拉曼光譜技術(shù)在爆炸物檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用
拉曼光譜技術(shù)在爆炸物檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用
引言
目前，隨著各種恐怖事件的不斷發(fā)生，安全保衛(wèi)工作越來(lái)越受到重視，爆炸物品種繁多、隱藏手段多樣，檢測(cè)工作非常困難，因此及時(shí)有效的將經(jīng)過(guò)偽裝、隱藏在行李中的爆炸物檢測(cè)出來(lái)，已經(jīng)成為國(guó)際上一項(xiàng)緊迫而艱巨的任務(wù)。
常見(jiàn)的爆炸物檢測(cè)方法有：離子遷移光譜技術(shù)、紫外熒光技術(shù)、質(zhì)譜分析技術(shù)、核磁共振技術(shù)、中子技術(shù)、X射線成像技術(shù)、γ射線成像技術(shù)等，但每種檢測(cè)方法都有一些優(yōu)缺點(diǎn)。拉曼光譜可實(shí)現(xiàn)爆炸物的遠(yuǎn)程、高靈敏度、無(wú)損傷、微痕量的檢測(cè)，在爆炸物領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用市場(chǎng)[1-4]。
本文將拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用到爆炸物檢測(cè)領(lǐng)域，重點(diǎn)分析了顯微激光共聚焦拉曼光譜技術(shù)、表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)、便攜式拉曼光譜技術(shù)在爆炸物檢測(cè)分析領(lǐng)域的應(yīng)用。
1拉曼光譜技術(shù)
拉曼散射效應(yīng)是一種由分子和晶格振動(dòng)導(dǎo)致的非彈性散射，1928年，印度物理學(xué)家拉曼首次發(fā)現(xiàn)散射光頻率改變現(xiàn)象，因而稱為拉曼散射。拉曼光譜技術(shù)分為以下幾種：傅里葉變換拉曼光譜技術(shù)、激光共焦顯微拉曼光譜技術(shù)、激光共振拉曼光譜技術(shù)、高溫拉曼光譜技術(shù)、表面増強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)和便攜式拉曼光譜技術(shù)等等。
每種拉曼光譜在其應(yīng)用領(lǐng)域均有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其中，共焦顯微拉曼光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)樣品微區(qū)的剖層分析；空間偏移拉曼光譜技術(shù)能夠有效抑制包裝材料的拉曼干擾，實(shí)現(xiàn)了對(duì)透明或半透明介質(zhì)內(nèi)不同深度樣品分析；表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)爆炸物的痕量檢測(cè)；便攜式拉曼光譜儀能夠現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)，具有快速、便捷、準(zhǔn)確率高、高度安全性等優(yōu)勢(shì)。
2激光顯微共聚焦拉曼光譜技術(shù)
激光顯微共焦拉曼光譜技術(shù)(Confocal Raman microscopy)是將拉曼光譜與顯微分析結(jié)合起來(lái)的一種分析技術(shù)，在光路中采用共焦模塊消除樣品離焦區(qū)域的雜散光干擾，確保只收集采樣焦點(diǎn)薄層微區(qū)信號(hào)。激光共焦顯微拉曼光譜儀是目前實(shí)驗(yàn)室中*常見(jiàn)的拉曼儀器，一般配置顯微鏡共聚焦成像系統(tǒng)，方便用戶觀測(cè)物體的微觀形貌，體積較大，適用于高精度測(cè)量。
北京卓立漢光儀器有限公司自主研發(fā)的Finder Vista激光顯微共聚焦拉曼光譜儀就是依據(jù)共焦原理自主開發(fā)設(shè)計(jì)的。通過(guò)調(diào)節(jié)激光聚焦深度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面、及內(nèi)部的物質(zhì)分析。激光配置高倍光學(xué)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(jí)，排除周圍雜質(zhì)的干擾，獲得微區(qū)精確分析。科研級(jí)深制冷CCD探測(cè)器的使用，保證了光譜的高靈敏度、高分辨率，確保不錯(cuò)過(guò)任何一個(gè)光譜信息。儀器如圖1所示：
圖1 Finder Vista 激光顯微共聚焦拉曼光譜儀
2009年，E.Al等報(bào)導(dǎo)了利用共聚焦顯微拉曼光譜技術(shù)原位檢測(cè)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(cè)量衣物纖維里的TNT，在不需對(duì)樣品預(yù)處理的情況下，檢測(cè)精度可以達(dá)到皮克量級(jí)，檢測(cè)時(shí)間小于90s。
王俊生利用實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的激光顯微共聚焦拉曼光譜儀對(duì)塊體炸藥進(jìn)行檢測(cè)，并歸屬出不同炸藥分子的拉曼峰所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式。
