大型儀器在彩色鉆石顏色成因研究中的應(yīng)用

傅曦（深圳技師學(xué)院）

鉆石是由碳元素組成的一種晶體，既能夠來自自然形成，也可通過人工合成。自然界中的鉆石可呈現(xiàn)出不同的顏色，其中彩色鉆石因?yàn)橛兄匀说纳?，同時(shí)又有著耀眼的光彩，具有色彩鮮艷、裝飾性好的特點(diǎn)，因此成為眾多收藏家的收藏品，同時(shí)彩色鉆石也是身份與地位的象征。相對(duì)于一般的鉆石，紅色、藍(lán)色、紫色等彩色鉆石的價(jià)值更高，這是因?yàn)椴噬@石的產(chǎn)量較低，而且彩色鉆石的色散、硬度、折射率均較高。通過對(duì)彩色鉆石顏色成因的分析，可為更多彩色鉆石的研究以及人工制作提供指導(dǎo)，本文結(jié)合部分文獻(xiàn)報(bào)道以及筆者工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大型儀器在彩色鉆石顏色成因研究中的應(yīng)用展開分析。

一、彩色鉆石顏色成因分析

掌握彩色鉆石顏色成因?qū)κ褂么笮蛢x器進(jìn)一步開展彩色鉆石顏色成因研究有一定的參考價(jià)值。有研究指出，彩色鉆石出現(xiàn)的不同顏色與其內(nèi)部本身所含有的微量元素有關(guān)，大部分無色鉆主要組成是碳元素，部分彩色鉆石中因?yàn)楹幸欢ū壤奈⒘吭?，這些微量元素會(huì)占據(jù)碳元素的位置，使得鉆石出現(xiàn)其他顏色，如鉆石內(nèi)部含有氮元素且代替了碳元素位置后可使得鉆石呈現(xiàn)出黃色。

彩色鉆石的成因還與不同鉆石內(nèi)部晶格發(fā)生扭曲有關(guān)，比如紅色鉆石、粉色鉆石，此外，部分鉆石可能受到內(nèi)含物的影響，使其呈現(xiàn)出不同顏色，比如黑鉆。

綜合不同學(xué)者有關(guān)彩色鉆石顏色成因的研究，整體可分為三種原因：

（1）鉆石中存在微量元素，微量元素的加入與混合引起鉆石出現(xiàn)其他顏色。

（2）塑性變形，高溫、高壓作用下引起晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變性，出現(xiàn)不同顏色。

（3）輻照原因。

隨著地質(zhì)學(xué)的發(fā)展以及不同地質(zhì)學(xué)者對(duì)彩色鉆石成因的持續(xù)研究，鉆石內(nèi)部存在缺陷或者含有雜質(zhì)逐步成為彩色鉆石成因的重點(diǎn)研究方向。

鉆石中碳原子出現(xiàn)缺失或者在結(jié)構(gòu)排列方面不規(guī)則而引發(fā)缺陷，此外，部分鉆石中其他雜質(zhì)的存在會(huì)代替部分碳原子的位置，使得鉆石呈現(xiàn)出不同顏色變化。鉆石缺陷可能是在鉆石長期形成過程中發(fā)生的，也可能是鉆石形成后并長時(shí)間埋藏在地球深部受到高壓、高溫作用而引發(fā)的晶體變形，所以通過對(duì)鉆石缺陷的研究可為彩色鉆石成因研究提供理論指導(dǎo)。

二、儀器進(jìn)行彩色鉆石顏色成因分析的基礎(chǔ)

結(jié)合近年來，地質(zhì)學(xué)中關(guān)于彩色鉆石成因的分析，鉆石內(nèi)部存在缺陷是重點(diǎn)研究方向。彩色鉆石中的缺陷不同，可能是碳原子缺失，也可能是其他元素原子代替碳原子，這些都會(huì)使得不同彩色鉆石具有差異性。不同彩色鉆石缺陷會(huì)影響到光的吸收，不同波長光因?yàn)樵谖辗矫娲嬖诓町?，人們?nèi)庋劭吹降你@石顏色會(huì)出現(xiàn)不同。

