1 中国地质大学(武汉)珠宝学院, 湖北 武汉 430074湖北省珠宝工程技术研究中心, 湖北 武汉 430074
2 上海珠宝测试鉴定处, 上海 200010
硬水铝石是珠宝市场上流行的彩色宝石, 因其具有独特的变色效应（日光下呈现棕黄绿色, 白炽灯下呈现紫红色）而被广大消费者欢迎。 研究硬水铝石的变色成因对于宝石的切割加工、 优化处理以及价值评估有着重要意义。 目前硬水铝石的变色成因研究较少, 考虑到硬水铝石的化学成分和晶体结构与刚玉类似, 刚玉的颜色成因理论研究较为成熟, 因此, 为研究硬水铝石的变色成因, 本文选取与硬水铝石变色效应非常相近的变色刚玉, 从二者的微量元素、 紫外-可见光光谱与晶体结构等方面进行对比研究。 运用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪测试了样品的微量元素, 根据测试结果, 硬水铝石样品中致色元素主要有Fe、 Cr、 V、 Ti, 刚玉样品中致色元素主要有Mg、 Ti、 Fe、 V、 Cr, 二者的微量元素种类相似, 但含量有差异。 运用紫外-可见光光谱与偏振紫外-可见光光谱表征了变色硬水铝石与变色刚玉在可见光区的吸收特征, 发现硬水铝石中存在位于387、 398、 438和448 nm处的吸收峰以及中心位于572 nm左右的宽缓吸收带, 正是这一宽缓吸收带导致了变色效应, 与之对应的, 变色刚玉中存在位于377、 388和450 nm处的吸收峰以及中心位于560 nm左右的宽缓吸收带。 二者在可见光区的吸收特征非常类似。 有差异的是, 变色刚玉的560 nm吸收带不存在明显的偏振性, 而硬水铝石的572 nm吸收带存在偏振性, 晶体中电荷转移导致的吸收特征往往具有偏振性。 通过二者晶体结构的对比分析与刚玉中的电荷补偿理论分析, 推测硬水铝石中398 nm吸收峰由Fe3+导致, 387、 438和448 nm吸收峰由Fe3+-Fe3+离子对导致, 572 nm处的宽缓吸收由Cr、 V、 Fe2+-Ti4+离子对产生。 硬水铝石的变色效应是在Cr、 V、 Fe2+-Ti4+离子对的综合作用下产生的。 本研究通过类比变色效应相近的刚玉, 研究了硬水铝石的变色成因, 为研究宝石中的类似问题提供了新思路。
硬水铝石 变色成因 紫外-可见光光谱 谱峰归属 微量元素 Diaspore Alexandrite effect origin UV-Vis spectrum Assignments on peaks Trace elements 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2557
1 华北理工大学矿业工程学院, 河北 唐山 063210
2 河北地质大学宝石与材料学院, 河北 石家庄 050031
尖晶石[(Mg, Fe, Zn, Mn)(Al, Cr, Fe)2O4]是一种典型的镁铝氧化物, 常用于宝石、 陶瓷及微晶玻璃材料中。 近年来, 一种颜色为矢车菊蓝色的天然尖晶石晶体出现在市场中, 备受收藏者和设计师们的喜爱, 其价格也不断攀高。 天然钴尖晶石常呈矢车菊蓝色, 透明, 长波紫外光下显示弱-中等的绿色荧光, 短波呈惰性, 变色钴尖晶石在日光下常呈矢车菊蓝色而在白炽灯下呈紫红色。 采用电子探针、 电感耦合等离子体质谱、 傅里叶变换红外光谱、 显微聚焦激光拉曼光谱、 紫外可见吸收光谱和阴极发光等测试技术获得了天然钴尖晶石和变色钴尖晶石的谱学特征, 并探讨了其颜色成因和变色机理。 结果表明: 天然钴尖晶和变色钴尖晶石属于镁尖晶石, 其主要化学成分为MgO和Al2O3, 平均含量分别为25.77%和71.37%; 此外, 过渡族元素Zn, Fe, Co和V含量较高, 其平均含量分别为1 337.85, 831.53, 99.52和58.26 μg·g-1。 天然钴尖晶石与变色钴尖晶石的红外光谱和拉曼光谱与普通尖晶石的特征峰基本一致, 其中红外光谱在517, 589和704 cm-1处的主位均发生红移, 其红移范围在5~33 cm-1之内; 拉曼特征峰集中在300~800 cm-1范围之内。 结合化学成分分析、 紫外可见吸收光谱和阴极发光测试结果, 认为天然钴尖晶石的颜色是因晶格中所含Co2+, Fe3+和V3+中的电子跃迁共同作用所致。 由于Co2+发生自旋禁阻跃迁4T1g(4F)→4T1g(4P)使得可见光橙黄区(550~630 nm)内产生吸收带, 而V3+的外层电子跃迁(3T1g→3T1g(3P))和Cr3+的外层电子跃迁(4A2→E2)使得可见光蓝紫区(400~490 nm)内产生吸收线, 可见光中红光和蓝光均匀透过, 从而使其产生变色效应。 该研究基本确定了天然钴尖晶石的谱学特征和成色机理, 以及变色钴尖晶石的变色效应, 为其科学鉴别提供了可靠的理论依据, 有助于天然钴蓝色尖晶石与普通蓝色尖晶石、 合成钴蓝色尖晶石的区分, 具有重要的理论研究和商贸学应用价值。
