Prawie do końca XIX w. nie było możliwości nieniszczącego badania wnętrza materiałów nieprzezroczystych. Dopiero odkrycie w 1895 r. tzw. promieni X (promieni Roentgena) diametralnie zmieniło sytuację – zapoczątkowana została era nieinwazyjnego badania wnętrza różnych materiałów.
Od tego momentu zaczęła rozwijać się tomografia – grupa nieustannie doskonalonych metod diagnostycznych mających za cel uzyskanie możliwie najwyższej jakości obrazu struktury przekroju badanego materiału (2D) oraz/lub stworzenie jego modelu przestrzennego (3D). Początkowo badano tym sposobem obiekty żywe, z czasem też inne, w tym i kamienie jubilerskie.
Fig. 1
Radiogramy pereł słonowodnych: naturalnej (po lewej)
i hodowanej jądrowej (po prawej)
Diagnostyka obrazowa
Współczesne techniki obrazowania wykorzystują nie tylko promienie X, ale i pozostałe zakresy promieniowania elektromagnetycznego (od promieni γ do fal radiowych), jak też ultradźwięki i cząstki elementarne. Diagnostyka obrazowa obejmuje obecnie tomografię rentgenowską (radiografię, tomografię komputerową 2D i 3D, obrazowanie rentgenowskie wzmocnione dyfrakcyjnie), ultrasonografię dwuwymiarową (USG), tomografię rezonansu magnetycznego (MR), pozytonową tomografię emisyjną (PET), tomografię emisyjną pojedynczego fotonu (SPECT) oraz tomografię optyczną (OT). W diagnostyce obrazowej kamieni jubilerskich najbardziej skuteczne okazały się: tomografia rentgenowska (radiografia, tomografia komputerowa, obrazowanie rentgenowskie wzmocnione dyfrakcyjnie) i tomografia optyczna.
Rejestracja fotograficzna
Radiografia jest najstarszym rodzajem tomografii rentgenowskiej, choć gdy powstawała, przed przeszło stu laty, nie znano jeszcze pojęcia tomografia. Mówiło się wówczas o badaniu rentgenowskim, prześwietleniu rentgenowskim lub zdjęciu rentgenowskim. Radiografia opiera się na interpretacji obrazu uzyskanego przez zwykłe prześwietlenie obiektu promieniami X. Jej istotnym elementem jest rejestracja fotograficzna zmian natężenia wiązki promieni X absorbowanych przez zróżnicowaną strukturalnie materię prześwietlanego obiektu. Absorpcja rentgenowska jest proporcjonalna do sześcianu liczby atomowej pierwiastka absorbującego. Różnice składu pierwiastkowego prześwietlanej materii przekładają się zatem na różnice poziomu absorpcji padającego promieniowania. Graficzny zapis tych różnic odzwierciedla strukturę badanego obiektu. Urządzenie umożliwiające bezpieczne prześwietlanie promieniowaniem X i rejestrację rezultatu absorpcji nazywane jest aparatem rentgenowskim, a uzyskany obraz radiogramem lub zdjęciem rentgenowskim (fig. 1).
Fig. 2. Ideogram rentgenowskiego tomografu komputerowego
(wg S. Karampelas et al.)
Tomografia komputerowa
Tomografia komputerowa to znacznie młodszy rodzaj tomografii rentgenowskiej. Zapoczątkowana została dopiero w drugiej połowie minionego stulecia. Obecnie jest metodą diagnostyczną pozwalającą uzyskiwać przekroje (2D) i modele przestrzenne (3D) badanego obiektu przez złożenie różnokierunkowych jego projekcji z wykorzystaniem prześwietleń promieniami X (fig. 2). Służące temu urządzenie nazywane jest zazwyczaj tomografem (fig. 3), a uzyskany obraz tomogramem (fig. 4). Najmłodszym rodzajem tomografii rentgenowskiej jest tzw. obrazowanie rentgenowskie wzmocnione dyfrakcyjnie. W metodzie tej na formowanie kontrastu obrazu rentgenowskiego wpływa zarówno wspomniana wyżej absorpcja rentgenowska, jak też refrakcja użytego promieniowania oraz ekstynkcja rozproszeń pod małymi kątami. Odróżnia to ją od starszych metod tomograficznych, w których formowanie obrazu odbywa się jedynie pod wpływem absorpcji użytego promieniowania. Obrazowanie rentgenowskie wzmocnione dyfrakcyjnie jest prawie całkowicie pozbawione zakłóceń pochodzących od promieniowania rozproszonego, tak typowych dla radiografii. Co więcej powiększa kontrast środowisk niewiele różniących się absorpcyjnie.
Fig. 3. Nowoczesny tomograf rentgenowski działający od niedawna na Wydziale Informatyki i Nauki o Materiałach Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach
Fig. 4. Tomogram rubinu traktowanego szkłem ołowiowym (wg T. Hainschwang)
Obrazowanie pereł
W gemmologii techniki obrazowania wykorzystywane są przede wszystkim do badania i oceny pereł. Ostatnimi laty bada się tym sposobem również niektóre inne kamienie jubilerskie, na przykład traktowane szkłem rubiny i szafiry (fig. 4), czy też wykorzystywane jubilersko koralowiny oraz kości i zęby niektórych zwierząt. Podaż nowo zebranych pereł naturalnych jest współcześnie bardzo mała; ogranicza się do kliku lokalnych źródeł ulokowanych na Bliskim Wschodzie i w Azji Południowo-Wschodniej. Najwięcej naturalnych pereł trafia na rynek z istniejących jeszcze tu i ówdzie resztek zapasów z dawnych lat oraz ze zbiorów historycznych. W rezultacie na współczesnym rynku królują perły hodowane (fig. 5). Są to obecnie w większości chińskie perły słodkowodne hodowane z użyciem małża Hyriopsis sp. oraz perły słonowodne hodowane z użyciem różnych gatunków małży, zależnie od akwenu na którym prowadzona jest hodowla. W Australii, tudzież wzdłuż wybrzeży Azji Południowo-Wschodniej dominującym gatunkiem jest Pinctada maxima, na wyspach Pacyfiku i w Morzu Czerwonym – Pinctada margaritifera, u wybrzeży Japonii – Pinctada martensii, u wybrzeży Chin – Pinctada chemnitzii, u wybrzeży Meksyku – Pteria sterna.
