珠宝现代检测技术-实验指导书

现代珠宝检测技术实验指导书及报告班级学号姓名指导老师珠宝学院年月目录TOC\o"1-1"\u实验1傅里叶交换红外光谱仪的操作与数据分析 1实验2紫外-可见光光谱仪的操作与数据分析 11实验3激光拉曼光谱仪的操作与数据分析 14实验1傅里叶交换红外光谱仪的操作与数据分析实验目的学习傅里叶交换红外光谱仪的基本原理了解布鲁克Tensor27红外光谱仪的构造 掌握不同宝石样品的制备方法与测试条件与方法初步学会对红外光谱图的解析实验原理能量在4000～400cm-1的红外光不足以使样品产生分子电子能级的跃迁，而只是振动能级与转动能级的跃迁。由于每个振动能级的变化都伴随许多转动能级的变化，因此红外光谱属一种带状光谱。分子在振动和转动过程中，当分子振动伴随偶极矩改变时，分子内电荷分布变化会产生交变电场，当其频率与入射角射电磁波频率相等时才会产生红外吸收。红外光谱产生的条件:辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量；辐射与物质间有相互偶合作用。例对称分子没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性，如N2.O2.Cl等。而非对称分子有偶极矩，具红外活性。1.多原子分子的振动多原子分子由于原子数目增多，组成分子的键或基团和空间结构不同，其分子真实振动光谱比双原子分子要复杂，但在一定条件下作为很好的近似，分子一切可能的任意复杂的振动方式都可以看成是有限数量的且相互独立的和比较简单的振动方式的叠加，这些相对简单的振动称为简正振动。2.简正振动的基本形式一般将简正振动形式分成两类伸缩振动和弯曲振动(变形振动)。(1)伸缩振动原子间的距离沿键轴方向发生周期性变化，而键角不变的振动称为伸缩振动，通常分为对称伸缩振动和不对称伸缩振动。对同一基团，不对称伸缩振动的频率要稍高于对称伸缩振动，而官能团的伸缩振动一般出现在高波数区。(2)弯曲振动(又称变形振动)指具有一个共有原子的两个化学键键角的变化，或与某一原子团内各原子间的相互运动无关的、原子团整体相对于分子内其他部分的运动。多表现为键角发生周期变化而键长不变。变形振动又分为面内变形和面外变形振动。面内变形振动又分为剪式和平面摇摆振动。面外变形振动又分为非平面摇摆和扭曲振动。3.红外光区的划分红外光谱位于可见光和微波区之间，即波长约为0.78～1000μm范围内的电磁波，通常将整个红外光区分为以下三个部分。(1)远红外光区波长范围为25～1000微米,波数范围为400~1000cm-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、振动一转动跃迁、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所引起的。在宝石学中应用极少。(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，即称基团频率区和指纹区。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，区内红外吸收语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，去鉴别宝石中可能存在的官能团。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。(3)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所致。如绿柱石中OH的基频伸缩振动在3650cm-1，伸，弯振动合频在5250cm-1，一级倍频在7210cm-1处。操作方法和实验内容操作方法：仪器的背后有一个主电源开关(见19页图11)。加电后，开始一个自检过程；约30秒钟。自检通过后，状态灯由红变绿。通过OPUS™软件“直接命令入口”，可以控制红外光源。样品腔设计有快速卡座，并集成自动识别插座。独有的快速卡座，能快速、方便、可重复更换并自动识别制样附件。插上附件后，全部机械、气管及电子连接都自动建立；OPUS™软件识别出该附件；并自动正确设置实验参数。安放快速卡座式附件：安装附件架时，轻轻斜推附件，使其电子接头与插座良好接触；确认附件平台在水平方向与基座安放很好。