大型仪器在彩色钻石颜色成因研究中的应用

傅曦（深圳技师学院）

钻石是由碳元素组成的一种晶体，既能够来自自然形成，也可通过人工合成。自然界中的钻石可呈现出不同的颜色，其中彩色钻石因为有着迷人的色彩，同时又有着耀眼的光彩，具有色彩鲜艳、装饰性好的特点，因此成为众多收藏家的收藏品，同时彩色钻石也是身份与地位的象征。相对于一般的钻石，红色、蓝色、紫色等彩色钻石的价值更高，这是因为彩色钻石的产量较低，而且彩色钻石的色散、硬度、折射率均较高。通过对彩色钻石颜色成因的分析，可为更多彩色钻石的研究以及人工制作提供指导，本文结合部分文献报道以及笔者工作经验，对大型仪器在彩色钻石颜色成因研究中的应用展开分析。

一、彩色钻石颜色成因分析

掌握彩色钻石颜色成因对使用大型仪器进一步开展彩色钻石颜色成因研究有一定的参考价值。有研究指出，彩色钻石出现的不同颜色与其内部本身所含有的微量元素有关，大部分无色钻主要组成是碳元素，部分彩色钻石中因为含有一定比例的微量元素，这些微量元素会占据碳元素的位置，使得钻石出现其他颜色，如钻石内部含有氮元素且代替了碳元素位置后可使得钻石呈现出黄色。

彩色钻石的成因还与不同钻石内部晶格发生扭曲有关，比如红色钻石、粉色钻石，此外，部分钻石可能受到内含物的影响，使其呈现出不同颜色，比如黑钻。

综合不同学者有关彩色钻石颜色成因的研究，整体可分为三种原因：

（1）钻石中存在微量元素，微量元素的加入与混合引起钻石出现其他颜色。

（2）塑性变形，高温、高压作用下引起晶体内部结构发生变性，出现不同颜色。

（3）辐照原因。

随着地质学的发展以及不同地质学者对彩色钻石成因的持续研究，钻石内部存在缺陷或者含有杂质逐步成为彩色钻石成因的重点研究方向。

钻石中碳原子出现缺失或者在结构排列方面不规则而引发缺陷，此外，部分钻石中其他杂质的存在会代替部分碳原子的位置，使得钻石呈现出不同颜色变化。钻石缺陷可能是在钻石长期形成过程中发生的，也可能是钻石形成后并长时间埋藏在地球深部受到高压、高温作用而引发的晶体变形，所以通过对钻石缺陷的研究可为彩色钻石成因研究提供理论指导。

二、仪器进行彩色钻石颜色成因分析的基础

结合近年来，地质学中关于彩色钻石成因的分析，钻石内部存在缺陷是重点研究方向。彩色钻石中的缺陷不同，可能是碳原子缺失，也可能是其他元素原子代替碳原子，这些都会使得不同彩色钻石具有差异性。不同彩色钻石缺陷会影响到光的吸收，不同波长光因为在吸收方面存在差异，人们肉眼看到的钻石颜色会出现不同。

如绿色钻石的产生与氢相关缺陷、与镍相关缺陷有关；紫色钻石、灰色钻石、蓝色钻石则与硼杂事、氢缺陷等有关；孤立氢原子与黄钻、橙钻有关。既然不同彩色钻石的出现与内部缺陷以及对光的吸收差异性有关，可通过检测光吸收、光谱分布特点的一些仪器进行不同彩色钻石分析，结合光谱吸收特点进一步细化并确定彩色钻石的可能成因，为更多彩色钻石研究以及人工合成、处理等提供理论指导。

三、不同大型仪器在彩色钻石颜色成因研究中的具体应用

（一）紫外-可见分光光度计在彩色钻石成因研究中的应用

紫外-可见分光光度法是一种定性与定量相结合的结构分析方法，其主要是根据不同物质对200～760nm 这一范围内电磁波吸收特性而建立的方法，具体应用中需要使用紫外-可见分光光度计。结合紫外-可见分光光度法的实际应用，其在各种物质含量测定、相关药品鉴定、药品鉴别等方面均有应用，且在实际应用中有操作简单、重现性好、准确度高的优势，同时在较多行业领域逐步得到应用。