2009年，Leonardo C等使用氬離子激光器產(chǎn)生的514.5nm，488nm激光波長(zhǎng)研究了TNT，二硝基甲苯（DNT），RDX的遠(yuǎn)程拉曼和顯微拉曼，研究結(jié)果顯示：顯微拉曼光譜與測(cè)試距離7m時(shí)拉曼譜圖一致，證實(shí)了遠(yuǎn)距離測(cè)試的準(zhǔn)確性和可行性[4]。
3 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)
表面増強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)（SERS， Surface-enhanced Raman spectroscopy）利用痕量分子吸附于Cu、Ag、Au等納米尺度的金屬材料上，其拉曼光譜信號(hào)可增強(qiáng)104-106倍。近年來(lái)SERS用于痕量分析方面的潛力被迅速開發(fā)，檢出限降至很低水平，獲得較好的痕量檢測(cè)結(jié)果。
在掃雷工作中，通過(guò)檢測(cè)地雷中在空氣中硝基爆炸物降解產(chǎn)物2，4-二硝基甲苯和1，3-二硝基甲苯的拉曼光譜，準(zhǔn)確定位地雷位置，是定位地雷的一種無(wú)接觸式檢測(cè)手段。
K. Spencer 研究組利用電化學(xué)粗糙化處理的金箔作為SERS基底可以準(zhǔn)確識(shí)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(shù)據(jù)處理方法，檢測(cè)限可以達(dá)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(guò)氧化三丙酮)三種爆炸物的拉曼光譜，TNT的檢測(cè)限為200pg，NG的檢測(cè)限為400ng、TATP的檢測(cè)限為400ng，可見(jiàn)SERS技術(shù)在痕量爆炸物檢測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。
SERS技術(shù)可以明顯提高拉曼技術(shù)的靈敏度和檢測(cè)限，但其基本原理涉及的許多方面仍然處于研究和爭(zhēng)論中，目前SERS技術(shù)在爆炸物識(shí)別領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要是在基礎(chǔ)研究、實(shí)用儀器開發(fā)和應(yīng)用等方面。
4便攜式拉曼光譜技術(shù)
國(guó)土防御需要在線確認(rèn)大量的未知化學(xué)物品，目前針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不明密封性固體、液體樣品和水中有毒有害物質(zhì)的快速檢測(cè)技術(shù)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(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)不明密封液態(tài)或固態(tài)潛在危險(xiǎn)化學(xué)品，具有快速、便捷、準(zhǔn)確率高、高度安全性等優(yōu)勢(shì)。由于在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，操作人員往往不具備非常專業(yè)的化學(xué)及光譜分析知識(shí)，因此減少拉曼光譜分析過(guò)程中的人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)拉曼光譜數(shù)據(jù)處理與分析的自動(dòng)化是手持拉曼光譜分析技術(shù)的關(guān)鍵。
北京卓立漢光儀器有限公司根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法的需求，自主開發(fā)設(shè)計(jì)“Finder Edge”手持式拉曼光譜儀，對(duì)毒品、易制毒化學(xué)品、爆炸物、易制爆化學(xué)品、違禁品等快速識(shí)別。軟件功能包含檢測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)、數(shù)據(jù)傳輸、藍(lán)牙傳輸及打印、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)處理等功能，該儀器對(duì)測(cè)試環(huán)境無(wú)要求，水和空氣環(huán)境下均可使用，其環(huán)境適應(yīng)性和多種分析能力充分滿足了國(guó)土安全和防御要求。儀器如圖2所示：
圖2 Finder Edge手持式拉曼光譜儀
5結(jié)論
拉曼光譜探測(cè)技術(shù)隨著科技的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，目前已廣泛應(yīng)用于食品檢測(cè)、化學(xué)物質(zhì)探測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、物理材料、行政鑒定、珠寶玉石等多個(gè)領(lǐng)域。因拉曼光譜具備非接觸式、無(wú)損傷原位檢測(cè)，極大程度上保證了檢測(cè)人員和物證的安全，拉曼光譜的安檢應(yīng)用也正逐漸市場(chǎng)化，利用拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行爆炸物檢測(cè)已成為國(guó)際性的研究熱點(diǎn)，在爆炸物的檢測(cè)方面具有很好的發(fā)展前景。隨著拉曼光譜新技術(shù)、新儀器的不斷出現(xiàn)，其在爆炸物的定性、定量分析中將發(fā)揮更大的作用。
參考文獻(xiàn)
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