宝石是一个价值数十亿美元的产业，中国和印度等国不断增长的市场促进了这一产业的繁荣。随着需求的增加，预测者预计价格将随之上涨，并因此导致假冒宝石的盛行。阅读更多内容，了解光谱学如何帮助识别假货。
有一些技术工具可以帮助挫败造假者。拉曼光谱和相关技术可以有效、快速、轻松地鉴别许多天然宝石和人造宝石，而且无损，无需制备样品。
背景介绍
最常见的伪造和替代宝石包括钻石、祖母绿、红宝石和翡翠等宝石，以及琥珀、珊瑚和珍珠等物质。然而，所有这些宝石都具有独特的光谱特征，可以通过功能强大的光谱仪器和成熟的方法进行识别。
舉例來說，拉曼光譜學能夠探索寶石的分子結構。拉曼光谱提供的光谱指纹包含的峰值可与宝石的化学结构以及赋予祖母绿和红宝石等宝石独特色调的微量矿物和包裹体联系起来（图 1）。
图 1：拉曼光谱是宝石分析的绝佳工具。在此图中，为了便于比较光谱形状的差异，对强度进行了移动。
高功率、短波长光源所诱发的发光提供了额外的信息，可用于鉴定和检测各种宝石处理方法。例如，天然祖母绿和合成祖母绿具有相同的化学结构，因此具有相同的拉曼光谱。两者的深绿色都来自铬和钒离子杂质的存在，但其他金属杂质的浓度和存在的细微差别会影响铬光致发光带的强度和波长，从而使合成祖母绿与天然祖母绿区分开来。
还有更多。通过使用 532 纳米激发激光同时进行拉曼和光致发光测量，宝石学家可以确定珊瑚和淡水珍珠是否经过染色以增强其天然颜色，从而人为地提高其价值。
鉴定天然钻石
人工培育和人工处理的钻石经常被当作天然钻石出售，随着制造和加工方法的改进，鉴定变得更加困难。海洋光学解决方案合作伙伴1 开发的系统由我们的高灵敏度拉曼光谱仪提供动力， 能够同时测量拉曼信号和光致发光，对天然钻石及其模拟物进行全面分析。下面是两个例子：
- 天然钻石在 1332 cm-1 处有一个很强的拉曼峰值，而采用化学气相沉积（CVD）工艺生产的钻石则没有这样的峰值–这一特征几乎可以立即进行鉴定。
- 不太理想的棕色和灰色钻石则通过高压高温（HPHT）处理退火至接近无色。虽然经过 HPHT 处理的钻石价格比真正的钻石低 65%，而且可以作为天然宝石出售，但它们缺少天然钻石拉曼/光致发光光谱中常见的几个光致发光峰（图 2）。
图 2：天然透明钻石显示出 530-600 纳米的光致发光峰。HPHT 处理可消除大部分这些峰值，在某些样品中只留下 576 纳米和 637 纳米的氮空位峰。
锆石是另一种可以通过加热使其变成无色并更接近钻石的天然宝石。(锆石不应与立方氧化锆混淆，后者是一种价格低廉的合成宝石，作为钻石模拟物非常受欢迎）。对锆石和钻石进行拉曼分析，可以发现它们各自不同的光谱特征（图 3）。
图 3：比较钻石和锆石样品时可观察到明显的光谱差异。
鉴别琥珀标本
虽然琥珀分布在世界多个地区，但恰帕斯琥珀（因产于墨西哥而得名）因其透明度和令人惊叹的颜色而备受推崇，颜色从蜂蜜色到绿色、蓝色、紫色和深红色不等。恰帕斯琥珀比波罗的海和其他地区的琥珀更硬，是制作珠宝和雕刻品的理想材料。这种树脂化石的形成需要数百万年的时间，但有时也会使用人造树脂和玻璃进行仿制。
在 2014 年的一篇论文中，墨西哥莱昂光学研究中心（Centro de Investigaciones en Óptica, A. C.）的研究人员将假琥珀与波罗的海地区和恰帕斯地区的标本进行了比较，观察了可调谐氩离子激光器在 457 nm、488 nm、514 nm 和多线输出2 下激发的荧光。
