2024-02-26
獎學金生小論文-陳柏菁
壹、 前言
在天然寶石中，能獨具多彩變化於一體的蛋白石，是美麗獨特的存在，也因而廣受喜愛。Opal一詞最早起源於希臘語「Opallos」，意思是「匯集寶石 色彩於一身」。蛋白石是迄今為止少數能展現出如虹彩般色澤的寶石。在古羅 馬時代一位名叫諾尼斯的政治家擁有一顆七彩的寶石，這個寶石具有紅寶石的 豔紅、藍寶石的湛藍、祖母綠的碧綠，有如彩虹般豐富的顏色。當時，美麗的 埃及豔后克莉佩卓雖然已經擁有無數的珠寶，卻從未擁有過這樣一顆具備七彩 色澤寶石。她的愛人安東尼為了博取她的歡心，出高價想獲取這顆色彩繽紛的 寶石，卻遭諾尼斯的斷然拒絕。於是安東尼策劃了一場奪取寶石的行動。諾尼 斯為了守護寶石，連夜帶著它逃離了羅馬，而這一顆傳說中引發爭奪的美麗的 寶石就是蛋白石。由此，蛋白石在人們心中的獨特與夢幻之美可見一斑。
蛋白石屬於非晶質，由二氧化矽球體組成(SiO2•nH2O)，折射率：1.40～ 1 .46，無雙折射率，比重：2.00~2.10，玻璃光澤，硬度為6。
蛋白石有白色、黑色、紅色、橘色、透明無色…等各種體色品種，並依照 有無遊彩效應分為貴蛋白石/普通蛋白石。
因蛋白石獨特的遊彩現象，使其成為廣受市場喜愛的寶石，因而仿品與合 成品因應而生，1920 世紀70 年代，吉爾森公司開發了三步驟過程來生產令人 信服的合成蛋白石，後續陸續有各式各樣的合成蛋白石問世。
因合成外觀與天然蛋白石及其相似，但兩者價格差異十分驚人，故鑑別天 然蛋白石與合成蛋白石成為了重要課題。
貳、 文獻探討
蛋白石因雨水滲入古老的地底岩石中，帶來了溶於其中的二氧化矽（矽和 氧的化合物）。乾旱期間，大部分的水被蒸發，岩縫和地底下沉積岩層之間殘 留下固體二氧化矽的沉澱物，沉積形成蛋白石(GIA寶石百科全書)。
蛋白石為非晶質寶石，由微小二氧化矽球體規則的堆疊排列而成，由於球 體之間的空隙大小差異，因而造成進入寶石的光線產生干涉與繞射作用，展現 獨特的彩斑，隨光線或寶石移動而變化，稱之為「遊彩現象 Play of Color」。
「遊彩現象」是評鑑蛋白石優劣的最重要的依據，最優質的蛋白石可以見 如彩虹般的七彩光譜色，當中以紅色最罕見，其次為藍色、綠色，其他顏色就 得看色彩之間的調和度。一般而言，當蛋白石呈現的顏色越豐富、色彩越鮮豔， 則價值越高，並且光澤度高，也會讓其成色的視覺效果更佳，有些蛋白石甚至 會出現罕見獨特的彩斑圖案。
蛋白石含水一般約為3%～30%不等，部分蛋白石隨時間與存放環境，較容 易因失水出現變色及開裂的狀況。
現階段已知紅外光譜可分辨天然蛋白石與合成蛋白石。天然蛋白石在 4000cm-1 以下全吸收；合成蛋白石在2000cm-1 以下全吸收，3670~3685cm-1 間有強吸收峰，2665~2265cm-1 處附近有兩個次級峰(寶石學教程,2016)。
本實驗的研究目的為:
- 區分天然蛋白石與合成蛋白石。
- 檢測天然蛋白石與合成蛋白石是否有特殊的鑑定特徵。
- 分析高階儀器的使用對於區分天然與合成蛋白石可提供的資訊。
參、 研究方法
本次實驗方法首先測定天然與合成蛋白石樣本的基本性質如大小、重量、長 波及短波紫外螢光(UV)，並使用折射儀測量蛋白石樣本之折射率，再以立體雙目 顯微鏡觀察其彩斑與結構。高階儀器的部分使用能量色散 X 光螢光光譜技術 (EDXRF)進行成份分析，並使用近紅外線光譜儀(FTIR)檢測光譜曲線。 最後利用 所測定出的天然與合成蛋白石之物理性質結合放大觀察彩斑構造辨識、 EDXRF 化 學成份分析以及 FTIR 光譜曲線做研究探討，實驗步驟如圖 1-1 所示。
