کاربرد طیف سنجی در گوهر شناسی

اسپکتروفتومتری, طیف سنجی رامان, طیف سنجی فلورسانس, گوهر شناسی

کاربرد طیف سنجی در گوهر شناسی

اسفند ۲۲, ۱۴۰۰
هاله کرد حقی-کارشناس ارشد فتونیک
بدون نظرات

در سال‌های اخیر استفاده از طیف‌ سنجی در زمینه گوهرشناسی افزایش یافته است. این روش‌‌ها می‌توانند بسیاری از چالش‌های گوهرشناسان را حل کنند. به عنوان مثال در مدت زمان بسیار کم می‌توان یک سنگ را به کمک طیف‌سنجی رامان شناسایی کرد. این دانشنامه به شما کمک خواهد کرد تا با کاربرد‌های طیف‌سنجی در گوهرشناسی بیشتر آشنا شوید. لطفا تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید.

در سال‌های اخیر خرید و فروش سنگ‌های قیمتی افزایش یافته است. تعیین منشا و اصالت سنگ‌ها، وجود ناخالصی‌ها، اصلی و تقلبی بودن این گوهرها، از عواملی است که در قیمت آن تاثیرگذار است. به همین علت تقلب در این صنعت بسیار زیاد است. گاهی موارد حتی تجزیه و تحلیل کامل یک سنگ قیمتی توسط یک گوهرشناس کار بسیار دشواری است و می‌توان گفت که بدون ابزارهای گوهرشناسی تقریبا تمییز یک سنگ قیمتی اصل از تقلبی ناممکن است. این حساسیت‌ها در مورد الماس بیشتر هم می‌شود. زیرا تشخیص الماس بهسازی شده و طبیعی به مراتب پیچیده‌تر است. طیف‌سنجی یک روش ایده‌آل برای بررسی گوهر‌ها است. در روش‌های طیف‌سنجی مانند طیف‌سنجی رامان، طیف‌سنجی جذبی و فلورسانس، نمونه نیازی به آماده‌سازی ندارد. یکی دیگر از مهم‌ترین ویژگی‌‌های طیف‌سنجی این است که آنالیزها غیر مخرب هستند و آسیبی به نمونه وارد نمی‌کنند. همچنین این اندازه‌گیری‌ها با سرعت بالایی انجام می‌گیرد. همین ویژگی‌ها سبب شده است تا طیف‌سنجی به یک عضو جدانشدنی در گوهرشناسی تبدیل شود. بنابراین در این دانشنامه ما تصمیم گرفتیم تا شما را با کاربردهای اسپکتروسکوپی در حوزه گوهرشناسی بیشتر آشنا کنیم. پیشنهاد ما این است که این مطلب را به هیچ وجه از دست ندهید.

کاربرد طیف‌ سنجی رامان در گوهرشناسی

همان طور که پیش‌تر نیز گفتیم در طی شناسایی و آنالیز، سنگ‌ها نباید آسیب ببیند. این درواقع محدودیتی‌ است که گوهرشناسان با آن روبرو هستند و نمی‌توانند از بسیاری از تکنیک‌‌های در دسترس برای تجزیه و تحلیل نمونه‌ها استفاده کنند. رامان اسپکتروسکوپی یا طیف‌سنجی رامان روشی است که در این زمینه بسیار کارآمد است. برخی از کاربردهای این روش را در زیر بررسی می‌کنیم.

شناسایی سنگ‌ های قیمتی

با توجه به این که طیف رامان هر ماده منحصر به فرد است؛ از طیف‌سنجی رامان می‌توان برای شناسایی انواع سنگ‌های قیمتی مانند الماس، زمرد، یاقوت، آکوامارین و حتی مروارید استفاده کرد. شکل ۱ نمونه‌ای از این شناسایی‌ها را نشان می‌دهد.

