CC BY
64
УДК 519.688:549
Д.Г. Степенщиков, А.В. Чернявский
Геологический институт Кольского НЦ РАН
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ МИНЕРАЛОВ ПО СПЕКТРАМ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ
Аннотация
В статье рассматривается программное приложение для работы с данными по рамановской спектроскопии, позволяющее проводить первичную диагностику минералов с привлечением открытой базы данных RRUFF. Программа была апробирована в Геологическом институте КНЦ РАН и позволила повысить эффективность работы при анализе экспериментальных рамановских спектров минералов.
Ключевые слова:
программный комплекс, рамановская спектроскопия, спектр комбинационного рассеяния, диагностика минералов.
D.G. Stepenshchikov, A.V. Chernyavsky
AN APPLICATION SOFTWARE FOR RAMAN DIAGNOSTICS OF MINERALS Abstract
In this paper an application software for primary Raman diagnostics of minerals involving open database RRUFF is discussed. The program was approved at the Geological Institute KSC RAS and has improved analysis of the experimental Raman spectra of minerals.
Key words:
application software, Raman spectroscopy, mineral diagnostics.
Введение
Открытие новых минеральных видов - важнейшая задача минералогии. Диагностика минералов, как правило, осуществляется с помощью рентгено-фазового и локального рентгеноспектрального анализов. Однако при работе с минеральными фазами микронных размеров рентгенофазовый анализ невозможен, а рентгеноспектральный локальный метод позволяет получить только оценочные данные химического состава. Однозначная диагностика таких минеральных индивидов требует сведения об их кристаллической структуре. Именно для решения этой проблемы применяется метод рамановской спектроскопии (спектроскопия комбинационного рассеяния света).
Рамановская спектроскопия со времен открытия явления в конце 1920-х годов тесно вошла в арсенал физиков и химиков. Уникальность рамановского спектра (КР спектр) для каждого минерального вида позволяет получить надежную информацию для индивидов микронных размеров и разного агрегатного состояния. Такой подход в диагностической минералогии очень продуктивен, в частности, для тонкозернистых агрегатов рудных минералов. Применение рамановской спектроскопии привело к открытию новых минеральных видов, обнаруженных в виде тонких минеральных включений -кокчетавита и камдыкулита (полиморфные модификации микроклина и альбита,
соответственно). Не отрицая значения, прежде всего, локального рентгено-спектрального анализа, следует подчеркнуть и высокую степень экспрессности получения КР спектров.
Диагностика минералов существенно облегчается благодаря наличию в Интернете электронных баз рамановских спектров. Наиболее обширной является база данных интернет-проекта RRUFF [1]. Также имеются и литературные справочные источники, например [2-4].
Работа с рамановскими спектрами (документация, сравнение экспериментальных данных со справочными и т.п.) на современном уровне требует наличия соответствующих программных средств. К их числу можно отнести как встроенный апплет уже упомянутого интернет-проекта RRUFF, так и отдельно распространяемые приложения, например, Spekwin32. Однако на уровне конечного потребителя неизбежно возникают индивидуальные пожелания к интерфейсу и набору необходимых операций используемого программного продукта, поэтому для сотрудников Геологического института Кольского НЦ РАН был разработан собственный программный комплекс, решающий необходимые задачи и обеспечивающий эффективный процесс применения рамановской спектроскопии.
Структура комплекса и описание основных функций
Программный комплекс представляет собой приложение, реализованное в открытой среде разработки программного обеспечения на языке Object Pascal для компилятора Free Pascal (FPC) Lazarus версии 1.1.4. Данная IDE обладает, двумя преимуществами: во-первых, она свободно распространяема, а во-вторых, позволяет легко создавать удобный интерфейс для конечного пользователя. Общий вид интерфейса приложения показан на рис. 1.
Рис. 1. Интерфейс приложения
Задача комплекса - работа с массивом данных, представляющих собой текстовые файлы с записанными в них параметрами экспериментальных спектров, а именно, отображение этих спектров, обработка и сравнение межу собой с привлечением данных по химическому составу. Рассмотрим эти функции подробно.
1. Графическое отображение данных
Основное требование заключалось в соблюдении геометрических параметров области графика - аналогичное отображению в проекте RRUFF, так как графические данные соответствующей базы уже использовались заказчиком, и его собственные экспериментальные результаты не должны были отличаться по формату. Для анализа мелких деталей спектра, а также выделения его диапазонов, масштабирование графика было реализовано дублирующими друг друга способами: заданием крайних значений диапазона и двумя взаимосвязанными ползунками.
2. Обработка данных
Экспериментальные спектры обладают рядом недостатков, в частности, зашумлением посторонними сигналами малой амплитуды и искажением вследствие люминесценции образца. Для соответствующей обработки были реализованы процедуры сглаживания и приведения к базовой линии. Сглаживание графика осуществляется по методу скользящего среднего с возможностью выбора периода сглаживания, а приведение к базовой линии - с помощью сплайнов третьего порядка. Приложение позволяет также удалять ненужные участки спектра, содержащие, например, недиагностические пики.
Основная процедура обработки - выявление диагностических пиков спектра реализована в ручном и автоматическом режиме. Автоматический режим существенно ускоряет работу, требуя введения всего двух параметров: высоты пика к, и его глубины й. Первый параметр позволяет учитывать только те пики (локальные максимумы), чья высота не ниже к, а второй параметр отбрасывает пики, у которых хотя бы одна разница высот между его вершиной и соседними локальными минимумами меньше й (рис. 2). Ручной режим предназначен для корректировки получаемых результатов.
