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拉曼光譜儀(Raman)用於寶石的快速篩測
前言
拉曼光譜是一種無損樣品的分析方法，無需樣品前處理，而它對晶體結構非常敏感，適合於樣品中微量成分的檢測。因此，拉曼光譜(Raman)已經越來越廣泛地用於寶石礦物的分析。對於價值極高的寶石，拉曼光譜(Raman)技術能夠區分正品與贗品，比如鑑別鑽石是否經過高溫高壓處理，或者添加填充物，以及是否以打蠟方式來增加色澤感，提高品質。拉曼光譜(Raman)還能用於礦物以及低價寶石的鑑別。在大多數情況下，只需要收集樣品光譜，然後自動搜索礦物資料庫就能夠確定礦物成分。
圖1.ThermoFisher DXR3 Smart Raman 智能拉曼光譜儀
利用ThermoFisher DXR3 Smart Raman結合通用平板取樣(UPS)附件和96孔盤自動進樣工具，可對大量寶石樣品的自動篩選和分類。DXR3智慧拉曼光譜儀專門為常規篩選分析而設計。位於UPS附件下方的雷射孔，透過OMNIC軟體控制自動聚焦到多孔板中的每個小孔內，激發小孔內樣品的拉曼訊號並進行光譜收集。通過編輯運行Marco巨集程式，每次光譜收集完成後就能自動進行資料庫譜比對，檢查樣品光譜是否與資料庫光譜匹配。對於大多數樣品來說，總共檢測的分析時間無須花費超過1分鐘。
實驗部分
DXR3智慧拉曼光譜儀結合UPS附件和多孔板自動進樣工具，一般用於96孔盤或藥片支架內的藥片分析。本實驗中，底面為玻璃材質的96孔板內放置了96個低價寶石，每個孔的直徑大約為7 mm。圖2為多孔板內的寶石照片。當馬達驅動控制的多孔板移動至檢測位置時，每個孔內的樣品就能進行光譜收集。實驗中所使用的雷射波長為532 nm，曝光時間為5秒，曝光次數為4。
圖2.底面為玻璃材質的96孔盤內放置的各種低價寶石樣品
資料分析和結果
OMNIC套裝軟體中陣列自動化分析軟體擁有很多的資料分析技術，利用它們可以對實驗中取得的96張光譜進行分析。陣列自動化分析軟體的可用演算法：峰高、峰高比、峰面積、峰面積比、校正峰高、組分析、校正峰面積、聚類分析、定量結果、主成分分析、相關性、多元曲線分辨等分析統計方法。
圖3.根據校正峰面積計算得到的寶石樣品分析結果，紅色為面積最大
另外一種演算法可以簡單有效地計算出樣品光譜與指定物質(比如某一類寶石)之間的光譜相關性。圖4為對每個樣品進行光譜相關性計算得到的結果，參考光譜為黃玉(托帕石)，圖中紅色小孔代表黃玉。當需要對一個或者一組寶石進行確認實驗時，使用相關性計算會非常方便。
圖4.根據光譜相關性計算得到的寶石樣品分析結果，紅色為相關性最高
當遇到未知樣品時，利用資料庫進行光譜搜尋將會非常有幫助。圖5為對G2孔盤位置內樣品光譜進行資料庫搜尋所得到的結果。搜尋結果顯示G2孔盤位置與資料庫中鎂橄欖石有非常高的光譜匹配度。需要注意的是，同一物質的命名在礦物學和寶石學上可能會存在差異。之前，我們用OMNIC資料庫管理軟體向光譜庫中添加了一個橄欖石樣品的拉曼光譜。如圖5所示，雖然匹配度最高的三條光譜均來自不同的鎂橄欖石樣品，但是我們之前添加的橄欖石樣品光譜也有非常高的匹配度。通過查閱文獻發現，橄欖石是一種具有寶石品質的鎂橄欖石。所以，資料庫搜尋得到的四張光譜都是對的。更進一步比對光譜圖譜，我們可以發現黃綠色光譜與樣品光譜最匹配。仔細觀察圖5可以看出，天然寶石樣品之間的光譜都會存在一些細小的差別，這也是很正常的現象。
圖5.G2孔盤位置品光譜的資料庫搜尋結果