使用紫外-可见分光光度计研究彩色钻石颜色成因方面，通过电磁辐射，彩色钻石中的原子等可产生分子吸收光谱，相应的吸收光谱可被紫外-可见分光光度计检测。使用紫外-可见分光光度计进行彩色钻石成因分析中，因为不同彩色钻石内部所包含的致色杂质离子不同，进而会对不同波长的入射光所产生的选择性吸收程度也会差异，依据这种吸收的差异性用于不同彩色钻石内部杂质的判断，进而确定不同彩色钻石的成因，这也是使用紫外-可见分光光度计能够进行彩色钻石成因研究的理论基础。

结合有关彩色钻石的研究分析，如果钻石中在415nm 处存在光谱吸收，并在其他波长位置存在吸收带表现，比如376nm、384nm、394nm、403nm 处有相关吸收带，通常同时彩色钻石存在N3 中心；如果使用紫外-可见分光光度计检测过程中，光谱吸收对应波长处于425nm、438nm、452nm、465nm、478nm 附近，则表明彩色钻石中存在N2 中心；与氢相关的吸收波长主要有474nm、563nm；部分钻石可呈现出弱绿色，其主要与H3 中心引起波长在503.2nm 位置出现的吸收有关。

通过总结不同彩色钻石的光谱吸收特点能够为其成因分析提供参考，粉色钻石使用紫外-可见分光光度计检测中可见其存在宽吸收带，相应的波长为550nm，随着吸收强度的增加，钻石中粉色-红色颜色会加重。通过对粉色钻石研究，吸收带除了在550nm 外，通常还包括390nm。同一颜色的彩钻，分级不同，相应的光谱吸收情况也会有所不同。Ⅰ型钻石中常见N3 中心和390nm带的重叠情况，而在Ⅱ型钻石中不存在N3 中心或者N3 微弱，相应的能够清晰地看到390nm 出现的吸收情况。

如果是黄钻，其呈现出的“金黄色”与钻石中孤立氮Ib 型钻石对500nm 及其以下波长的吸收有关，黄色钻石的饱和度会受到N2 中心影响，并对钻石中有无“柠檬黄”产生直接影响；部分黄钻中可含有绿色、褐色，这些颜色与钻石中的氢吸收有关。

部分绿钻中的成因与H3、镍有关，通过灵活使用紫外-可见分光光度计瓦城检测，氮集合体与上述缺陷属于共存状态，光谱吸收会靠近光谱蓝端，N3 中心存在的光谱吸收相应波长为415nm。富氢引起的绿钻，通过紫外-可见分光光度计检测可见宽吸收带，且吸收带会以530nm 波长处的吸收为中心。

（二）傅里叶变换红外光谱仪在彩色钻石成因研究中的应用

傅里叶变换红外光谱仪在较多样品定性分析、定量分析中均有应用，且应用广泛，如煤炭、环保、宝石鉴定等。不同彩色钻石因为在成因方面有所不同，所以使用红外光谱照射过程中，不同彩色钻石对同一种光线会产生不同反应，红外光谱能够结合彩色钻石对红外线的反应来判断彩色钻石中所含有的杂质。通过红外光谱检测并同已有光谱数据库对比，可确定出彩色钻石中含有的杂质元素，确定出不同彩色钻石的成因。对于彩色钻石通过使用傅里叶变换红外光谱仪，可明确钻石中存在的杂质，比如硼、氮；根据彩色钻石检测过程中红外光谱特征还能用于确定钻石中是否含有其他杂质原子。

从彩色钻石的红外吸收方面分析，氮吸收是钻石的主要红外吸收对象，其中Ⅰ型钻石中的Ⅰa 型钻石，其中A 型 氮吸收主要在1282cm-1，B 型氮（4N+V）的吸收则主要在1175cm-1；对于Ⅰb 型钻石，其孤立氮吸收主要集中在1344cm-1、1130cm-1。从Ⅱ型钻石方面分析，傅里叶变换红外光谱仪检测后，在Ⅱa 型钻石中没有氮的检出，对于Ⅱb 型钻石，其存在的硼吸收主要集中在2803cm-1、2458cm-1。在Ia 型钻石中，与氢相关的吸收主要集中在3236～4703cm-l、3050～3155cm-l和3055～2982cm-l吸收；Ib 型钻石与氢相关的吸收则集中在3394cm-l、3372cm-l、3343cm-l、3310cm-l、3181cm-l、3145cm-l和3137cm-l。依据相关吸收所处位置的不同以及红外光谱特征的不同更好的指导彩色钻石研究分析。

