中国地质大学(武汉)珠宝学院, 湖北 武汉 430074
方沸石作为一种工业常见矿物, 在工业中被广泛应用, 方沸石的合成方法也极其成熟, 但可以用作宝石的天然方沸石却在世界范围内都非常少见。 该文讨论对象为湖北大冶矿区产出的天然宝石级方沸石, 旨在为对其进行种类鉴别并阐述其产地特征与鉴定依据。 该产地的方沸石多呈无色透明, 晶型完整者多见, 晶面花纹清晰, 晶体粒径最大可达36 mm, 总体净度较好。 通过背散射电子观察结果确定样品成分均匀, 结合XRD谱图及能谱分析结果计算确定该晶体为方沸石; 内部可见白色包裹体, 具束状结构与一组解理, 电子探针结果计算判断内部包裹体为交代残余结构的的斜钙沸石。 拉曼光谱特征如下: 81、 139、 201和298 cm-1的峰是由沸石的晶格振动导致; 298 cm-1的强峰可能代表金属氧的振动; 491 cm-1的极强峰是由O-Si-O键的弯曲振动导致的; 390、 671 cm-1的峰可能归因于硅氧和铝氧四面体的移位; 1 105 cm-1的一组峰指示硅氧四面体的伸缩振动, 这是天然沸石的典型峰位。 1 624 cm-1的弱峰则代表水的弯曲振动, 3 557 cm-1的强峰代表水的伸缩振动。 样品红外光谱主要表现为: 红外吸收谱线788、 1 259 cm-1是由硅氧四面体的伸缩振动导致的。 1 646 cm-1是由水的弯曲振动导致的; 3 635 cm-1弱吸收是由水的伸缩振动导致的。 部分样品仅可见3 635 cm-1一处吸收, 表明其内部水分子仅以一种形式参与晶格, 可见溶蚀凹坑与绿泥石的样品除3 635 cm-1一处吸收外, 在其左侧均可见吸收但3 635 cm-1强度相对较高, 表明其结构内水分子以多种形式参加晶格且数量稍多, 但总体仍较少。 结合光谱、 成分测试推测湖北大冶宝石级方沸石为高温沉积型方沸石, 交代斜钙沸石成矿, 后期经历了局部绿泥石化。
宝石级方沸石 大冶铁矿 红外光谱 激光拉曼光谱 Gem-gradeanalcime Daye iron ore Infrared spectrum Laser Raman spectroscopy 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2799
中国地质大学(武汉)珠宝学院, 湖北 武汉 430074
缅甸是商业性翡翠主要产地, 危地马拉、 俄罗斯也有翡翠产出。 不同产地的翡翠价值差异较大, 其他产地的翡翠冒充缅甸翡翠以获取价格上涨。 迫切需要一种可靠方法来确定地理起源, 翡翠的产地研究具有重要的宝石学意义, 目前主要在翡翠生成时代、 矿物组合、 硬玉组分含量等方面探讨不同产地翡翠, 缺乏快速有效鉴别产地的方法, 以缅甸、 俄罗斯、 危地马拉翡翠为研究对象, 对不同产地翡翠样品的激光拉曼光谱特征研究发现: 缅甸翡翠矿物为硬玉、 绿辉石、 透闪石; 危地马拉翡翠矿物相对复杂, 为硬玉、 绿辉石、 绿泥石、 榍石; 俄罗斯翡翠矿物为硬玉、 钠长石、 绿辉石。 对比不同产地硬玉矿物拉曼特征发现, 缅甸翡翠硬玉矿物分别在1 037, 988, 697, 372和201 cm-1等处显示硬玉的典型光谱特征。 在1 020, 679, 369和216 cm-1处附近显示为绿辉石特征拉曼峰, 在215, 332, 394, 680和1 073 cm-1 处有明显透闪石吸收峰, 为翡翠中的次生矿物。 危地马拉翡翠硬玉矿物多叠加680和218 cm-1拉曼峰值, 为绿辉石特征的峰值, 还含有603, 537和306 cm-1附近绿泥石特征拉曼光谱峰值, 表明危地马拉翡翠硬玉矿物多被Fe, Mg和Ca元素的类质同像替换, 形成硬玉-绿辉石固溶体矿物, 硬玉矿物表面检测出603, 537和306 cm-1绿泥石特征拉曼光谱峰值, 硬玉矿物表面发生绿泥石蚀变。 俄罗斯翡翠硬玉拉曼峰值, 多叠加1 100, 507, 473和164 cm-1附近钠长石特征拉曼峰值, 俄罗斯翡翠硬玉颗粒普遍被钠长石交代, 表面多分布灰绿色网脉, 显示1 025, 669, 366和219 cm-1绿辉石矿物拉曼峰值。
