MAGAZYN BRANŻY GEMMOLOGICZNEJ I JUBILERSKIEJ

ARTYKUŁY

Artykuły » Gems & Jewelry Numer 3 » Metody laboratoryjne badania kamieni szlachetnych

Metody laboratoryjne badania kamieni szlachetnych

Maciej Ożdżeński

We spółczesnej gemmologii wyróżnić można dwie gałęzie: „klasyczną”, opartą na standardowych narzędziach gemmologicznych i „nowoczesną”, opartą na metodach analizy instrumentalnej, która wciąż rozwija się i udoskonala wraz z postępem technologicznym.

We spółczesnej gemmologii wyróżnić można dwie gałęzie: „klasyczną”, opartą na standardowych narzędziach gemmologicznych i „nowoczesną”, opartą na metodach analizy instrumentalnej, która wciąż rozwija się i udoskonala wraz z postępem technologicznym. Publikacja ma na celu przedstawić najpopularniejsze metody laboratoryjne i dostępne urządzenia wykorzystywane w gemmologii oraz sprecyzować, które z nich powinny być wyposażeniem laboratorium gemmologicznego.

Klasyczna gemmologia (oparta na przyrządach takich jak: mikroskop, imersjoskop, polaryskop, refraktometr, spektroskop) w połączeniu z wiedzą teoretyczną z zakresu gemmologii, mineralogii, fizyki i hemii, praktyką, stałym dokształcaniem się oraz dostępem do baz danych, fachowych publikacji, itp. nadal pozwala na poprawną identyfikację zdecydowanej większości kamieni szlachetnych, z którymi na co dzień mamy do czynienia. Dziś doświadczony gemmolog, w dobrze wyposażonej pracowni gemmologicznej może poprawnie zidentyfikować większość badanego materiału gemmologicznego. Już w latach 90. pojawiły się w obrocie kamienie syntetyczne (diament), imitacje (bursztyn), jak i poprawiane (korund, diament). Do ich identyfikacji nie wystarczą standardowe metody gemmologiczne. Oczywiście, nadal są one niezbędne, od nich się zaczyna i w iększości przypadków będzie można na nich zakończyć badania; nie strzela się przecież z armaty do muchy... Niestety wraz z upływem lat poprawna identyfikacja będzie coraz trudniejsza i aby w przyszłości uniknąć błędów wykorzystanie części nowoczesnych narzędzi laboratoryjnych stanie się standardem w pracy gemmologów. Dostęp do wszystkich tego typu urządzeń (artykuł nie uwzględnia wszystkich) ma tylko kilka największych ośrodków gemmologicznych na świecie. Zebranie wszystkich nowoczesnych narzędzi dla większości laboratoriów jest nieosiągalne, jednak każde dodatkowe narzędzie, będące wyposażeniem laboratorium gemmologicznego, podnosi jego możliwości identyfikacyjne.

Metody Analityczne w gemmologii

Spektroskopia fourierowska FTIR

Instrumentalna metoda analityczna, stosowana w zakresie bliskiej i dalekiej podczerwieni.

Spektrometry FTIR stosuje się w elu pomiaru absorpcji materiału w odczerwonej części widma elektromagnetycznego. Promieniowanie IR jest przepuszczane przez próbkę. Część promieniowania w podczerwieni jest pochłaniana przez próbkę, a część z ich jest transmitowana. W rezultacie otrzymujemy widmo absorpcji. Każde widmo jest niepowtarzalne, zależne od liczby, rodzaju i konfiguracji atomów w ząsteczkach (molekułach, jonach i innych ugrupowaniach kompleksowych), można porównać je do odcisku palca. Spektrometria w podczerwieni jest bardzo przydatna w wielu rodzajach analiz np.:

  • wykrywając polimery, oleje i żywice stosowane do impregnacji m.in. w szmaragdach, jadeitach, czy opalach,
  • odróżniając niektóre kamienie szlachetne, naturalne od syntetycznych np. diament, szmaragd, kwarc,
  • dając wskazówki na temat obróbki cieplnej w rubinie i szafirze,
  • umożliwiając szybką identyfikację żywic kopalnych bez ingerencji w róbkę (dzięki przystawce ATR).