Ⅰa 型钻石中存在H3 与镍缺陷而引起的绿钻，较多H3 缺陷钻石中含有氮，且含量也有差异，既有低含量的，也有中等含量。部分绿色钻石与其存在氢相关的缺陷有关，通过傅里叶变换红外光谱仪检测后可见其中氢、氮浓度较高；A/B 比例不同会对相关吸收峰的偏移情况产生影响。如果绿钻主要是与镍相关缺陷有关，通过傅里叶变换红外光谱仪的检测，可见其中氮杂质的浓度较低，且以A中心为主，个别情况下可存在B中心，且含量较少。通常情况下，通过红外光谱检查可见C 中心，但是较少见。部分彩色钻石的颜色变化与H3 相关，通过使用傅里叶变换红外光谱仪检测，可见其中存在较低并与氢相关的缺陷，而且含量存在一定的变动区间。

绿色钻石同天然辐射GR1 缺陷有关，通过使用傅里叶变换红外光谱仪检测，其中既有氮含量水平较高的Ia 型钻石，同时也有存在氮杂质的Ⅱa 型钻石，但是因为含量较低，已经超过了仪器的检测范围，故而在检测中无法检出，整个彩色钻石中氢的含量具有较大的波动范围，不同钻石中的变化较大。使用傅里叶变换红外光谱仪在彩色钻石成因检测过程中，对于部分不可确定的并且同间隙氮相关的缺陷使用红外光谱中同样能够检测出，即H1a 缺陷，其吸收波长主要集中在1450cm-1处。

（三）光纤光谱仪在彩色钻石成因研究中的应用

光纤光谱仪在彩色钻石成因分析方面也有重要的应用，在彩色钻石研究中，利用光纤光谱仪能够实现对钻石中多个波段特征的测量。使用GEM3000型光纤光谱仪检测中，可获取不同彩色钻石紫外-可见-近红外光谱，同时还能够在不同温度条件下（液氮温度至室温）通过对光源的激发，获得不同彩色钻石的光致发光光谱。随着光纤光谱仪技术的发展与设备的更新，通过使用RRIM2000 系列分光计能够获取彩色钻石的光致发光光谱。光致发光本质属于一种测试，不仅具有较高的灵敏度，而且属于无损检测方法，因而在彩色钻石成因分析中有应用优势。检测中准备好彩色钻石，并准备好紫外光、可见光、红外光等光源，将彩色钻石暴露在上述光源下，通过对钻石内部原子间相互作用所产生光谱的测量，得到发光光谱，根据特异性发光光谱去确定出不同彩色钻石中的杂质。

光致发光进行过程中，其选择的问题通常为液氮温度（约77K），这一温度下可检测到更低的缺陷含量水平，检测水平可达到十亿分之一。针对天然开普系列黄钻通过光纤光谱仪的检测与使用，可获取较多的有用信息，如415nm(N3)、496nm(H4)、503.2nm(H3)以及不同波长的PL 峰（如508nm、535nm、700nm、787nm、952nm 等）。不同波长所引起的光谱吸收存在不同，比如黄色体色的N3 强吸收与415nm 有关，而与镍、氮、氢有关的主要为700nm、787nm。如果是孤立氮原子所引起的黄色钻石或者橙色钻石，通过检测，其光致发光包括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 处存在最强吸收。黄钻呈现出来的颜色主要同480nm 吸收带相关，通过检测，确定波长范围在550nm 到700nm，这一波长范围内存在较多PL 峰，且PL 峰较小，波长范围内存在的吸收波长也较多，如592nm、619nm、678nm 等。在波长为480nm情况下，通过蓝色激光或绿色激光对钻石予以照射，此时通过光谱红端能够看到发光带，整个发光带中心在670-700nm。波长在480nm 情况下吸收后看到的体色只有黄色，将其与红色发光相结合，则能够产生橙色。黄色钻石与橙色钻石在PL 光谱方面存在一定的相似性，前者主要是由H3 缺陷引起，后者不仅有H3 缺陷，同时在波长为550nm处存在光谱吸收，两者结合形成橙色钻石，PL 光谱吸收包括494nm(H4)、575nm(NV0)、637nm(NV-)、657nm、700nm、812nm、986nm(H2)。