轻轻将附件前缘按下，直至附件台落入正确位置。3、打开OPUS用户界面4、设置测量参数在正式测试之前，某些测试参数必需设置。要设置参数，你首先打开Measure下拉菜单下Measurement对话框或直接点击；下面的对话框即被打开：当你第一次打开菜单Measure，也许有几项设置有"错误"提示符 。如果出现一个或多个"错误"警告信号，在你继续下面的工作之前，必需更正相应的设置。如果对话框出现红色背景，表明目前的参数设置越出了范围或还没有设置参数，将鼠标移动至相应的位置，软件会出现一个提示框，告诉你相应的参数范围。5、存贮干涉峰的位置在第一次测量之前，正确的干涉峰的位置必须确定并且储存下来；除非红外光谱仪的硬件更换以后，一般不需要重复进行储存。在Measurement对话框，点击CheckSignal，如果没有看到干涉图，可以通过移动扫描区域（ScanRange），向左或向右移动来寻找干涉峰，一旦找到干涉峰，点击SavePeakPosition将干涉峰的位置储存下来，以后的傅里叶变换需要用到干涉峰的位置。6、高级设置Advanced（高级）页面允许将所有的实验参数保存成一个实验文件，可Advanced，呈现一个菜单，在这个菜单中，可以设置32327采集光谱除了发射谱、拉曼谱以及单通道谱以外，在测量样品之前总是先收集背景谱。根据背景光谱，你就能了解你的光谱仪的能量分布，例如光源的能量在整个频率范围内是不一样的，光学材料在某一波长吸收很强。背景测量时，进入Optic页面，首先检查光圈的设定，光圈的设定值与测量样品时的在OPUS窗的底部，你能监视采样的过程，你能看到目前已经累加了多少次、以及OPUS正在执行的命令。数据采集结束后，显示"NoActiveTask"。通常，背景谱保留在AQP板中。然而，背景谱是可以单独保存在硬盘上。在高级选项，复选适当的数据块选项。光圈值是一致的。进入Basic页面，点击CollectBackground按钮即可采集背景谱。更准确地说，测量得到了一个干涉图，而不是一张光谱图。干涉图经过傅里叶变换得到了单通道谱图，背景谱用来计算样品在不同频率上的透光率，这些过程都是自动执行的，在状态行上只有简单的描述而不告诉你具体的过程。为了说明上述情况，下图中储存了单通道谱图、背景谱以及计算得到的透射谱。用不同的图标表示每个数据块。有关图标的详细介绍，请参阅软件手册。采集背景光谱后，将测试样品放置在光路中，这个过程依赖于你的硬件设置，你可以输入样品名、样品形态，所有这些信息将与谱图一起储存在谱图文件中。点击CollectSample（采样），测试对话窗口即消失，并进入谱图窗口。从OPUS软件的底部可以看到测量的进程，测量结束后，谱图会显示在谱更准确地说，测量得到了一个干涉图，而不是一张光谱图。干涉图经过傅里叶变换得到了单通道谱图，背景谱用来计算样品在不同频率上的透光率，这些过程都是自动执行的，在状态行上只有简单的描述而不告诉你具体的过程。为了说明上述情况，下图中储存了单通道谱图、背景谱以及计算得到的透射谱。用不同的图标表示每个数据块。有关图标的详细介绍，请参阅软件手册。100%样品的制备一定有问题；可以采用基线校正的方法来代替样品的重新制Manipulate下拉菜单下的基线校正。此功能对所选择的光谱执行基线校正。在对话框第一页，首先选择要被校正基线的光谱图，即拖拉其至对话框内，可同时选择多个图谱操作。Correct按钮。如果想选择SelectMethod按钮。SelectMethod窗ScatteringCorrectionRubberBandMethodOPUS手册。实验内容：宝石测试透射法：红外透射测试法可分为粉末透射法和直接透射法。直接透射法是将宝石样品直接置于样品台上，由于宝石样品厚度较大，表现出2000cm-1以外波数范围的全吸收，因而难以得到宝石指纹区这一重要的信息。用于测试较薄透明浅色样品，分段测试，设置2000-4000cm-1的测试范围。实验课上要求用透射法测试充填处理翡翠样品中，环氧树脂中由苯环伸缩振动致红外吸收弱谱带3028cm-1；νas(CH2)不对称伸缩振动红外吸收谱带位2922cm-1，νs(CH2)对称伸缩振动致红外吸收锐谱带2850cm-1。自然界中，含羟基和H2O的天然宝石居多，与之对应的伸缩振动导致的中红外吸收塔带主要集中分布在官能团区3800～3000cm-1波数范围内。