3. Анализ данных
Главная задача приложения - диагностика минералов, заключающаяся в сравнении экспериментального спектра со спектрами из базы данных с возможностью привлечения информации по химическому составу минерала. В результате анализа выдается некоторый список эталонных записей из базы данных, совпадающих с анализируемым спектром с учетом выставленных настроек. Настройки диагностики включают в себя параметр сглаживания спектров, высоту и глубину автоматически выявляемых пиков, а также параметры чувствительности 5 и различия г - допустимые расстояния по осям Ох и Оу, при которых пики анализируемого и эталонного спектра принимаются за совпадающие (рис. 3). Учет данных по химическому составу осуществляется фильтрацией: в диагностику включаются только те эталонные записи, в которых присутствуют все выбранные химические элементы.
Каждая эталонная запись в полученном итоговом списке сопровождается числомр, показывающим процент совпадения. Оно рассчитывается по формуле:
2с
р =--100%,
а1 + а2
где а1 и а2 - полное число пиков, с - число общих пиков анализируемого и эталонного спектров. Например, если в первом и втором спектре число пиков равно 4 и 6 соответственно, и спектры совпадают по трем пикам, получим р = 60%. Настройки диагностики позволяют отсекать эталонные записи, процент совпадения которых ниже заданного порогового значения.
Общий алгоритм работы диагностики следующий: анализируемый спектр, согласно настройкам, сглаживается, и на нем выставляются пики. Из списка базы данных последовательно выбираются эталонные записи, и с ними проделывается та же процедура. Записи при этом должны соответствовать установленной фильтрации на химический состав, т.е. содержать все, отмеченные в фильтре химические элементы. Затем производится подсчет (согласно тем же настройкам) совпадающих пиков у анализируемого и
эталонного спектров и вычисляется параметр р. Если он не меньше установленного порогового значения, то эталонная запись добавляется в результирующий список, который в конце упорядочивается по убыванию.
Также предусмотрена процедура сохранения изображения графика спектра и данных по выявлению диагностических пиков.
Апробация программного комплекса
Полученное приложение было использовано сотрудниками Геологического института Кольского НЦ РАН, в частности, для исследования сульфидов и сульфосолей, сульфатов и теллуратов из месторождений и рудопроявлений Кольского региона. Диагностика минералов по рамановским спектрам осуществлялась путем их сравнения с имеющимися эталонными спектрами базы ККиББ. В результате был установлен ряд минералов, новых для Кольского региона и России [5].
На рис. 4 показан пример диагностики минерала, определяемого по максимальному проценту соответствия рамановских спектров (57%) как девиллин. Соответствующие экспериментальный (черное) и эталонный (серое) спектры показаны на рис. 1.
Рис. 4. Окно диагностики с примером результата
Заключение
Программный комплекс для диагностики минералов по комбинационным спектрам рассеяния с привлечением данных открытой базы интернет-проекта ККиББ был разработан и успешно апробирован сотрудниками Геологического института Кольского НЦ РАН.
В результате применения данного программного комплекса удалось диагностировать минеральные виды, находящиеся до этого в статусе минеральных фаз. Многие из минеральных фаз оказались уже известными минеральными видами, а некоторые были впервые установлены в Кольском регионе (менегинит, козалит) [5].
Отличительной особенностью комплекса является комбинированный подход для диагностики минеральных видов: диагностика минералов заключается в сравнении экспериментальных спектров со спектрами из баз данных и спектрами минералов, полученных из эталонных коллекций с привлечением информации по химическому составу минералов.
В дальнейшем возможна доработка комплекса с учетом пожеланий пользователя (например, разложение спектра на гауссовы кривые, определённый формат вывода данных и т. п.). При соответствующей модификации, комплекс может использоваться для работы и со спектрами другой природы, например, данными по инфракрасной спектроскопии.
Литература
1. Estrada, C.F. Changing the science of mineralogy: The use of Raman spectroscopy in mineral identification and the RRUFF project / C.F. Estrada // Outcrop. Newsletter of the Rocky Mountain Association of Geologists. - 2007. - V.55.
- P.1-8.
2. Решетняк, Н.Б. Метод неразрушаюшей диагностики самоцветов (Лазерная спектроскопия комбинационного рассеянии света) / Н.Б. Решетняк, В.В. Буканов. - М.: МГП "Геоинформмарк", 1991. - 90 с.
3. Орлов, Р.Ю. Атлас спектров комбинационного рассеяния природных минералов. Силикаты / Р.Ю. Орлов, М.Е. Успенская, М.Ф. Вигасина. - М: Изд-во Московского университета, 2003. - 99 с.
4. Орлов, Р.Ю. Спектры комбинационного рассеяния минералов (справочник) / Р.Ю. Орлов, М.Ф. Вигасина, М.Е. Успенская. - М.: ГЕОС, 2007. - 142 с.
5. Новые данные о минералах. Первые находки в России и в Кольском регионе / А.В. Волошин и др. // Труды XII Всероссийской Ферсмановской научной сессии (с международным участием), г. Апатиты. 6-7 апреля 2015 г.
- Апатиты: Изд-во K & M, 2015. - С.161-167.
Сведения об авторах
Степенщиков Дмитрий Геннадьевич - к.г.-м.н., н.с., e-mail: stepen@geoksc.apatity.ru
Dmitry G. Stepenshchikov - Ph.D. (Tech.Sci.), researcher
Чернявский Алексей Викторович - м.н.с., e-mail: chernyavsky@geoksc.apatity.ru Alexey V. Chernyavsky - junior researcher