圖 1-1
一、 實驗設備
3.1 折射儀
折射儀，由稜鏡、玻璃臺面、刻度尺、反射鏡、目鏡、偏振片和單色光等組成。 利用全內反射(TIR)測量寶石內產生全內反射的臨界角值，並將其轉換成可見讀 數。其原理為光由密介質進入疏介質時產生折射現象，使折射光往偏離法線方向。 當入射角度增大，直到折射角達 90 度時，光就會沿著材料表面通過，這時的入 射角稱為臨界角，而當入射角度繼續增大而超過臨界角時，光束會全部反射至材 料內部，產生全內反射，返回稜鏡並通過內標尺，再經反光鏡反射進入目鏡形成 亮區，而折射進入寶石的光線無法被觀察到，故形成暗區。亮區和暗區的邊界為 光線剛好以臨界角入射的位置，便可讀出折射率值。
折射儀用於測定材料的折射率值，便透過觀察陰影線數量與變化進而判斷其 材料的光學性質，可作為寶石鑑定提供關鍵性的判斷。不同寶石因其化學成分以 及晶體結構的不同，會有不同的臨界角，取得不同的折射率值。而同樣都是蛋白 石，也會因為其不同元素的成份含量變化而產生折射率的差異。故本實驗將針對 天然蛋白石與合成蛋白石的成份比例與折射率值，探討探討數據之間及其基本 物理性質變化的關係。
3.2 立體雙目顯微鏡
儀器以 30 倍放大，觀察寶石的內外部特徵，可鑑定寶石的外部特徵: 如磨損、 刮痕、凹坑…等，以及內部的內含物…等重要的資訊。本實驗使用顯微鏡主要目的為放大觀察天然蛋白石與合成蛋白石特徵差異，以頂部照明檢測兩者是否有結 構差異或診斷性的鑑定特徵。
3.3 紫外燈 (LWUV/SWUV)
紫外燈主要由紫外燈管、暗箱和觀察窗與防護罩組成。紫外燈管分別為長波 365nm 以及短波 254nm。透過紫外光激發出可見光，可分為螢光與磷光。
3.4 高階儀器 EDXRF: Thermo Niton XL3t XRF 分析儀
能量色散 X 光螢光光譜技術(EDXRF)設備被用於分析整個光譜，確定寶石材 料的化學組成、以及透過分析特徵性的微量元素以區別天然/合成或產地。
於本實驗除了檢測鋯和銣的比例之外，可通過確定微量元素的相對濃度區 分天然與合成蛋白石。
此次實驗使用儀器 : Thermo Scientific™公司出產的 Niton™ XRF Analyzer。 檢測時間 : 180.07-182.14 秒，模式設定 : 礦土全能測試。
3.5 高階儀器 FTIR : Perkin Elmer Spectrum Two 近紅外線光譜儀
傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR)用於測量材料對紅外光的選擇性吸收，定性或 定量分析寶石的組成或結構。 透過已知的天然蛋白石及合成蛋白石的光譜曲線，儀器能夠區分天然及合成。
二、 實驗樣本
本研究樣本數量為 20 顆天然蛋白石(衣索比亞/墨西哥各10顆)與9顆合成蛋白石， 寶石重量介於0.57至 7.22克拉之間，如表 2-1 和 4-1 所示。所有樣本皆為吳照 明寶石教學鑑定中心提供。
表2-1
肆、 實驗結果
4.1 物理性質
表 4-1
實驗結果可見：
