激光拉曼检测宝玉石

《激光拉曼检测宝玉石》论文姓名：学号：班级：专业：宝石及材料工艺学前言彩色宝石的颜色是评价宝石的基础,颜色的美与否决定着宝石的档次、品级和价值。大部分宝石的颜色都是宝石晶体中含有杂质或结构缺陷而产生的颜色。颜色是由吸收引起的。光吸收反映了宝石的化学成分(呈色元素)和品体结构(呈色离子所在的配位体及环境),二者的综合信息。因此,颜色的真伪可用吸收光谱加以鉴别。宝石在若干特定波长出现相应强度的宽带和窄带吸收便构成了有鉴定意义的特征吸收谱。紫外-可见光、红外光谱、拉曼光谱、X荧光等大型高科技仪器在宝石鉴定中越来越占据重要位置。本文着重讨论拉曼光谱。拉曼光谱一、实验目的1、了解拉曼光谱仪的基本结构和工作原理；2、掌握拉曼光谱仪的基本操作流程。二、实验原理1、拉曼光谱基本理论拉曼光谱（Ramanspectra），是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射，同年稍后在苏联和法国也被观察到。在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱，其中频率较小的成分υ0－υ1又称为斯托克斯线，频率较大的成分υ0+υ1又称为反斯托克斯线。靠近瑞利散射线两侧的谱线称为小拉曼光谱；远离瑞利线的两侧出现的谱线称为大拉曼光谱。光子-内部结构模型图瑞利散射线的强度只有入射光强度的10-3，拉曼光谱强度大约只有瑞利线的10-3。小拉曼光谱与分子的转动能级有关，大拉曼光谱与分子振动-转动能级有关。拉曼光谱的理论解释是，入射光子与分子发生非弹性散射，分子吸收频率为υ0的光子，发射υ0－υ1的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（斯托克斯线）；分子吸收频率为υ0的光子，发射υ0+υ1的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯线）。分子能级的跃迁仅涉及转动能级，发射的是小拉曼光谱；涉及到振动-转动能级，发射的是大拉曼光谱。与分子红外光谱不同，极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱。激光器的问世，提供了优质高强度单色光，有力推动了拉曼散射的研究及其应用。拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。拉曼光谱-含义光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射.弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分,非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分,统称为喇曼效应。喇曼效应起源于分子振动（和点阵振动）与转动，因此从喇曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识。用虚的上能级概念可以说明了喇曼效应：设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtualstate），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为喇曼线。在喇曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。附加频率值与振动能级有关的称作大拉曼位移，与同一振动能级内的转动能级有关的称作小拉曼位移：大拉曼位移：（为振动能级带频率）小拉曼位移：（其中B为转动常数）简单推导小拉曼位移：利用转动常数2、拉曼光谱特征Raman光谱是一个振动光谱，是物质的一种固有性质，可以非常灵敏的判断物质的组成，重现性好，简单快速，具有以下特点：测量范围广；测量时通常不破坏样品，样品制备简单甚至不需要制备样品；所需样品量少，μg级即可；适合水体系的研究，尤其对生物样品和无机物的研究远较红外吸收光谱方便；拉曼光谱灵敏度高，可用低浓度的样品；对非极性键信号强；Raman光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究。尤其是共振Raman光谱，灵敏度高，检出限可到10-6～10-8mol/L。激光拉曼光谱法的应用主要在定性和定量两个方面。在定性分析方面，Raman位移表征了分子中不同基团振动的特性，因此可以通过测定拉曼位移对分子进行定性和结构分析。无机、有机、高分子等化合物的定性分析；生物大分子的构象变化及相互作用研究；各种材料（包括纳米材料、生物材料、金刚石）和膜（包括半导体薄膜、生物膜）的Raman分析；矿物组成分析；宝石、文物、公安样品的无损鉴定等方面。3、红外光谱在宝玉石检测中的应用拉曼光谱的应用通过对拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动能级情况,从而可以鉴别物质,分析物质的性质.下面举几个例子：l天然鸡血石和仿造鸡血石的拉曼光谱有本质的区别,前者主要是地开石和辰砂的拉曼光谱,后者主要是有机物的拉曼光谱,利用拉曼光谱可以区别二者。查阅资料，对不同物质的拉曼光谱进行比对，可以知道，天然鸡血石“地”的主要成分为地开石，天然鸡血石样品“血”既有辰砂又有地开石,实际上是辰砂与地开石的集合体。仿造鸡血石“地”的主要成分是聚苯乙烯-丙烯腈，“血”与一种名为PermanentBordo的红色有机染料的拉曼光谱仿造鸡血石的拉曼光谱基本吻合。三，仪器构造本实验所用的仪器设备是拉曼光谱仪仪器型号：GEMRAMGemRamTM系列宝石专用拉曼光谱仪，轻巧便携，可以探知位置宝石样品的类型，并进行初步鉴定。配备了B&WTEK公司的高性能拉曼光谱仪和GemID系列光谱库搜索识别软件，并且内置了GemExpert机构提供的300多种宝石标准物拉曼光谱库和图片，可以方便的识别样品的相关信息。同时，GemID也提供用户自建谱库功能，客户可根据自身需要，随时随地更新自建谱库。GemRamTM核心部分由785nm稳频半导体激光器和高分辨率TE致冷光谱仪组成，提供卓越的性能和可重复性。GemRamTM系统配备有一条完整的光纤光学探头，X-Y-Z定位平台,可以方便而准确的采集样品的拉曼信号。GemRamTM还配有一台预装软件的小型笔记本电脑，方便对仪器仪器进行操控。所有的这些设备均集成在一个便携的手提箱中，集成度很高，方便现场使用。特点：•光谱分辨率3.5cm-1•产品使用CleanLaze®专利窄带宽激光器，激光功率更稳定•TE致冷10℃•GemID系列光谱库搜索识别软件•内置GemExpert机构提供的300多宝石标准物拉曼光谱库和图片，可自建库•配备光纤探头，X-Y-Z定位平台，采样方便、准确•样品制备简单或无需样品制备•可以直接检测玻璃、石英、密封袋里的样品（非接触式）•透明的或不透明的固体、液体或气体均可测量•样品用量少，有效降低测试成本•光谱覆盖范围广，满足多种应用需要•光谱分辨率高，准确性高芙蓉石金绿猫眼尖晶石