对珠宝石检测鉴定技术的论述

摘 要:随着科学技术的发展,如何快速、无损、准确地鉴定宝石将是未来宝石学家面临的重要研究课题。因此只有充分利用各种现代测试技术,深入研究宝玉石的各种光学性质以及内在成分与结构,只有这样才能对在宝石鉴定中遇到的新问题进行综合、系统、深入、广泛的研究。

关键词:珠宝检测 X射线衍射 红外光谱 电子探针 (SEM)

1 现代测试技术的应用与现状

目前,应用于珠宝检测中的现代测试技术有X射线衍射、拉曼光谱、红外吸收光谱、电子探针、扫描电镜等分析技术。

1.1 X射线衍射

X射线衍射(XRD)是一种物相分析的方法。X射线是一种高能电磁波。当一束X射线轰击样品,部分射线直接透过标本,另一部分则被样品内的晶面反射,反射的X射线会形成一种与物质的晶体结构密切相关的衍射图形。

通过对衍射现象的分析,就可以获得样品的原子排列、晶胞参数、结晶物质的物相等信息,进而确定宝玉石的种类。这种分析技术只适用于具有晶体结构的宝玉石的研究,当然也是区分晶质和非晶质宝石材料的有效手段。

利用X射线衍射技术能研究宝石的内部结构,是一种全新的研究方法。但是,由于宝玉石样品均为单颗粒,与粉晶样品的制备不同,首先必须将宝玉石颗粒稳定平整地粘在试样板上,同时使样品台与试样测试面处于同一个平面,以保证衍射面与衍射圆相切。

当样品的体积大时,用胶泥将样品稳固地粘在样品台上,注意不要使胶泥接触X射线。一般玉石属于多晶集合体,在不破坏其完整性的情况下,用X射线衍射可以准确、快速地鉴别宝玉石的种类。但对于没有天然晶面的原石鉴定有时存在一定的困难,可以结合其他手段取得满意的效果。

1.2 电子探针(EPMA)

电子探针主要是利用微小的电子束与样品相互作用后产生的特征X射线,进行样品微区成分的定性与定量分析。根据特征X射线的波长确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定元素相对含量的方法为波谱分析。根据特征X射线的能量确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定含量的方法为能谱分析。

人工合成宝石与天然宝石虽然在物理、化学性质上很相近,但由于它们的生长环境不可能完全一样,因而,它们的化学性质有一定的差异,尤其是微量元素方面,利用电子探针可很容易地加以区分。如天然红宝石中常常发现有金红石包体,而人工合成的红宝石中往往看不到,据此可确认含针状金红石包体的红宝石为天然产物。

1.3 红外吸收光谱(IR)

简称红外光谱。当连续变化波长的红外光照射到物质上时,引起物质中分子或原子基团的振动,与其固有振动频率相同的特定波长的红外光被吸收,形成吸收谱带,不同的吸粒稳定平整地粘在试样板上,同时使样品台与试样测试面处于同一个平面,以保证衍射面与衍射圆相切。

当样品的体积大时,用胶泥将样品稳固地粘在样品台上,注意不要使胶泥接触X射线。一般玉石属于多晶集合体,在不破坏其完整性的情况下,用X射线衍射可以准确、快速地鉴别宝玉石的种类。但对于没有天然晶面的原石鉴定有时存在一定的困难,可以结合其他手段取得满意的效果。

1.2 电子探针(EPMA)

电子探针主要是利用微小的电子束与样品相互作用后产生的特征X射线,进行样品微区成分的定性与定量分析。根据特征X射线的波长确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定元素相对含量的方法为波谱分析。根据特征X射线的能量确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定含量的方法为能谱分析。此外,还可得到样品所含元素的点、线、面分布情况。

目前常用的分析方法有X射线波谱仪分析法和X射线能谱仪分析法。电子探针作为一种微区成分分析技术,能将宝石的形貌与所要分析部位进行对应点分析,因而其分析具有对应性强的特点,有利于对宝石中的不同组分进行化学成分测定。它具有空间分辨率高、简便快速、不破坏样品、精度高、分析元素范围广等独特的优点,在测定宝石的成分、包裹体、生长纹等方面起到非常重要的作用。

