Dr Arnaud Zoubir1 & Marie-Sophie de Maissin2
Introducción
La espectroscopia se ha utilizado durante mucho tiempo en gemología para la caracterización e identificación de gemas. Un espectroscopio permite medir las longitudes de onda de la luz blanca absorbida por el material y, por lo tanto, deducir información sobre la naturaleza química de los objetos medidos. Cuando se observa una gema en el espectroscopio, las longitudes de onda absorbidas aparecen como bandas negras más o menos finas superpuestas en la imagen del espectroscopio similar a una banda en los colores de un arco iris (c es decir, todo el espectro de la luz visible).
Existen diferentes tipos de espectroscopios. Consisten en un conjunto de componentes ópticos que incluyen una ranura de entrada, una lente y un elemento capaz de separar las longitudes de onda de la luz, como un prisma o una rejilla de difracción. Su uso consiste en colocar la gema bajo luz blanca y observar a simple vista la luz transmitida (o reflejada) por la gema a través del espectroscopio. Por lo tanto, es posible visualizar los espectros de absorción de las gemas, ya sea en transmisión o en reflexión.
Sin embargo, esta herramienta tiene varios inconvenientes: en primer lugar, algunos espectroscopios no muestran la escala de longitud de onda (generalmente graduada en nanómetros). Por lo tanto, la posición precisa de los picos o bandas de absorción características no se puede medir, lo que hace que la observación sea aproximada. Además, el uso a simple vista del espectroscopio genera a la larga un malestar y una importante fatiga visual. Además, el ojo humano es un órgano muy sensible y muy eficiente desde el punto de vista cuantitativo, pero muy poco efectivo: no mide con precisión la absorción o transmisión en una longitud de onda de interés, haciendo imposible comparar ciertas gemas cuyas diferencias son a veces sutiles. Finalmente, el espectroscopio no registra un espectro y el gemólogo tendrá que confiar en su memoria o en una transcripción escrita de lo que ve para archivar sus espectros. Sin mencionar la imposibilidad de comunicar a otros los espectros que visualiza.
Los micro espectrómetros representan una nueva generación de equipos ultracompactos para mediciones espectrales, que encuentran aplicaciones en muchos campos. Combinados con una computadora portátil o un teléfono inteligente, permiten una medición más precisa y rigurosa de los espectros de luz, en comparación con el espectroscopio ocular, al tiempo que mantienen una portabilidad muy alta. Por lo tanto, es posible medir con precisión la posición de las bandas de absorción, comparar varios espectros, registrarlas o compartirlas enviándolas por correo electrónico. En otras palabras, los microespectrómetros no solo pueden «visualizar» el espectro de las gemas, sino también medirlas, registrarlas, analizarlas, compararlas o exportarlas. Por lo tanto, tienen todas las ventajas de los espectrómetros de laboratorio, incluso para las mediciones de campo.
Este artículo presenta los resultados obtenidos con GoSpectro, un microespectrómetro desarrollado por el Centro de Tecnología ALPhANOV (que se muestra en la Figura 1). Este dispositivo tiene la ventaja de poder utilizarse con cualquier teléfono inteligente equipado con una cámara. Al «mirar» una fuente de luz u objeto a través del GoSpectro, puede ver en la pantalla el espectro de luz emitida, transmitida o reflejada por el objeto.
Este espectrómetro ha sido probado para aplicaciones gemológicas. Así, hemos explorado varios estudios de casos, como la caracterización de ciertas variedades de rubí o granate, la fluorescencia de espinelas naturales y sintéticas o la caracterización de diferentes turmalinas.
Figura 1 – Foto de GoSpectro, espectrómetro ultra compacto para teléfono inteligente
Del espectroscopio al espectrómetro
¿Cuál es la diferencia entre un espectroscopio y un espectrómetro? La respuesta está en la etimología de las palabras: el espectroscopio «ve» mientras que el espectrómetro «mide». De este modo, el espectrómetro no solo será capaz de identificar la tipología de las bandas de absorción (líneas finas, líneas anchas, dobletes, cortes, espectro de bandera, etc.) sino también para medir los valores de longitud de onda característicos y la alturas relativas de líneas que serán más o menos intensas según varias gemas que queremos comparar.
La figura 2 a continuación muestra, en el caso del rubí, la comparación entre el espectro del «arco iris» tal como debe verse a simple vista a través de un espectroscopio y el espectro medido por el espectrómetro «GoSpectro». El rojo está situado a la derecha para facilitar la comparación.