Rozróżnianie pereł hodowanych od naturalnych
W metodach hodowli pereł dokonuje się nieustanny postęp. W prasie fachowej co i rusz pojawiają się ekscytujące doniesienia o kolejnych „wynalazkach” z tej dziedziny.Dlatego też odróżnianie pereł naturalnych i hodowanych staje się z każdym rokiem trudniejsze, a ma to przecież kapitalne znaczenie w handlowej ocenie pereł. Łatwo przewidzieć, w związku z dokonującym się postępem, że będzie to jeszcze trudniejsze w przyszłości. Zmusza to do doskonalenia istniejących i poszukiwania nowych metod diagnostycznych. By sprostać powstającym wyzwaniom angażowane są coraz bardziej wyrafinowane narzędzia analityczne, często pochodzące wprost z czołowych laboratoriów naukowych świata. Powszechnie wiadomo, że odpowiedzialna ocena handlowa perły wymaga jednoznacznej odpowiedzi na kilka zasadniczych pytań. Rzeczoznawca jubilerski musi rozstrzygnąć czy oceniana perła jest naturalna czy hodowana, słonowodna czy słodkowodna, jądrowa czy bezjądrowa, płaszczowa czy gonadowa. Odpowiedzi na te pytania mają zasadniczy wpływ na wartość ocenianej perły. W bardzo wielu wypadkach nie da się ich udzielić bez rozeznania istotnych szczegółów budowy perły. A tych w sposób nieniszczący może dostarczyć, jak na razie, tylko tomografia. Obecnie używa się do tego przeważnie tomografii rentgenowskiej, ale w niedalekiej przyszłości zostanie ona zapewne zastąpiona przez bezpieczniejszą w użyciu, a równie skuteczną tomografię optyczną. Wskazują na to zachęcające rezultaty dotychczasowych eksperymentów. Chociaż większość pereł hodowanych i naturalnych może być wiarygodnie identyfikowana na podstawie radiogramów, to struktury biomineralizacyjne da się zdecydowanie dokładniej wizualizować za pomocą komputerowego tomografu rentgenowskiego (fig. 6). Niektóre bezjądrowe perły hodowane, dla prawidłowej interpretacji obrazu wnętrza, a w konsekwencji właściwej identyfikacji, wymagają użycia bardzo wysokiej rozdzielczości obrazu charakterystycznej dla obrazowania rentgenowskiego wzmocnionego dyfrakcyjnie; w takiej potrzebie metoda ta wydaje się dziś nie do zastąpienia. Wysoka rozdzielczość przestrzennie usytuowanej informacji zapewnia wysoką wiarygodność interpretacji obrazu wnętrza perły (fig. 7). Istotną wadą metody jest jednak jeszcze ciągle duży koszt potrzebnej do tego aparatury oraz unikatowość kwalifikacji obsługującego ją personelu. Tradycyjna radiografia, w przeciwieństwie do tomografii, dostarcza skondensowanego obrazu 2D absorpcyjnej struktury perły. Małe lub złożone struktury przestrzenne niektórych rodzajów pereł mogą być przez to dostrzegane dopiero po bardzo starannym badaniu wielu radiogramów pobranych przy różnej orientacji perły. Mimo to zdarza się, że są mylnie interpretowane. Tomografia rentgenowska pozwala skutecznie eliminować takie przypadki.
Przyszłość w tomografii optycznej
Fig. 6. Porównanie fotografii, realnego przekroju i tomogramu 2D perły hodowanej
szczepionej jądrem w postaci naturalnej perły Pinna (wg T. Hainschwang)
Fig. 7. Porównanie fotografii (1), radiogramu (2), tomogramu 2D (3) z rezultatem obrazowania rentgenowskiego wzmocnionego dyfrakcyjnie (4) perły hodowanej słodkowodnej bezjądrowej (wg M. Lohman et al.)
Fig. 8. Tomogramy optyczne pereł najczęściej występujących w obrocie rynkowym (wg Myeong Jin Ju et al.)
W ostatnich latach coraz intensywniej i coraz bardziej obiecująco rozwija się też tomografia optyczna. W metodzie tej badany obiekt sondowany jest zwykle spójną lub częściowo spójną wiązką światła. Rozproszona wstecz, niesie informacje o położeniu miejsc znajdujących się na jej drodze, a różniących się współczynnikiem refrakcji. Skanując w kierunku poprzecznym do kierunku propagacji światła, otrzymuje się kolejne informacje o położeniu centrów rozpraszających. Komputerowe złożenie wyników pomiarów daje obraz przekroju badanego obiektu, a obrazy kolejnych warstw dają możliwość wygenerowania obrazu struktury przestrzennej badanego obiektu (fig. 8). Szybkie postępy tomografii optycznej, do których notabene znacząco przyczyniają się Polacy, pozwalają sądzić, że metoda ta może znaleźć już w nieodległej przyszłości szerokie zastosowanie w analityce i diagnostyce gemmologicznej.
dr Włodzimierz Łapot
Laboratorium Gemmologiczne
Uniwersytet Śląsi
