1、研究型仪器的宝石学应用研究型仪器的宝石学应用主讲教师主讲教师 袁心强袁心强第八章第三节 GIC 概述概述宝石学从形成开始就不断探讨各种宝石学从形成开始就不断探讨各种新的测试技术，最先引用到宝石领域的新的测试技术，最先引用到宝石领域的研究型设备是研究型设备是X-射线，用于珍珠的鉴定，射线，用于珍珠的鉴定，然后是红外光谱仪被少量的实验室用来然后是红外光谱仪被少量的实验室用来鉴定一些不透明的矿物。鉴定一些不透明的矿物。20世纪后半叶用来，新的合成和世纪后半叶用来，新的合成和优化处理宝石与天然宝石之间的差别优化处理宝石与天然宝石之间的差别日趋缩小，传统的常规宝石鉴定仪器以满足日趋缩小，传统的常规宝石鉴
2、定仪器以满足不了珠宝鉴定的要求，最先在宝石鉴定中不了珠宝鉴定的要求，最先在宝石鉴定中发挥重要作用的是傅利叶变换的红外光仪，发挥重要作用的是傅利叶变换的红外光仪，用来鉴定酸洗充胶的翡翠。用来鉴定酸洗充胶的翡翠。 GIC一、紫外一、紫外- -可见光谱仪可见光谱仪 1.基本原理基本原理 宝石不同的致色元素和色心有不同的选择性宝石不同的致色元素和色心有不同的选择性吸收，用仪器记录吸收峰的波长和强度，就得到吸收，用仪器记录吸收峰的波长和强度，就得到宝石的紫外一可见吸收光谱。宝石的紫外一可见吸收光谱。 GIC2.2.宝石学应用宝石学应用（1）彩色钻石的鉴定：辐）彩色钻石的鉴定：辐照处理钻石的具有照处理钻石
3、的具有GR1色色心，产生心，产生741nm的吸收。的吸收。 GIC二、傅立叶变换红外光谱仪二、傅立叶变换红外光谱仪 1.基本原理基本原理（1）红外光谱）红外光谱 频率在频率在4000400cm-1的电磁波能够引起物质分的电磁波能够引起物质分子的振动，能选择性地吸收相应频率的红外光，子的振动，能选择性地吸收相应频率的红外光，如果记录到物质的这种吸收，就得到红外光谱。如果记录到物质的这种吸收，就得到红外光谱。（2） 红外光谱产生的条件红外光谱产生的条件 辐射应具有满足物质产生振动跃迁所需的能量。辐射应具有满足物质产生振动跃迁所需的能量。 辐射与物质间有偶合作用。辐射与物质间有偶合作用。 GIC（1
4、）测试宝石中的羟基和水分子）测试宝石中的羟基和水分子 宝石常含有宝石常含有OH- 和和H2O，例如，例如，助熔剂法合成的红宝石不含水，助熔剂法合成的红宝石不含水，焰熔法的含有较明显的焰熔法的含有较明显的H-O键。键。2.宝石学应用宝石学应用 GIC （2）钻石的类型划分）钻石的类型划分钻石中钻石中N不同的浓度和集合体不同的浓度和集合体具有不同的红外光谱特征，不具有不同的红外光谱特征，不仅可分辨仅可分辨I型和型和II型，还能区分型，还能区分IaA、IaB、IIa和和IIb等亚型。等亚型。 GIC三、激光拉曼光谱仪三、激光拉曼光谱仪 1.基本原理基本原理 光子与物质的分子发生非弹性碰撞后，改变了光
5、子与物质的分子发生非弹性碰撞后，改变了入射光频率的现象，称为拉曼入射光频率的现象，称为拉曼(Raman)散射。散射。 GIC153 702 1083 1127 1514 2251 2630 3018 3734 0 2000 4000 6000 8000 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 紫色淡水珍珠 G92255, Si, slit=12.5um 拉曼探针可以方便拉曼探针可以方便地鉴定宝石表面、地鉴定宝石表面、以及没有暴露到表以及没有暴露到表面的固相、面的固相、液相和气相包体。液相和气相包体。拉曼光谱还可鉴定拉曼光谱还可鉴定染色处理黑珍珠和染色处理黑珍珠和海水
6、养殖黑珍珠。海水养殖黑珍珠。2.宝石学应用宝石学应用 GIC四、四、X X射线荧光光谱仪射线荧光光谱仪 1.基本原理基本原理 X射线是波长射线是波长(0.00110nm)很短的电磁波，能很短的电磁波，能激发原子的内层电子，使得内电子层中产生空激发原子的内层电子，使得内电子层中产生空穴，外层的电子在穴，外层的电子在l0-12-10-14秒内自发地与空穴秒内自发地与空穴复合，释放出能量，产生复合，释放出能量，产生x射线荧光，其能量等射线荧光，其能量等于内层电子和外层电子能级之间的能量差。于内层电子和外层电子能级之间的能量差。X射线荧光的波长与元素的原子序数射线荧光的波长与元素的原子序数z有对应关系
7、，有对应关系，测出荧光测出荧光X射线的波长和强度，就可以知道元素射线的波长和强度，就可以知道元素的种类和含量。的种类和含量。 GIC2.宝石学宝石学主要应用主要应用（1）测定贵金属）测定贵金属的化学成分的化学成分（2）测试宝石的）测试宝石的微量元素，提供微量元素，提供鉴定和产地特征鉴定和产地特征 GIC五、电子探针五、电子探针 1.基本原理基本原理 高能电子束轰击宝石样品表高能电子束轰击宝石样品表面，并在一个微米级的有限面，并在一个微米级的有限深度和侧向扩展的微区体积深度和侧向扩展的微区体积内激发特征内激发特征X射线、二次电射线、二次电子、背散射电子、阴极荧光子、背散射电子、阴极荧光等，可以定
