X荧光光谱仪在珠宝玉石检测中的应用

王 雷

(1.贵州省地质矿产中心实验室,贵州 贵阳 550004；2.贵州省贵金属及珠宝检验检测中心,贵州 贵阳 550004)

近几年来,随着我国宝石优化处理技术及合成技术水平的大幅提升,珠宝玉石市场,涌现出多种光学性质和物理性质非常相似的宝石产品及人工仿制产品。仿制产品的增加大大提升了珠宝玉石的鉴定需求及难度,导致部分传统的鉴定方法和鉴定工具无法满足实际的检测需要。为了化解这一难题,科研人员研发出X荧光光谱仪在宝石制品尤其是在仿制品方面的检测应用,在珠宝玉石检测方面弥补传统检测方法的不足,为部分仿制品与珠宝玉石产品提供鉴定依据。

由于绝大多数珠宝玉石的价格都比较昂贵,而且成色较好的珠宝玉石还具有一定的收藏价值和升值空间。所以珠宝玉石市场,存在着较大的真伪度鉴定检测需求。尤其近几年来,通过合成技术生产出来的珠宝玉石大量上市,不仅加大了鉴定需求,还加大了鉴定检测的难度。为此,X荧光光谱仪在珠宝玉石方面鉴定的应用，凭借其分析效率高、检测结果精准可靠、对珠宝玉石无损等技术优势,被广泛应用于珠宝玉石检测工作中,发挥出非常重要的作用。为了进一步提高其应用水平,珠宝玉石检测人员有必要针对X荧光光谱仪技术原理和应用技巧进行持续不断的学习与探究[1]。

1 X荧光光谱仪的工作原理

X射线是一种波长介于紫外线和Y射线之间的电磁辐射。目前,虽然对其波长尚未形成一个明确的界定,但人们通常将X射线视为一种波长为 0.001～10 nm 的电磁辐射。其工作原理为：通过X射线管产生的一次射线,可以有效激发被检测的珠宝玉石产生二次射线。此后,X荧光光谱仪便可以对珠宝玉石生成的二次射线进行检测。但是,由于珠宝玉石本身含有多种元素,而每一种元素所释放出来的二次射线能量大小、波长长度都存在着一定的差异。X荧光光谱仪的能量与入射辐射的能量并不存在直接关联,而通过外层电子进入到内层空穴中所释放出来的能量会通过辐射形式放出,产生X荧光,而这种能量与两能级之间的能量差相等。由此看出,X荧光光谱仪的荧光能量或者波长只是一种特征性的,与不同的元素之间有着不同的对应关系。使用X荧光光谱仪对珠宝玉石进行鉴定检测的过程中,检测系统会自动收集珠宝玉石所释放出来的二次射线能量以及波长信息,之后再对这些信息进行转换处理,使检测人员非常直观的了解被检测珠宝玉石当中都含有哪些元素及其含量,从而在较短的时间内提出一个相对准确的检测结果[2]。

2 X荧光光谱仪在珠宝玉石检测中的应用

虽然X荧光光谱仪在珠宝玉石检测中有着非常显著的应用效果,但为了确保检测结果的科学性与真实可靠性,仍需要检测人员根据实际状况对X荧光光谱仪进行合理应用,充分把控好每一项检测环节的工作质量[3]。例如，在实际珠宝玉石检测工作中,除了需要针对一些相似珠宝玉石进行检测以外,还需要鉴别其是天然珠宝玉石、还是经过优化处理的珠宝玉石或人工合成产品,还需要对珠宝玉石的种类地行科学鉴定。

