寶石現(xiàn)代測試技術(shù)與方法簡述

(遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院 遼寧 丹東 118008)

寶石現(xiàn)代測試技術(shù)與方法簡述

李元衡

(遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院遼寧丹東118008)

隨著科技的不斷發(fā)展，新興的合成寶石和各種寶石處理技術(shù)不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)的寶石鑒定方法已難以滿足需要，因此現(xiàn)代測試技術(shù)在寶石學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。筆者對大型儀器的工作原理作簡單的講述，供廣大寶石愛好者參考。

寶石鑒定；測試技術(shù)

一、紫外-可見光分光光度計(jì)(UV-VIS)

紫外-可見吸收光譜是在紫外-可見光電磁輻射作用下,由分子中的電子在能級間躍遷而產(chǎn)生的一種分子光譜。當(dāng)一束足夠能量的光(hν)照射時(shí),分子的內(nèi)能發(fā)生改變,3種能量都發(fā)生躍遷,即:ΔE=ΔEe+ΔEv+ΔEr。其中ΔEv和ΔEr產(chǎn)生的吸收光譜分別位于紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū),ΔEe產(chǎn)生的吸收光譜位于紫外-可見區(qū)。由于ΔEe遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ΔEv和ΔEr,所以當(dāng)發(fā)生電子能級躍遷時(shí),則同時(shí)伴隨有振動能級和轉(zhuǎn)動能級的改變,因此,分子的紫外-可見吸收光譜是由許多線光譜聚集在一起的帶狀光譜。

不同種類的寶石、不同顏色的同一種寶石、同一顏色不同致色機(jī)理的寶石其紫外可見吸收光譜都不同。一些經(jīng)優(yōu)化處理的寶石雖然顏色其對應(yīng)的天然寶石一樣,但因致色機(jī)理或致色物質(zhì)不同,吸收光譜有差異。

紫外-可見吸收光譜直接反映的是寶石樣品對于光的吸收情況,而寶石的顏色主要與對光的吸收有關(guān)。因此掃描寶石的紫外-可見吸收光譜對于寶石的呈色機(jī)制有重要的意義。

二、激光誘導(dǎo)離解光譜儀(LIBS)

將一束高功率的激光束聚焦于樣品表面,樣品表面反射小部分的激光能量,剩下的能量被吸收。由于脈沖激光持續(xù)時(shí)間極短,不足以產(chǎn)生由樣品聚焦點(diǎn)處向外的熱擴(kuò)散,因此聚焦點(diǎn)處產(chǎn)生瞬時(shí)高溫并蒸發(fā)部分物質(zhì),蒸發(fā)后的氣體經(jīng)過多光子電離及電子一離子碰撞等過程,最終形成了高密度的等離子體。激光等離子體通常持續(xù)時(shí)間為2-50ns。,等離子體會隨時(shí)間演化為等離體羽,并產(chǎn)生輻射光子。采用光學(xué)采集系統(tǒng)采集,并通過對光譜中的特征譜線進(jìn)行分析,從而實(shí)現(xiàn)了樣品的微區(qū)元素成分分析。

運(yùn)用已實(shí)現(xiàn)的LIBS測試分析系統(tǒng)進(jìn)行了一些寶石學(xué)方面的應(yīng)用研究。首先是倍受關(guān)注的Be擴(kuò)散紅、藍(lán)寶石的檢測,由于對Be具高的靈敏度,LIBS在鑒定Be擴(kuò)散紅、藍(lán)寶方面獲得了令人滿意的結(jié)果。對天天然及充膠處理翡翠進(jìn)行了一定量的研究,由于充膠處理翡翠中膠的普遍存在及經(jīng)酸洗去掉了雜質(zhì),所以在C元素譜線強(qiáng)度及Fe等雜質(zhì)元素含量方面與天然翡翠有著明顯不同,可以作為區(qū)分的標(biāo)準(zhǔn)。但同時(shí)須指出的是由于不均勻性的影響,單點(diǎn)測試不一定能得到充分的證據(jù),但2一3點(diǎn)一般均可以獲得理想的結(jié)果,而此方法不能鑒別注臘處理翡翠。對大量的淡水珍珠及海水珍珠樣品進(jìn)行了測試,發(fā)現(xiàn)Ba/Sr和Mn元素譜線的相對強(qiáng)度可以用來區(qū)別淡水珍珠和海水珍珠,并且成功區(qū)分了90%的珍珠樣品。

三、傅里葉紅外光譜儀(FTIR)

(一)傅立葉中紅外光譜

中紅外光譜主要指4000-400 cm-1波段的紅外光譜。不同的分子振動在此波段均有吸收,幾乎沒有兩種物質(zhì)的紅外光譜圖是相同的,所以紅外光譜也被稱為“指紋譜”。中紅外光譜測試是寶石鑒定中最主要的手段。

(二)傅立葉近紅外光譜

近紅外光譜主要指12500-4000 cm-1波段的紅外光譜。此波段是中紅外光譜的倍頻和組合頻區(qū),其特點(diǎn)是穿透能力強(qiáng),穿透深度可到 1mm以上,而中紅外光的穿透能力只能到40m左右。當(dāng)翡翠B貨表面打蠟較厚時(shí),中紅外光難以穿透蠟層,無法得到石蠟層以下填充樹脂的相關(guān)信息,從而產(chǎn)生誤判; 而近紅外光可深入寶玉石1mm以上,樹脂、 石蠟的光譜信息均不會漏掉,確保了鑒定的準(zhǔn)確性。因此,近年來越來越多的鑒定部門采用中、近紅外雙波段的傅立葉紅外光譜儀,不僅對翡翠A 、B、C貨進(jìn)行鑒定而且可通過觀察紅寶石在7000cm-1左右近紅外譜區(qū)中水的構(gòu)態(tài)來鑒定紅寶石的真?zhèn)巍?/p>