Spektroskopia Ramana

Spektroskopia ramanowska wykorzystuje zjawisko rozproszenia światła ze zmianą jego częstotliwości. W wyniku rozproszenia światła w widmie pojawiają się, obok pasma o takiej samej częstotliwości jak światło padające, pasma o zwiększonej i zmniejszonej częstotliwości. Ich liczba i położenie zależy od budowy cząsteczek substancji rozpraszającej. Nazywamy to zjawiskiem Ramana. Spektroskopia Ramana jest bardzo szybka i niezawodna jako narzędzie do identyfikacji minerałów i amieni szlachetnych. Pomocna jest w:

  • identyfikacji kamieni szlachetnych,
  • identyfikacji inkluzji,
  • identyfikacji substancji wypełniających np. żywice i oleje w szmaragdach.

Spektroskopia UV–VIS

Spektroskopia UV–VIS w zakresie nadfioletu (UV) i promieniowania widzialnego (VIS).

Metoda wykorzystuje absorpcję promieniowania elektromagnetycznego o ługości fali od około 200–2500 nm, czyli w zakresie od ultrafioletu, przez światło widzialne, do bliskiej podczerwieni.

Spektrofotometria  akresie nadfioletu i promieniowania widzialnego, czyli spektrofotometria UV–VIS, jest techniką instrumentalną, w której do celów analitycznych wykorzystuje się przejścia energetyczne zachodzące w ząsteczkach, spowodowane absorpcją promieniowania elektromagnetycznego w zakresie nadfioletu (200–380 nm), w akresie widzialnym (380–780 nm) lub bliskiej podczerwieni. Technika ta polega na ilościowym pomiarze absorpcji, emisji lub odbicia światła.

Spektrometry UV–VIS służą do pomiaru i rejestrowania charakterystycznej absorpcji promieniowania w zakresie UV badanego kamienia. Badania te mogą pomóc:

  • w ustaleniu pochodzenia szmaragdów i szafirów (kamienie różnego pochodzenia mogą mieć charakterystyczną absorpcję w zakresie UV–VIS dla danego złoża kamieni),
  • w odróżnieniu naturalnego korundu od syntetycznego korundu (bogate w żelazo naturalne rubiny od syntetycznych rubinów ubogich w żelazo).

Spektrometria fluorescencji rentgenowskiej XRF

Spektrometria XRF służy do identyfikacji pierwiastków w danej substancji i określenia ich ilości. Pierwiastki są wykrywane na podstawie charakterystycznej długości fali (X) lub energii (E) emisji promieniowania rentgenowskiego. Stężenie danego pierwiastka określane jest za pomocą pomiaru intensywności linii jego charakterystyki. Spektrometria XRF pozwala ostatecznie określić skład pierwiastkowy badanego kamienia.

Spektrometria XRF pozwala łatwo i zybko zidentyfikować i określić stężenie pierwiastków w szerokim zakresie pomiarowym od stężeń na poziomie ppm do praktycznie 100% wagi. Badanie spektrometrem XRF nie jest inwazyjne, nie niszczy próbki i wymaga niewielkiego przygotowania materiału do badania. Proces analizy jest bardzo krótki. Czynniki te pozwalają znacznie zredukować koszt analizy próbki w orównaniu do innych technik analizy zawartości pierwiastków.

Pozwala to odróżnić kamienie naturalne od syntetycznych oraz ustalić pochodzenie kamieni (złoża).

Spektroskopia laserowo indukowanego rozpadu LIBS

Metoda wyznaczania składu pierwiastkowego materiału w warstwie powierzchniowej. Impuls laserowy jest zogniskowany na powierzchni kamienia, tworząc plazmę. Emisja z tomów i jonów w plazmie jest gromadzona i nalizowana przez spektrometr o ysokiej rozdzielczości. Pierwiastki oznaczane są w bardzo małych stężeniach, rzędu ppm. Badany materiał jest poddawany promieniowaniu lasera i tylko niewielki jego fragment podlega analizie. Jest to metoda stosunkowo małoinwazyjna, ponieważ odparowywana próbka materiału jest rzędu nanogramów lub pikogramów, natomiast wielkość mikrokrateru, jaki powstanie po ablacji zależna jest od stanu skupienia materii, z którego powstaje plazma oraz dostarczonej energii.

