طیف‌سنجی رامان و فوتولومینسانس در شناسایی مواد معدنی

0
255
شکل 1: Zektzerite تایید شده با پایگاه داده RRUFF
شکل 1: Zektzerite تایید شده با پایگاه داده RRUFF

مقدمه:

طیف‌سنجی رامان برای شناسایی سریع مواد معدنی و سنگ‌های قیمتی بسیار مفید است. پایگاه‌های داده قابل جستجو مانند پروژه RRUFF  شامل تعداد زیادی از طیف‌های مرجع هستند و در دامنه عمومی قرار دارند، می‌توان پایگاه‌های داده را اصلاح نمود و براساس الزامات کاربری گسترش داد.

کاربردهای رامان:

شناسایی سریع Zektzerite که یک ماده معدنی بسیار نادر است، در شکل 1 نشان داده شده است؛ نمونه‌های اندکی از جواهر با کیفیت شناخته‌ شده‌اند و به راحتی ممکن است با مواد معدنی دیگر اشتباه گرفته شوند.

شکل 1: Zektzerite تایید شده با پایگاه داده RRUFF
شکل 1: Zektzerite تایید شده با پایگاه داده RRUFF

جواهرشناسان غالبا در شناسایی سنگ‌های قیمتی دچار مشکل می‌شوند. شکل 2 نشان می‌دهد که چگونه یک طیف سنج رامان می‌تواند به سرعت سنگ‌های قیمتی را براساس ضرایب شکست همپوشانی تفکیک نماید (همگی در محدوده RI = 1.54 – 1.56).

 

شکل 2: سنگ‌های قیمتی براساس ضرایب شکست همپوشانی
شکل 2: سنگ‌های قیمتی براساس ضرایب شکست همپوشانی

برای اندازه‌گیری ضریب شکست (RI) با یک رفرکتومتر سنگ قیمتی، به یک سطح صاف صیقلی داده شده نیاز است. اگر RI یک سنگ قیمتی بالاتر از حد مجاز رفرکتومتر باشد، باید از سایر ابزار و روش‌های تست جواهر استفاده شود. در شکل 3، جداسازی سریع الماس از رایج‌ترین بدلیجات آن مشاهده می‌شود.

شکل 3: جداسازی الماس از CZ و مویزنایت
شکل 3: جداسازی الماس از CZ و مویزنایت

انواع سنگ گارنت دارای طیف رنگ کامل هستند و شناسایی آنها به دلیل شباهت‌شان دشوار است؛ اندازه‌گیری‌های طیفی مبتنی بر رامان می‌تواند یک راهکار دقیق و نسبتاً ارزانی را برای این مشکلات ارائه کند .

تشخیص بهسازی سنگ‌های قیمتی در اغلب موارد چالش‌برانگیز است؛ به عنوان مثال در شکل 4، با استفاده از طیف‌سنجی رامان گسترده می‌توان عمل‌آوری با پلیمر را در ژادئیت تشخیص داد.

فوتولومینسانس (PL):

در برخی موارد شدید بودن ویژگی‌های لومینسانسی به حدی است که مشاهده پیک‌های طیف‌سنجی رامان مربوط به ارتعاشات اتمی مواد معدنی ممکن نیست. از طیف‌سنجی لومینسانس برای اندازه‌گیری سطوح انرژی در هسته‌های لومینسانس استفاده می‌شود .

شکل 4: طیف رامان یشم (ژادئیت) تهیه شده از پلیمر
شکل 4: طیف رامان یشم (ژادئیت) تهیه شده از پلیمر

کاربردهای PL:

 GL Gem Raman PL532 TECیک طیف‌سنج رامان دوگانه با منبع لیزری قابل تنظیم 532 نانومتری (200 مگاوات) است که برای مطالعات PL در محدوده‌ی 530 تا 750 نانومتر، مناسب می‌باشد. پس از کاهش خروجی لیزر تقریبا تا 30 درصد از الگوهای فوتولومینسانس قابل مشاهده است.

در شکل 5 یک اسپیلن قرمز مصنوعی تولید شده به روش flux به سرعت از اسپینل قرمز طبیعی تفکیک می‌شود؛ در صورت استفاده از میکروسکوپ و سایر ابزارهای تست سنگ‌های قیمتی، به زمان بیشتری برای دستیابی به نتیجه مشابه نیاز است.

در یک روش مشابه می‌توان انواع زمرد را (چه طبیعی و چه مصنوعی، همچنین با منشا جغرافیایی) با مشاهده مکان‌های پیک PL کروم تعیین کرد.

 

 

شکل 5: جداسازی اسپینل قرمز مصنوعی از طبیعی (685 نانومتر)
شکل 5: جداسازی اسپینل قرمز مصنوعی از طبیعی (685 نانومتر)

چالش‌های فعلی:

مواد مصنوعی، بهسازی شده، بدلی و تقلبی، مشکلاتی هستند که نه تنها فروشندگان، خریداران و کلکسیونرها، بلکه تمام صنعت جواهرات با آنها مواجه می‌شوند. با ظهور قطعات الماس‌های کوچک مصنوعی که با الماس‌های طبیعی مخلوط شده‌اند، دانشمندان به سرعت در حال کار بر روی روش‌ها و ابزار دقیقی هستند تا الماس‌های مصنوعی و بهسازی شده را به شیوه‌ای مناسب شناسایی کنند.

یکی از حوزه‌های مورد توجه، مطالعات فوتولومینسانس برای غربالگری نوع الماس و یافتن بهسازی‌های HPHT است. هر چند، این روش باید با پشتیانی ابزارهای دیگر انجام شود و به تنهایی مورد استفاده قرار نگیرد.

یک الماس مصنوعی بهسازی شده با HPHT با ناراستی تهی‌جا – نیتروژن در 637 نانومتر در شکل 6 ارائه شده است؛ در این شکل همچنین حذف باندهای 558، 566 و 576 نانومتر مشاهده می‌شود که معمولا در صورت حذف پیک 637 نانومتری، الماس‌های بدون بهسازی را نشان می‌دهند. پیک شدید تهی جا-سیلیکون در حدود 737 نانومتر ممکن است الماس مصنوعی تولید شده توسط CVD (رسوب بخار شیمیایی) را نشان دهد.

شکل 6: مشخصه المان مصنوعی بهسازی شده با HPHT
شکل 6: مشخصه المان مصنوعی بهسازی شده با HPHT

نتیجه‌گیری:

امروزه، شناسایی سریع سنگ‌های قیمتی و مواد معدنی با استفاده از سیستم‌های طیف‌سنجی رامان متعدد و مقرون به صرفه امکان‌پذیر شده است.  به طور کلی سطوح صیقل داده شده سنگ‌های قیمتی، پراکندگی رامان خوبی تولید می‌کند که از درصد انطباق بالایی با پایگاه داده RRUFF برخوردارند. برای طیف‌سنج‌های سطوح ناهموار با خنک‌کننده ترموالکتریک (TEC)، تشخیص سیگنال پایین در زمان‌های نوردهی 1000 میلی‌ثانیه و بالاتر امکان‌پذیر است.

برای تشخیص الماس های مصنوعی و HPHT (درجه حرارت بالا- فشار بالا)، گزینه PL مربوط به طیف‌سنج رامان، بسیار پر ارزش است. براساس تجربه، این طیف‌سنجی حتی ممکن است برآورد نیمه کمّی از عناصر کمیابی مانند کروم را فراهم کند.

دیدگاهتان را بنویسید

Please enter your comment!
Please enter your name here