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【拉曼光谱技术科普与应用论坛】杨和雄:拉曼光谱技术下的RRUFF矿物数据库的过去、现在和将来
时间:2018-04-12    来源:MIGS    浏览数: 字体:【

  

 



 

  演讲嘉宾

  杨和雄

  拉曼光谱矿物化学数据库首席科学家

  亚利桑那大学矿物晶体学实验室和矿物博物馆研究员

  



 

  论坛现场

  


  论坛现场

 


 

  拉曼光谱技术下的RRUFF矿物数据库的过去、现在和将来

  谢谢大家莅临芒果国际珠宝展,在报告前我先感谢大会组委会对我的邀请。长沙是我生长的地方,我非常高兴四十年后回到这里见到我的朋友们,谢谢组委会的邀请。非常感谢华夏公司、萧刚先生和高云富先生对我们数据库和博物馆一贯的支持。感谢今天来做报告的四位嘉宾:广州的谢先德院士,台湾的黄怡祯教授,中南大学的谷湘平教授,中南大学的刘晓文教授。我们特别有幸请到了谢先德老师,谢老先生80多岁了,按照现在比较流行的说法就是“八零后”,明年就是“九零后”了,祝愿谢老越活越年轻。这四位嘉宾有一个共同的特点--都有在海外工作和实践经历。谢老师是在前苏联,黄老师是在美国,谷教授是在日本,刘老师是在加拿大。后来他们都回国为祖国做贡献。

  在这里先给大家介绍一下美国的RRUFF数据库。

  什么是RRUFF数据库?

  简单说是拉曼光谱化学成分数据和参考文献的数据库,这个数据库最早是由美国苹果公司总裁斯科特(Michael Scott)先生捐资建立起来的。这个数据库与其他数据库有两个重要的区别:

  第一:数据库内所有数据是免费地全球共享。这是苹果总裁斯科特先生的宗旨之一,他希望建立的是一个全球共享的数据库。第二:数据库中的数据都是我们矿物晶体学实验室自己鉴定出来的。别的数据库很是从各个地方搜集出来的数据放在一起,因为数据从不同的实验室来,不同的人做出来的,来自不同的样品,而导致它们之间会有些不一致。

  我们的数据库数据都是先做X光鉴定,接着做化学成分分析,再做拉曼光谱分析。所以我可以非常骄傲地说我们的数据库是最可靠的,因为X光、化学成分、拉曼光谱数据都是从一个矿样上显示出来的。

  大家可能会问:RRUFF是什么意思?苹果公司总裁斯科特说,苹果是什么意思,跟计算机有什么联系。所以RRUFF跟矿物也没有任何直接联系。但这样的名称可以让人记住,因为不知道的东西大家就会去查寻它,越查就越会记住它。

  



 

  几年前上海出版社给斯科特个人收藏出了一本书,叫做《宝石之光》。总裁斯科特个人珠宝收藏是世界第二,仅次于英国皇室。他的收藏品价值,别人初步估算是200个百万件,估价大概是两个多亿美元。这只是初步价值,还不包括别的文化科技价值,总价值闭着眼算都折合14个亿人民币。他是做计算机的,那他怎么会对矿物宝石感兴趣呢?是因为他最早买了一个很好的绿色钙铝榴石,但是他拿给别人看的时候,别人告诉他这个是假的,他为此非常生气,觉得仪器和数据库鉴定非常重要,初衷就是不希望别人再被骗,所以他从苹果公司退休以后就开始买珠宝,投资珠宝,他想把这个产业内外都搞清。后来发现要鉴定珠宝最有效的方法就是拉曼光谱和光谱数据库,所以他就投资捐建了RRUFF数据库。

  拉曼光谱鉴别最有效的四个特点:

  第一: 用拉曼光谱测定几乎不用任何准备,你有一块石头放进去就可以了,它会帮你测;

  第二: 它对样品是没有任何损害的,尤其是珠宝;

  第三: 拉曼光谱的操作非常简单,哪怕没有任何专业知识都可以拿去使用;

  第四: 鉴定速度非常快,放进去几秒钟就有结果。

  斯科特先生发现拉曼光谱这么方便,他先给美国珠宝协会买了一台,还给了他们四十万美元,希望协会可以建立一个珠宝数据库。结果协会拿了仪器拿了钱,却什么都没有干出来。后来斯科特又找到了美国加州理工学院,加州理工学院的人都是做理论的,都认为自己是可以拿诺贝尔奖金,他们当然也不会做这种有苦又累的技术活,几年以后还是一无所获。最后他找到了我们亚利桑那大学地学院,捐赠仪器并追加了投资,终于建立起了RRUFF数据库并开发相应的仪器设备。后来他看到数据库做起来了而且使用得不错,他自己也买了两台光谱仪放在自家的客厅里鉴赏,这也算是“有钱任性”。下图这些是他给我们资助的仪器。