LIBS doskonale służy do identyfikacji poprawianego korundu, zwłaszcza zabiegów berylowania.

Spektrometria mas z jonizacją w plazmie indukcyjnie sprężonej LA–ICP–MS

Do metod analitycznych wykorzystujących plazmę indukcyjnie sprężoną ICP, jako źródło wzbudzenia i onizacji, należy spektrometria mas ICP–MS.

Rezultatem oddziaływania wysokoenergetycznej wiązki lasera z ciałem stałym jest odparowanie i usunięcie materiału w postaci neutralnych atomów, molekuł, dodatnich i ujemnych jonów, które są następnie wprowadzane do analizatora. Jony te są oddzielane i zbierane, zgodnie z ich stosunkiem masy do ładunku. LA–ICP–MS stosuje się do analizy składników kamieni szlachetnych.

Do podstawowych zalet tej metody należy zaliczyć krótki czas analizy, precyzję, niskie granice wykrywalności, szeroki zakres prostoliniowości krzywej kalibracyjnej oraz możliwość jednoczesnej analizy wielopierwiastkowej. Zastosowanie lasera umożliwia analizę próbek bez konieczności ich wcześniejszego przygotowania.

Powierzchniowa fluorescencja DiamondView™

DiamonView™ składa się z dwóch silnych źródeł krótkofalowego ultrafioletu (o długości poniżej 230 nm). Promieniowanie o tak dobranej energii wywołuje fluorescencję praktycznie we wszystkich typach diamentów, niezależnie od tego, czy fluoryzują czy nie, w tandardowo używanym przez gemmologów promieniowaniu UVL (365 nm) i UVC (254 nm). Fluorescencja jest generowana bardzo blisko powierzchni diamentu i w rezultacie jej obraz jest wyraźny oraz dwuwymiarowy. Obraz fluorescencji i ewentualnej fosforescencji wyświetlany jest na ekranie komputera. DiamondView™ używa się głównie do rozróżniania diamentów syntetycznych (rozgraniczając HPHT i VD) od naturalnych, na podstawie analizy struktury wzrostu.

Próby poprawiania, ulepszania lub podrabiania naturalnych kamieni szlachetnych pojawiły się wraz z zainteresowaniem nimi człowieka. Powody są, były i będą takie same – stworzyć zamiennik o podobnych właściwościach, ale tańszy i łatwiejszy do uzyskania.

Tezy tej nie potwierdza jedynie diament syntetyczny, nad którym pracowano lata i inwestowano zawrotne kwoty, przecież nie po to, by zastąpić diament naturalny w jubilerstwie, ale po to, by uzyskać materiał doskonały, potrzebny w przemyśle elektronicznym, kosmicznym, czy zbrojeniowym. Z iegiem czasu, koszty produkcji spadły, a efektywność wzrosła. Diamenty syntetyczne pojawiły się na rynku jubilerskim niejako rykoszetem. Nigdy nie zastąpią one naturalnego surowca, a ich wartość będzie tylko spadała. Syntetyczne diamenty za x at będą drogie, ale w szkiełkach do najlepszych zegarków. Można prognozować, że stosunek ceny naturalnego diamentu do syntetycznego ostatecznie będzie taki, jak naturalnego rubinu do syntetycznego rubinu verneila. Rynek diamentów syntetycznych będzie się rozwijał, ale jako substytut cyrkonii.

Reasumując, do niedawna naturalne kamienie były konfrontowane, z zisiejszego punktu widzenia, z amieniami stosunkowo łatwymi do identyfikacji. Obecnie, musimy zmierzyć się z oraz lepszymi syntezami i technikami poprawiania kamieni szlachetnych, nie zapominając, że prace nad następnymi, na pewno doskonalszymi nie zwalniają. Dlatego, nie chcąc wypaść z rynku, musimy zaprzyjaźnić się z laboratoryjnymi metodami gemmologicznymi.

MAGAZYN