如綠色鉆石的產(chǎn)生與氫相關(guān)缺陷、與鎳相關(guān)缺陷有關(guān)；紫色鉆石、灰色鉆石、藍(lán)色鉆石則與硼雜事、氫缺陷等有關(guān)；孤立氫原子與黃鉆、橙鉆有關(guān)。既然不同彩色鉆石的出現(xiàn)與內(nèi)部缺陷以及對(duì)光的吸收差異性有關(guān)，可通過檢測光吸收、光譜分布特點(diǎn)的一些儀器進(jìn)行不同彩色鉆石分析，結(jié)合光譜吸收特點(diǎn)進(jìn)一步細(xì)化并確定彩色鉆石的可能成因，為更多彩色鉆石研究以及人工合成、處理等提供理論指導(dǎo)。

三、不同大型儀器在彩色鉆石顏色成因研究中的具體應(yīng)用

（一）紫外-可見分光光度計(jì)在彩色鉆石成因研究中的應(yīng)用

紫外-可見分光光度法是一種定性與定量相結(jié)合的結(jié)構(gòu)分析方法，其主要是根據(jù)不同物質(zhì)對(duì)200～760nm 這一范圍內(nèi)電磁波吸收特性而建立的方法，具體應(yīng)用中需要使用紫外-可見分光光度計(jì)。結(jié)合紫外-可見分光光度法的實(shí)際應(yīng)用，其在各種物質(zhì)含量測定、相關(guān)藥品鑒定、藥品鑒別等方面均有應(yīng)用，且在實(shí)際應(yīng)用中有操作簡單、重現(xiàn)性好、準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢，同時(shí)在較多行業(yè)領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用。

使用紫外-可見分光光度計(jì)研究彩色鉆石顏色成因方面，通過電磁輻射，彩色鉆石中的原子等可產(chǎn)生分子吸收光譜，相應(yīng)的吸收光譜可被紫外-可見分光光度計(jì)檢測。使用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行彩色鉆石成因分析中，因?yàn)椴煌噬@石內(nèi)部所包含的致色雜質(zhì)離子不同，進(jìn)而會(huì)對(duì)不同波長的入射光所產(chǎn)生的選擇性吸收程度也會(huì)差異，依據(jù)這種吸收的差異性用于不同彩色鉆石內(nèi)部雜質(zhì)的判斷，進(jìn)而確定不同彩色鉆石的成因，這也是使用紫外-可見分光光度計(jì)能夠進(jìn)行彩色鉆石成因研究的理論基礎(chǔ)。

結(jié)合有關(guān)彩色鉆石的研究分析，如果鉆石中在415nm 處存在光譜吸收，并在其他波長位置存在吸收帶表現(xiàn)，比如376nm、384nm、394nm、403nm 處有相關(guān)吸收帶，通常同時(shí)彩色鉆石存在N3 中心；如果使用紫外-可見分光光度計(jì)檢測過程中，光譜吸收對(duì)應(yīng)波長處于425nm、438nm、452nm、465nm、478nm 附近，則表明彩色鉆石中存在N2 中心；與氫相關(guān)的吸收波長主要有474nm、563nm；部分鉆石可呈現(xiàn)出弱綠色，其主要與H3 中心引起波長在503.2nm 位置出現(xiàn)的吸收有關(guān)。

通過總結(jié)不同彩色鉆石的光譜吸收特點(diǎn)能夠?yàn)槠涑梢蚍治鎏峁﹨⒖?，粉色鉆石使用紫外-可見分光光度計(jì)檢測中可見其存在寬吸收帶，相應(yīng)的波長為550nm，隨著吸收強(qiáng)度的增加，鉆石中粉色-紅色顏色會(huì)加重。通過對(duì)粉色鉆石研究，吸收帶除了在550nm 外，通常還包括390nm。同一顏色的彩鉆，分級(jí)不同，相應(yīng)的光譜吸收情況也會(huì)有所不同。Ⅰ型鉆石中常見N3 中心和390nm帶的重疊情況，而在Ⅱ型鉆石中不存在N3 中心或者N3 微弱，相應(yīng)的能夠清晰地看到390nm 出現(xiàn)的吸收情況。

如果是黃鉆，其呈現(xiàn)出的“金黃色”與鉆石中孤立氮Ib 型鉆石對(duì)500nm 及其以下波長的吸收有關(guān)，黃色鉆石的飽和度會(huì)受到N2 中心影響，并對(duì)鉆石中有無“檸檬黃”產(chǎn)生直接影響；部分黃鉆中可含有綠色、褐色，這些顏色與鉆石中的氫吸收有關(guān)。