激光拉曼光谱 翡翠 产地 Laser Raman spectroscopy Jadeite Origins 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3441
燕山大学信息科学与工程学院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
提出了一种基于拉曼光谱和改进人工蜂群算法优化支持向量机回归(IABC-SVR)算法快速定量检测山羊血清蛋白含量的方法。 传统人工蜂群算法在数据区域规模较大时, 收敛速度逐渐减慢, 出现效率低、 精准度下降、 局部最优解概率高等问题。 所提出的算法解决了这些问题, 使算法在进化前期避免陷入局部最优解, 在进化中后期能够保持解的全局搜索能力。 常规测定血清蛋白总量的方法通常采用凯氏定氮法、 双缩脲法等, 但存在时效慢、 污染样本等缺点。 采用拉曼光谱法进行检测, 具有快速、 无损的优点。 以山羊血清为分析对象, 按一定体积比配置35组待测样本, 用拉曼光谱仪采集拉曼光谱, 光谱采集范围为300~1 300 cm-1, 采用基线矫正去除荧光背景, 使用Savitzky-Golay光谱平滑法对原始光谱进行平滑处理, 归一化处理光谱数据, 并对拉曼光谱特征峰进行归属。 实验结果表明, 拉曼光谱能够表征血清中主要化学集团的信息, 且由于官能团浓度差异, 光谱特征峰强度随浓度变化明显, 因此基于特征峰信息可以测定血清蛋白总量。 实验中, 以购买的山羊血清蛋白含量为基准, 通过配置样本的体积比得到各组待测血清样本的蛋白含量, 配置的单个液体样本体积为3 mL, 随机选取8组实验样本作为模型测试集, 剩余27组作为模型训练集。 以经过处理的光谱特征峰强度和对应的血清蛋白含量分别作为模型的输入值及输出值, 建立IABC-SVR, ABC-SVR和BP三种算法的定量模型, 对测试集血清蛋白总量进行预测。 最后通过均方差(MSE), 相关系数(r)与建模时间分别进行对比, 结果表明通过IABC-SVR建立的山羊血清蛋白定量矫正模型效果最佳, 模型的相关系数为0.990 27, 均方误差为0.244 3, 建模时间为1.9 s, 预测值方差均小于0.001 g·mL-1, 预测准确率为99.8%。 实验结果表明, 应用激光拉曼光谱技术结合IABC-SVR算法, 对快速定量检测山羊血清蛋白含量, 具有较高的准确率和稳定性。
激光拉曼光谱 血清蛋白 改进人工蜂群优化 支持向量机回归 定量分析 Laser Raman spectroscopy Serum protein Improved artificial bee colony optimization Support vector machine regression Quantitative analysis
1 中国地质大学(武汉)珠宝学院, 湖北 武汉 430074
2 深圳技术大学创意设计学院, 广东 深圳 518118
3 上海建桥学院珠宝学院, 上海 201306