تجزیه و تحلیل نمونه‌های پیچیده (محصولات معدنی اولیه، کانی‌های غیر شفاف و اجسام با ضریب شکست بالا)

گوهر سیاه رنگی که در شکل ۲ مشاهده می‌کنید دارای ضریب شکست ۱.۸ است و شفاف نیست. بنابراین مثال خوبی برای تجزیه و تحلیل‌ نمونه‌های پیچیده به شمار می‌رود. بررسی این گوهر به روش‌های دیگر کار دشواری است اما طیف‌سنج رامان به خوبی نشان می‌دهد که سنگ مورد نظر موزانایت (Moissanite) است.

تعیین ترکیبات سنگ‌ ها

یکی از مهم‌ترین کاربردهای طیف‌سنجی رامان در گوهر شناسی تعیین ترکیبات سنگ‌ها به ویژه گارنت است. شکل ۳ این کاربرد را به خوبی نشان می‌دهد.

تعیین مبدا و منشا سنگ‌ های قیمتی

همان طور که می‌دانید منشا (origin) گوهر‌ها حائز اهمیت است. رامان اسپکتروسکوپی امکان تعیین منشا سنگ‌های قیمتی را فراهم می‌کند (شکل ۴).

طیف رامان ادخال‌های زیرکن در نمونه‌های یاقوت کبود از منشاهای مختلف. — **شکل ۴: طیف رامان ادخال‌های زیرکن در نمونه‌های یاقوت کبود از منشاهای مختلف**

تمییز سنگ‌ های تقلبی و اصلی

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های گوهرشناسی، شناسایی سنگ‌های تقلبی است. فیروزه یکی از گوهر سنگ‌هایی است که شرایط بسیار خاصی برای شکل‌گیری آن لازم است. بنابراین کمیاب و گران است. فیروزه با کیفیت می‌تواند از الماس نیز گران‌تر باشد. بنابراین برخی از افراد سودجو فیروزه تقلبی می‌سازند و آن را به قیمت گزاف به فروش می‌رسانند. خوشبختانه طیف رامان فیروزه طبیعی و مصنوعی کاملا متفاوت است. بنابراین به راحتی و در کوتاه‌ترین زمان ممکن می‌توان سنگ‌های تقلبی و اصلی را تفکیک کرد.

**شکل ۵: طیف‌ رامان فیروزه طبیعی و دو نمونه تقلبی**

تشخیص بهسازی حرارتی در سنگ‌ های رنگی

بهسازی حرارتی یکی از روش‌هایی است که برای بهبود رنگ سنگ‌های قیمتی، حذف ناخالصی‌ها و در کل بهبود بخشیدن به کیفیت گو‌هرها مورد استفاده قرار می‌گیرد. طیف‌سنجی رامان می‌تواند این فرآیند را تشخیص دهد. شکل ۶ تاثیر حرارت بر طیف رامان یک اسپینل را نشان می‌دهد. به این روش می‌توان بهسازی حرارتی بسیاری از سنگ‌ها از جمله الماس، توپاز، یاقوت و … را شناسایی کرد.

**شکل ۶: طیف رامان اسپینل قبل و بعد از فرایند بهسازی**

تهیه نقشه رامان از سنگ‌ ها

سنگ‌ها همیشه یک ترکیب ندارند و ممکن است هر بخشی از آن ترکیبات خاصی داشته باشد. تهیه نقشه رامان این امکان را فراهم می‌کند تا اطلاعات هر نقطه از یک سنگ را داشته باشیم. به عنوان مثال سودالیت از این گونه گوهر‌ها است. شکل ۷ نقشه رامان قسمتی از این سنگ را نشان می‌دهد. هر یک از سه طیف نشان دهنده یک ترکیب خاص در این سنگ است.

مطالعه مقاله آنالیز باکتری‌های تک سلولی با استفاده از طیف سنجی رامان

**شکل ۷: نقشه رامان قسمتی از سنگ سودالیت**

تفکیک گوهرهای یک زیر مجموعه

رامان اسپکتروسکوپی می‌تواند سنگ‌هایی که از یک زیر مجموعه هستند را تفکیک کند. به عنوان مثال سنگ یشم در دو نوع یشم اعلی (jadeite) و یشم نفریت در طبیعت وجود دارد. طیف رامان این دو یشم را می‌توانید در شکل ۸ مشاهده کنید.