部分綠鉆中的成因與H3、鎳有關(guān)，通過靈活使用紫外-可見分光光度計(jì)瓦城檢測，氮集合體與上述缺陷屬于共存狀態(tài)，光譜吸收會(huì)靠近光譜藍(lán)端，N3 中心存在的光譜吸收相應(yīng)波長為415nm。富氫引起的綠鉆，通過紫外-可見分光光度計(jì)檢測可見寬吸收帶，且吸收帶會(huì)以530nm 波長處的吸收為中心。

（二）傅里葉變換紅外光譜儀在彩色鉆石成因研究中的應(yīng)用

傅里葉變換紅外光譜儀在較多樣品定性分析、定量分析中均有應(yīng)用，且應(yīng)用廣泛，如煤炭、環(huán)保、寶石鑒定等。不同彩色鉆石因?yàn)樵诔梢蚍矫嬗兴煌?，所以使用紅外光譜照射過程中，不同彩色鉆石對(duì)同一種光線會(huì)產(chǎn)生不同反應(yīng)，紅外光譜能夠結(jié)合彩色鉆石對(duì)紅外線的反應(yīng)來判斷彩色鉆石中所含有的雜質(zhì)。通過紅外光譜檢測并同已有光譜數(shù)據(jù)庫對(duì)比，可確定出彩色鉆石中含有的雜質(zhì)元素，確定出不同彩色鉆石的成因。對(duì)于彩色鉆石通過使用傅里葉變換紅外光譜儀，可明確鉆石中存在的雜質(zhì)，比如硼、氮；根據(jù)彩色鉆石檢測過程中紅外光譜特征還能用于確定鉆石中是否含有其他雜質(zhì)原子。

從彩色鉆石的紅外吸收方面分析，氮吸收是鉆石的主要紅外吸收對(duì)象，其中Ⅰ型鉆石中的Ⅰa 型鉆石，其中A 型 氮吸收主要在1282cm-1，B 型氮（4N+V）的吸收則主要在1175cm-1；對(duì)于Ⅰb 型鉆石，其孤立氮吸收主要集中在1344cm-1、1130cm-1。從Ⅱ型鉆石方面分析，傅里葉變換紅外光譜儀檢測后，在Ⅱa 型鉆石中沒有氮的檢出，對(duì)于Ⅱb 型鉆石，其存在的硼吸收主要集中在2803cm-1、2458cm-1。在Ia 型鉆石中，與氫相關(guān)的吸收主要集中在3236～4703cm-l、3050～3155cm-l和3055～2982cm-l吸收；Ib 型鉆石與氫相關(guān)的吸收則集中在3394cm-l、3372cm-l、3343cm-l、3310cm-l、3181cm-l、3145cm-l和3137cm-l。依據(jù)相關(guān)吸收所處位置的不同以及紅外光譜特征的不同更好的指導(dǎo)彩色鉆石研究分析。

Ⅰa 型鉆石中存在H3 與鎳缺陷而引起的綠鉆，較多H3 缺陷鉆石中含有氮，且含量也有差異，既有低含量的，也有中等含量。部分綠色鉆石與其存在氫相關(guān)的缺陷有關(guān)，通過傅里葉變換紅外光譜儀檢測后可見其中氫、氮濃度較高；A/B 比例不同會(huì)對(duì)相關(guān)吸收峰的偏移情況產(chǎn)生影響。如果綠鉆主要是與鎳相關(guān)缺陷有關(guān)，通過傅里葉變換紅外光譜儀的檢測，可見其中氮雜質(zhì)的濃度較低，且以A中心為主，個(gè)別情況下可存在B中心，且含量較少。通常情況下，通過紅外光譜檢查可見C 中心，但是較少見。部分彩色鉆石的顏色變化與H3 相關(guān)，通過使用傅里葉變換紅外光譜儀檢測，可見其中存在較低并與氫相關(guān)的缺陷，而且含量存在一定的變動(dòng)區(qū)間。

綠色鉆石同天然輻射GR1 缺陷有關(guān)，通過使用傅里葉變換紅外光譜儀檢測，其中既有氮含量水平較高的Ia 型鉆石，同時(shí)也有存在氮雜質(zhì)的Ⅱa 型鉆石，但是因?yàn)楹枯^低，已經(jīng)超過了儀器的檢測范圍，故而在檢測中無法檢出，整個(gè)彩色鉆石中氫的含量具有較大的波動(dòng)范圍，不同鉆石中的變化較大。使用傅里葉變換紅外光譜儀在彩色鉆石成因檢測過程中，對(duì)于部分不可確定的并且同間隙氮相關(guān)的缺陷使用紅外光譜中同樣能夠檢測出，即H1a 缺陷，其吸收波長主要集中在1450cm-1處。