近期市场上出现了一种外形特殊的绿松石, 体色多呈现浓度不同的蓝绿色, 大部分表面都有大小不等的白色——浅蓝白色斑块和斑点, 斑块界限模糊, 部分品种表面有类似流纹的结构, 外表与压制绿松石极为相似, 这种绿松石原料主要产自于蒙古, 市场上俗称 “外蒙料”。 采用常规宝石学测试仪器, X射线荧光光谱、 红外吸收光谱、 激光拉曼光谱和X射线粉晶衍射等测试方法对这类“外蒙料”绿松石的宝石学性质、 化学成分及矿物组成等进行了较为详细的研究分析。 研究结果表明: “外蒙料”绿松石样品整体外观呈浅蓝绿至深蓝绿色, 颜色分布不均匀, 表面常见白色或浅蓝白色分布不均一的斑块或斑点, 内部常含有石英、 长石、 伊利石还有黄铁矿。 其折射率约为1.60~1.62, 相对密度约为2.43~2.76, 低于我国湖北和安徽的绿松石。 在长波紫外光下, 大部分样品可见较微弱的蓝白色荧光, 在短波紫外光下, 荧光为惰性。 “外蒙料”的主要化学成分均偏离绿松石理论化学成分值, w(Al2O3)在26.75%～30.30%之间, w(P2O5)在32.54%～36.40%之间, w(CuO)在6.99%～10.73%之间, w(FeO)在1.73%～4.39%之间, w(ZnO)在0.35%～2.93%之间, 属于绿松石——锌绿松石类质同像系列靠近绿松石的端元, 其中普遍含有一定量的SiO2, 质量分数可达2.38%～8.87%, 这一特点与国内其他产地绿松石几乎不含或含有极微量的SiO2不同。 X射线粉晶衍射及红外吸收光谱显示, “外蒙料”中不均匀分布的颜色斑块的主要组成矿物均为绿松石, 且整体未经优化处理, 为天然绿松石。 红外吸收光谱显示绿松石“外蒙料”的红外吸收光谱为结晶水、 羟基水及磷酸根基团的振动光谱, 与天然绿松石的红外吸收光谱特征一致。 “外蒙料”绿松石中不同透明度及颜色的杂质矿物的激光拉曼光谱测试分析表明该绿松石中所含有的白色不透明杂质矿物为钠长石, 白色半透明杂质矿物为石英, 黄铜色具有金属光泽的杂质矿物为黄铁矿。
绿松石 成分特征 红外吸收光谱 激光拉曼光谱 外蒙料 Turquoise Composition characteristics Infrared absorption spectroscopy Laser Raman spectroscopy Mongolia 光谱学与光谱分析
2020, 40(7): 2164
国际竹藤中心, 竹藤科学与技术重点实验室, 北京 100102
采用532 nm共聚焦显微拉曼光谱技术原位状态下研究了黄藤藤茎纤维及导管细胞壁中纤维素微纤丝空间取向差异。 在高数值孔径（NA=125）物镜测试条件下, C—H伸缩振动（2 771~3 000 cm-1）特征峰峰面积拉曼成像成功的区分出细胞角隅、 复合胞间层以及次生壁。 进一步发现纤维细胞次生壁呈宽窄交替的同心层状结构, 而导管次生壁无明显的分层结构。 采用平行于细胞径向壁的拉曼偏振激光进行光谱成像发现纤维细胞次生壁窄层纤维素C—O—C（1 097 cm-1）拉曼信号强度明显高于宽层, 即窄层中微纤丝取向更加平行于入射激光偏振方向, 与细胞轴夹角更大, 而导管次生壁中微纤丝取向较为均一。 细胞壁不同形态区域拉曼光谱分析发现纤维素C—O—C特征峰以及CH和CH2特征峰的拉曼信号强度与入射激光的偏振方向存在明显的相关性。 当入射偏振激光的电矢量方向从平行变化到垂直于微纤丝方向时, 其糖苷键C—O—C非对称伸缩振动信号减弱, 而CH和CH2的取向在与入射偏振激光的电矢量方向垂直时, 其拉曼信号强度相较于平行状态略微降低, 表明纤维素特征峰中的糖苷键C—O—C的非对称伸缩振动比CH和CH2伸缩振动对拉曼偏振光的方向改变更为敏感。 比较纤维细胞宽层与窄层的拉曼光谱发现径向次生壁窄层1 097 cm-1处拉曼信号强度明显高于弦向次生壁窄层, 而径向次生壁宽层的2 897 cm-1处拉曼信号强度低于弦向次生壁宽层。 拉曼特征峰比值（I1 095/I2 897）可用来定性研究细胞壁微纤丝角, 结果发现这一比值在导管次生壁、 纤维细胞窄层和纤维细胞宽层中分别为132~110, 092~055和042~033, 表明导管次生壁具有最大的微纤丝角, 纤维细胞窄层次之, 宽层最小。 该研究为解析藤材细胞壁骨架空间结构、 化学成分分布以及微力学特性提供了新型的分析手段和重要的理论指导。