Así encontramos la banda de absorción ancha centrada en el verde (550 nm). El corte en el azul es de unos 450nm. Las líneas finas no son directamente visibles con el espectrómetro (la observación con un espectroscopio de calidad media tampoco permitió observarlas a simple vista). Esto se debe a que la resolución espectral de los dos dispositivos utilizados no fue suficiente para esto. Sin embargo, aunque no fueron visibles en el espectroscopio, estas líneas de absorción pueden explicar la ligera inflexión visible en la curva de GoSpectro en torno a 450 nm y 650 nm. El doblete de emisión a 700 nm, característico del rubí, es claramente visible con el GoSpectro. Este doblete no se pudo visualizar con el espectroscopio porque la diferencia de intensidad en estas condiciones de observación (iluminación por una lámpara halógena) no era suficiente para el ojo.
Figura 2 – Comparación entre el espectro teórico del rubí y el espectro medido con el GoSpectro
Del color al espectro
El color proporciona información importante para el gemólogo. Además de su valor estético, es una información importante en el análisis y la comprensión de las gemas. La turmalina es un ejemplo de gemas con diferentes colores dependiendo de la presencia de diferentes elementos químicos. La turmalina es un cicloilicato que se cristaliza en el sistema romboédrico y tiene una fórmula química muy compleja: (Na, Ca) Al12 (Fe, Mg, Li2) 6 (OH, F) 8 (Bo3) 6 (Si6 O18) 2. La turmalina se considera un «mineral de basura» porque incluye muchos elementos químicos durante su formación. Su color varía de acuerdo a los elementos cromogénicos que encuentra durante su crecimiento.La turmalina es un mineral alocromático con una amplia gama de colores (rosa, rojo, amarillo, marrón, azul, verde, violeta, negro, etc.), pero también puede ser incoloro o multicolor, como:
- Sandía turmalina: corazón rosa y periferia verde.
- Cabeza de turmalina moris: incolora con extremo negro.
- Cabeza turca de turmalina: verde con terminación roja.
La Figura 3 a continuación muestra los espectros de absorción de tres tipos de turmalina: una turmalina amarilla (curva azul) y dos turmalinas rosadas (rubelita) de dos tonos ligeramente diferentes. No es sorprendente que la turmalina amarilla tenga un pico de absorción en azul alrededor de 490 nm.
Es esta absorción la que le da su color amarillo, Espectro del rubí, es decir, el color complementario del color absorbido. Los dos rubellitas también tienen una banda de absorción, pero más pronunciada (color más intenso) y bastante centrada en la parte verde del espectro, explicando el tono rosado, complementario al color verde.
Figura 3 – Espectro de absorción de varias turmalinas de diferentes colores
¿Cuál es la diferencia entre rojo y rojo?
El ejemplo anterior mostró que podríamos medir, o incluso anticipar, en algunos casos, el espectro de absorción de gemas con diferentes colores. El espectro tiene una banda de absorción centrada en el área del espectro correspondiente al color complementario del tono de la piedra.
Pero ¿qué pasa con las piedras químicamente diferentes con colores muy similares? ¿Es posible diferenciarlos de su espectro, cuando es difícil, si no imposible, hacerlo por la simple observación visual de su color? Hemos intentado responder a esta pregunta a partir de tres gemas de colores muy similares: dos granates (pirope y almandina) y una pasta de vidrio.
Pyrope Almandin Glass
Los granates se refieren a una familia de minerales del grupo de neo-silicatos que cristalizan en el sistema de cristales cúbicos (o isométricos). Para el experimento, utilizamos 2 granates de la serie de piralitas (piropo, almandina), que son silicatos aluminosos de fórmula química general X3Al2Si3O12 donde X denota Mn, Mg o Fe2 +. Las siguientes denominaciones se utilizan para los diferentes granates de composición simple, que satisfacen esta fórmula general:
| Apellido | Fórmula |
| Pyrope | Mg3Al2Si3O12 |
| Almandin | Fe3Al2Si3O12 |
| Spessartine | Mn3Al2Si3O12 |
Las especies Pyrope y Almandin constituyen la mayoría de los granates y a menudo están presentes en combinación (solución sólida). Estos minerales tienen un alto índice de refracción (1.74 a 1.83) que a veces dificulta su identificación por refractometría.
Con matices que van del rojo al púrpura, no siempre es fácil diferenciarlos a simple vista. Sin embargo, estas gemas tienen características espectrales específicas para distinguirlas entre sí utilizando el espectrómetro. Los espectros de transmisión se muestran en la Figura 5.
Figura 5 – Espectro de transmisión en gemas rojas.
