硬水铝石是珠宝市场上流行的彩色宝石, 因其具有独特的变色效应（日光下呈现棕黄绿色, 白炽灯下呈现紫红色）而被广大消费者欢迎。 研究硬水铝石的变色成因对于宝石的切割加工、 优化处理以及价值评估有着重要意义。 目前硬水铝石的变色成因研究较少, 考虑到硬水铝石的化学成分和晶体结构与刚玉类似, 刚玉的颜色成因理论研究较为成熟, 因此, 为研究硬水铝石的变色成因, 本文选取与硬水铝石变色效应非常相近的变色刚玉, 从二者的微量元素、 紫外-可见光光谱与晶体结构等方面进行对比研究。 运用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪测试了样品的微量元素, 根据测试结果, 硬水铝石样品中致色元素主要有Fe、 Cr、 V、 Ti, 刚玉样品中致色元素主要有Mg、 Ti、 Fe、 V、 Cr, 二者的微量元素种类相似, 但含量有差异。 运用紫外-可见光光谱与偏振紫外-可见光光谱表征了变色硬水铝石与变色刚玉在可见光区的吸收特征, 发现硬水铝石中存在位于387、 398、 438和448 nm处的吸收峰以及中心位于572 nm左右的宽缓吸收带, 正是这一宽缓吸收带导致了变色效应, 与之对应的, 变色刚玉中存在位于377、 388和450 nm处的吸收峰以及中心位于560 nm左右的宽缓吸收带。 二者在可见光区的吸收特征非常类似。 有差异的是, 变色刚玉的560 nm吸收带不存在明显的偏振性, 而硬水铝石的572 nm吸收带存在偏振性, 晶体中电荷转移导致的吸收特征往往具有偏振性。 通过二者晶体结构的对比分析与刚玉中的电荷补偿理论分析, 推测硬水铝石中398 nm吸收峰由Fe3+导致, 387、 438和448 nm吸收峰由Fe3+-Fe3+离子对导致, 572 nm处的宽缓吸收由Cr、 V、 Fe2+-Ti4+离子对产生。 硬水铝石的变色效应是在Cr、 V、 Fe2+-Ti4+离子对的综合作用下产生的。 本研究通过类比变色效应相近的刚玉, 研究了硬水铝石的变色成因, 为研究宝石中的类似问题提供了新思路。

快速、 有效地识别饮用水中污染物类别对于降低突发饮用水污染事件影响十分重要。 目前基于紫外-可见光光谱法的饮用水污染物判别模型大多使用主成分分析(PCA)进行特征提取, 然而, 对于光谱相似度较高的有机污染物, 仅从数据驱动的角度提取其方差最大的方向作为特征进行识别效果往往不佳。 针对有机污染物光谱数据多重共线性以及谱峰重叠干扰的问题, 开展了基于连续投影算法(SPA)和多分类支持向量机(M-SVM)的紫外-可见光光谱饮用水有机污染物判别方法研究。 首先, 使用紫外光谱仪测量苯酚、 对苯二酚、 间苯二酚和间苯二胺的原始光谱数据并进行预处理, 在对四种污染物进行了波长与浓度的相关关系对比分析后, 发现苯酚和间苯二酚、 对苯二酚和间苯二胺的谱峰重叠较为严重； 特征提取时, 引入SPA筛选有机污染物紫外-可见光光谱数据的特征波长组合, 并对不同波长个数时的光谱吸光度进行多元线性回归分析, 选取对应最小预测标准偏差的参数及波段组合作为最优参数组合； 基于最优特征波长组合, 构建基于多分类SVM的饮用水有机污染物分类识别模型； 最后, 对比分析了全光谱、 PCA及SPA特征提取后的光谱数据在不同分类方法及不同污染物浓度下的分类效果, 进一步说明了SPA的适用性和稳定性。 实验结果表明, SPA作为一种提取光谱数据原始特征波段的方法, 可以有效的对有机污染物的紫外-可见光光谱进行特征提取, 提升不同物质之间的差异, 在一定程度上消除多重共线性和谱峰重叠干扰, 从而提高分类模型的准确率。 该方法对于解决饮用水中谱峰重叠的污染物类型判别问题具有参考价值。

