Determining the origin and authenticity of gemstones with ARL QUANT’X EDXRF Spectrometer

Význam tématu

Analýza původu a autenticity drahých kamenů je klíčová pro gemologii, obchod s drahokamy a zajištění kvality. Různé geologické podmínky vedou k charakteristickým stopovým prvkům v rubínech, safírech či smaragdech. Určení tohoto prvkového otisku pomáhá rozlišit přírodní a syntetické vzorky a lokalizovat těžební oblasti (Kolumbie, Brazílie, Zambie aj.).

Cíle a přehled studie

Cílem studie je demonstrovat schopnosti spektrometru ARL QUANT’X EDXRF pro nedestruktivní kvantitativní analýzu barevných drahých kamenů a ověřit výsledky porovnáním s referenční metodou LA-ICP-MS. Představuje se způsob kalibrace, podmínky měření a srovnání analytických dat pro rubíny, safíry a smaragdy.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda:

• Energeticky disperzní rentgenová fluorescenční spektrometrie (EDXRF).
• Doba měření jeden vzorek: <10 minut, celkově ve vakuu.
• Kalibrace pomocí přístupu Fundamental Parameter a 20 amorfních standardů prvků a sloučenin.

Instrumentace:

• ARL QUANT’X EDXRF Spectrometer (Thermo Fisher Scientific).
• Rentgenová trubice 50 W, napětí 4–50 kV v krocích po 1 kV, automatická regulace proudu.
• Velkoplošný křemíkový driftový detektor (30 mm² SDD) pro vysokou citlivost zejména na stopy Ga, Cr, V aj.
• Výběr primárních filtrů (9 typů) a kolimátoru umožňující měření s různými velikostmi analyzačního svazku.
• CCD kamera pro přesné umístění malých drahokamů.
• Příprava vzorků bezpočetně: drahokamy upevněny na držáky nebo uzavřeny v XRF kelímku s polypropylenovou fólií 4 µm.

Hlavní výsledky a diskuse

Srovnání EDXRF s LA-ICP-MS ukázalo velmi dobrou shodu koncentrací stopových prvků (Ti, V, Cr, Fe, Ga) ve vzorcích rubínů a safírů. U smaragdů byly identifikovány prvky Na, Mg, Sc, V, Cr, Fe a základní složky Al₂O₃ a SiO₂. Většina odchylek spadala do intervalu nejistot stanovených směrodatnou odchylkou. Výsledky potvrzují, že EDXRF s vhodnou kalibrací dokáže spolehlivě kvantifikovat prvky od Na do Au.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá a nedestruktivní analýza malých drahých kamenů bez nutnosti odběru vzorků.
• Vysoká citlivost zejména na stopové prvky charakteristické pro jednotlivé lokality původu.
• Nákladově efektivní alternativa k LA-ICP-MS pro rutinní gemologické a QC/QA laboratoře.
• Možnost rozšíření na další drahé kameny, jako jsou spinely, chrysoberyly či perly.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Automatizace analýzy a rozšíření knihoven chemických otisků pro širší škálu drahokamů.
• Integrace dat s pokročilými softwarovými nástroji a umělou inteligencí pro přesnější klasifikaci původu.
• Vývoj nových collimátorů a detektorů pro zlepšení prostorového rozlišení a citlivosti na vybrané prvky.
• Aplikace metodiky pro environmentální a archeologické studie drahokamů.

Závěr

Spektrometr ARL QUANT’X EDXRF prokázal vysokou spolehlivost a přesnost v kvantifikaci stopy prvků v barevných drahých kamenech. Jednoduchá kalibrace a nedestruktivní měření z něj činí atraktivní nástroj pro gemologii a průmyslovou analytiku. Díky dobré shodě s LA-ICP-MS lze EDXRF používat pro rychlý screening autenticity a lokalizace původu.

Reference

• LEMBERGE P. Determining the origin and authenticity of gemstones with ARL QUANT’X EDXRF Spectrometer. Thermo Fisher Scientific, 2023.
• KRZEMNICKI M. S. LA-ICP-MS data, Swiss Gemmological Institute SSEF.