El espectro de Pyrope (curva naranja) y Almandin (curva azul) muestra una banda de absorción común a 575 nm. Pero mientras Almandin parece tener dos bandas de absorción relativamente estrechas a 504 nm y 525 nm y buena transparencia en azul, la absorción de Pyrope se extiende a 400 nm. En comparación, también se muestra el espectro de un vidrio rojo cuyo color es muy similar a estas gemas (curva verde). Este último presenta un espectro de una tipología aún diferente de los dos primeros, con una absorción casi total de hasta 570 nm y una gran ventana de transparencia de hasta 700 nm.Por lo tanto, es posible, a partir de estos espectros, distinguir no solo el granate de la muestra de vidrio, sino también distinguir los dos tipos de granate (almandine y pyrope). Como los espectroscopistas saben bien, la espectroscopia de absorción, que analiza las transiciones de electrones que dan color a la materia, es menos específica que la espectroscopia vibracional (por ejemplo, la espectroscopia Raman). De hecho, la espectroscopia vibracional permite sondear las vibraciones entre los átomos que forman la materia. Proporciona espectros muy característicos del material analizado, presentando picos relativamente finos y que juntos constituyen un documento de identidad real para una gema determinada. Sin embargo, este método basado en un espectrómetro de absorción visible ultraportátil ofrece una forma eficiente y accesible para que todos, en términos de costo y facilidad de uso, realicen las evaluaciones de primer campo.
¿Y la fluorescencia en todo esto?
La medición espectral de fluorescencia es otro elemento en el que los gemólogos pueden confiar en su trabajo de análisis. La fluorescencia en las gemas generalmente es causada por la presencia de iones metálicos como el cromo, el manganeso, el cobalto o el níquel. La fluorescencia de algunas gemas se midió utilizando GoSpectro. Se utiliza un puntero láser verde que emite a 532 nm para iluminar las gemas. Un espectro de fluorescencia típico, obtenido en un rubí, se muestra opuesto. El espectro contiene la línea de excitación del láser a 532 nm, así como un espectro de fluorescencia en la región roja del espectro entre 600 y 700 nm con un pico característico a 695 nm. Este espectro es característico de los iones de cromo que se pueden encontrar en muchas gemas.
Figura 6 – Captura de pantalla de GoSpectro que muestra un espectro de fluorescencia en ruby excitado por un puntero láser a una longitud de onda de 532 nm
La fluorescencia a veces está presente en algunas gemas sintéticas, mientras que la versión natural de esta misma gema no tiene fluorescencia. Este es el caso de la espinela. Esto se debe, en particular, a la presencia de hierro en la espinela natural.
Figura 7 – Fotografía de espinela sintética y espinela natural bajo luz UV
El espectro de fluorescencia se registró al excitar la gema utilizando un puntero láser comercial que emite a 405 nm. El mismo protocolo fue operado en el caso de espinela sintética y espinela natural. Sin embargo, solo la espinela sintética tiene un espectro de fluorescencia visible en el espectrómetro. Es una banda de emisión amplia de 500 nm a 650 nm. La espinela natural muestra solo la línea de emisión del láser de 405 nm que emana de la gema debido al fenómeno de la dispersión elástica.
Esta es una solución interesante y ofrece una gran portabilidad para medir en las gemas la fluorescencia de los iones presentes, generada mediante un simple puntero láser que funciona con la batería. Cabe señalar que, en comparación con un espectroscopio ocular, el espectro se mide aquí mediante el sensor fotográfico del teléfono inteligente, en lugar del ojo del gemólogo. Esto reduce en gran medida los riesgos de seguridad ocular a los que está expuesto el usuario mediante el uso de un láser.
Figura 8 – Espectros de fluorescencia de espinela sintética y espinela natural excitados por un puntero láser a una longitud de onda de 405 nm
Conclusión
GoSpectro permite la caracterización espectral de las gemas mediante la medición de su transmisión (o absorción) y el espectro de fluorescencia. Las gemas que tienen una apariencia y coloración similares pueden diferenciarse en función de sus características espectrales. La fluorescencia, desde los iones de cromo, por ejemplo, también se puede medir fácilmente, lo que permite la identificación y caracterización de un gran número de gemas.
En comparación con un espectroscopio basado en el ojo, la medición es más precisa, desprovista de subjetividad, más cómoda y segura (especialmente cuando se utiliza un láser). De este modo, los espectros medidos pueden ser registrados, comunicados por correo electrónico, comparados entre sí, para su análisis. Finalmente, esta nueva generación de espectrómetros tiene una gran portabilidad, una gran facilidad de uso en comparación con los dispositivos de laboratorio, lo que permite un uso simple y rápido, directamente en el campo. Su costo razonable, similar a un espectroscopio ocular, debería convertirlo en una herramienta indispensable para muchos gemólogos profesionales y aficionados.
1 ALPhANOV Technology Center
2 Gemologist, ING, Paris – AIGS, Bangkok