تشخیص مروارید تقلبی و اصلی

رامان روش مناسبی برای شناسایی مرواریدهای اصلی و تقلبی است.

**شکل ۹: طیف رامان مروارید طبیعی و مصنوعی**

از طرف دیگر مرواریدهای سیاه رنگ طبیعی، بسیار کمیاب‌تر از مرواریدهای سفید رنگ هستند. این امر منجر به ارزش بالای این گوهرها شده است. با توجه به این موضوع بهسازی مروارید چندین دهه است که انجام می‌شود. به این صورت که مرواریدها را در نیترات نقره غوطه‌ور می‌کنند تا رنگ آن به سیاه تغییر کند. سال‌هاست که گوهرشناسان با این موضوع روبرو هستند. با این حال طیف‌سنج رامان می‌تواند به راحتی این بهسازی را تشخیص دهد. به شکل ۱۰ دقت کنید.

**شکل ۱۰: طیف رامان مروارید سیاه طبیعی و مروارید سیاه رنگ شده**

شناسایی ادخال (inclusion) گوهر سنگ‌ ها

به وسیله میکروسکوپ رامان می‌توان ادخال‌های موجود در سنگ‌ها را نیز شناسایی کرد. این ادخال‌ها می‌تواند از نوع گاز، مایع و یا جامد باشد. علاوه بر این در برخی موارد ‌وجود ادخال‌های خاص می‌تواند منشأ و پیدایش جواهرات را نشان دهد.

ادخال در یک نمونه سنگ کراندوم — **شکل ۱۱: الف) ادخال سیال و ب) ادخال معدنی در یک نمونه سنگ کراندوم**

تشخیص سنگ‌های پر شده (filled gemstones)

گاهی اوقات سنگ‌ها دارای میکرو ترک‌های سطحی هستند. برای پر کردن این ترک‌ها از مواد آلی و غیر آلی استفاده می‌شود. طیف رامان می‌تواند این بهسازی را آشکار کند. به عنوان مثال ترک‌های سطحی یاقوت سرخی که در شکل ۱۲ مشاهده می‌کنید پر شده است.

**شکل ۱۲: طیف رامان یاقوت طبیعی و پر شده**

به طور کلی می‌توان بهسازی‌هایی که روی سنگ‌ها انجام می‌شود را به وسیله طیف سنجی رامان شناسایی و آنالیز کرد.

بررسی گوهرهای موجود در جواهرات و مجسمه‌ها در محل با رامان پرتابل

همان طور که می‌دانید برخی از اشیا و جواهرات ارزشمند دارای سنگ‌های قیمتی هستند که در موزه‌ها نگهداری می‌شوند. به همین دلیل نمی‌توان این اشیا را از محل خود خارج کرد. در این موارد طیف‌سنجی رامان می‌تواند این مشکلات را حل کند. شما می‌توانید به وسیله رامان پرتابل از راه دور سنگ‌های موجود در جواهرات را شناسایی و آنالیز کنید.

کاربرد طیف‌ سنجی Uv-Vis در گوهرشناسی

در طیف‌سنجی مرئی-فرابنفش یا اسپکتروفتومتری بخش‌هایی از نور تابشی جذب ماده می‌شود. اگر این نوارهای جذبی به صورت نمودار رسم شوند، می‌توانند برای شناسایی مواد مورد استفاده قرار گیرند. جذب و عبور نور از گوهرها با ترکیبات شیمیایی و ساختار کریستالی آن‌ها مرتبط است. کاربرد طیف‌سنجی UV-Vis در گوهرشناسی سابقه طولانی دارد. این اسپکتروفتومتر در مقایسه با سایز تجهیزات بسیار کارامدتر است. زیرا به آماده‌سازی نمونه نیازی ندارد، غیر مخرب است و در کوتاه‌ترین زمان ممکن نتایج را ارائه می‌دهد. در ادامه برخی از کاربردهای روش طیف‌سنجی یووی-ویز را برای گوهرشناسی بررسی خواهیم کرد.

