波普技術在寶玉石鑒定中的應用及前景探究

摘要：波譜分析對寶石的鑒定依據了其組成物質在不同分析方法中展現出的譜學特征。介紹了現代寶玉石檢測過程中常用的幾種波普分析技術，包括紅外光譜技術、X射線衍射技術、拉曼光譜技術等。紅外光譜技術是根據礦物紅外吸收譜帶的特征，對礦物的紅外吸收光譜進行表征，進而將寶玉石內部的礦物結構與含量的變化展現出來。X射線衍射技術通過構建衍射現象與晶體結構之間的定性與定量的關系，對樣品中不同元素及其形成的具有固定結構的化合物進行定性和定量分析。拉曼光譜技術是根據被測物質內部不同分子間的振動關系來反映出組成被測物質的材料的分子特征，該方法利用拉曼光譜的頻率、峰的位置、強度、寬度等信息，對被測物質化學成分與內部晶體結構進行分析。寶玉石鑒定檢測時，常將上述幾種方法聯合使用。將海量檢測數據收集后，建立不同方法下寶石品種的數據庫并與人工智能技術相結合，為寶玉石的鑒定提供了一種新的思路。

關鍵詞：寶石鑒定"紅外光譜技術"X射線衍射技術"拉曼光譜技術"數據庫"人工智能

Application"and"Prospect"of"Pop"Technology"in"Gemstone"Identification

HE"Haifei1"WANG"Yan1

• School"of"Emergency"Management"and"Safety"Engineering，"North"China"University"of"Science"and"Technology，"Tangshan，"Hebei"Province，"063000"China

Abstract："Spectral"analysis"identifies"gemstones"based"on"the"spectral"characteristics"are"exhibited"by"their"constituent"materials"in"different"analytical"methods."Several"commonly"used"spectral"analysis"technologies"in"modern"gemstone"detection"processes"were"introduced，"including"infrared"spectroscopy，"X-raynbsp;diffraction，"Raman"spectroscopy"and"so"on."Infrared"spectroscopy"technology"is"to"characterize"the"infrared"absorption"spectrum"of"minerals"based"on"the"characteristics"of"the"infrared"absorption"bands，"thereby"revealing"changes"in"the"mineral"structure"and"content"inside"the"gemstone."X-ray"diffraction"（XRD）"technology"qualitatively"and"quantitatively"analyzes"different"elements"and"their"formed"compounds"with"fixed"structures"in"samples"by"constructing"qualitative"and"quantitative"relationships"between"diffraction"phenomena"and"crystal"structures."Raman"spectroscopy"technology"reflects"the"molecular"characteristics"of"the"material"that"is"composed"of"the"measured"substance"based"on"the"vibration"relationship"between"different"molecules"inside"the"measured"substance."This"method"uses"the"information"such"as"frequency，"peak"location，"intensity"and"width"of"Raman"spectrum"to"analyze"the"chemical"composition"and"internal"crystal"structure"of"the"measured"substance."When"identifying"and"testing"precious"stones，"the"above"methods"are"often"used"in"combination."After"collecting"massive"detection"data，"establishing"the"database"of"gemstone"varieties，"using"different"methods"and"combining"it"with"artificial"intelligence"technology，"which"provides"a"new"approach"for"the"identification"of"gemstones.

Key"Words："Gemstone"identification;"Infrared"spectroscopy;"X-ray"diffraction"technology;"Raman"spectroscopy"technology;"Database;"Artificial"intelligence

20世紀50年代后，隨著電子科學技術的飛速發展，波譜分析技術也得到了大幅提升。紅外光譜技術、X射線衍射技術、拉曼光譜技術等是寶玉石檢測過程中常用的幾種波普測試技術。在實際檢測過程中，常將幾種方法聯合使用，共同完成寶玉石的真偽和品質的鑒定工作。

人工智能技術作為一種高效的方法，其在寶玉石鑒定方面的應用為解決海量的測試數據與圖譜提供了一種新穎的思路。在寶石識別、鑒定與分類等方面的應用過程中，人工智能技術與多種現代波普測試技術結果呈現出了相互依賴、共同發展進步的趨勢，并且取得了不錯的效果。