折射率的測定下，天然衣索比亞蛋白石的折射率介於 1.40-1.42之間，天然墨西哥蛋白 石介於1.43-1.44之間；合成蛋白石1.45- 1.47之間。由此天然蛋白石折射率明顯低 於合成蛋白石。且天然蛋白石之中的衣索比亞蛋白石折射率略低於墨西哥蛋白石。 紫外光下，所有天然衣索比亞蛋白石不論在長波或是短波下皆呈明顯的白堊狀的黃綠 色螢光，且長波皆比短波紫外光下更強，天然墨西哥蛋白石在短波與長波的紫外光下皆 無螢光；而合成蛋白石在短波與長波的紫外光下皆無螢光。
4.2 顯微鏡包裹體觀察
表 4-2
實驗結果可見：
在顯微鏡的放大觀察之下，衣索比亞天然蛋白石與合成蛋白石皆可見柱狀結構。而在彩斑方 面，衣索比亞天然蛋白石則呈蜂巢狀構造；合成蛋白則呈蜥蜴皮構造。
4.3 EDXRF 成份分析
本次實驗挑選天然石白石20顆標本(衣索比亞/墨西哥各10顆)及合成蛋白石8顆樣 本，以 EDXRF 測量，成份分析如下：
表 4-3
實驗結果可見：
實驗選用下列項數值: 鋯(Zr)、鍶(Sr)、銣(Rb)、銅(Cu)、鈣(Ca)、鉀(K)、鋁 (Al)以及 三氧化二鋁(Al203)做檢測。
鋯(Zr): 天然衣索比亞蛋白石均在300ppm以下。 天然墨西哥蛋白石均在55ppm以下，或小於可測值。 合成蛋白石均在2,500ppm以上，甚至高達12,000ppm。
鍶(Sr): 天然衣索比亞蛋白石均在100ppm以上。 天然墨西哥蛋白石均低於5ppm以下，或小於可測值。 合成蛋白石均在15ppm以下。
銣(Rb): 天然衣索比亞蛋白石均在15ppm以上。 天然墨西哥蛋白石均小於20ppm以下。 合成蛋白石皆小於可測值。
銅(Cu): 天然衣索比亞蛋白石多小於可測值或60ppm以下。 天然墨西哥蛋白石均小於20ppm以下，或小於可測值。 合成蛋白石均在60~500ppm。
鈣(Ca): 天然衣索比亞蛋白石均3,200ppm以上，甚至高達9,795ppm。 天然墨西哥蛋白石均小於45ppm以上，最高達1,239ppm。 合成蛋白石均在20~280ppm。
鉀(K): 天然衣索比亞蛋白石均在2,700ppm以上，最高達8,975ppm。 天然墨西哥蛋白石均在290ppm以上，最高達1,826ppm。 13 合成蛋白石均在650ppm下。
鋁(Al): 天然衣索比亞蛋白石均在8,600ppm以上。 天然墨西哥蛋白石均高於490ppm以上，最高達4,957ppm。 合成蛋白石均小於可測值。
三氧化二鋁(Al203): 天然衣索比亞蛋白石均在16,300ppm以上，甚至高達23,447ppm。 天然墨西哥蛋白石均在925ppm以上，最高達9,370ppm。 合成蛋白石均小於可測值。
4.4 FTIR 紅外光譜儀分析
本次實驗挑選天然蛋白石4顆樣本及合成蛋白石2顆樣本，以FTIR 檢測圖譜如下：
圖4-4a 受測樣本:刻面-E01 (天然/衣索比亞)
圖4-4b 受測樣本:刻面-E02 (天然/衣索比亞)
圖4-4c 受測樣本:刻面-M01 (天然/墨西哥)
圖4-4d 受測樣本:刻面-M02 (天然/墨西哥)
圖4-4e 受測樣本:合成-S06
圖4-4f 受測樣本:合成-S09
實驗結果可見:
天然蛋白石在4000cm -1以下全吸收，5555~5790cm-1 處有部分吸收， 4510~4520 cm-1 處有部分吸收，4340 cm-1 處有部分吸收。
合成蛋白石在2000cm-1 以下全吸收，3675cm-1 有強吸收峰，4525~4535cm-1 間 有吸收峰，2850~2935cm-1 處附近有兩個吸收峰，2665~2265cm-1 處附近有兩個 吸收峰。
伍、 結論
實驗顯示，天然蛋白石與合成蛋白石，在外觀極其相似，但透過放大觀察與 高階儀器的檢測，能夠將兩者區分之。
