研究員が宝石の物語を語るのに役立つ科学機器
研究員はサンプルの宝石を分析し、その結果をGIAが長年にわたって検査した数多くの宝石のデータベースと比較することによって、鑑別についての結論を導き出します。 研究員たちは専門知識と知識を駆使して、宝石のアイデンティティを明らかにする識別特徴を探します。
収集する情報とそれを収集するために使用される機器は、光分析、原子構造分析、化学分析とイメージング、および追加機器に分類することができます。
GIAはまた、宝石を研究・分析するための社内のニーズに応えるため、数多くの機器を設計・開発し、また業界向けの機器も開発してきました。 このページでは、GIAの研究ツールボックスのツールを紹介します。 これらの機器の多くは、GIAの科学者やエンジニアによって設計されたり、GIAによって様々な宝石データ収集のニーズに適応するように改良されたものです。
光分析
分光学は、光がどのように宝石と相互作用するかを分析します。 研究員は、宝石がどのように光を吸収し、または透過するかを調べることによって、宝石を鑑別し、また多くの場合、それが処理されているかあるいは合成であるかを判断することができます。
可視吸収分光計
可視分光計は、スペクトルの青い端から赤い端まで、一連の波長をスキャンして宝石に細い光線を照射します。 サンプルに吸収されなかった光の波長は、透過して機器の検出器に到達します。 この透過した部分がサンプルの色として目で見ることができます。 この分析結果は、光の波長に対する相対的な透過率（または吸収率）を示すグラフとして表示されます。 研究員はこの情報をもとに、素材の色の原因を特定します。
GIAがどのように分光法を用いて宝石の起源や処理を決定しているのか、さらに深く掘り下げてみるには、こちらをご覧ください：宝石学へのUV-Vis-NIR分光法の応用
利用可能な装置：
- ファイバーまたは積分球、透過または反射モード、室温または液体窒素温度で操作できるものなど、さまざまな構成が可能なGIA製の機器があります。
- パーキンエルマー製 Lambda 950 UV/Vis 分光光度計
- 日立製 U-2910 UV-Vis分光光度計
- アジレント製 Cary 60 UV-Vis 分光光度計と特注のGIA統合球拡散反射率アクセサリ（DRA）。
赤外吸収分光計
赤外線分光計は、赤外線として知られる目に見えない光線のスペクトルを測定します。 赤外線スペクトルは、研究員がその宝石が処理されているかどうか、あるいはダイヤモンドがタイプIかタイプIIであるかを判断するのに役立ちます。
この機器は、「光」としては目には見えないが熱として感じることができる、スペクトルの赤の端を超えた波長の照射を発生させます。これらの波長は、分析対象のサンプルによって吸収、透過、または反射されます。
樹脂、油、プラスチックなど、カラーストーンの処理に使用される素材は、赤外スペクトルに明確な特徴があり、分光計で検出することができます。 赤外分光法は、ルビーやサファイアなど一部の宝石に含まれる微量の水素種を検出するのにも有効で、場合によっては人工的な熱処理の有無を特定する手がかりとなります。
また、多くの鉱物は固有振動のいわゆる指紋領域を持っており、これを赤外分光法で識別することで鉱物の鑑別の助けとなります。
GIAの科学者がどのように赤外線を使って天然ダイヤモンド、ラボグロウンダイヤモンド、ルビー、サファイア、エメラルド、ジェダイトを鑑別しているかは、こちらでご覧いただけます：宝石学における赤外分光法とその利用
利用可能な装置：
- サーモ サイエンティフィック製 Nicolet iS50 FT-IR分光光度計（ドリフトまたはKBrビームスプリッターアクセサリ付き）
- サーモ サイエンティフィック製 Nicolet iS5 FT-IR分光光度計（ドリフト アクセサリ付き、GIA DiamondCheckとしてGIA分析ソフトウェアと共に一般販売）
赤外吸収マッピング
利用可能な装置：
- サーモサイエンティフィック製 Nicolet iN10
ラマン／フォトルミネッセンス分光計
ラマン分光計は、レーザーでサンプルを照らし、そのラマンスペクトルを記録することで、研究員が宝石や鉱物の標本を鑑別するのに役立ちます。 結果はグラフにはっきりしたピークで示され、これを調査し、さまざまな種類の宝石素材の既知のスペクトルライブラリと比較します。
この機器は、フォトルミネッセンス（またはPL）分光法と呼ばれる手法でサンプルの発光スペクトルを記録するのにも使用できます。この手法では、レーザーからの光によってサンプルが特定の波長でエネルギーを放出し、発光スペクトルが生成されます。