海洋光学光谱仪检测到波罗的海琥珀和恰帕斯琥珀的荧光与激光散射光叠加，但假琥珀没有荧光（图 4）。即使比较真琥珀的荧光光谱，也可以看到恰帕斯琥珀的发射峰在 525 纳米左右，而波罗的海琥珀的发射峰在 535 纳米左右。研究人员发现，拉曼光谱也能区分假琥珀和真琥珀，并能更清楚地识别来自不同地区的琥珀。
图 4：与天然琥珀不同，假琥珀没有荧光反应。进一步的调查还发现恰帕斯和波罗的海琥珀样品存在差异。
确定珍珠的颜色
养殖淡水珍珠的天然颜色来自称为聚烯烃的有机颜料，这种颜料具有增强的拉曼散射。染料可用于生产彩色珍珠，以模拟稀有的天然标本，因此仅靠肉眼识别非常具有挑战性。
然而，光谱学却告诉我们一个不同的故事。
天然状态下的养殖淡水珍珠有一个宽阔、形状一致的发光峰，其间点缀着文石（碳酸钙的一种形式）和多烯化合物的拉曼峰（图 5）。与此形成鲜明对比的是，染色养殖淡水珍珠会因染色剂而呈现出不同的发光曲线（图 6）。虽然可能无法确定染色剂，但通过光致发光增强拉曼光谱可以非常容易地确定是否存在染料，从而验证养殖淡水珍珠的价值。
图 5：天然淡水珍珠具有与文石（一种碳酸盐矿物）相关的特征拉曼峰。
图 6：染色珍珠产生不同的发光曲线。
识别染色珊瑚
珊瑚有各种色调，从浅粉色到深红色。通过在显微镜下观察用于运输营养物质的特征凹槽，可以确定珊瑚的身份，而传统的染色珊瑚检测方法需要用丙酮拭擦标本，有可能会损坏样本。
天然彩色珊瑚在特有的光致发光背景上有独特的拉曼峰。这些峰表示碳酸钙的形式，以及赋予珊瑚美丽色彩的聚乙炔和类胡萝卜素。当对染色珊瑚进行同样的测量时，会看到一条更宽的光致发光曲线（图 7）。这条曲线以不同的波长为中心，没有拉曼峰。
图 7：与天然珊瑚更明显的拉曼峰相比，染色珊瑚的发光曲线更宽。
鉴别染色珊瑚和天然珊瑚似乎是一种深奥的追求，直到人们意识到有些染色珊瑚是非法采摘的受保护物种，并被欺诈性地作为允许的合法贸易进行销售。
祖母绿的分类
祖母绿之所以呈现令人惊叹的深绿色，是因为绿柱石晶体基质中含有铬（Cr3+）和钒（V3+）离子。天然祖母绿和合成祖母绿具有相同的化学结构，因此很难将两者区分开来。虽然祖母绿没有明显的拉曼峰，但却显示出两条Cr3+光致发光带，其确切位置受到绿柱石结构中其他杂质（如镁、钛和锌）的影响。这样就可以将合成祖母绿与两种天然祖母绿（片麻岩和非片麻岩）区分开来（图 8）。
图 8：光谱分析揭示了真品祖母绿和合成祖母绿之间的细微差别。
合成祖母绿的铬离子浓度也往往高于天然祖母绿，从而产生更强的光致发光峰。即使天然祖母绿的颜色主要来源于钒离子，铬离子的浓度仍然很高，足以发出光致发光，因此这是鉴定天然祖母绿的一种非常有效的方法。
将光谱技术应用于其他宝石
負責鑑定和鑑定寶石的人員需要以可靠科學為基礎的強大設備。紧凑型光谱系统在许多层面上都能很好地发挥这一作用，因为仪器可以随时进行优化，以检测与天然宝石（图9）、合成物和其他伪造品相关的光谱峰值和模式。
图 9：”玉 “一词描述的是矿物翡翠或软玉。拉曼光谱有助于揭示玉石类型和原点的差异。
光谱学的能力超越了我们所有的感官，因为它能分析材料的本质。
Ocean Optics 模块化光谱系统提供了多种反欺诈方法，无论是在实验室还是在现场，都可将仪器配置为用于研究的单一装置或集成到其他设备中的定制解决方案。
参考资料
1.Magilabs Oy (Ltd) 的 GemmoRaman-532(gemmoraman.com)。
2.López-Morales, Guadalupe, R. Espinosa-Luna, and Claudio Frausto-Reyes.”恰帕斯琥珀的光学特征”。Revista mexicana de física 60.3 (2014): 217-221.