寶石是個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)需求增加及價(jià)格上漲導(dǎo)致大量仿冒品流出。光譜法等相關(guān)技術(shù)可快速有效地將其鑒別。同時(shí)，無(wú)需制樣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)可保證完整性。

本文分享我們是如何通過(guò)光譜學(xué)幫助識(shí)別仿冒品——寶石的分析與鑒定

背景

拉曼光譜可探索寶石的分子結(jié)構(gòu)，拉曼光譜儀提供的指紋光譜包含可與寶石的化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)的峰，以及祖母綠和紅寶石具有獨(dú)特的微量礦物質(zhì)和內(nèi)含物（圖1）。

圖1.拉曼光譜法是分析寶石很好的工具。此圖中峰的強(qiáng)度已被變換以便比較光譜形狀差異。

鑒定天然鉆石

利用高靈敏度拉曼光譜儀支持的系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)量拉曼和光致發(fā)光信號(hào)，從而對(duì)天然鉆石及其模擬物進(jìn)行全面分析。以下是兩個(gè)示例：

●天然鉆石在1332cm^-1處有一個(gè)很強(qiáng)的拉曼峰，而使用化學(xué)氣相沉積生產(chǎn)的鉆石則沒(méi)有這樣的峰-這一特性可實(shí)現(xiàn)近乎即時(shí)的鑒定。

●使用高溫高壓（HPHT）處理，不太理想的棕色和灰色鉆石會(huì)被退火到幾乎無(wú)色。盡管經(jīng)過(guò)HPHT處理的鉆石比真正的便宜多達(dá)65％，且可作為天然寶石出售，但它們?nèi)狈讉€(gè)在天然鉆石的拉曼光致發(fā)光光譜中看到的發(fā)光峰（圖2）。

圖2.天然透明的鉆石在530-600 nm波段的光致發(fā)光發(fā)射峰。

鋯石是另一種天然寶石，加熱使其無(wú)色，更類似于鉆石。對(duì)兩者進(jìn)行拉曼分析可揭示每種物質(zhì)的不同光譜特征（圖3）。

圖3.在比較鉆石和鋯石樣品時(shí)可觀察到明顯的光譜差異。

鑒定琥珀標(biāo)本

恰帕斯州的琥珀比波羅的海和其他地區(qū)的都硬，很適合珠寶和雕刻。這種化石樹脂要數(shù)百萬(wàn)年才能形成，會(huì)被人造樹脂和玻璃仿冒。

科研人員將假琥珀與波羅的海和恰帕斯州的比較，觀察在457nm，488nm，514nm處激發(fā)的熒光。使用海洋光學(xué)的USB4000光譜儀，對(duì)兩種琥珀測(cè)出了熒光，并與散射的激光疊加在一起，但對(duì)于假琥珀則沒(méi)看到信號(hào)（圖4）。

圖4.與天然琥珀不同，假琥珀沒(méi)有熒光反應(yīng)。進(jìn)一步的調(diào)查還揭示了恰帕斯州和波羅的海琥珀樣品的差異。

波羅的海琥珀發(fā)射峰（535nm），恰帕斯州琥珀發(fā)射峰（525nm），發(fā)現(xiàn)兩者也存在輕微不同。拉曼光譜還可將真假琥珀區(qū)分開，并可更清楚地識(shí)別來(lái)自不同地區(qū)的琥珀。 

確定染色的珍珠

天然養(yǎng)殖的淡水珍珠有個(gè)寬且形狀一致的發(fā)光峰，上面有文石和多烯化合物的小拉曼峰，而染過(guò)的淡水養(yǎng)殖珍珠呈現(xiàn)出多種發(fā)光曲線（圖6），很容易鑒定染料的存在。

圖5.天然淡水珍珠具有與文石（碳酸鹽礦物）相關(guān)的拉曼特征峰。

圖6.染色的珍珠產(chǎn)生各種發(fā)光曲線。

識(shí)別染色的珊瑚

天然彩色珊瑚有獨(dú)特的拉曼峰（表示碳酸鈣及聚乙烯類胡蘿卜素），使其有各種顏色。當(dāng)對(duì)染色珊瑚測(cè)試時(shí)，會(huì)看到更寬的光致發(fā)光譜（圖7），二者均以不同波長(zhǎng)為ZX并且無(wú)拉曼峰。

圖7.染色珊瑚具有寬廣的發(fā)光曲線。

翡翠分類

圖8.光譜分析顯示出天然與人工合成祖母綠之間的細(xì)微差別。

祖母綠顯示出兩個(gè)Cr³⁺光致發(fā)光帶，其確切位置受其他雜質(zhì)影響，這樣就可將合成和天然祖母綠區(qū)分（圖8），合成的也比天然的有更高的鉻離子濃度，導(dǎo)致更強(qiáng)的光致發(fā)光峰。

將光譜儀應(yīng)用于其他寶石

負(fù)責(zé)識(shí)別和鑒定寶石的人員需要基于科學(xué)的全面設(shè)備。緊湊的光譜學(xué)系統(tǒng)可在許多層面上很好地發(fā)揮這一作用，可以檢測(cè)與天然寶石、合成物和仿冒品相關(guān)的光譜峰和圖案（圖9）。

圖9.“玉”一詞描述了翡翠或軟玉的礦物。拉曼光譜有助于揭示玉石類型和起源點(diǎn)的差異。

光譜學(xué)的力量超出了我們所有感官，它分析了材料的本質(zhì)。模塊化的光譜系統(tǒng)通過(guò)將儀器配置為用于研究的單一設(shè)置或集成到另一臺(tái)設(shè)備的自定義解決方案，無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)室還是在現(xiàn)場(chǎng)，都可以提供多種方法來(lái)應(yīng)對(duì)假冒產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

1. GemmoRaman-532 from Magilabs Oy (Ltd) (gemmoraman.com).

2. López-Morales, Guadalupe, R. Espinosa-Luna, and Claudio Frausto-Reyes. “Optical characterization of amber of Chiapas.” Revista mexicana de física60.3 (2014): 217-221