隨著紅外、近紅外光譜在寶玉石鑒定應(yīng)用中的不斷深入,國際儀器廠家最新的儀器技術(shù)也將不斷被引入,鑒定方法已經(jīng)從判定真?zhèn)巍⑿揎棸l(fā)展到區(qū)分天然、人造,甚至幫助評價(jià)寶玉石等級。寶玉石行業(yè)的專家、用戶及儀器廠商將相互合作進(jìn)一步拓寬研究范圍、提高儀器鑒定效率及準(zhǔn)確度,從而全面推動寶玉石業(yè)的發(fā)展。

四、拉曼光譜儀(RAMAN)

拉曼光譜是近代迅速發(fā)展起來的物理譜學(xué)分析技術(shù),它是反映物質(zhì)的分子特征,不同物種由于分子基因不同、結(jié)構(gòu)不同,其拉曼峰特征不同,據(jù)此可以獲取有用信息,達(dá)到測定、鑒別的目的。拉曼光譜技術(shù)作為一種客觀、準(zhǔn)確、定量的甄別寶石真?zhèn)?優(yōu)劣級別的測試方法在寶石鑒定領(lǐng)域有著不可替代的重要作用。

應(yīng)用顯微拉曼光譜鑒別幾種寶石礦物的實(shí)踐,特別在鑒定方法上一般以前四強(qiáng)特征峰的峰位判定礦物的主要成分,以線形和線寬評價(jià)寶石礦物的結(jié)晶程度,以礦物拉曼光譜的光熒光信息作為礦物鑒定的輔助依據(jù)。

五、陰極發(fā)光儀(CL)

物質(zhì)吸收一部分能量后，原子中低能級的電子躍遷到高能級，在吸收光譜中產(chǎn)生吸收帶，但當(dāng)電子從高能級回到低能級時(shí)，一部分能量以光的形式輻射出來，稱之為發(fā)光。從陰極射線管發(fā)出具有較高能量的加速電子束激發(fā)寶石礦物的表面，電能轉(zhuǎn)化為光輻射而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，稱之為陰極發(fā)光(Cathodoluminescence)。陰極發(fā)光(CL)技術(shù)從70年代起開始被用于寶石鑒定工作，最初該技術(shù)主要用于鑒別天然鉆石和合成鉆石，近幾年其在寶石鑒定和研究工作中的應(yīng)用已被大大擴(kuò)展。因其具有成本低、無損快捷和制樣簡單等優(yōu)點(diǎn)，有良好的發(fā)展前景。在寶石礦物晶格中具有缺位如電子空穴心以及雜質(zhì)離子，它們可以引起發(fā)光。發(fā)光光譜是由結(jié)構(gòu)決定的，所以不同種類的寶石礦物或相同種類、不同成因的寶石礦物在電子轟擊下會發(fā)出不同顏色或不同強(qiáng)度的光，同時(shí)一些與晶體生長環(huán)境有關(guān)的晶體結(jié)構(gòu)或生長紋也可得到顯示。因此，陰極發(fā)光光譜可以作為研究寶石礦物的微探針，用以鑒定寶石礦物；確定寶石中微量雜質(zhì)離子的種類、價(jià)態(tài)；可以探討缺位以及晶體生長環(huán)境和形成條件等。

六、X熒光光譜儀(XRF)

激發(fā)的樣品中的每一種元素會放射出二次X射線，并且不同的元素所放射出的二次X射線具有特定的能量特性或波長特性。探測系統(tǒng)測量這些放射出來的二次X射線的能量及數(shù)量。然后，儀器軟件將探測系統(tǒng)所收集到的信息轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類及含量。只要測出熒光X射線的波長或者能量,就可以知道元素的種類，這就是熒光X射線定性分析的基礎(chǔ)。此外,熒光X射線的強(qiáng)度與相應(yīng)元素的含量有一定的關(guān)系，據(jù)此，可以進(jìn)行元素定量分析。

由于X熒光檢測方法的特點(diǎn)(無損，快捷，精度高)十分符合珠寶首飾行業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)，目前X熒光光譜法已經(jīng)成為珠寶首飾行業(yè)無損測試貴金屬含量的一種普遍方法，但X熒光光譜法在珠寶玉石檢測方面的應(yīng)用還鮮有人問津。由于不少珠寶玉石的組成中有相當(dāng)?shù)慕饘僭兀渲邢喈?dāng)一部分還是重要的致色元素，所以我們有理由嘗試用X熒光光譜這種無損檢測方法對珠寶玉石作出輔助的鑒定。

[1]張培莉.系統(tǒng)寶石學(xué)[M]2010

[2]余西丹.現(xiàn)代測試技術(shù)在珠寶檢測中的應(yīng)用[J]企業(yè)技術(shù)開發(fā)：2014,12

李元衡(1980.4-)，男，漢族，天津人，助教，碩士，遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院，研究方向?qū)毷b定與評估。

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