（三）光纖光譜儀在彩色鉆石成因研究中的應(yīng)用

光纖光譜儀在彩色鉆石成因分析方面也有重要的應(yīng)用，在彩色鉆石研究中，利用光纖光譜儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉆石中多個(gè)波段特征的測量。使用GEM3000型光纖光譜儀檢測中，可獲取不同彩色鉆石紫外-可見-近紅外光譜，同時(shí)還能夠在不同溫度條件下（液氮溫度至室溫）通過對(duì)光源的激發(fā)，獲得不同彩色鉆石的光致發(fā)光光譜。隨著光纖光譜儀技術(shù)的發(fā)展與設(shè)備的更新，通過使用RRIM2000 系列分光計(jì)能夠獲取彩色鉆石的光致發(fā)光光譜。光致發(fā)光本質(zhì)屬于一種測試，不僅具有較高的靈敏度，而且屬于無損檢測方法，因而在彩色鉆石成因分析中有應(yīng)用優(yōu)勢。檢測中準(zhǔn)備好彩色鉆石，并準(zhǔn)備好紫外光、可見光、紅外光等光源，將彩色鉆石暴露在上述光源下，通過對(duì)鉆石內(nèi)部原子間相互作用所產(chǎn)生光譜的測量，得到發(fā)光光譜，根據(jù)特異性發(fā)光光譜去確定出不同彩色鉆石中的雜質(zhì)。

光致發(fā)光進(jìn)行過程中，其選擇的問題通常為液氮溫度（約77K），這一溫度下可檢測到更低的缺陷含量水平，檢測水平可達(dá)到十億分之一。針對(duì)天然開普系列黃鉆通過光纖光譜儀的檢測與使用，可獲取較多的有用信息，如415nm(N3)、496nm(H4)、503.2nm(H3)以及不同波長的PL 峰（如508nm、535nm、700nm、787nm、952nm 等）。不同波長所引起的光譜吸收存在不同，比如黃色體色的N3 強(qiáng)吸收與415nm 有關(guān)，而與鎳、氮、氫有關(guān)的主要為700nm、787nm。如果是孤立氮原子所引起的黃色鉆石或者橙色鉆石，通過檢測，其光致發(fā)光包括503.2nm(H3)、565.8nm、575nm(NV0)、578nm、604nm 等吸收。NV 中心在575nm、637nm 位置以及存在H2 缺陷在986nm 處存在最強(qiáng)吸收。黃鉆呈現(xiàn)出來的顏色主要同480nm 吸收帶相關(guān)，通過檢測，確定波長范圍在550nm 到700nm，這一波長范圍內(nèi)存在較多PL 峰，且PL 峰較小，波長范圍內(nèi)存在的吸收波長也較多，如592nm、619nm、678nm 等。在波長為480nm情況下，通過藍(lán)色激光或綠色激光對(duì)鉆石予以照射，此時(shí)通過光譜紅端能夠看到發(fā)光帶，整個(gè)發(fā)光帶中心在670-700nm。波長在480nm 情況下吸收后看到的體色只有黃色，將其與紅色發(fā)光相結(jié)合，則能夠產(chǎn)生橙色。黃色鉆石與橙色鉆石在PL 光譜方面存在一定的相似性，前者主要是由H3 缺陷引起，后者不僅有H3 缺陷，同時(shí)在波長為550nm處存在光譜吸收，兩者結(jié)合形成橙色鉆石，PL 光譜吸收包括494nm(H4)、575nm(NV0)、637nm(NV-)、657nm、700nm、812nm、986nm(H2)。

針對(duì)H3 缺陷引起的綠鉆，使用光纖光譜儀檢測過程中，與上述提及的其他顏色鉆石相比，其在檢測后只有少量的明顯PL 特征，吸收特點(diǎn)主要包括503.2nm(H3)、575nm(NV0)、637nm(NV-)、741nm(GR1) 等。雖 然H2 和H3 在結(jié)構(gòu)方面是相同的，但是因?yàn)閹в胸?fù)電荷，帶負(fù)電荷的缺陷有痕量的單個(gè)取代碳原子的氮，并作為電子的供體。富氫綠鉆也同樣也具有PL 特征，其吸收峰主要表現(xiàn)在694nm、700nm、716nm、787nm、793nm 處，個(gè)別總有H3 缺陷(503.2nm)的存在。