而弯曲振动导致的红外吸收谱带则变化较大，多数宝石的红外吸收谱带处于1400～17000cm-1波数范围内，通常情况下，羟基或水分子的具体波数位置，亦受控于宝石中氢健力的大小。至于具体的波数位，则主要取决于各类宝石内的氢键力的大小。与结晶水或结构水相比，吸附水的对称和不对称伸缩振动导致的红外吸收宽谱带中心主要位于3400cm-1处。实验课上要求测试比对天然绿松石晶体中结晶水和吸附水红外吸收谱峰与吉尔森仿绿松石的2800-3600cm-1的吸收谱峰差异。宝石测试反射法：红外反射光谱是宝石中品体(或分子)结构的具体反映，需使用红外反射附件。宝石中分子的各种基团或官能团分别有其特定的红外反射区域，并与宝石品体中由晶格(分子)、络阴离子团和配位基的振动相对应。红外反射光谱(镜、漫反射)在宝石的鉴定与研究领域中具有较广阔的应用前景，根据透明或不透明宝石的红外反射光谱表征。有助于获取宝石矿物品体结构中羟基、水分子的内、外振动，阴离子、络阴离子的伸缩或弯曲振动，分子基团结构单元及配位体对称性等重要的信息，特别对某些充填处理的宝玉石中有机高分子充填材料的鉴定提供了一种简捷、准确、无损的测试方法。实验课上要求用红外反射附件测试三颗颜色相似的不同宝石2000-4000cm-1的指纹谱，并根据红外吸收谱带(经K-K变换)的波数位置及位移、谱形及谱带强度、谱带分裂状态等特征，极易将相似宝石区分开。四、实验设备器材1．布鲁克Tensor27傅里叶交换红外光谱仪 1台2．反射法附件 1台五、实验预习要求1．阅读红外光谱仪原理中在宝玉石中的应用介绍，熟悉实验测试范围，尝试推测宝石适用的测试条件。了解逻辑透射法和反射法的操作步骤，了解红外光谱解析数据的思路。2．复习傅里叶交换红外光谱仪的功能，阅读实验内容与步骤，了解实验操作方法。六、实验注意事项1、仪器加电后至少要等待10分钟，等电子部分和光源稳定后，才能进行测量。2、仪器室必须保持无尘，无腐蚀气体，无强烈振动。3、严格遵守操作规程，如一起出现故障，立即退出检测状态，并向实验室负责人或老师报告，查明原因，及时处理，不擅自“修理”，同时做好使用和故障情况登记及实验室记录。七、实验报告要求每小组为实验单位，每组分到3颗样品，请根据拿到的样品特性选择正确的红外测试方法，实验30分钟。实验报告要求包含实验样品图片和红外谱图，谱图应有清晰的峰形与范围单位。在每个样品的红外谱图后应具有正确清晰的谱峰标准，及简单的谱峰归属分析。最后根据红外谱图判断样品的宝石种属。实验2紫外-可见光谱仪的操作与数据分析一、实验目的1、学习紫外-可见光谱仪的基本原理2、了解GEM-3000紫外-可见光谱仪的构造 3、掌握有色宝石的颜色吸收光谱的测量方法及谱图分析思路二、实验原理紫外—可见吸收光谱是在电磁辐射作用下，由宝石中原子、离子、分子的价电子和分子轨道上的电子在电子能级1司的跃迁而产生的一种分子吸收光谱。具不同晶体结构的各种彩色宝石，其内所含的致色杂质离子对不同波长的人射光具有不同程度的选择性吸收，由此构成测试基础。在宝石晶体中，电子是处在不同的状态下，并且分布在不同的能级组中，若晶体中一个杂质离子的基态能级与激发态能级之间的能量差，恰好等于穿过晶体的单色光能量时，晶体便吸收该波长的单色光，使位于基态的一个电子跃迁到激发态能级上，结果在晶体的吸收光谱中产生一个吸收带，便形成紫外－可见吸收光谱。宝石测试中常见三种紫外可见吸收光谱类型如下。发态能级上，结果在晶体的吸收光谱中产生一个吸收带，便形成紫外可见吸收光W.宝石测试中常见三种紫外可见吸收光谱类型如下。1.d电子跃迁吸收光谱过渡金属离子为d电子在不同d轨道能级间的跃迁，吸收紫外和可见光能量而形成紫外可见吸收光谱。这些吸收谱峰受配位场影响较大。d-d跃迁光谱有一个重要特点，即配位体场的强度对d轨道能级分裂的大小影响很大，从而也就决定了光谱峰的位置。如红宝石、祖母绿的紫外可见吸收光谱。2.f电子跃迁吸收光谱与过渡金属离子的吸收显著不同，镧系元素离子具有特征的吸收锐谱峰。这些锐谱峰的特征与线状光谱颇为相似。这是因为4f轨道属于较内层的轨道，由于外层轨道的屏蔽作用，使4f轨道上的厂电子所产生的f4跃迁吸收光谱受外界影响相对较小所致。如蓝绿色磷灰石、人造钇铝榴石、稀土红玻璃等。3.电荷转移(迁移)吸收光谱在光能激发下，分子中原定域在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或朝相反方向转移。