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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偽裝、隱藏在行李中的爆炸物檢測出來,已經成為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、表麵增強拉曼光譜技術、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,因而稱為拉曼散射。拉曼光譜技術分為以下幾種: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、表麵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製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;表麵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、準確率高、高度安全性等優勢。

2、激光顯微共聚焦拉曼光譜技術

激光顯微共焦拉曼光譜技術(Confocal Raman microscopy)是將拉曼光譜與顯微分析結合起來的一種分析技術,在光路中采用共焦模塊消除樣品離焦區域的雜散光幹擾,確保隻收集采樣焦點薄層微區信號。激光共焦顯微拉曼光譜儀是目前實驗室中最常見的拉曼儀器,一般配置顯微鏡共聚焦成像係統,方便用戶觀測物體的微觀形貌,體積較大,適用於高精度測量。

北京卓立漢光儀器有限公司自主研發的Finder Vista激光顯微共聚焦拉曼光譜儀就是依據共焦原理自主開發設計的。通過調節激光聚焦深度,可以實現對樣品表麵、及內部的物質分析。激光配置高倍光學顯微鏡,不僅可以直觀獲得爆炸物的微觀二維形貌,還可以將激光光斑直徑聚焦到微米量級,排除周圍雜質的幹擾,獲得微區精確分析。科研級深製冷CCD探測器的使用,保證了光譜的高靈敏度、高分辨率,確保不錯過任何一個光譜信息。

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、硝酸銨)及爆炸物中間體(HMTA、季戊四醇)。

Esam M. A. 等利用共焦拉曼光譜法測量衣物纖維裏的TNT,在不需對樣品預處理的情況下,檢測精度可以達到皮克量級,檢測時間小於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等使用氬離子產生的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準確性和可行性。

3、表麵增強拉曼光譜技術

表麵増強拉曼光譜技術(SERS, Surface-enhanced Raman spectroscopy)利用痕量分子吸附於Cu、Ag、Au等納米尺度的金屬材料上,其拉曼光譜信號可增強104-106倍。近年來SERS用於痕量分析方麵的潛力被迅速開發,檢出限降至很低水平,獲得較好的痕量檢測結果。

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

K. Spencer 研究組利用電化學粗糙化處理的金箔作為SERS基底可以準確識別出濃度10ug/L及以上水平的2,4-二硝基甲苯蒸氣,借助特定的數據處理方法,檢測限可以達到5ug/L。2010年S. Botti等人以市售金屬銀膜作SERS基底,獲得了TNT、NG(硝化甘油)、TATP(三過氧化三丙酮)三種爆炸物的拉曼光譜,TNT的檢測限為200pg,NG的檢測限為400ng、TATP的檢測限為400ng,可見SERS技術在痕量爆炸物檢測方麵得到廣泛應用。

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麵仍然處於研究和爭論中,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麵。

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於空白。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、準確率高、高度安全性等優勢。由於在現場檢測時,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。

北京卓立漢光儀器有限公司根據現場執法的需求,自主開發設計“Finder Edge”手持式拉曼光譜儀,對毒品、易製毒化學品、爆炸物、易製爆化學品、違禁品等快速識別。軟件功能包含檢測、數據庫比對、數據傳輸、藍牙傳輸及打印、雲計算及大數據處理等功能,該儀器對測試環境無要求,水和空氣環境下均可使用,其環境適應性和多種分析能力充分滿足了國土安全和防禦要求。

5、結論

拉曼光譜探測技術隨著科技的發展已經較為成熟,目前已廣泛應用於食品檢測、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為國際性的研究熱點,在爆炸物的檢測方麵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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