綠色鉆石也可能與鎳雜質(zhì)有關(guān)，此類鉆石在檢測后存在較多PL 特征，而且有一定的相似性，比如Ni-N 配合物在700nm、787nm、793nm 波長位置存在吸收峰。此外，不同彩色鉆石還存在不同的PL 特征，相對(duì)較常見的比如883nm、885nm 存在的強(qiáng)吸收。部分綠鉆成因與GR1 相關(guān)，在檢查期間內(nèi)部的輻射損傷具有明顯的分布不均勻特點(diǎn)，除了內(nèi)部，寶石的表面同樣存在輻射損傷并且分布不均勻，這些造成了PL 光譜有著較大的變化區(qū)間。鉆石中PL 峰最強(qiáng)的是穩(wěn)定缺陷引起的光譜吸收，包括741nm、744nm(GR1)、503.2nm(H3)、637nm(NV-)等。與此同時(shí)還存在較多不穩(wěn)定并且較弱的PL，這是因?yàn)檩椛湟痖g隙原子，對(duì)應(yīng)的吸收波長位置在526nm、587.9nm、647.2nm、722.5nm等處。

（四）紫外熒光燈在彩色鉆石成因研究中的應(yīng)用

紫外熒光燈在彩色鉆石成因研究中同樣有重要的研究價(jià)值，資料報(bào)道指出，通過紫外熒光燈的使用可用于鉆石與其仿制品、紅寶石等鑒定，結(jié)合不同鉆石熒光顏色變化評(píng)價(jià)不同鉆石的發(fā)光性(熒光)，并為彩色鉆石成因分析提供參考。

隨著對(duì)鉆石的研究，紫外線激發(fā)下，部分鉆石可發(fā)出可見光，但是在紫外燈管壁后，鉆石發(fā)出的可見光會(huì)消失，即所謂的熒光，但是部分鉆石在關(guān)閉紫外燈后，鉆石依舊可以繼續(xù)，稱之為磷光。依據(jù)上述特點(diǎn)，通過紫外熒光燈的使用，并根據(jù)不同鉆石存在熒光或者磷光特點(diǎn)，作為彩色鉆石成因的依據(jù)。

鉆石的色級(jí)會(huì)受到照明條件的影響，如辦公室常用的照明通常有最少的紫外光，相應(yīng)的對(duì)鉆石的色級(jí)影響也是最小的；相對(duì)而言，靠近窗子的室內(nèi)照明、室外照明存在較高的紫外光，會(huì)使得鉆石顯示顏色對(duì)應(yīng)色級(jí)提升。

較多Ⅰ型粉鉆通過使用長波紫外光分析，可出現(xiàn)中級(jí)以上強(qiáng)度的熒光，顏色主要是藍(lán)色，如果使用短波紫外光，則不會(huì)顯示出熒光或者僅有微弱的熒光，此時(shí)可呈現(xiàn)出藍(lán)色或黃色。較多Ⅱ型粉鉆通過使用長波紫外光激發(fā)，可出現(xiàn)熒光，強(qiáng)度較弱，最大能夠達(dá)到中等程度，顏色表現(xiàn)出藍(lán)色，而在短波紫外光下會(huì)進(jìn)一步變?nèi)趸蛘邿o反應(yīng)，根據(jù)不同波長紫外光下彩色鉆石的激發(fā)，并結(jié)合熒光變化作為成因的參考。

四、結(jié)束語

在彩色鉆石顏色成因研究中，許多大型儀器均有著一定的參考價(jià)值，通過不同儀器的使用，利用電磁波、光譜吸收等相關(guān)知識(shí)判斷出不同彩色鉆石中的雜質(zhì)以及鉆石中含有的缺陷情況，作為不同彩色鉆石出現(xiàn)相應(yīng)顏色的依據(jù)。當(dāng)然因?yàn)椴煌笮蛢x器在檢測原理方面有所不同，實(shí)際應(yīng)用中也存在相應(yīng)的局限性，需要不斷加大研究，并注重不同大型儀器的綜合使用，共同提升對(duì)彩色鉆石成因分析的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。