天然蛋白石與合成蛋白石物理性質皆相似。但常規儀器－折射儀所做出的天 然衣索比亞蛋白石單折射皆落於為 1.40-1.42之間，天然墨西哥蛋白石則落於 1.43-1.44之間；而合成蛋白石皆落於1.45-1.47之間。由此可見，天然蛋白石 折射率明顯低於合成蛋白石，且天然衣索比亞蛋白石折射略也略低於天然墨西 哥蛋白石，故在鑑定天然蛋白石與合成蛋白石能作為輔助鑑定特徵之一；也可作 為天然蛋白石產地(衣索比亞/墨西哥)輔助鑑定特徵之一。
紫外光檢測下，天然衣索比亞蛋白石在長波下皆為明顯的白堊狀黃綠色， 短波下也為明顯白堊狀黃綠色，且長波較短波更為強烈。天然墨西哥無論在長 波或短波紫外光下，皆為惰性。而合成蛋白石無論在長波或短波紫外光下，皆 為惰性。此一觀察可做為天然衣索比亞蛋白石與合成蛋白石輔助鑑定參考之一；也 可作為天然蛋白石產地(衣索比亞/墨西哥)輔助鑑定參考之一。
顯微鏡30x放大觀察下，天然衣索比亞蛋白石與合成蛋白石皆有柱狀彩斑。 天然蛋白的彩斑在放大觀察下似蜂巢孔洞狀外觀；合成蛋白石則為蜥蜴皮外觀，此 一觀察可做為輔助鑑定特徵之一。
在 EDXRF 高階儀器的檢測下，本次選擇20顆天然蛋白石(衣索比亞/墨西哥 各10顆)與8顆合成蛋白石樣本的鋯(Zr)、鍶(Sr)、銣(Rb)、銅(Cu) 、鈣(Ca)、鉀 (K)、鋁(Al)以及三氧化二鋁(Al203)含量為辨別依據，其中尤以鍶(Sr)、銣(Rb)、 鉀(K)、鋁(Al)以及三氧化二鋁(Al203)的含量明顯落差，天然蛋白石皆明顯高於 合成蛋白。且由當中可發現天然蛋白石(衣索比亞/墨西哥)因產地不同，在鋯(Zr)、 鍶(Sr)、銣(Rb)、鈣(Ca)、鉀(K)、鋁(Al)及三氧化二鋁(Al203)的成份含量皆有所 差異，尤其以鍶(Sr)、(Ca)、鉀(K)、鋁(Al)及三氧化二鋁(Al203) 有極其顯著差異， 因而可做為鑑別產地的輔助鑑定特徵之一。
在 FTIR 的檢測下，得到的實驗結果與文獻相呼應，天然蛋白石4個樣本(衣 索比亞/墨西哥各2個)與合成蛋白石2個樣本對照，天然蛋白石樣本在4000cm-1以 下全吸收；合成蛋白石樣本在2000cm-1以下全吸收，2665~2265cm-1 處附近有 兩個吸收峰。兩者有明顯差異，因而可以由FTIR的檢驗出天然與合成蛋白石。
綜合以上文獻的研究及實驗的佐證，即便天然與合成蛋白石的外觀及物理 性質並無顯著差異，但經由顯微放大觀察檢視彩斑，可區分出天然衣索比亞蛋白 石與合成蛋白石的差異，兩者雖皆為柱狀彩斑，但天然衣索比亞蛋白石有蜂巢式 外觀，而合成蛋白石則為蜥蜴皮外觀。以及高階儀器如 FTIR 和 EDXRF 數據的分 18 析下，可將天然蛋白石與合成蛋白石做出明顯區分，且經由EDXRF能進一步作為 產地鑑別，區分出天然衣索比亞蛋白石與天然墨西哥蛋白石。
陸、 參考文獻
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The Diploma in Gemmology Course 教材。Gem-A。
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GIA Gemology & Gemologist 季刊(2009年春季刊) 。 GIA 。
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