这种导致宝石中的电荷发生重新分布，使电荷从宝石中的一部分转移至另一部分而产生的吸收光谱称为电荷转移光谱。电荷转移所需的能量比d-d跃迁所需的能量多，因而吸收潜带多发生在紫外区或可见光区，如山东蓝宝石。三、测试方法用于宝石的测试方法可分为两类，即直接透射法和反射法。1、直接透射法将宝石样品的光面或戒面(让光束从宝石戒面的腰部一侧穿过)直接置于样品台上，获取天然宝石或某些人工处理宝石的紫外一可见吸收光谱。直接透射法属于无损测试方法，但从中获得有关宝石的相关信息十分有限，特别在遇到不透明宝石或底部包镶的宝石饰品时，则难以测其吸收光谱。2.反射法利用紫外二可见分光光度计的反射附件(如镜反射和积分球装置)，有助于解决直接透射法在测试过程中所遇到的问题，由此拓展紫外二可见吸收光谱的应用范围。实验内容1.检测人工优化处理宝石利用直接透射法或反射法，检测染色金珍珠/天然金珍珠、染色黑珍珠/天然黑珍珠、天然彩钻/辐照彩钻、染色绿松石/天然绿松石的颜色呈现出来的不同吸收光谱，进而鉴定人工处理宝石。2.区分某些天然与合成宝石利用直接透射法或反射法，测试合成绿色蓝宝石/天然绿色蓝宝石、合成红色绿柱石/天然红色绿柱石等吸收光谱，比对谱峰差异，进而鉴定人工合成宝石。3.探讨宝石呈色机理利用直接透射法或反射法，得到黄色蓝宝石、绿色蓝宝石、蓝色蓝宝石的不同吸收光谱，探讨Fe离子在黄色蓝宝石、绿色蓝宝石、蓝色蓝宝石的致色模式机理。五、实验设备器材1．Gem-3000紫外-可见光分光光度计 1台六、实验预习要求1．阅读紫外-可见光光谱仪在宝玉石中的应用介绍，熟悉宝石致色的原理，。了解GEM-3000的操作步骤，了解吸收光谱的读谱模式。2．复习紫外-可见光光谱仪的功能，阅读实验内容与步骤，了解实验操作方法。六、实验注意事项1、使用Gem-3000的白板校正基准时切勿污染白板。2、使用钨灯与氘灯灯源的时间不宜过长，每1小时应关机冷却，防止灯源寿命减短。七、实验报告要求每小组为实验单位，每组分到3颗样品进行紫外-可见光光谱测试，实验时间30分钟。实验报告要求包含实验样品图片和紫外-可见光光谱图，谱图应有比例适宜的峰形与测试范围。在每个样品的吸收光谱应具有正确清晰的谱峰标准，及简单的颜色成因分析。实验3激光拉曼光谱仪的操作与数据分析一、实验目的1、学习激光拉曼光谱仪的基本原理2、了解RenishawinViaRamanMicroscope显微共焦拉曼激光仪的构造 3、了解不同宝石样品的测试激光拉曼光谱的测试条件与测试方法4、学会对激光拉曼光谱图的解析二、实验原理激光拉曼光谱是一种激光光子与宝石分子发生非弹性碰撞后，改变了原有入射频率的一种分子联合散射光谱，通常将这种非弹性碰撞的散射光谱称为拉曼光谱。激光光子和分子碰撞过程中，除了被分子吸收以外，还会发生散射。由于碰撞方式不同，光子和分子之I司存在多种散射形式。1.弹性碰撞:光子和分子之间没有能量交换，仅改变了光子的运动方向，其散射频率等于入射频率，这种类型的散射在光谱上称为瑞利散射。2.非弹性碰撞光子和分子之同在碰撞时发生了能量交换，既改变了光子的运动方向，也改变了能量，使散射频率和入射频率有所不同。此类散射在光谱上被称为拉曼散射。3.拉曼散射的两种跃迁能量差当散射光的频率低于入射光的频率，分子能量损失，这种类型的散射线称为斯托克斯线若散射光的频率高于入射光的频率，分子能量增加，将这类散射线称为反斯托克斯线。前者是分子吸收能量跃迁到较高能级，后者是分子放出能量跃迁到较低能级。由于常温下分子通常都处在振动基态，所以拉曼散射中以斯托克斯线为主，反斯托克斯线的强度很低，一般很难观察到。斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼光谱。一般情况下，拉曼位移由宝石分子结构中的振动能级所决定，而与其辐射光源无关。三、实验内容1、宝石学中的包体的成分及成因类型宝石中包体的成分和性质对其成因、品种及产地的鉴别具有重要的意义。拉曼光谱具有分辨率和灵敏度较高且快速无损等优点，特别适于宝石内部1μm米大小的单个流体包体及各类固相矿物包体的鉴定与研究。实验通过激光拉曼光谱仪对助熔剂合成红宝石和熔合处理红宝石进行测试，确定助熔剂残余物(晶质体)和次生玻璃体(非晶体)的拉曼谱峰，前者在800～1000cm-1范围内显示一组密集、相对计数强度较高的拉曼锐谱峰。2.人工处