一种浅蓝色蛋白石的宝石学特征与呈色机理研究
时间: 2020-04-27 16:08:53     文章来源: GTC  作者：莫祖荣 邓木林

摘要：利用宝石显微镜、折射仪、静水称重法、红外光谱仪、X射线能谱仪及紫外-可见分光光度计对浅蓝色蛋白石样品进行相关测试，结果显示：样品外观呈浅蓝色，玻璃光泽，均质体结构，折射率1.45（点测），相对密度2.09～2.11，红外光谱显示成分为蛋白石，通过X射线能谱仪测试得出含铜（Cu），紫外-可见分光光度计测试在480nm处有吸收，呈色机理为Cu²⁺以类质同象形式替代Si⁴⁺产生空穴色心所致，该浅蓝色玉石样品为天然蛋白石。

关键词：浅蓝色蛋白石；铜；呈色机理

▍蛋白石为一种含水的二氧化硅化合物，通常有白色、黑色、橙色、红色等多种颜色。此前，珠宝批发销售市场上出现一种商家声称为天然色的浅蓝色蛋白石（图1）。为了弄明白该声称的浅蓝色蛋白石相关宝石学特征与其颜色呈色机理，以判断其是否满足天然蛋白石的宝石学特征，是否能够符合国家相关定名标准要求。笔者采集了典型的手标本（图2、图3）进行常规宝石学、红外光谱、X射线能谱、紫外-可见光谱等测试与分析工作。

图1 浅蓝色蛋白石 （样品由“御世珍宝”提供）

一、宝石学特征 
标本样品外观整体呈浅蓝色，带有黄褐色的皮壳（图2、图3），树脂光泽～玻璃光泽，断口处呈贝壳状断口（图2），半透明，正交偏光下观察表现为全暗的均质体现象，放大观察可见黑褐色片状、“树枝状”的内含物，用含酒精棉签擦拭样品表面未见棉签上粘有颜色的现象。测试摩氏硬度为5～6，折射率为1.45（点测），采用静水称重法测试相对密度，相对密度在2.09～2.11之间。标本样品观察的宝石学特征具蛋白石的特征，相对密度与折射率测试数值在蛋白石的范围之内，因此初步把样品判断为蛋白石。

图2/图3  带黄褐皮壳的浅蓝色蛋白石（样品由“御世珍宝”提供）

二、红外光谱仪测试 

红外光谱仪工作原理：红外光的能量不足以测试样品产生电子能级的跃迁，只产生振动能级与转动能级的跃迁，分子在振动与转动过程中，当分子振动伴随偶级矩改变时，分子内电荷分布产生交变电场，当其频率与入射辐射电磁波频率相等时产出红外吸收。中红外1500～400cm^-1指纹区的振动与分子机构有关，机构不同的分子显示不同的红外吸收带，可以确定矿物分子组成；近红外7500～4000cm^-1的吸收带主要与低能电子跃迁，含氢原子团伸缩振动吸收有关，可以确定-0H的存在。现利用Nicolet-IS10型红外光谱仪对标本样品进行测试，测试条件为在实验室温湿度环境下，首先采用原物漫反射法测试，分辨率2 cm^-1，测试范围400～2000 cm^-1，扫描8次，取样品中的多个测试点测试，选取其典型图谱，该样品主要峰位位于477，782，972，1112cm^-1处；再采用透射法测试，分辨率2 cm^-1，测试范围4000～7500 cm^-1，扫描8次，取样品中的多个方向测试点测试，选取其典型图谱，该样品主要峰位位于4318，4636，5478，7214cm^-1处。红外测试结果显示，样品为含水的二氧化硅化合物，其谱线与蛋白石红外参考图谱相似，故推断样品的主要矿物成分为蛋白石。

图4测试样品红外光谱图反射法 Fig.4 IR spectrum of sample reflection method

图5测试样品红外光谱图透射法 Fig.5 IR spectrum of sample transmission method

三、X射线荧光光谱仪测试 

X射线荧光光谱仪工作原理：宝石通常由一种或是多种元素组成，当用X射线照射宝石，可激发宝石的各种波长的荧光X射线，光谱仪将混合的荧光X射线按波长或能量分开，并分别测量不同波长或能量的X射线强度，以进行元素定性和定量的分析。现采用赛默飞世公司Quant’X型X射线荧光光谱仪器对标本样品进行元素定性测试分析，测试条件：在46KV，mid Zb条件下测试60秒。测试图谱可见样品中含有明显的铜(Cu)元素（图6）。

图6 Quant’X型X射线荧光光谱图
Fig.6 Quant’X X ray fluorescence spectra

四、紫外-可见分光光度计 

紫外-可见分光光度计工作原理：在电磁辐射作用下，由宝石中原子、离子、分子的价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁而产出的分子吸收光谱，彩色宝石内含的致色元素对不同波长的入射光具有不同强度的选择性吸收。现采用标旗公司的UV5000紫外-可见分光光度计对样品进行测试，积分时间20 ms，平均次数20，测试范围0～700nm。将浅蓝色蛋白石样品抛光面直接置放于反射测试窗口，测试结果显示，主要吸收位于480 nm处（图7），由于测试样品的透明度不同变化，吸收带会产生了一定位移（图7）。

图7测试样品紫外-可见分光光度计
Fig.7 Test sample ultraviolet-visible spectrophotometer

五、探讨与结语 

1、利用常规宝石学仪器检测、观察与红外光谱仪的测试，可确定该浅蓝绿色样品为可见黑褐色片状、“树枝状”内含物，主要矿物成分为含水二氧化硅的蛋白石；

2、呈色机理探讨：根据X射线荧光光谱仪测试样品含有明显的铜(Cu)元素，紫外-可见分光光度计测试吸收主要位于480 nm处，笔者据此推测样品颜色致色成因主要是主要成分中含杂质元素铜（Cu）引起。它的呈色机理是少量的Cu²⁺以类质同象的形式替代Si⁴⁺形成CuO团，即产生了空穴色心，色心对入射可见光进行了选择性吸收，使蛋白石呈现出蓝色，颜色并不是后期人工加色或染色所致；

3、根据国标GB/T 16552-2017《珠宝玉石 名称》及GB/T 16553-2017《珠宝玉石 鉴定》的规定，确定该浅蓝色样品可定名为蛋白石。

*本文已发表于2019第4期《超硬材料工程》，特别鸣谢深圳金丽珠宝交易中心御世珍宝提供研究样品。

参考文献
 [1]张培莉.系统宝石学[M].北京：地质出版社，2006.5.
 [2]彭文世，刘高魁.矿物红外光谱图集[M].北京：科学出版社，1982.
[3]林维峰. 一种浅蓝色蛋白石的宝石学特征与呈色机理[J]. 北京：硅谷，2010.23
 [4] GB/T16552-2017，珠宝玉石 名称[S].
 [5] GB/T16553-2017，珠宝玉石 鉴定[S].