波譜分析技術在寶石鑒定過程中的應用極大地彌補了常規寶玉石鑒定儀器在鑒別過程中的短板和缺陷，其優越性和有效性在寶玉石的研究成果中已經得到了充分的體現。對于種屬不同的寶石，其化學組成與晶格構造亦不相同；對于相同種屬的寶石，其化學成分與晶格構造受其生成環境的影響有時也存在著一定的差異。不同的波普分析技術具有的特點與適用性各不相同，任何一種單一的檢測方式都難以對被測寶石的真偽和品質做出準確的判別和評價。以多種鑒定結果數據為基礎，對光譜鑒定數據的收集、儲存和挖掘工作是人工智能技術在寶玉石鑒定方面成功應用的基礎和關鍵。

1常用波譜技術與原理

1.1"紅外光譜技術

紅外光譜技術是寶玉石鑒定過程中應用最廣泛的技術之一。經人工合成或優化處理過的寶石與天然寶石物的化性質基本相同，但在一些細微的方面還是存在著一定的差異，這種差異會在紅外圖譜上被展現出來[1]。當頻率連續變化的紅外輻射照射到被測礦物時，被測礦物內部的晶格（分子）、絡陰離子（團）和配位基會吸收某些特定頻率的能量，最終導致其振動（含轉動）能級發生躍遷，特征光譜會在這個過程中產生，其捕捉記錄的結果被人們稱為紅外吸收光譜[2]。伸縮振動和變形振動是分子中基團的兩種振動形式，每種振動形式對應的紅外波長的吸收范圍互不相同，具有不同原子數的分子會基于這兩種基本振動形式的組合進而吸收紅外光（見圖1）。

紅外光譜技術具有指紋特征屬性，其測得的紅外光譜圖會將被測物質內部的結構和含量的變化都巨細無遺的展現出來，與譜庫中已知的物質的光譜對比、匹配與分析后，便可為寶玉石的鑒定提供可靠的理論依據。張勝男等人[3]采用了紅外光譜儀與鏡面反射附件，研究湖北竹山的綠松石、優化處理和仿制的綠松石的紅外光譜特征。其中一條結果表明，OH、H2O、PO4基團的振動和頻率決定天然綠松石的紅外光譜特征；綠松石指紋區的[PO4]基團并非只v3和v4具有紅外活性，v1和v2的非紅外活性變活頁也顯示出了較弱的吸收譜帶，分別位于903"cm-1和417cm-1附近（見圖2）。根據各個樣品的紅外光譜特征，將綠松石、優化處理和仿制品區分開來，證實了紅外光譜技術是一種有效鑒別綠松石及其處理品和仿制品的無損檢測方法。

1.2"X射線衍射技術

現代物理學在1895年倫琴發現X射線的同時宣布正式誕生。在X射線的幫助下，人類正式開始對物體內部的結構進行探索和分析[4]。一束照射到晶體上的X射線會發生散射，晶體中X射線的衍射結果本質上是晶體中各個原子散射波之間發生相互干涉的結果，衍射線能否產生與散射波之間的干涉作用有關。當散射波在空間中傳播時，相同方向上的散射波會相互疊加，方向相反的散射波會發生相互抵消。被照射物質的晶胞體積大小、形狀和位相等性質會被衍射線的空間分布規律反映出來，其原子的種類及其在晶胞中所處的位置也與衍射線的強度密切相關。X射線衍射技術的測試對象涵蓋了粉末固體、塊狀固體與液體樣品，每種樣品類型不同，其制備方法也不盡相同。任何一種結晶物質都具有自身特定的晶體結構，表現在X射線衍射圖譜中就是該種物相所具有的特殊的衍射花樣即指紋圖譜（見圖3）。

目前，國際衍射數據中心已經建立了一個包含無機物、有機物與有機金屬化合物在內的約1"089"000個數據的龐大數據庫[5]。利用專業的X射線衍射圖譜解譯軟件對測試數據進行解譯，將結果與已知結構物質的標準數據庫（PDF卡片）匹配對比，可以達到對樣品中不同元素及其形成的具有固定結構的化合物進行定性和定量分析的目的。

1.3拉曼光譜技術

印度物理學家拉曼于1928年首次發現拉曼效應，并在兩年后，因在光散射工作與拉曼效應的發現兩方面做出的貢獻與研究，他一舉獲得1930年度的諾貝爾物理學獎。

當物質被一束光照射時，光束中大部分的光會被物質反射或透過物質，只有少部分的光會向四面八方散射，這少部分散射光又可分為彈性散射與非彈性散射。根據電子末態振動能級與初始激發振動能級的不同，拉曼散射又可分為斯托克斯散射與反斯托克斯散射（見圖4）。