  



 

  我们的数据库还收集有世界上最好的矿物图片,最全的化学成分,矿物产地,X光图片,还有一部分红外光谱数据,搜集所有与矿物有关的参考文献。数据库的网页也非常简单,点击http://rruff.info,输入矿物名称和化学成分就可以查找。我这里演示一个实例是“金沙江石”,金沙江石是中国的一种矿物,是我的导师发现的。从下图可以看到名称、化学成分、产地包括图片。拉曼光谱有两种曲线,这个是从0到1400的拉曼光谱,还有一个长曲线,是从0到7000。拉曼光谱一般比较实用的区间是从0到1400左右,但是如果矿物含水或是其他物质(就需要更长曲线)。中南大学谷湘平教授的实验室内,有一台日本产的特别好使的化学成分分析仪器,那个是定量分析的。知道化学成分后,我们就可以开始搜集拉曼光谱。

  



 

  这些是X光数据和晶体学数据,下面是有关这个矿物的相关的参考文献。我们的数据库已经拥有了几乎所有跟矿物学相关的出版商的版权,在参考文献中标有“view file”是我们可以向全世界公开的,但是没有“view file”,我们就没办法公开。很多没有版权的地方都是中国国内的文献,而且目前也只有国内没有跟我们共享文献,实际上进入RRUFF数据库就是是为国家科研成果免费做广告,把中国参考文献和科研成果推向世界。但是国内却没有给RRUFF版权,这是非常遗憾的。

  



 

  数据库除了搜集与矿物有关的资料以外,我们还有一些软件去支持我们的数据库。第一个软件“CrystalSleuth”。这个软件是我们自己编制的,可以用来分析X光数据和拉曼光谱数据,可以通过这个软件在RRUFF数据库中寻找有关的矿物学数据和矿物资料。第二个软件“XtalIDraw”,专门用来绘制晶体结构,输入矿石晶体名称(例如:河北石),就会出来这个图,可以在三维空间内旋转观看,使用户可以更直接地看到晶体结构。

  



 

  



 

  我们还负责美国矿物学家晶体结构数据库(AMCSD),它是我的同事编辑的,数据库也在我们的RRUFF数据库下面。 它搜集了所有矿物晶体结构的有关资料,如果你想知道原子的位置,晶体的对称性,全部都可以在这个数据库里找到,使用方法和RRUFF一样。

  



 

  我们RRUFF数据库也是国际矿物学会官方的网站,所有被国际矿物学会IMA批准的矿物种类这里都有。截至目前是5312种矿物被国际矿物学会批准了。所以RRUFF数据库不仅仅是一个简单的数据库,它包括了美国矿物学家晶体结构数据库和国际国际矿物学会(IMA)官方网站。

  现在讲的大数据时代,RRUFF数据库就是大数据时代下的真正产物。数据库发展也是有一个量变到质变的一个过程,因为矿物数据多了,我们分析已经上报批准的5000多种矿物,其中30%都有问题,是数据不完全或是数据不正确。通过对比数据库我们发现了很多新的矿物,以前我们是发现新矿物,而现在是检测新矿物。

  发现新矿物有什么意义呢?

  这个意义很大。第一个:因为我们是科学家,发现新矿物可以满足好奇心。因为好奇心是驱动社会发展的很大动力;第二:可以创造历史,发现一种新矿物比买彩票中奖的概率还小很多。所以能发现一种新矿物是很了不得的事情,是可以载入科技史册的。谷湘平和谢先德老师他们都发现了五六种矿物,都是顶天立地的人物;第三:解决旧问题,像拼图一样把不完整部分拼贴完整,通过拉曼光谱我们可以发现矿物之间的联系;第四:一种科学荣誉,你可以把新矿物命名成你喜欢的名称。在这里给大家介绍在中国做拉曼光谱最早的人之一——张惠芬老师。 我1983年读研究生的时候就经常去她的实验室,这个新矿物就命名为张惠芬石。我还用RRUFF来命名一个新矿物叫“Rruffite”。

  





 

