In diesem Blogeintrag möchten wir Ihnen gerne einen Einblick hinter den Kulissen geben. Was ist die Raman-Spektroskopie? Wie können Edelsteine damit bestimmt werden? Welche Vorteile und Nachteile hat diese Bestimmungsmethode? Diese Fragen möchten wir Ihnen mit diesem kurzen Artikel gerne beantworten.
Die Edelsteinbestimmung ist für uns die Hauptaufgabe im Labor. Mit klassischen Bestimmungsgeräten wie das Refraktometer oder das Polariskop können Edelsteine schnell bestimmt werden. Diese Methoden haben jedoch Limitierungen. Es können nur geschliffene Steine, die eine glatte Oberfläche besitzen untersucht werden. Auch können sehr kleine Steine problematisch werden. Immer wieder bekommen wir zudem Rohsteine, die nicht mit den klassischen Bestimmungsgeräten eindeutig bestimmt werden können. Imitationen kommen mittlerweile nicht mehr nur bei geschliffen Steinen vor. Natürliche Rohsteine werden im großen Stil beispielsweise mit Glas imitiert und werden teilweise schon bei den Minen Vorort angeboten. So musste ein Kunde einmal schmerzhaft erfahren, dass sein teuer erworbener Tansanit-Rohstein tatsächlich blau gefärbtes Glas war. Mit bloßen Augen kaum vom Original auseinanderzuhalten.
Für solche Fälle gibt es moderne weiterführende Bestimmungsmethoden wie Beispielsweise die Raman-Spektroskopie, die wir für die Bestimmung von schwierigen Fällen einsetzen. Im Labor verwenden wir ein mobiles state-of-the-art Raman-Spektrometer, was speziell für die Edelsteinuntersuchung entwickelt wurde.
Was ist Raman-Spektroskopie?
In der Materialwissenschaft wird die Raman-Spektroskopie eingesetzt, um die Eigenschaften eines Materials zu bestimmen. Letztendlich kann mit der Raman-Spektroskopie ein Material Identifiziert werden. Über Jahre hat sich diese Methode ebenfalls in der Gemmologie etabliert und gehört mittlerweile zur Standardausrüstung eines modernen Edelsteinlabors. Ein deutlicher Vorteil ist, dass eine Untersuchung zerstörungsfrei durchgeführt werden kann. Die Steine müssen für die Messung nicht vorbereitet werden und können direkt bestimmt werden. Hierbei spielt es keine Rolle ob es sich um einen Rohstein oder einen geschliffenen Stein handelt. Auch gefasste Steine können in den meisten Fällen problemlos mit der Raman-Spektroskopie untersucht werden.
Bei der Raman-Spektroskopie wird das zu untersuchende Material mit einem Laser angeregt. Häufig wird hierbei ein grüner Laser mit einer Wellenlänge von 532 Nanometer für die Untersuchung verwendet. Der Laserstrahl wird an der Probe reflektiert und gestreut. Für die Raman-Spektroskopie ist die Streuung des Laserlicht an der Probe wichtig. Durch die physikalische Interaktion entsteht unter anderem die Raman-Streuung. Diese ist immer charakteristisch für die Untersuchung. Jedes Material zeigt eine spezifische Streuung, was für die Identifizierung verwendet werden kann. Die Streuung wird mit einem Raman-Spektrometer gemessen. Im Raman-Spektrometer wird ein sogenanntes Spektrum aufgenommen, was an einem Computer letztendlich ausgewertet werden kann. Das Spektrum wird anschließend mit vorhandenen Spektren von bereits bekannten Materialien in der Datenbank verglichen. Für uns ist die Erweiterung der Datenbank mit eigenen Edelsteinreferenzen sehr wichtig, weshalb wir analog zu den öffentlich zugänglichen Quellen, eine eigene Datenbank führen. Nur so können wir eine genaue Identifizierung des Materials gewährleisten.
Mehr als nur Bestimmung
Neben der Bestimmung von Edelsteinen, lassen sich mit der Raman-Spektroskopie weitere Eigenschaften untersuchen. Es kann Beispielsweise die Kristallinität eines Materials untersucht werden. So können Beispielsweise Hoch- und Tiefzirkone voneinander unterschieden werden. Hochzirkone zeigen aufgrund des intakten Kristallgitters ein scharfes und klares Spektrum. Bei radioaktiven Zirkonen ist durch die Selbstbestrahlung (Metamiktisierung) das Kristallgitter zerstört. Diese zeigen in der Regel aufgrund der niedrigen Kristallinität kein klares Spektrum.
Photolumineszenz als Feind der Raman-Spektroskopie?
Manche Edelsteine können starke Photolumineszenz (PL) während der Messung zeigen und können unter Umstände das Raman-Spektrum überlagern. Photolumineszenz ist das Aufleuchten von bestimmten Stoffen, bei Anregung durch Licht einer bestimmten Wellenlänge z.B. durch einen Laser. Raman-Streuung und Photolumineszenz haben die gleichen Anregungsquellen. Auch wenn beides physikalisch unterschiedliche Prozesse sind, werden sie vom Detektor des Raman-Spektrometers registriert. Bei bestimmten Edelsteinen kann das problematisch werden, da starke Lumineszenz die Raman-Streuung deutlich überlagert.
Wie lässt sich dieses Problem umgehen? Einige Raman-Spektrometer bieten die Möglichkeit eine andere Wellenlänge (z.B. 785 Nanometer, rot) zu verwenden. Bestimmte Steine zeigen nur Photolumineszenz bei bestimmten Wellenlängen. Die Raman-Streuung lässt sich bei jeder Wellenlänge messen. Bei mobilen Geräten ist das Wechseln der Anregungswellenlänge nicht möglich, da diese nur einen festverbauten Laser haben. Hier kann anhand eines Neutral Density Filters (ND-Filter) die Intensität der Photolumineszenz abgeschwächt werden.
Jedoch lässt sich die Eigenschaft der Lumineszenz auch ausnutzen. Besonders Chrom-haltige Steine wie Rubin zeigen ein sehr starkes rotes Leuchten, was charakteristisch ist. Mit dem Raman-Spektrometer kann die Lumineszenz ebenfalls aufgenommen und ausgewertet werden. Rubine können so von Spinell oder Granat unterschieden werden. Bei Spinell kann sogar mithilfe von PL zwischen Synthese und Natur unterschieden werden.
Fazit
Die Raman-Spektroskopie ist eine wichtige Untersuchungsmethode für die Bestimmung von Edelsteinen. Ein Raman-Spektrometer gehört mittlerweile zur Grundausstattung eines modernen Edelsteinlabors. Mithilfe der Raman-Spektroskopie können wir schnell und einfach Materialien bestimmen, die mit klassischen Bestimmungsmethoden nicht identifizierbar sind.