黄藤 细胞壁分层 微纤丝取向 偏振光拉曼光谱 Daemonorops jenkinsiana Cell wall layering structure Microfibrils orientation Polarized laser Raman spectroscopy 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2758
1 陕西中医药大学药学院, 陕西 咸阳 712046
2 陕西中医药大学第一附属医院, 陕西 咸阳 712046
3 长安大学地球科学与资源学院, 陕西 西安 710054
从中药材黄花蒿中提取的青蒿素, 是一种含有过氧基团的倍半萜内酯药物, 目前已成为世界卫生组织推荐的抗疟疾药物。 含有青蒿素的复方制剂具有抗疟、 抑菌和调节免疫功能等作用, 然而含青蒿素的复方制剂没有可量化的统一质量标准, 因此难以控制和评价这些复方制剂的质量。 目前对于青蒿素复方制剂的研究主要集中在定性分析其有效成分上, 但具体如何定量分析其中青蒿素含量的研究工作却并不多, 迫切需要一种简便、 快速、 无损的方法监控青蒿素的生产和使用。 激光拉曼光谱是一种分子联合的光散射现象, 能够提供样品分子的成分及结构, 对研究青蒿素具有重要的意义。 首先对青蒿素标准样品进行激光拉曼光谱定性分析测试, 获得青蒿素标准品的拉曼特征图谱, 这些标准图谱为以后分析中药复方制剂中的青蒿素奠定了基础。 通过拉曼测试分析得到位于724 cm-1处的拉曼峰是与青蒿素中过氧基团直接相关的特性声子振动模式, 可用于检测过氧桥键的存在, 也是决定其抗疟活性的关键; 而位于1 736 cm-1处的拉曼峰强度大、 周围无其他振动峰干扰, 是与青蒿素中内酯基团相关的特性声子振动模式, 也可用来检测分析青蒿素。 因此, 拟采用青蒿素分子中位于724 cm-1处和1 736 cm-1两处的拉曼特征峰进行定性定量分析。 然后, 在实验室制备了一系列具有不同青蒿素质量百分数的青蒿素/面粉混合样品, 确定出混合样品中青蒿素724 cm-1处和1 736 cm-1处拉曼光谱参数。 并以峰面积比值A724/A1 736的平均值作为横坐标, 青蒿素质量百分数作为纵坐标, 拟合青蒿素质量百分数与峰面积比的函数关系, 得到二次函数关系式为y=0.907 22x2+0.465 93x(0
激光拉曼光谱 青蒿素含量 中药复方制剂 定量分析 Laser Raman spectroscopy Artemisinin content Chinese traditional compound medicine Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(8): 2403
1 燕山大学信息科学与工程学院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 Department of Electrical and Computer Engineering, Missouri University of Science and Technology, Rolla, Missouri 65401, USA