GIAの研究員はまた、2次元領域にわたる特定の1つのスペクトルピークのラマンデータを収集するために、別の機器も使用します。 これにより、そのスペクトルピークの原因である素材中の原子レベルの欠陥の空間分布マップが作成されます。
これらの機器は、宝石の特性を見極める鍵となります。 GIAの研究員が宝石の地質学的履歴を理解したり、合成石を検出するために、これらの強力なツールをどのように使用しているかはこちらでご覧いただけます：利用可能な装置：
- レニショー製 325、457、488、514、633、830nmのレーザーを備えたinVia分光計 液体窒素温度および室温で使用
- GIA特注PL分光計、405nmレーザー、室温使用
- Aminco Bowmanシリーズ2 ルミネッセンス分光計（室温蛍光スペクトル用）
利用可能な装置：
- サーモ サイエンティフィック製 DXRxiラマン画像顕微鏡
- 特注のハイパースペクトル画像装置
電子常磁性分光計
これは、GIAの研究員が素材中の不対電子を持つ特定のタイプの原子レベルの欠陥を検出することを可能にする高度な技術です。
短波紫外線蛍光分光計
理想的な励起波長により、被検サンプルから目標とするスペクトル特徴を効果的に励起することができ、蛍光分光計がサンプルの発光スペクトルを記録します。 中波長の紫外線を発生する275nmのLEDを使用し、真珠の真珠層などのサンプルから蛍光を励起させます。 反射ファイバープローブがUV光をサンプルに導き、蛍光シグナルを収集します。 分光計はこのシグナルを記録し、分析のためにスペクトルをコンピューターに送信します。
利用可能な装置：
- 275nmのLED光源とAvantes AvaSpec-Mini分光計を備えたGIA製の短波紫外線励起装置。
化学分析
研究員は、宝石がどのような元素でできているか、その宝石が天然か合成か、あるいは処理されたものかを判断するために化学分析を用います。
蛍光X線（XRF）
蛍光X線は、研究員が宝石に含まれる化学元素を特定するのに役立ちます。 X線源からのエネルギーをサンプルに照射することで、宝石に含まれる化学元素に特徴的な特定のエネルギーのX線放射を記録するシステムです。 この機器は、大きく平らな研磨面があるサンプルを、非破壊で迅速に定性化学分析を行います。
この技術は、サンプル中にどのような化学元素が含まれているかを研究員に迅速に伝えることができます。この技術は、カラーストーンの地理学的起源判定に応用できるほか、鉛ガラスを使ったルビーの透明度向上のような処理の確認にも応用できます。
この2つの技術は、GIAの研究員がカラーストーンの起源と潜在的な処理を特定するのに役立ちます。 詳しくはこちらをご覧ください：宝石学ラボラトリーにおける化学分析：蛍光X線とレーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析装置
利用可能な装置：
- サーモサイエンティフィック製 ARL Quant'x エネルギー分散型蛍光X線（EDXRF）分光光度計
- 堀場製作所 Mesa-50 蛍光X線
蛍光X線（XRF）イメージング
パールの生育環境を確認するための技術です。 淡水真珠と海水真珠では、マンガンの含有量によってX線励起下での発光反応が異なります。
淡水真珠は通常、微量のマンガン（Mn）の存在により、中程度から強い緑黄色の発光を示しました。 ほとんどの天然真珠は、Mnの含有量が非常に少ないかあるいは含有しないため、不活性のままです。しかし、有核海水養殖真珠は、比較的真珠層が薄く、その下に淡水貝ビーズ核の弱い発光が見られることがあります。
X線による真珠の発光反応は、デジタルカメラを使ってモニターに表示・記録することができます。
利用可能な装置：
- MatriX-FocalSpot Verifier PF-100蛍光X線ユニット（100 kV、3.2 mA励起）とCanon EOS REBEL T4iデジタル一眼レフカメラ（5秒露出、F5.0、ISO12800）。
レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析装置（LA-ICP-MS）
この高度な機器は、各元素がサンプル中にどれだけ存在するかを研究員が判断するのに役立ちます。
レーザーの光線をサンプル表面に当て、表面から微粒子をアブレーション、すなわち除去します。 これらの粒子は、流れるガスによって高温プラズマトーチに移動し、そこで分解され、検出器で識別できる個々の原子になります。このため、研究員は、サンプル中の濃度が低くても、自然に存在する元素の定量化学分析が可能です。この過程で、サンプルのごく僅かな一部が破壊されます。
レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析装置は、ベリリウムが拡散したルビーやサファイアを検出するために、現代の宝石学ラボラトリーでは不可欠となって今す。 レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析装置は高感度であるため、研究員は微量元素を100万分の1以下のレベルまで測定することができ、微量元素のフィンガープリントを測定することができます。これは、多くの場合、多くのカラーストーンの地理的起源の決定に極めて重要です。
利用可能な装置：
- サーモフィッシャー製 iCAP Q ICP-MSと組み合わせた、周波数5倍のNd:YAGレーザー（波長213 nm、パルス幅4 ns）付きElemental Scientific Lasers NWR 213レーザーアブレーションシステム。
画像
写真撮影、特に顕微鏡写真法は、研究員が宝石内の特徴や内包物のクローズアップ画像を記録する手段を提供します。 研究員はこの情報をもとに、その宝石がどのように形成されたのか、また宝石によってはその原産地を特定します。
顕微鏡写真機
双眼の顕微鏡写真機は、宝石の特徴や内包物の写真画像を撮影するために使用されます。 研究員はこの情報をもとに、宝石を鑑別し、それが天然か、処理されたものか、合成かを判断します。
利用可能な装置：
- Nikon Eclipse LV-100 顕微鏡
- Nikon SMZ1500
- Leica DM750P 岩石顕微鏡
深紫外蛍光画像
DiamondView機器は、短波紫外線源を使って蛍光パターンを生成することで、ほとんどの天然ダイヤモンドと合成ダイヤモンドの鑑別に役立ちます。 この機器は1996年にイギリスのデビアス ダイヤモンド商会の研究員によって開発されました。
宝石の印象的な輝きを生み出す発光の原理、メカニズム、特徴については、こちらで詳しく学べます：光る宝石：ダイヤモンド、カラーストーン、真珠の蛍光と燐光
利用可能な装置：
- 蛍光を選択的に画像化するフィルター群を備えたDiamondView
- GIA特注のLumiSense
真珠のX線画像
天然真珠と養殖真珠は外見が似ていることが多く、その内部構造を調べない限り、確信を持って区別できないことがあります。X線画像は、鑑別のために真珠の内部成長パターンを明らかにするため、研究員や宝石学ラボラトリーが使用する重要な技術です。
リアルタイム マイクロラジオグラフィ（RTX）は、オペレータに瞬時に2次元X線画像を提供し、極めて微細な部分に焦点を合わせてモニター上で見ることができ、画像はデジタル形式で記録することができます。
真珠の検査に適用されるX線コンピュータ マイクロトモグラフィ（μ-CT）は、従来のX線撮影と比較して、微細な成長特徴をより詳細に見ることができる、形態学的構造の高解像度3D画像を提供します。
RTXとμ-CTの結果はグレースケール画像であり、明暗の異なるグレースケール強度が素材のX線不透過性に対応しています。 アラゴナイトやカルサイトのような鉱物化した素材は、有機物に富む特徴や、気体や液体で満たされた空隙よりも密度が高く、放射線不透過性が高くなります。したがって、アラゴナイトのみで構成された領域は、有機物に富む特徴や空隙を含んで一般に暗く見える領域よりも明るく見えます。
X線撮影とX線コンピュータマイクロトモグラフィが真珠の鑑別に重要な役割を果たしています。 これらの画像技術と、宝石学におけるその重要性についての詳細はこちらでご覧ください：宝石学におけるX線ラジオグラフィとX線コンピュータマイクロトモグラフィの用途
利用可能な装置：
- Pacific X-ray Imaging (PXI) GenX-90P X線システム、4ミクロンのマイクロフォーカス、電圧90kV、電流0.18mAのX線源とPerkinElmer 1512フラットパネル検出器とを組み合わせたものです。
- Matrix-FocalSpot XT-3リアルタイムX線検査システムは、4ミクロンのマイクロフォーカス、電圧90kV、電流0.18mAのX線源とPerkinElmer 1512フラットパネル検出器を組み合わせたものです。
- 5ミクロンのマイクロフォーカス、電圧90kV、電流0.18mAのX線源を備えたProCon CT-mini X線システム。 結果の撮影には、フレームグラバー カードの付いた次の2台が使用されました：浜松ホトニクスのフラットパネル検出器C7921CA-29（50マイクロピクセル ピッチ、解像度1032×1032ピクセル）と、Varex社のフラットパネル検出器1207（74.8マイクロピクセル ピッチ、解像度1536×864ピクセル）。
