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拉曼光譜技術在爆炸物檢測領域的應用

日期: 2019-01-21
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目前,隨著各種恐怖事件的不斷發生,安全保衛工作越來越受到重視,爆炸物品種繁多、隱藏手段多樣,檢測工作非常困難,因此及時有效的將經過僞裝、隱藏在行李中的爆炸物檢測出來,已經成爲國際上一項緊迫而艱巨的任務。

常見的爆炸物檢測方法有:離子遷移光譜技術、紫外熒光技術、質譜分析技術、核磁共振技術、中子技術、X射線成像技術、γ射線成像技術等,但每種檢測方法都有一些優缺點。拉曼光譜可實現爆炸物的遠程、高靈敏度、無損傷、微痕量的檢測,在爆炸物領域有巨大的應用市場。

本文將拉曼光譜技術應用到爆炸物檢測領域,重點分析了顯微激光共聚焦拉曼光譜技術、表面增強拉曼光譜技術、便攜式拉曼光譜技術在爆炸物檢測分析領域的應用。

1、拉曼光譜技術

拉曼散射效應是一種由分子和晶格振動導致的非彈性散射,1928年,印度物理學家拉曼首次發現散射光頻率改變現象,因而稱爲拉曼散射。拉曼光譜技術分爲以下幾種:傅裏葉變換拉曼光譜技術、激光共焦顯微拉曼光譜技術、激光共振拉曼光譜技術、高溫拉曼光譜技術、表面増強拉曼光譜技術和便攜式拉曼光譜技術等等。

每種拉曼光譜在其應用領域均有其獨特優勢,其中,共焦顯微拉曼光譜技術可以實現樣品微區的剖層分析;空間偏移拉曼光譜技術能夠有效抑制包裝材料的拉曼幹擾,實現了對透明或半透明介質內不同深度樣品分析;表面增強拉曼光譜技術可以實現爆炸物的痕量檢測;便攜式拉曼光譜儀能夠現場在線監測,具有快速、便捷、准確率高、高度安全性等優勢。

2、激光顯微共聚焦拉曼光譜技術

激光显微共焦拉曼光谱技术(Confocal Raman microscopy)是将拉曼光谱与显微分析结合起来的一种分析技术,在光路中采用共焦模块消除样品离焦区域的杂散光干扰,确保只收集采样焦点薄层微区信号。激光共焦显微拉曼光谱仪是目前实验室中最常见的拉曼仪器,一般配置显微镜共聚焦成像系统,方便用户观测物体的微观形貌,体积较大,适用于高精度测量。

北京卓立汉光仪器有限公司自主研发的Finder Vista激光显微共聚焦拉曼光谱仪就是依据共焦原理自主开发设计的。通过调节激光聚焦深度,可以实现对样品表面、及内部的物质分析。激光配置高倍光学显微镜,不仅可以直观获得爆炸物的微观二维形貌,还可以将激光光斑直径聚焦到微米量级,排除周围杂质的干扰,获得微区精确分析。科研级深制冷CCD探测器的使用,保证了光谱的高灵敏度、高分辨率,确保不错过任何一个光谱信息。

2009年,E.Al等報導了利用共聚焦顯微拉曼光譜技術原位檢測隱藏在衣物上的爆炸物(PETN、TNT、硝酸铵)及爆炸物中間體(HMTA、季戊四醇)。

Esam M. A. 等利用共焦拉曼光谱法测量衣物纤维里的TNT,在不需对样品预处理的情况下,检测精度可以达到皮克量级,检测时间小于90s。

王俊生利用實驗室常見的激光顯微共聚焦拉曼光譜儀對塊體炸藥進行檢測,並歸屬出不同炸藥分子的拉曼峰所對應的振動模式。

2009年,Leonardo C等使用氩离子産生的514.5nm,488nm激光波長研究了TNT,二硝基甲苯(DNT),RDX的遠程拉曼和顯微拉曼,研究結果顯示:顯微拉曼光譜與測試距離7m時拉曼譜圖一致,證實了遠距離測試的准確性和可行性。

3、表面增強拉曼光譜技術

表面増强拉曼光谱技术(SERS, Surface-enhanced Raman spectroscopy)利用痕量分子吸附于Cu、Ag、Au等纳米尺度的金属材料上,其拉曼光谱信号可增强104-106倍。近年来SERS用于痕量分析方面的潜力被迅速开发,检出限降至很低水平,获得较好的痕量检测结果。

在掃雷工作中,通過檢測地雷中在空氣中硝基爆炸物降解産物2,4-二硝基甲苯和1,3-二硝基甲苯的拉曼光譜,准確定位地雷位置,是定位地雷的一種無接觸式檢測手段。

K. Spencer 研究组利用电化学粗糙化处理的金箔作为SERS基底可以准确识别出浓度10ug/L及以上水平的2,4-二硝基甲苯蒸气,借助特定的数据处理方法,检测限可以达到5ug/L。2010年S. Botti等人以市售金属银膜作SERS基底,获得了TNT、NG(硝化甘油)、TATP(三过氧化三丙酮)三种爆炸物的拉曼光谱,TNT的检测限为200pg,NG的检测限为400ng、TATP的检测限为400ng,可见SERS技术在痕量爆炸物检测方面得到广泛应用。

SERS技術可以明顯提高拉曼技術的靈敏度和檢測限,但其基本原理涉及的許多方面仍然處于研究和爭論中,目前SERS技術在爆炸物識別領域的研究熱點主要是在基礎研究、實用儀器開發和應用等方面。

4、便攜式拉曼光譜技術

國土防禦需要在線確認大量的未知化學物品,目前針對現場不明密封性固體、液體樣品和水中有毒有害物質的快速檢測技術和手段仍處于空白。手持式拉曼光譜儀體積小巧,重量約1kg,手持操作即可現場檢測不明密封液態或固態潛在危險化學品,具有快速、便捷、准確率高、高度安全性等優勢。由于在現場檢測時,操作人員往往不具備非常專業的化學及光譜分析知識,因此減少拉曼光譜分析過程中的人工幹預,實現拉曼光譜數據處理與分析的自動化是手持拉曼光譜分析技術的關鍵。

北京卓立汉光仪器有限公司根据现场执法的需求,自主开发设计“Finder Edge”手持式拉曼光谱仪,对毒品、易制毒化学品、爆炸物、易制爆化学品、违禁品等快速识别。软件功能包含检测、数据库比对、数据传输、蓝牙传输及打印、云计算及大数据处理等功能,该仪器对测试环境无要求,水和空气环境下均可使用,其环境适应性和多种分析能力充分满足了国土安全和防御要求。

5、結論

拉曼光譜探測技術隨著科技的發展已經較爲成熟,目前已廣泛應用于食品檢測、化學物質探測、生物醫學、物理材料、行政鑒定、珠寶玉石等多個領域。因拉曼光譜具備非接觸式、無損傷原位檢測,極大程度上保證了檢測人員和物證的安全,拉曼光譜的安檢應用也正逐漸市場化,利用拉曼光譜技術進行爆炸物檢測已成爲國際性的研究熱點,在爆炸物的檢測方面具有很好的發展前景。隨著拉曼光譜新技術、新儀器的不斷出現,其在爆炸物的定性、定量分析中將發揮更大的作用。



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