针对H3 缺陷引起的绿钻，使用光纤光谱仪检测过程中，与上述提及的其他颜色钻石相比，其在检测后只有少量的明显PL 特征，吸收特点主要包括503.2nm(H3)、575nm(NV0)、637nm(NV-)、741nm(GR1) 等。虽 然H2 和H3 在结构方面是相同的，但是因为带有负电荷，带负电荷的缺陷有痕量的单个取代碳原子的氮，并作为电子的供体。富氢绿钻也同样也具有PL 特征，其吸收峰主要表现在694nm、700nm、716nm、787nm、793nm 处，个别总有H3 缺陷(503.2nm)的存在。

绿色钻石也可能与镍杂质有关，此类钻石在检测后存在较多PL 特征，而且有一定的相似性，比如Ni-N 配合物在700nm、787nm、793nm 波长位置存在吸收峰。此外，不同彩色钻石还存在不同的PL 特征，相对较常见的比如883nm、885nm 存在的强吸收。部分绿钻成因与GR1 相关，在检查期间内部的辐射损伤具有明显的分布不均匀特点，除了内部，宝石的表面同样存在辐射损伤并且分布不均匀，这些造成了PL 光谱有着较大的变化区间。钻石中PL 峰最强的是稳定缺陷引起的光谱吸收，包括741nm、744nm(GR1)、503.2nm(H3)、637nm(NV-)等。与此同时还存在较多不稳定并且较弱的PL，这是因为辐射引起间隙原子，对应的吸收波长位置在526nm、587.9nm、647.2nm、722.5nm等处。

（四）紫外荧光灯在彩色钻石成因研究中的应用

紫外荧光灯在彩色钻石成因研究中同样有重要的研究价值，资料报道指出，通过紫外荧光灯的使用可用于钻石与其仿制品、红宝石等鉴定，结合不同钻石荧光颜色变化评价不同钻石的发光性(荧光)，并为彩色钻石成因分析提供参考。

随着对钻石的研究，紫外线激发下，部分钻石可发出可见光，但是在紫外灯管壁后，钻石发出的可见光会消失，即所谓的荧光，但是部分钻石在关闭紫外灯后，钻石依旧可以继续，称之为磷光。依据上述特点，通过紫外荧光灯的使用，并根据不同钻石存在荧光或者磷光特点，作为彩色钻石成因的依据。

钻石的色级会受到照明条件的影响，如办公室常用的照明通常有最少的紫外光，相应的对钻石的色级影响也是最小的；相对而言，靠近窗子的室内照明、室外照明存在较高的紫外光，会使得钻石显示颜色对应色级提升。

较多Ⅰ型粉钻通过使用长波紫外光分析，可出现中级以上强度的荧光，颜色主要是蓝色，如果使用短波紫外光，则不会显示出荧光或者仅有微弱的荧光，此时可呈现出蓝色或黄色。较多Ⅱ型粉钻通过使用长波紫外光激发，可出现荧光，强度较弱，最大能够达到中等程度，颜色表现出蓝色，而在短波紫外光下会进一步变弱或者无反应，根据不同波长紫外光下彩色钻石的激发，并结合荧光变化作为成因的参考。

四、结束语

在彩色钻石颜色成因研究中，许多大型仪器均有着一定的参考价值，通过不同仪器的使用，利用电磁波、光谱吸收等相关知识判断出不同彩色钻石中的杂质以及钻石中含有的缺陷情况，作为不同彩色钻石出现相应颜色的依据。当然因为不同大型仪器在检测原理方面有所不同，实际应用中也存在相应的局限性，需要不断加大研究，并注重不同大型仪器的综合使用，共同提升对彩色钻石成因分析的准确性与科学性。