走査型電子顕微鏡
この機器は、集束した電子ビームを使用して、サンプル素材のごく小さな表面領域のトポグラフィと組成の高倍率画像を生成します。
カソードルミネッセンス分光法とイメージングも、いくつかのアクセサリーを追加することで収集できます。
利用可能な装置：
- Zeiss Evo MA 10走査型電子顕微鏡は、可変圧力二次電子検出器（VPSE G4）および高感度光電子増倍管（HSPMT）を含むGatan MonoCL4 Swiftシステムを使用。
その他の機器／装置
ダイヤモンドをラボラトリーで成長させるための化学気相成長リアクター
レーザーカットとポリッシング ー 通常、ダイヤモンドやその他の宝石の平板加工用
加熱／冷却顕微鏡ステージ
この装置は、分光法によるスペクトル測定や画像収集の際に、サンプルの精密な温度制御（-196℃～600℃）を可能にします。
利用可能な装置：
- Linkam THMS600
高温炉
この炉を使って、宝石の素材を特定の温度や特定の酸化・還元雰囲気に加熱し、宝石の熱処理や固体素材の熱挙動をより深く理解することができます。
利用可能な装置：
- サーマルテクノロジー製 1000-3560-FP24ガス混合炉。 可能な温度：最大1800℃。 最大持続期間7日間。 CO2、O2、H2、N、COなど利用可能なガスによる不活性、酸化、還元雰囲気。
- 外径2インチのムライト管を装備したMTI GSL 1500X炉：室温-1500℃、周囲環境または不活性環境、インターロックがないため持続時間は12時間以下。
最近の装置発表と特許
GIAにおける計測
宝石分析のための波長可変レーザーフォトルミネッセンスと励起分光法
宝石分析のための多励起フォトルミネッセンス分光システム
ダイヤモンドおよびその他の高屈折率素材用の、大容量ライン走査型で高スペクトル範囲・高分解能の3次元ハイパースペクトルフォトルミネッセンス画像顕微鏡の開発
宝石の高分解能ルミネッセンスおよびラマン3次元ハイパースペクトルイメージング ー 天体物理データシステム
in situ吸収分光法によるフォトクロミック宝石の分析
ポータブルラマン分光法による迅速な宝石鉱物鑑別 ー Tsai - 2023年 - Journal of Raman Spectroscopy - Wiley Online Library
発行番号：US10641526B2
タイトル：Method and apparatus for rapidly cooling a gem, including two stage cooling（二段階冷却を含む、宝石を急速に冷却する方法と装置）
発行番号：US10859505B2
タイトル：Fluorescence box for gemological applications（宝石用蛍光ボックス）
発行番号：US11037282B2
タイトル：Detection of clarity markings in gemstones（宝石のクラリティマーキングの検出）
発行番号：US11915407B2
タイトル：Automated system and method for clarity measurements and clarity grading（クラリティ測定およびクラリティ グレーディングのための自動化システムおよび方法）
発行番号：US20240159683A1
タイトル：Apparatus and method for assessing optical quality of gemstones（宝石の光学的品質を評価するための装置および方法）
発行番号：US20240167955A1
タイトル：Apparatus and method for fluorescence grading of gemstones（宝石の蛍光グレーディングのための装置および方法）
発行番号：US12135278B2
タイトル：Light emitting diode arrangements for gemstone evaluation（宝石評価のための発光ダイオード配置）
発行番号：US20240385119A1
タイトル：Imaging assisted scanning spectroscopy for gem identification（宝石鑑別のためのイメージング支援走査型分光法）
発行番号：US20240394961A1
タイトル：Gemstone cut analysis（宝石のカット分析）
発行番号：US12196678B2
タイトル：Luminescence imaging for gemstone screening（宝石スクリーニングのための発光イメージング）
