红外光谱分析实验报告
一、红外光谱的基本原理分子运动包括分子整体的转动、组成原子的振动和分子中电子的运动。分子的每一运动状态都具有一定的能量。在分子中，各原子靠相互的键力作用维持在平衡位置，并在平衡位置附近作微小的振动，构成分子的振动模式。分子的振动在一般的情况下是复杂的，因此在一定条件下可把分子的振动看作是几种相互独立的较简单的振动方式的叠加。这些相互独立的较简单的振动方式转为简正振动模式。每种简正振动模式有其特征频率(v)，各种简正振动频率由分子的几何构型、原子间的键力场及原子的质量等因素决定的。
分子在作频率为v的简正振动时，它的振动能量为：En=(1/2+n)hv
式中，n是振动能级的振动量子数，取整数0，1，2，…，h是普朗克常量。振动基态E0称为零点振动能，即便是在绝对零度时也存在零点振动能。当入射光子的能量hv恰好等于振动的能级差时，分子有可能吸收光子能量而发生振动状态的跃迁。可见，hv光=E1-E0=hv0。当入射光的频率等于分子的一个简正振动频率(v光=v0)时，则分子有可能吸收光的能量，从基态跃迁到第一激发态。按经典理论的说法，就是由于入射光的频率等于振动模式的固有频率，使分子对光能发生共振吸收。
图13-5-1 红外光谱振动基态产生红外吸收的条件
测量和记录红外吸收光谱的仪器称为红外分光光度计。根据分光原理的不同，红外分光光度计可分为两大类型：色散型和干涉型。色散型红外分光光度计依据光的折射和衍射，采用色散元件(棱镜或光栅)进行分光；干涉型红外分光光度计则是基于光相干性原理利用干涉仪达到分光的目的。再根据数学上的傅立叶变换函数的特性对干涉仪进行改进，并利用计算机将其光源的干涉图转换成光源的光谱图，故又称为傅立叶红外分光光度计(fTIR)。由于傅立叶变换红外分光光度计摒弃了狭缝装置，使得它在任何测量时间内都能够获得辐射源的所有频率的全部信息，同时也消除了狭缝对光谱能量的限制，使得光能的利用率大大提高，即所谓能量输出大，因而它在实际使用上有很多优点。提高了灵敏度、分辨率和精度(0.01cm-1)，减少了杂散光。
二、红外光谱的解析
红外区的划分如下：
(1)近红外光区：其吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团伸缩振动的倍频吸收等产生的。该区的光谱可用于研究稀土和其他过渡金属离子的化合物，及水、含氢原子团化合物的分析(如胶、蜡和宝玉石中的有机染料)。
(2)中红外光区：该区的吸收带主要为基频吸收带，由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，故此区最宜用于对宝玉石进行红外光谱的定性和定量分析。①在4000～1250cm-1称为特征频率区，此区的吸收峰较疏，主要包括：含有氢原子的单键、各种三键和双键的伸缩振动的基频峰；②1250～400cm-1频区是宝石矿物鉴定的指纹区。所出现的谱带相当于各种单键的伸缩振动，以及多数基团的弯曲振动。③相关频率：特征频率可以证明官能团的存在，但多数情况下，一个官能团有数种振动形式，而每一种红外活性振动都有一个相应的吸收峰，有时还能观察到倍频峰，因而不能由单一特征峰肯定官能团的存在。特征频率是与相关频率相互依存的吸收峰，其数目是由分子结构和光谱图的波长范围决定的。在中红外光谱区，多数基团都有一组相关峰。
(3)远红外光区：该区的吸收带主要与气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁有关，一般不在此区范围内进行宝玉石分析。
三、试样的制备
现代的傅立叶红外光谱仪附有显微透射和反射红外光谱装置，可以不破坏样品直接检测。对不透明的宝石采用反射红外光谱装置检测，对透明的宝石采用透射红外光谱装置检测。对于宝石矿物原料则采用粉末法制备样品。粉末法制备样品制备的方法主要有2种：压片法和糊状法。
(1)压片法：一般将宝玉石样品取下1～3mg，放在玛瑙研钵中制成粉末，加100～300mg KBr混合研磨均匀，再加入到压模内，压制成一定直径或厚度的透明片。然后进行测定。
(2)糊状法：如果是研究宝玉石中的氢的存在形式，则将试样研成粉末后和石蜡油混合研磨制成糊膏，以减少在样品中的散射。一般来说，在制备试样时应注意以下几点：①试样最好是单一组分的物质；②试样的浓度或测试厚度应选择适当，以使光谱中大多数吸收峰的透光度处于15%～70%范围内；③试样中不应含有游离水。
四、红外光谱在宝石学中的应用
红外光谱是振动光谱，它是物质内部的显微结构和键合的灵敏探测器。根据所观测到的吸收峰的位置、对称性和相对强度，可提供非常有用的结构和成分信息。利用特征吸收谱带的频率，推断分子中存在某一基团成键。进而再由特征吸收谱带频率的位移，推断邻接基团的特征，由分子的特征吸收谱带强度的改变，可对其混合物和化合物进行定量分析。红外光谱图的表示：纵坐标表示透过率(或吸收率)，横坐标表示波长(nm)或频率(cm-1)。红外光谱在宝玉石学中有着广泛的应用。
(1)宝玉石物相的鉴定：与钻石相似的无色宝石，如无色的立方氧化锆、钇铝榴石和锡石等和钻石十分相似，但它们的红外光谱图有明显的区别。
(2)钻石类型的判定：如图13-5-2是用FTIR判定钻石类型的一个好方法。
图13-5-2 用红外光谱(FTIR)判定钻石类型
图13-5-3 金刚石的红外光谱图
(3)浸染宝玉石的检测：如翡翠的A、B和C货的检测，镀膜处翡翠的鉴定。
(4)近红外区是宝玉石中碳、氢和氧等元素存在形式研究的特征区。矿物中若有水分子存在，则它的组合频和倍频均在近红外区(如绿柱石和电气石等)。红外光谱图中(图13-5-3)显示IIb型金刚石结构中存在H2分子，其振动谱峰位于4106cm-1。
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