在我国东北大、 小兴安岭南段, 广泛产出一种外观以红色为主, 常带有黄色调的半透明玛瑙, 被称为“北红玛瑙”。 通过偏光显微镜观察、 X射线粉晶衍射分析、 拉曼光谱、 紫外-可见光吸收光谱、 岩石化学全分析对北红玛瑙及黄色、 白色对比样品的物相组成、 化学组成和光谱学特征进行了测试分析。 结果显示, 北红玛瑙的主要矿物组成为α-石英, 次要矿物组成为斜硅石和针铁矿, 另外还含有极少量的赤铁矿。 北红玛瑙的红色、 黄色与针铁矿和极少量的赤铁矿有关, 与南红玛瑙主要为赤铁矿致色明显不同。 显微观察时, 针铁矿、 赤铁矿以橙红色点状和浸染状两种形式存在, 其中点状分布的针铁矿、 赤铁矿大小约10 μm, 但不具备明显的单晶晶体形状, 推测是由亚微米级大小的针铁矿及极少量的赤铁矿聚集形成的集合体; 浸染状分布的橙红色针铁矿、 赤铁矿不可见矿物颗粒大小, 推测其颗粒大小和点状分布的致色矿物类似, 均为亚微米级大小, 但与点状分布的致色矿物不同的是, 并未聚集形成显微镜下可见的点状集合体。 整体上外观呈红色的北红玛瑙中针铁矿、 赤铁矿的含量多于黄色对比样品中的致色矿物含量, 致色矿物的含量会直接影响北红玛瑙的颜色色调。 紫外-可见光吸收光谱中, 针铁矿中Fe3+的6A1→4E, 6A1→4E4A1, 2(6A1)→2(4T1)(4G), 6A1→4T2(4G)和极少量赤铁矿中Fe3+的6A1→4E4A1, 6A1→4T2吸收带与针铁矿、 赤铁矿中O2-和Fe3+之间的电荷转移共同作用, 形成了北红玛瑙带黄色调的红色外观。 紫外-可见光吸收光谱的一阶导数谱中, 可见光范围内北红玛瑙的一阶导数谱极小值的位置为555和556 nm, 黄色对比样品为530 nm, 淡黄色对比样品为502 nm, 随着玛瑙红色调的逐渐减少, 可见光范围内一阶导数谱的极小值位置也逐渐减小, 可以据此衡量红色～黄色玛瑙的色调深浅, 这也对石英质玉石的品种鉴定及颜色分级具有重要参考意义。

坦桑尼亚Umba出产颜色丰富的刚玉, 该研究对象是一颗来自Umba的具有特殊变色效应的蓝宝石, D65光源(色温6 500 K)下呈现淡黄色, A光源(色温2 856 K)下呈现淡紫红色。 为了研究这颗变色蓝宝石紫外-可见光光谱中的谱峰归属与变色成因, 该研究使用电荷补偿理论来分析此样品紫外-可见光光谱中的谱峰归属。 采用紫外-可见分光光度计(UV-Vis)和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)对这颗变色蓝宝石进行了测试。 结果发现, 变色蓝宝石紫外-可见光光谱中存在位于377, 388和450 nm处的3个吸收峰和1个以560 nm为中心的宽缓吸收带。 样品的颜色主要受450 nm处吸收峰和以560 nm为中心的吸收带影响, 其中以560 nm为中心的吸收带造成了这颗蓝宝石的变色效应。 根据激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪的测试结果, 样品中主要杂质元素有Fe, Ti, Cr, V和Mg等。 样品紫外-可见光光谱中377, 388和450 nm处的吸收峰是由Fe3+导致。 蓝宝石中的Cr3+, V3+, Fe2+-Ti4+对都可以在560 nm附近产生吸收, 结合电荷补偿理论分析, 刚玉中的Mg2+会优先和Ti4+进行电荷补偿, 样品中Mg含量要稍微高于Ti, 推测样品中几乎所有Ti4+会与Mg2+进行电荷补偿, 因此样品中几乎不会存在Fe2+-Ti4+对。 Fe2+-Ti4+对电荷转移产生的吸收特征具有很强的偏振性, 尤其是在580 nm以后的吸收特征会随着偏振方向的改变而有很明显的变化。 偏振紫外-可见光光谱测试发现以560 nm为中心的吸收带没有明显的偏振性, 进一步验证了样品中几乎没有Fe2+-Ti4+对, 因此以560 nm为中心的吸收带主要是由于Cr3+和V3+造成的。 样品的颜色主要是由Fe3+, Cr3+和V3+引起的, 而变色效应主要是由Cr3+和V3+导致。 结合电荷补偿机制与偏振-紫外可见光光谱来解释这颗变色蓝宝石的紫外-可见光光谱中以560 nm为中心的吸收带的归属, 为研究刚玉紫外-可见光光谱中较为常见的位于560 nm左右吸收带的归属提供了一种新的研究思路。