提出了一种基于激光拉曼光谱和人工蜂群智能优化支持向量回归机(ABC-SVR)算法的快速定量检测三组分混和油中3种脂肪酸含量的方法。 该方法针对光谱数据信息与样本之间非线性、 高维度的关系, 建立了预测精度及建模效率均高于同类对比算法的数学模型, 同时避免了气相色谱法、 液相色谱法等对混合油脂肪酸含量的检测方式, 根据纯种油中3种脂肪酸含量的国际标准, 由油品配置体积得到脂肪酸质量, 有效降低了检测成本与实验复杂程度, 提高了检测工作的实用价值。 首先根据一定梯度配置66组混合油检测样品, 使用便携式拉曼光谱仪采集样本的拉曼光谱信息, 扣除背景噪声; 观察多组样本的拉曼光谱图可知, 由于官能团浓度的差异, 食用油的拉曼特征峰位移基本相同, 特征峰的峰值明显不同, 因此基于特征峰信息可以区分食用调和油的不同混合物; 其次对拉曼光谱做背景扣除、 光谱平滑、 最大值谱线归一化三步预处理, 以降低实验中不可控的外界因素及背景荧光的影响, 准确提取光谱特征峰强度信息; 然后根据纯种油中3种脂肪酸的国际标准含量, 结合国家食品法典委员会标准CODEX STAN210—1999《指定的植物油法典标准》中规定的纯种油密度中值, 由油品体积得到脂肪酸质量数; 随机选取56组样本数据作为训练集, 剩余10组样本数据作为预测集; 以训练集光谱特征峰强度和脂肪酸质量分别作为回归模型的输入及输出值, 建立SVR和PSO-SVR, ABC-SVR三种混合优化算法对比的定量分析模型, 对测试集的3种脂肪酸含量分别进行预测; 最后通过均方误差(MSE)、 相关系数(r)及建模时间(Elapsed time)分别进行对比, 建立数据表对模型精准度进行检验。 实验结果表明, 通过ABC-SVR定量分析模型效果最佳, 3种脂肪酸含量预测值与真实值的均方差分别为0.88×10-4, 16×10-4和8×10-4, 均低于0.002; 相关系数分别为93.43%, 99.65%和99.43%, 均高于93%; 预测时间(Elapsed time)分别为1.26, 2.42和2.14 s。 因此, 所提出的检测方法, 具备较高的精确度、 较快的建模时间, 且在理论上的类似条件下可适用于其他样品检测工作, 可为振动光谱学对食用油掺伪分析的进一步工作提供可行的理论依据。
激光拉曼光谱 人工蜂群 支持向量回归机 脂肪酸 混合油 Laser Raman spectroscopy Artificial bee colony Support vector regression machine Fatty acid Blend oil 光谱学与光谱分析
2019, 39(7): 2147
1 中国科学院海洋研究所, 中国科学院海洋地质与环境重点实验室, 深海极端环境与生命过程研究中心, 山东 青岛 266071
2 中国科学院大学, 北京 101408
3 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266061
作为一种典型的深海极端环境, 热液区域不仅分布着各种硫化物矿产, 而且孕育着特殊的生态群落, 对热液流体理化性质的研究有助于深入了解热液的运动机制。 激光拉曼光谱技术除了定性分析方面的优势外, 已经被逐步用于定量分析, 并且在原位探测中发挥了重要作用。 该研究模拟了深海热液喷口流体的高温高压环境, 探讨了水分子和硫酸根离子的拉曼光谱在热液流体温度探测中的应用价值。 通过对水峰ν1(H2O)、 硫酸根ν1(SO2-4)的拉曼频移与温度、 离子浓度的关系进行研究, 结果表明水峰ν1(H2O)和硫酸根ν1(SO2-4)的拉曼频移随温度表现出明显的变化, 水峰ν1(H2O)的拉曼频移受流体硫酸根浓度的影响明显, 因此不适用于硫酸根离子浓度变化明显的热液流体温度的测量。 相比之下, ν1(SO2-4)的拉曼频移对流体硫酸根浓度和流体压力不敏感, 为温度的反演提供了很好的依据。 建立了ν1(SO2-4)的拉曼频移与温度的线性方程: Rν1(SO2-4)=-0.03T+980.69, 其中, R2=0.998 6, 可用于对深海热液喷口流体温度的原位探测等实际应用。