  这种矿物是南非一个矿物收藏家寄给我的,这个矿物里有一些棕色的放射状晶体,我发现是一种新的晶体。他说这个矿物是他和他的太太一起发现的,可不可以用他们两个的名字命名。我就命名为“Taniajacoite”。但我说有一个条件,就是你们以后不能离婚。旁边这个黑色的是什么矿物呢,我发现也是一种新矿物,我就跟谢老师商量以中国老科学家李璞先生命名为“Lipuite”。李璞先生是英国剑桥大学博士,是我国同位素地球化学和年代学奠基人之一,非常可惜在文化大革命期间去世了。所以发现新矿物以老科学家名字命名,这真的是一种无上的荣耀。

  



 

  我发现的这种蓝色矿物,我用Mike Scott先生的名字命名“Scottyite”。他说这个叫“中国深蓝”,还有中国蓝和中国紫都是很早以前中国合成的矿物,因为没有在天然的矿物中被发现,所以一直不能被命名。最新报道说“中国深蓝”在中国秦始皇兵马俑上被发现了。现在就有一个问题,是中国2000多年前就能合成“中国深蓝”?还是中国就有天然的“中国深蓝”被涂上去了?还是因为涂料高温烧结出来的“中国深蓝”?我们都不知道,这个把中国悠久的历史文化和新矿物发现结合在一起了,有兴趣可以研究一下。

  通过做数据库,可以让我们很系统的分析一些东西。这个是用拉曼光谱来研究含水矿物氧氢的震动频率的。这个工作是1999年德国人Libowitzky做的工作。他的这幅图是通过搜集的所有的资料画出来的。刚刚也说过,因为是搜集过来的资料,不同的实验室,不同的样品,不同的设备综合起来,这个图的可靠性就会比较低。我们的数据库都是通过一个矿物鉴定出来的,就会发现有很多东西都可以重新修改。这篇文章已经被引用700多次了,如果我们有能力可以重新修改一下,这个图会更有效。所以这就是量变引起质变。大数据就可以给我们这样一个更系统的帮助

  



 

  我们发现很多矿物的拉曼光谱并不像我们想象的那么简单。这块萤石,只有这一个峰是它自己的,其余的峰都是由于杂质所引起的。这个矿物:钙铝榴石,这些峰都是由于杂质引起的,只有一部分小峰才是属于它自己的。所以分析拉曼光谱数据还要非常小心,因为可能还有其他一些因素会误导你。

  



 

  因为有很多数据,所以可以建立很多关系。甚至可以用拉曼光谱来分析化学成分,在这方面做工作比较早的是黄怡祯教授。通过拉曼光谱图不同的峰的变化可以看出它的成分。

  数据库做好了以后,下一步做什么呢?就是要让它膨胀、扩张。我们初步计划是要加进一些有机物质矿物和合成物矿物,包括一些毒品矿物元素。 因为美国亚利桑那大学靠近墨西哥边界,有很多走私毒品的人。另外加入一些红外数据和理论数据,可以通过拉曼光谱就轻易分辨毒品,这对边境检查给以实际有效地帮助。

  



 

  RRUFF数据库是支持所有的矿物演化研究的。2008年我与博士导师一起写了一篇文章叫《矿物演化》。数据库给“矿物演化计划”的矿物系列分析提供了强有力的基础。

  



 

  这个是理论拉曼光谱,我们是做实际的,这个是纯理论的是我们的姐妹网站。感兴趣可以查看。

  



 

  拉曼光谱现在还属于“亚利桑那大学地质系”,我们2020年就要搬到一个新建的图森矿物博物馆内了,新博物馆是老博物馆的五倍大,欢迎大家前去参观交流。

  



 

  最后做一个结论:

  ● RRUFF数据库是提供化学成分、X光和拉曼光谱的数据库,它是一个大数据时代的产物,数据共享且免费使用。

  ● 数据库给拉曼光谱提供简单方便可靠的鉴别方式。

  ● 数据库不仅仅是简单的矿物数据收藏,它还含有世界一流的矿物科学研究。

  ● 数据库也具有非常大的挑战。因为有机矿物样品非常稀少,我们也不容易得到,希望大家多多提供。另外因为我们无偿为全世界提供数据,所以也希望大家无偿为我们提供一些帮助,华夏公司萧总很早之前就给我们帮助了,非常感谢他。

  



 

  感谢这么多给我们捐助矿物的人。特别感谢美国著名矿商兼收藏家Rock Currier先生, 他去年逝世时把他的8000多个矿物样品捐赠给了我们博物馆。还有美国矿商Rob Lavinsky先生为我们捐赠颇多。我们的博物馆每年都可以收到世界各地大概40—50个人的不同的捐献。要特别感谢各种机构:美国哈弗大学,加拿大皇家博物馆等,在此尤其要感谢华夏公司萧总。

  

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