钴尖晶石 谱学特征 变色效应 Cobalt spinel Spectral characteristics Alexandrite effect Co2+ Cr3+ Co2+ Cr3+ 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2130
1 中国地质大学(武汉)珠宝学院, 湖北 武汉 430074
2 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083
磷灰石是珠宝市场上常见的宝石品种, 因颜色丰富而广受欢迎。 变色磷灰石是稀有品种且价格高昂, 该品种在D65光源（色温6 500 K）下呈黄绿色, A光源（色温2 856 K）下呈粉红色, 其可见光光谱的谱学特征与变色成因未被详细研究。 基于此, 将一颗变色磷灰石晶体, 沿其平行c轴和垂直c轴方向各切下一个薄片并双面平行抛光, 分别测试其可见光光谱与微量元素。 结果发现, 其可见光光谱中谱峰较多: 位于583和578 nm处的吸收双峰强度最强, 位于748和738 nm处的吸收双峰强度中等, 分别位于688和526 nm处的吸收峰, 强度较弱。 还有一些非常微弱的吸收峰, 分别位于514, 483, 473和443 nm处。 位于748和738 nm处的吸收双峰与583和578 nm处的吸收双峰共同造成了红橙光区的透射窗, 583和578 nm处的吸收双峰与526 nm处的吸收峰共同造成了黄绿光区的透射窗。 D65光源和A光源由于相对光谱功率分布不同, 在不同透射窗的透过有所不同, 导致变色磷灰石在不同光源下呈现出不同颜色。 D65光源中黄绿光成分较多, 透过黄绿光区透射窗的成分较多, D65光源下磷灰石呈黄绿色, A光源中红光成分较多, 通过红橙光区透射窗的成分较多, A光源下磷灰石呈粉红色。 因此, 磷灰石的变色效应与位于748和738 nm处的吸收双峰, 位于583和578 nm处的吸收双峰以及位于526 nm处的吸收峰相关。 根据微量元素数据与稀土元素的晶体场理论, 这些吸收峰是由稀土元素钕（Nd）导致。 根据不同晶体方向样品的可见光光谱特征, 平行c轴方向变色效果更好, 建议加工变色磷灰石晶体时宝石台面应尽量平行c轴。 该研究结合微量元素与可见光光谱分析了变色磷灰石的变色成因, 并为其加工切割方向提供了指导。
磷灰石 变色效应 可见光光谱 微量元素 Apatite Alexandrite effect Visible spectrum Trace elements 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1483
1 中国地质大学（北京）珠宝学院, 北京 100083
2 国土资源部珠宝玉石首饰管理中心, 北京 100013
硬水铝石（α-AlOOH）是铝土矿的主要组成矿物之一, 常用于工业提炼铝以及制作耐火材料。 近年来, 一种具有变色效应的硬水铝石晶体开始在市场中出现。 采用X射线荧光能谱仪、 红外光谱仪、 拉曼光谱仪、 紫外可见近红外分光光度计以及测量颜色参数等方法获得了变色硬水铝石和无变色效应硬水铝石的光谱学特征, 并探讨了其变色效应的成因。 变色硬水铝石在日光下常呈黄绿色而在白炽灯下呈褐红色, 其红外光谱与拉曼光谱与普通硬水铝石的特征峰较为一致, 其中红外光谱中的特征峰主要集中在400~1 200, 1 800~2 110和2 900~3 000 cm-1三个范围内, 拉曼特征峰则主要位于154, 331, 448, 665和1 189 cm-1附近。 对比化学成分分析和紫外可见吸收光谱的测试结果, 认为Fe3+和Cr3+的d—d电子跃迁导致变色硬水铝石在可见光绿-黄绿色光区（500~560 nm）和橙黄-红色光区（600~780 nm）的透射程度较为接近, 环境光源中红光和绿光相对功率分布的差异使硬水铝石产生变色效应。 对变色硬水铝石在模拟日光和白炽灯光条件下的颜色参数进行了测定, 结果显示不同光源下样品颜色参数a*和h0的变化, 可定量地描述变色硬水铝石的变色效应。 为硬水铝石的应用拓展、 性能改善以及氢氧化物材料光学性质的深入探讨提供了科学依据和数据支持。
硬水铝石 变色效应 光谱特征 Diaspore Alexandrite effect Spectral characteristics Cr3+ Cr3+ Fe3+ Fe3+ 光谱学与光谱分析
2017, 37(11): 3504