激光拉曼光谱 热液流体 硫酸根 温度 Laser Raman spectroscopy Hydrothermal fluid Sulfate Temperature 光谱学与光谱分析
2018, 38(11): 3390
1 南京财经大学管理科学与工程学院, 江苏 南京 210023
2 江苏省质量安全工程研究院, 江苏 南京 210023
3 浙江工商大学管理工程与电子商务学院, 浙江 杭州 310018
光谱在采集过程中, 时常伴随随机噪声, 为获得高质量的样品光谱信息, 必要的光谱降噪处理成为光谱预处理环节的重要组成部分, 目前, 针对高维激光拉曼光谱的构建与降噪研究相对较少。以羊奶粉为例, 提出了以激光强度为外扰的二维相关高维拉曼光谱的构建, 实现了样品的三维拉曼光谱分析, 展现了更为丰富的光谱信息; 其次, 提出了以相关系数为评价指标的高维拉曼光谱降噪策略评估方法, 研究了Savitzky-Golay滤波, Haar小波, Daubechies小波和Biorthogonal小波处理拉曼光谱数据的降噪效果。结果显示, 拉曼光谱数据蕴含丰富的样品化学特征信息, 通过光谱降噪处理可有效降低随机噪声的影响, 不同降噪函数的光谱处理效果存在差异, 以相关系数为评估指标可量化分析降噪函数的适用性, 针对实验体系, Savitzky-Golay滤波降噪处理效果较好。
激光拉曼光谱 降噪 高维数据 奶粉 二维相关 laser Raman spectroscopy noise reduction high-dimensional data milk powder two-dimensional correlation
1 同济大学海洋地质国家重点实验室, 上海 200092
2 同济大学海洋与地球科学学院, 上海 200092
3 同济大学宝石及工艺材料实验室, 上海 200070
选取产自广西大化瑶族自治县岩滩镇的黑青色阳起石玉为研究对象, 采用电子探针、 傅里叶变换红外光谱仪和激光拉曼光谱仪就其化学成分和振动光谱特征进行测试分析, 并对小半径金属阳离子在阳起石晶体结构中的占位情况予以讨论。 结果表明, 广西黑青色阳起石玉的主要矿物组成为富铁阳起石, 并含有少量铁阳起石； 化学成分中的高含量FeOT(Wt%: 18.596%~26.791%)是导致其折射率值(1.64)、 密度值(3.12 g·cm-3)偏高且在自然光下呈黑色、 透射光下呈绿色的主要原因。 受晶体结构中Fe2+对Mg2+的类质同象替代作用影响, 广西黑青色阳起石玉1 400~400 cm-1范围内的红外吸收谱带与100~1 200 cm-1范围内的拉曼谱峰位置较透闪石向低频区发生偏移, 频差不等； 且中红外、 近红外吸收光谱和拉曼光谱中均可见四个(MgMgMg)OH(A带), (MgMgFe2+)OH(B带), (MgFe2+Fe2+)OH(C带)和(Fe2+Fe2+Fe2+)OH(D带)振动谱带, 其中基频振动谱带分别位于3 674, 3 660, 3 644和3 625 cm-1附近, 倍频振动谱带分别位于7 183, 7 154, 7 118和7 077 cm-1附近, 相对强度为A＜D＜B＜C。 化学成分和M—OH红外振动谱带积分面积计算结果显示广西黑青色阳起石玉晶体结构中Mg2+优先占据M2位置, Fe2+优先占据M1位置； Mg2+和Fe2+在M1和M3位置上的分布相对有序, 占位系数接近于1。 综合分析认为广西黑青色阳起石玉的变质程度属绿片岩相范畴。
阳起石 红外吸收光谱 激光拉曼光谱 阳离子占位 Actinolite Infrared absorption spectroscopy Laser Raman spectroscopy Cation site occupation 光谱学与光谱分析
2018, 38(6): 1786