人工合成宝石与天然宝石虽然在物理、化学性质上很相近,但由于它们的生长环境不可能完全一样,因而,它们的化学性质有一定的差异,尤其是微量元素方面,利用电子探针可很容易地加以区分。如天然红宝石中常常发现有金红石包体,而人工合成的红宝石中往往看不到,据此可确认含针状金红石包体的红宝石为天然产物。

1.3 红外吸收光谱(IR)

当连续变化波长的红外光照射到物质上时,引起物质中分子或原子基团的振动,与其固有振动频率相同的特定波长的红外光被吸收,形成吸收谱带,不同的吸处理过的欧泊、用塑料充填和铬盐浸过的翡翠。

1.5 扫描电子显微镜(SEM)

扫描电子显微镜的分辨率极高,放大倍数范围很大。此外,所观察样品的表面图像的景深大,富有立体感。

利用一束聚焦电子束轰击样品表面,入射电子束将在样品表面下层范围内运动并激发出各种电子信息,如二次电子、背散射电子、特征X射线等。这些信息的能量、穿透能力各不相同,从而形成不同的像衬度,主要有表面形貌衬度和原子序数衬度。表面形貌衬度是利用二次电子信号作为调制信号而得到的一种像衬度。

由于二次电子信号主要来自于样品表面5～10nm深度,它的强度与原子序数没有关系,而仅对微区表面的形貌十分敏感,且二次电子的像分辨率比较高,所以特别适用于显示形貌衬度。原子序数衬度是利用对样品微区原子序数或化学成分变化敏感的背散射电子作为调制信号得到的,它表示微区化学成分差别的像衬度。

背散射电子的产额随着样品中平均原子序数的增大而增加,因而,可以根据背散射电子像亮暗衬度来判断相应区域内平均原子序数的相对高低。扫描电镜能够在不损伤样品的情况下对宝石进行表面微形貌、化学成分分析,已成为宝石研究的理想检测工具。利用扫描电镜可很容易观测到宝石表面的微细裂纹和缺陷等表面特征。

实际工作中,常常将扫描电镜技术与其他方法相结合,互相验证,如可与电子探针或X射线衍射等手段配合。随着扫描电子显微镜的不断改进,综合性分析功能的加强,扫描电镜已成为一种快速、直观、综合的现代化分析仪器。

1.6 X射线荧光光谱

样品在X射线的激发下,各元素产生特征荧光辐射。在激发条件一定的情况下,荧光辐射强度与该元素在样品中的含量呈正比。通过测量各元素的荧光辐射强度,可以求出各元素在样品中的含量,该检测为无损检测方式。

X射线荧光光谱在宝玉石的检测中也被广泛应用。有时,它也与其他检测技术如红外光谱、紫外吸收光谱结合起来检测宝玉石。

1.7 阴极发光技术

将宝石至于真空室中,用电子束激发产生可见光,发出光的颜色强弱是某些宝石的特征性质,根据所发射的可见光的颜色及颜色分布,可用来区分天然宝石和合成宝石。阴极发光技术为鉴别这类宝石提供了一种新的方法和手段。

2 结语

①X射线衍射分析是无损鉴定宝石的方法之一,对确定宝玉石的种类,区分晶质和非晶质宝石材料是一种有效手段。

②电子探针能够对样品进行微区成分的定性与定量分析,成为鉴别真假宝石及人造宝石的有力工具。

③由于红外光谱图能反映宝玉石中的化学成分和结构特征,根据宝玉石特有的红外光谱图可区分天然宝石与人造宝石,但由于要求被检测样品必须有抛光平面,使红外光谱的测试受到限制。

④拉曼光谱学技术是一种非破坏性的测试手段,能很方便地区别天然宝石、人造宝石、改性宝石和仿制品。

⑤扫描电镜能够对宝石进行表面微形貌和化学成分分析,而且样品不受到损伤,已成为宝石研究的理想检测工具。

另外,X射线荧光光谱和阴极发光技术也被应用于宝石的测试中。为了验证检测的正确性,以上几种测试方法往往综合利用,互为补充。随着宝石优化及合成技术的进步,现代测试技术在宝玉石检测中将发挥更大的作用。