1370 cm-1，自然界中98%的天然鉆石都屬于ⅠaB型。Ⅰb型鉆石是孤氮原子替代了晶格中的碳原子，特征的紅外吸收峰為1130 cm-1寬的吸收帶，一般還會伴有1344 cm-1非常尖銳的吸收峰。天然的Ⅰb型鉆石極少，HTHP高溫高壓法合成鉆石大部分為Ⅰb型。為聚合氮類型的是b中心，它的聚合氮是由四個氮原子和一個空穴組成，在紅外光譜區的吸收是1175 cm-1。在紫外可見光區同樣沒有吸收，在可見光區沒有吸收，所以只含有a中心的的鉆石也是無色的，它的吸收也是在紫外區。

Ⅱ型鉆石幾乎不含氮。實際上它是含有很少量的氮，只不過是目前的紅外光譜儀檢測不出來。Ⅱa型鉆石不含氮，紅外光譜表現為1100～1400 cm-1范圍內沒有任何吸收。CVD化學氣相沉淀法合成鉆石主要為Ⅱa型。Ⅱb型鉆石含有少量的硼，由于含硼所以它的顏色呈現淺藍色或灰藍色，紅外光譜表現為1100～1400 cm-1范圍內沒有任何吸收，同時可伴有2800 cm-1、2540 cm-1、4090 cm-1的吸收峰。

4結語

紅外光譜儀已成為珠寶檢測實驗室中必備的大型儀器。紅外光譜具有極強的指紋特征性，物質在結構或含量上的變換都會在紅外光譜圖上表現出來，因此在寶石鑒定中可以通過紅外光譜圖快速、無損地鑒定寶石的種屬，鑒定天然與合成寶石，鑒定優化處理寶石，以及對鉆石進行分類，進而對鉆石的處理、合成做出進一步判斷。

【參考文獻】

[1]李建軍，劉曉偉，等.紅外光譜在寶石學中的應用實例[M].濟南：山東人民出版社，2015.

[2]張蓓莉，系統寶石學[M].北京：地質出版社，2008.

[3]珠寶玉石鑒定紅外光譜法：T/CAQI 73—2019[S].

【作者簡介】

李鵬，男，1981年出生，高級工程師，學士，研究方向為計量、珠寶檢測。

（編輯：李加鵬）