2.1 在鉴别相似珠宝玉石中的应用

应用X荧光光谱仪对珠宝玉石进行检测,可实现真正意义上的无损检测。也就是说,X荧光光谱仪检测在对珠宝玉石构成元素进行精准分析的同时,不会对珠宝玉石造成任何损伤与破坏。在目前珠宝玉石市场上,有多达两百多种的原材料种类。在这些原材料当中,必然含有一些性质相似的种类。而利用传统方式对珠宝玉石的种类进行检测,则根本无法实现有效区分。以无色水晶和无色长石这两种珠宝玉石为例,从外观上看,二者不仅都是无色透明的,而且其折射率值和密度也基本相同,采用常规检测方法无法对其做到精准区分。而通过X荧光光谱仪对这两种玉石进行检测,可以通过荧光光谱图得出以下检测结论：水晶的主要成分为硅元素；而长石则更加多元化,其主要成分为钙元素、钾以及硅元素。这说明使用X荧光光谱仪进行分析,可以非常精准的判断和区分这两种不同材质的珠宝玉石。另外,有一种外观与海蓝宝石和黄玉都较为相似的宝石材质,检测人员使用X荧光光谱仪对该材质进行借鉴。通过检测发现：海蓝石的主要化合物为致色离子,它会导致该宝石呈现出海蓝色,而一些类似于黄玉的组合化合物BeAl2SI6O18,其色心致色的主要成因是Fe2+；而且,在海蓝宝石和黄玉中并没有钙元素。此时,珠宝玉石检测人员基于自己的检测经验,对X荧光光谱仪色谱进行了分析,发现这种与海蓝宝石和黄玉相近似的珠宝玉石属于一种以阳离子为主的矿物质,其主要的成分为Ca5[PO4]3(Cl,OH),其鉴定结论为“磷灰石”[5]。

2.2 在珠宝玉石种类鉴定中的应用

一些珠宝玉石在佩戴过程中由于受到种类因素的影响,其外观会出现不同程度的磨损、损伤等现象。通过X荧光光谱仪对其进行检测,可以精准判定该珠宝玉石的种类。尤其在菱锰矿检测中,X荧光光谱仪有非常显著的应用效果。菱锰矿是一种较为典型的自色矿物,其主要成分是碳酸锰、铁、钙、锰等。其中,锰元素是致色离子,呈红色,菱锰矿会随着钙元素、铁元素含量的增加颜色逐渐变浅,当钙元素含量达到一定程度时,甚至会完全替代锰元素。此时,菱锰矿呈黄色或者褐色。如果珠宝玉石为菱锰矿,其硬度相对较低,人们在佩戴一段时间这后,必然会出现一定程度的磨损。在这种情况下,采用传统检测手段无法对菱锰矿进行精准检测使用X荧光光谱仪对其进行检测结果才真实可靠[5]。

3 实物检测

在此次实物检测中,检测的菱锰矿为饱和度较高的大红色。单从其颜色上看,可以大体判断其成分当中Mn含量较高、Ca含量相对较低、Fe含量很低,甚至不含Fe[6]。随后,使用X荧光光谱仪对此结论进行检测验证。通过图1看出,X荧光光谱仪在菱锰矿检测中具有非常好的应用效果。

图1 菱锰矿的X荧光光谱

随后,又使用X荧光光谱仪对一块似海蓝宝石或黄玉的透明宝石进行检测,由于此块宝石的抛光欠佳,故未测出其折射率。但针对其它X荧光光谱仪检测结果进行分析,出现Ca峰(见图2),由于海蓝宝石的成分是Be3Al2(Si2O6)3,致色离子为Fe2+,而黄玉的成分为Al2SiO4(F,OH)2,色心致色,都不含Ca元素[7]。因此,可以排除是海蓝宝石和黄玉的可能性。

图2 磷灰石的Ca特征谱线

通过以往的检测经验和X荧光光谱仪系统提示,判断可能是磷灰石Ca5(PO4)3(F,OH,Cl),这是一种典型的阳离子为Ca的矿物。经过二色镜和比重测试,使这一猜测得到证实。近几年来,珠宝玉石市场上出现了一种夜光玉,其亮斑为磷光激发,呈现出一种神秘之感,对普通消费者和珠宝初识者都具有较大的迷惑性。经X荧光检测仪测得其成分当中含有大量Sr。在天然宝石中,这种含有大量Sr的情况非常少见。因此,综合密度等常规测试可以断定此产品为人造钛酸锶[8]。

4 结语

近些年来,随着合成技术的快速发展,大量人造珠宝玉石、经过优化处理的珠宝玉石流入珠宝玉石市场中。从表面上看,有些合成珠宝玉石甚至可以达到以假乱真的程度。在这种情况下,无疑给珠宝玉石鉴定工作带来较大难度,也在无形当中加大了消费者的购物风险[9]。而X荧光光谱仪的应用解决了珠宝玉石鉴定的部分难题,相信随着X射线荧光光谱技术的不断发展,我国的珠宝玉石检测水平还将得到更大幅度的完善与提升,使珠宝玉石检测中的难点问题得到更加准确、高效、快捷的处理。届时,X 射线荧光光谱仪在珠宝玉石领域内的应用范围和检测精度也必将实现大幅度提升,将有效推动我国珠宝玉石市场的健康发展。