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拉曼光谱技术在爆炸物检测领域的应用

日期: 2019-01-16
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目前,随着各种恐怖事件的不断发生,安全保卫工作越来越受到重视,爆炸物品种繁多、隐藏手段多样,检测工作非常困难,因此及时有效的将经过伪装、隐藏在行李中的爆炸物检测出来,已经成为国际上一项紧迫而艰巨的任务。

常见的爆炸物检测方法有:离子迁移光谱技术、紫外荧光技术、质谱分析技术、核磁共振技术、中子技术、X射线成像技术、γ射线成像技术等,但每种检测方法都有一些优缺点。拉曼光谱可实现爆炸物的远程、高灵敏度、无损伤、微痕量的检测,在爆炸物领域有巨大的应用市场。

本文将拉曼光谱技术应用到爆炸物检测领域,重点分析了显微激光共聚焦拉曼光谱技术、表面增强拉曼光谱技术、便携式拉曼光谱技术在爆炸物检测分析领域的应用。

1、拉曼光谱技术

拉曼散射效应是一种由分子和晶格振动导致的非弹性散射,1928年,印度物理学家拉曼首次发现散射光频率改变现象,因而称为拉曼散射。拉曼光谱技术分为以下几种:傅里叶变换拉曼光谱技术、激光共焦显微拉曼光谱技术、激光共振拉曼光谱技术、高温拉曼光谱技术、表面増强拉曼光谱技术和便携式拉曼光谱技术等等。

每种拉曼光谱在其应用领域均有其独特优势,其中,共焦显微拉曼光谱技术可以实现样品微区的剖层分析;空间偏移拉曼光谱技术能够有效抑制包装材料的拉曼干扰,实现了对透明或半透明介质内不同深度样品分析;表面增强拉曼光谱技术可以实现爆炸物的痕量检测;便携式拉曼光谱仪能够现场在线监测,具有快速、便捷、准确率高、高度安全性等优势。

2、激光显微共聚焦拉曼光谱技术

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等报导了利用共聚焦显微拉曼光谱技术原位检测隐藏在衣物上的爆炸物(PETN、TNT、硝酸铵)及爆炸物中间体(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。

王俊生利用实验室常见的激光显微共聚焦拉曼光谱仪对块体炸药进行检测,并归属出不同炸药分子的拉曼峰所对应的振动模式。

2009年,Leonardo C等使用氩离子激光器产生的514.5nm,488nm激光波长研究了TNT,二硝基甲苯(DNT),RDX的远程拉曼和显微拉曼,研究结果显示:显微拉曼光谱与测试距离7m时拉曼谱图一致,证实了远距离测试的准确性和可行性。

3、表面增强拉曼光谱技术

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。

在扫雷工作中,通过检测地雷中在空气中硝基爆炸物降解产物2,4-二硝基甲苯和1,3-二硝基甲苯的拉曼光谱,准确定位地雷位置,是定位地雷的一种无接触式检测手段。

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技术可以明显提高拉曼技术的灵敏度和检测限,但其基本原理涉及的许多方面仍然处于研究和争论中,目前SERS技术在爆炸物识别领域的研究热点主要是在基础研究、实用仪器开发和应用等方面。

4、便携式拉曼光谱技术

国土防御需要在线确认大量的未知化学物品,目前针对现场不明密封性固体、液体样品和水中有毒有害物质的快速检测技术和手段仍处于空白。手持式拉曼光谱仪体积小巧,重量约1kg,手持操作即可现场检测不明密封液态或固态潜在危险化学品,具有快速、便捷、准确率高、高度安全性等优势。由于在现场检测时,操作人员往往不具备非常专业的化学及光谱分析知识,因此减少拉曼光谱分析过程中的人工干预,实现拉曼光谱数据处理与分析的自动化是手持拉曼光谱分析技术的关键。

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、结论

拉曼光谱探测技术随着科技的发展已经较为成熟,目前已广泛应用于食品检测、化学物质探测、生物医学、物理材料、行政鉴定、珠宝玉石等多个领域。因拉曼光谱具备非接触式、无损伤原位检测,极大程度上保证了检测人员和物证的安全,拉曼光谱的安检应用也正逐渐市场化,利用拉曼光谱技术进行爆炸物检测已成为国际性的研究热点,在爆炸物的检测方面具有很好的发展前景。随着拉曼光谱新技术、新仪器的不断出现,其在爆炸物的定性、定量分析中将发挥更大的作用。


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