شناسایی سنگ ‌های رنگی

با استفاده از طیف جذبی می‌توان سنگ‌های رنگی را شناسایی کرد. در موارد خاص سنگ‌های بی‌رنگ را نیز می‌توان از هم تمییز داد (به شرطی که در ناحیه uv یا NIR جذب داشته باشند). در شکل ۱۳ طیف جذبی الماس طبیعی صورتی رنگ، الماس صورتی تقویت شده با رنگ مصنوعی، زیرکنیای مکعبی صورتی و YAG صورتی که به عنوان الماس تقلبی شناخته می‌شود، نشان داده شده است.

**شکل ۱۳: طیف جذبی الماس طبیعی صورتی رنگ، الماس صورتی تقویت شده با رنگ مصنوعی، زیرکنیای مکعبی صورتی و YAG صورتی**

تفکیک الماس های طبیعی و مصنوعی

همان طور که می‌دانید یکی از مشخصه‌های شناخت الماس طبیعی وجود اتم نیتروژن در ساختار شبکه‌ آن است. بنابراین شناسایی آن برای گوهر شناسان حائز اهمیت است. یکی از تکنیک‌هایی که می‌تواند این کار را انجام دهد، طیف‌سنجی جذبی یا طیف‌سنجی UV-Vis است. اتم‌های نیتروژن طیف جذبی خاصی دارند که از طیف جذبی کربن متفاوت است. بنابراین از روی طیف جذب می‌توان به نقص شبکه پی برد و الماس طبیعی را از نوع مصنوعی و بهسازی شده تفکیک کرد.

مطالعه مقاله کاربرد طیف سنجی در علوم جنایی

تشخیص مبدا سنگ‌ های قیمتی

سنگ‌های هر منطقه ویژگی‌ و ترکیبات خاص خود را دارند. به همین دلیل می‌توان از روی طیف جذبی ‌آن‌ها مبدا و منشا سنگ‌ها را به دست آورد. به عنوان مثال طیف جذبی یاقوت کبود دگرگونی از سریلانکا با طیف جذبی یاقوتی که از کشور استرالیا استخراج شده است، متفاوت است (شکل ۱۴).

**شکل ۱۴: طیف جذب UV-Vis-NIR یاقوت کبود دگرگونی از سریلانکا (سمت چپ) و یاقوت کبود از استرالیا (راست)**

تفکیک سنگ‌ های طبیعی و مصنوعی

سنگ‌های مصنوعی برای اولین بار در اواخر دهه ۱۸۰۰ معرفی شدند. بعد از آن چالشی برای گوهرشناسان ایجاد شد که سنگ‌های طبیعی و مصنوعی را از هم تفکیک کنند. امروزه به راحتی می‌توان به وسیله اسپکتروفتومتری این کار را انجام داد.

**شکل ۱۵: طیف جذبی زمرد طبیعی از کشور روسیه و زمرد مصنوعی**

بررسی ترکیبات گوهرها

همان طور که می‌دانید ترکیبات مختلف، طیف جذبی متفاوتی دارند. با استفاده از همین ویژگی می‌توان ترکیبات شیمیایی سنگ‌های قیمتی را بررسی کرد. به عنوان مثال در شکل ۱۶ وجود و یا عدم وجود مس در سنگ تورمالین مورد مطالعه قرار گرفته است.

**شکل ۱۶: بررسی وجود و عدم وجود مس در سنگ تورمالین آبی**

کاربرد طیف‌ سنجی فلورسانس در گوهرشناسی

گوهرشناسان به دنبال روش‌های دقیق، سریع و ساده برای شناسایی سنگ‌های قیمتی هستند. متأسفانه، پیشرفت‌های فنی در سنتز و بهسازی سنگ‌های قیمتی، پیچیدگی شناسایی آن‌ها را افزایش داده است. طیف‌سنجی فلورسانس یکی از روش‌هایی که گوهرشناسان به وفور از آن استفاده می‌کنند. در ادامه کاربردهای این طیف‌سنجی را با هم بررسی می‌کنیم.