將拉曼散射信息收集提取就形成了拉曼光譜圖，被測物質具有一套自身固定的拉曼特征譜圖，能夠反映出被測物質的材料的分子特征、化學成分與內部晶體結構。用拉曼光譜法測定寶玉石圖譜并建立對應礦物的拉曼圖譜庫，可以為該方法鑒定寶玉石礦物做出大量且必要的前期工作。張譽慧等人[6]為探討單晶體的寶石級的薔薇輝石化學成分與光譜學特征，采用包含拉曼光譜測試手段在內的多種現代測試手段測試了10塊巴西產出的單晶薔薇輝石樣品，其中，拉曼光譜測試結果表明：樣品的拉曼光譜與RRUFF"ID：R060196的巴西薔薇輝石的拉曼光譜基本一致（見圖5），樣品的拉曼位移主要由666"cm-1最強峰、972和997cm-1次強雙峰，以及若干弱峰組成；薔薇輝石的主要拉曼峰與[SiO4]四面體的伸縮、彎曲振動與八面體配位陽離子的伸縮振動有關。測試所得結果為薔薇輝石的品種鑒定、優化、產地鑒別提供了重要的基礎資料。

2研究展望

1956年夏天，在達特茅斯學院舉辦的人工智能研討會上，約翰.麥卡錫首次提出“人工智能”的概念，并迅速引起了國外學術界的高度重視。近60年以來，在經濟社會快速發展，以及互聯網、大數據、傳感網絡等新理論與新技術的誕生的大背景下，人工智能技術發展迅速[7]，并已成為一個以計算機科學為基礎、融合多個交叉學科的新興學科。

寶石的來源遍布世界各地，不同產地來源的同種寶石并沒有一個統一的、絕對的鑒定體系[8]。波譜分析對寶石的鑒定依據了其組成物質在不同分析方法中展現出的譜學特征，光譜鑒定數據的搜集、儲存和挖掘工作是人工智能技術應用于寶玉石鑒定工作中的基礎和關鍵。光譜庫是光譜儀器在一定條件下測得各類物質光譜數據的集合，USGS-MIN、JPL、JHU、IGCP-264、ASTER等都是目前國際上比較公開和常用的光譜數據庫[9]。優質的光譜數據庫應該比較全面地包含被測各類寶石的光譜數據與測試過程中涉及的的輔助數據及背景參數。以多種巖礦測試結果為基礎，建立寶石光譜數據庫，完善和豐富不同品種、品質寶石的光譜學特征信息，輔以計算機光譜檢索系統的使用來對測試結果進行快速的匹配與分析，不僅可以為寶石的科學研究與檢測工作提供一種程序化的服務方式，還可以在寶石學領域中進一步為光譜技術拓展出更廣闊的應用空間。光譜數據庫的建立過程中，除了對寶石，特別是稀有和貴重寶石的譜圖、光譜特征等鑒定數據的收集、儲存、挖掘外，更要注意將產地、顏色、比重等信息以數字化的形式展現。

人工智能作為第四次工業革命中的關鍵技術，經過60多年的發展，在包括地質在內的多個領域都有著廣泛的應用并展現出了巨大的潛力，其在寶玉石鑒定方面的應用更是為解決海量的測試數據和圖譜提供了高效的方法和新穎的思路（見圖6）。

3"結語

紅外光譜技術根據礦物紅外吸收譜帶的特征，將寶玉石內部的礦物結構和含量的變化展現出來。X射線衍射技術通過構建衍射現象與晶體結構之間的定性和定量的關系，對樣品中不同元素及其形成的具有固定結構的化合物進行定性和定量分析。拉曼光譜技術利用拉曼光譜的頻率，峰的位置、強度、寬度等信息，對被測物質化學成分與內部晶體結構進行分析。寶玉石鑒定檢測時，常將包含上述幾種方法在內的多種波譜技術聯合使用。將海量檢測數據收集后，建立不同方法下寶石品種的數據庫并與人工智能技術相結合，可以大幅度提高寶玉石鑒定的精度和效率。盡管存在數據質量、模型選擇、缺乏高質量訓練樣本等一系列挑戰，但近十幾年來，得益于現代科技的發展進步，大數據和人工智能技術在寶玉石鑒定方面的精度已然得到進一步提升，逐漸成為礦物學和寶石學的研究過程中的一個主流趨勢，未來將會成為推動礦物學和寶石學不斷進步和發展的新動力。

參考文獻

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