8、量或定性地分析等，可以定量或定性地分析物质的组成元素的化学成分、物质的组成元素的化学成分、表面形貌和结构特征。表面形貌和结构特征。 GIC（1）鉴定晶体包体：对宝石表面或露出宝石表面）鉴定晶体包体：对宝石表面或露出宝石表面的晶体包体选定微区作成分分析和形貌扫描，的晶体包体选定微区作成分分析和形貌扫描，得出晶体包体的定性或者定量的化学成分，图得出晶体包体的定性或者定量的化学成分，图形，确定包体的种类。形，确定包体的种类。（2）测试宝石的化学成分：尤其的多晶集合体的）测试宝石的化学成分：尤其的多晶集合体的化学成分。化学成分。 GIC六、阴极发光仪六、阴极发光仪 1.基本原理基本原理 在高能量的电子
9、束激发下价带电子在高能量的电子束激发下价带电子被激发到导带，处在激发态的电子通过被激发到导带，处在激发态的电子通过各种形式释放能量回到基态。如果以可各种形式释放能量回到基态。如果以可见光的形式释放能量形成发光。见光的形式释放能量形成发光。 GIC2.2.宝石学应用宝石学应用（1 1）区分天然与合成钻石）区分天然与合成钻石 天然钻石的发光颜色蓝白色、图案为环带状；天然钻石的发光颜色蓝白色、图案为环带状； 合成钻石的发光颜色为黄绿色，图案为合成钻石的发光颜色为黄绿色，图案为“沙钟沙钟状状”。合成钻石合成钻石合成钻石合成钻石天然钻石天然钻石 GIC（2）鉴定天然和处）鉴定天然和处理蓝色托帕石理蓝色托
10、帕石 天然蓝色托帕石的天然蓝色托帕石的发光强度比处理的发光强度比处理的强强10倍。倍。宝石测试技术的新进展宝石测试技术的新进展BeAlfibresSample holderLIBS PlasmaNd:YAG LaserSpectrometer unitComputer to control measurementSample chamberGemstone GIC一、快速识别钻石类型的仪器一、快速识别钻石类型的仪器1. D-Screen（1）比利时）比利时HRD于于2004年年11月发布消息，第一月发布消息，第一种无色种无色-近无色的钻石的合成钻石、近无色的钻石的合成钻石、HPHT处理处理钻石
11、的识别仪器。钻石的识别仪器。（2）原理：钻石透射紫外光）原理：钻石透射紫外光的性能存在差别，不含氮的性能存在差别，不含氮的的II型钻石透紫外光的能力型钻石透紫外光的能力大于含氮的大于含氮的I型钻石。型钻石。 GIC 2.Diamond Spotter 瑞士宝石研究所瑞士宝石研究所2001年年 研制成功，仪器包研制成功，仪器包括短波紫外光源，原括短波紫外光源，原理和功能于理和功能于D-Screen基本一致。基本一致。3.Diamond SureDTC研制的依据天然钻研制的依据天然钻石具有石具有415nm吸收线，吸收线，而合成钻石、而合成钻石、HPHT处理处理钻石没有钻石没有415nm的吸收的吸收
12、线。线。 GIC 1.宝石阴极发光显微镜宝石阴极发光显微镜 1994年年 Polahno博士发现黄色的合成钻石的博士发现黄色的合成钻石的阴极发光具有阴极发光具有“沙钟状图案沙钟状图案”。2.Diamond View：D. Beers的研究人员采用的研究人员采用超短波紫外光代替电子束超短波紫外光代替电子束作为荧光的激发源，这样作为荧光的激发源，这样仪器就不需要抽真空，更仪器就不需要抽真空，更便于操作和快捷。便于操作和快捷。二、识别钻石发光图案的仪器二、识别钻石发光图案的仪器 GIC三、Diamond Plus II 1.2000年年 Dr. Haenni HTHP处理的无色钻石处理的无色钻石具有
13、具有637nm的光致发光峰，这个光谱特征需的光致发光峰，这个光谱特征需要用激光拉曼光谱仪来要用激光拉曼光谱仪来 识别。识别。2.DTC于于2005年研制出年研制出 称为称为Diamond Plus的仪的仪 器，用于检测器，用于检测HPHT处处 理的理的II型钻石。型钻石。 GIC四、激光诱发光谱（四、激光诱发光谱（LIBSLIBS） 1.2002年市场上出现年市场上出现Be扩散扩散热处理热处理的黄色或者橙色蓝宝石，的黄色或者橙色蓝宝石，一时缺少有效鉴定手段。一时缺少有效鉴定手段。2.等离子质谱仪等离子质谱仪 LA-ICP-Ms，次级离子质谱次级离子质谱 SIMS等等过于昂贵。过于昂贵。3.LIBS测定测定Be具有快速、具有快速、简单、基本无损等优点。简单、基本无损等优点。 GICBe的发射光谱的发射光谱Al的发射光谱的发射光谱激光烧出的小凹坑激光烧出的小凹坑 GIC课程小结课程小结1.了解各种分析仪器的原理。了解各种分析仪器的原理。2.了解各种分析仪器的宝石学应用。了解各种分析仪器的宝石学应用。3.了解现代仪器发展的原因。了解现代仪器发展的原因。4.了解现代宝石学测试技术的动态。了解现代宝石学测试技术的动态。