جداسازی الماس‌های مصنوعی، طبیعی و بهسازی

یکی از چالش‌های مهمی که گوهرشناسان با آن مواجه هستند، تفکیک الماس طبیعی از الماس‌های مصنوعی و بهسازی شده است. اخیرا فرآیند بهسازی برای تولید طیف وسیعی از الماس‌های رنگی بسیار رواج پیدا کرده است. بنابراین جامعه گوهر‌شناسی به یک روش مطمئن، سریع و غیر مخرب نیاز دارند تا بتوانند در مدت زمان کمتری نتایج قابل استنادی ارائه دهند. طیف سنجی PL (Photoluminescence) و طیف‌سنجی فلورسانس یکی از روش‌هایی است که به کمک آن می‌توان این سه دسته الماس (طبیعی، CVD و بهسازی) را از هم جدا کرد.

**شکل ۱۷: تفکیک الماس طبیعی، CVD و بهسازی از یکدیگر توسط طیف‌سنجی PL**

درجه بندی الماس

منشا الماس و فرآیند بهسازی از عواملی هستند که بر روی قیمت و ارزش این گوهرسنگ تاثیر می‌گذراند. بنابراین تجزیه و تحلیل نتایج به دست آمده از طیف‌سنجی PL حائز اهمیت است. از طرفی کارشناسان به کمک تجزیه و تحلیل این نتایج، می‌توانند الماس را درجه‌بندی کنند.

تفکیک انواع الماس‌های بهسازی شده

احتمالا می‌دانید که بر روی یک الماس می‌توان فرآیند‌های مختلف بهسازی را اعمال کرد. از بهسازی‌ ترکیبی معمولا برای تولید الماسی با رنگ خاص مانند صورتی استفاده می‌کنند. اما ترکیبی از این بهسازی‌ها را می‌توان برای پنهان کردن بهسازی‌های قبلی و طبیعی‌تر جلوه دادن الماس به کار برد. اینجاست که کار گوهرشناسان دشوارتر نیز می‌شود. خوشبختانه به کمک طیف‌سنجی PL می‌توان این روش‌های ترکیبی بهسازی را شناسایی کرد.

تشخیص ناخالصی های موجود در ساختار الماس

ناخالصی‌های موجود در ساختار الماس را به کمک طیف‌سنجی لومینسانس می‌توان تشخیص داد. شکل زیر وجود ناخالصی نیتروژن در الماس را از طریق طیف PL نشان می‌دهد.

**شکل ۱۹: تشخیص ناخالصی‌های الماس به کمک طیف سنجی PL**

شناسایی سنگ‌ های قیمتی رنگی

گوهر‌های رنگی را می‌توان به وسیله طیف‌سنجی فلورسانس شناسایی کرد. به شکل ۲۰ توجه کنید. در این شکل چند نمونه از سنگ‌های رنگی شامل کراندوم، اسپینل، بریل، توپاز، گارنت و زوئیزیت به این روش شناسایی شده‌اند.

شکل ۲۰: طیف فلورسانس سنگ‌های رنگی رایج در بازار تجارت: (الف) کروندوم، (ب) اسپینل، (ج) بریل، (د) زوئیزیت، (ه) توپاز و (ی) گارنت.

جمع‌ بندی

شما در این دانشنامه با سه روش طیف‌سنجی که در گوهرشناسی کاربرد دارد، آشنا شدید. ما سعی کردیم مهم‌ترین کاربردهای طیف‌سنجی رامان، طیف‌سنجی UV-Vis و فلورسانس را در این زمینه بیان کنیم. همچنین شرح دادیم که روش‌های طیف‌سنجی برخی از چالش‌های گوهرشناسان را می‌تواند به راحتی حل کند. شرکت تکسان وبیناری در این حوزه برگزار کرده است که شما می‌توانید آن را در صفحه وبینارهای طیف سنجی مشاهده کنید.