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    利用光譜學知識探究寶石鑒定中的奧秘

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    寶石是個價值數十億美元的產業,市場需求增加及價格上漲導致大量仿冒品流出。光譜法等相關技術可快速有效地將其鑒別。同時,無需制樣的技術優勢可保證完整性。

    本文分享我們是如何通過光譜學幫助識別仿冒品——寶石的分析與鑒定

    背景

    拉曼光譜可探索寶石的分子結構,拉曼光譜儀提供的指紋光譜包含可與寶石的化學結構相關的峰,以及祖母綠和紅寶石具有獨特的微量礦物質和內含物(圖1)。

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

    圖1.拉曼光譜法是分析寶石很好的工具。此圖中峰的強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能同時測量拉曼和光致發光信號,從而對天然鉆石及其模擬物進行全面分析。以下是兩個示例:

    ●天然鉆石在1332cm-1處有一個很強的拉曼峰,而使用化學氣相沉積生產的鉆石則沒有這樣的峰-這一特性可實現近乎即時的鑒定。

    ●使用高溫高壓(HPHT)處理,不太理想的棕色和灰色鉆石會被退火到幾乎無色。盡管經過HPHT處理的鉆石比真正的便宜多達65%,且可作為天然寶石出售,但它們缺乏幾個在天然鉆石的拉曼光致發光光譜中看到的發光峰(圖2)。

    圖2.天然透明的鉆石在530-600 nm波段的光致發光發射峰.png

    圖2.天然透明的鉆石在530-600 nm波段的光致發光發射峰。

    鋯石是另一種天然寶石,加熱使其無色,更類似于鉆石。對兩者進行拉曼分析可揭示每種物質的不同光譜特征(圖3)。

    圖3.在比較鉆石和鋯石樣品時可觀察到明顯的光譜差異.png

    圖3.在比較鉆石和鋯石樣品時可觀察到明顯的光譜差異。

    鑒定琥珀標本

    恰帕斯州的琥珀比波羅的海和其他地區的都硬,很適合珠寶和雕刻。這種化石樹脂要數百萬年才能形成,會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處激發的熒光。使用海洋光學的USB4000光譜儀,對兩種琥珀測出了熒光,并與散射的激光疊加在一起,但對于假琥珀則沒看到信號(圖4)。

    圖4.與天然琥珀不同,假琥珀沒有熒光反應。進一步的調查還揭示了恰帕斯州和波羅的海琥珀樣品的差異.png

    圖4.與天然琥珀不同,假琥珀沒有熒光反應。進一步的調查還揭示了恰帕斯州和波羅的海琥珀樣品的差異。

    波羅的海琥珀發射峰(535nm),恰帕斯州琥珀發射峰(525nm),發現兩者也存在輕微不同。拉曼光譜還可將真假琥珀區分開,并可更清楚地識別來自不同地區的琥珀。 

    確定染色的珍珠

    天然養殖的淡水珍珠有個寬且形狀一致的發光峰,上面有文石和多烯化合物的小拉曼峰,而染過的淡水養殖珍珠呈現出多種發光曲線(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)相關的拉曼特征峰.png

    圖5.天然淡水珍珠具有與文石(碳酸鹽礦物)相關的拉曼特征峰。

    圖6.染色的珍珠產生各種發光曲線.png

    圖6.染色的珍珠產生各種發光曲線。

    識別染色的珊瑚

    天然彩色珊瑚有獨特的拉曼峰(表示碳酸鈣及聚乙烯類胡蘿卜素),使其有各種顏色。當對染色珊瑚測試時,會看到更寬的光致發光譜(圖7),二者均以不同波長為中心并且無拉曼峰。

    圖7.染色珊瑚具有寬廣的發光曲線.png

    圖7.染色珊瑚具有寬廣的發光曲線。

    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微差別.png

    圖8.光譜分析顯示出天然與人工合成祖母綠之間的細微差別。

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

    將光譜儀應用于其他寶石

    負責識別和鑒定寶石的人員需要基于科學的全面設備。緊湊的光譜學系統可在許多層面上很好地發揮這一作用,可以檢測與天然寶石、合成物和仿冒品相關的光譜峰和圖案(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的差異.png

    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的差異。

    光譜學的力量超出了我們所有感官,它分析了材料的本質。模塊化的光譜系統通過將儀器配置為用于研究的單一設置或集成到另一臺設備的自定義解決方案,無論是在實驗室還是在現場,都可以提供多種方法來應對假冒產品。

    參考文獻

    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

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