炸药中梯恩梯、黑索金检测方案(红外光谱仪)

中国公共安全·学术版China Public Security. Academy Edition2013年第4期总第33期2013 No.4 Sum. No.33工作探讨Work Discussion 手持式红外和拉曼光谱仪实时检测炸药的应用分析 蔡建刚 郭俊虎 (上海市警卫局，上海200030) 【摘 要】红外光谱仪和拉曼光谱仪已经成为炸药成分沐测中的重要分析手段。随着现代光学和软件技术的快速发展，两种技术设备便携化、一体化已成为现场炸药检测应用的必然趋势。本文主要阐述使用手持式红外和拉曼光谱仪实时检测炸药的应用分析比较。 【关键词】红外光谱；拉曼光谱；炸药检测；实时分析 【中图分类号】TJ 510.6【文献标识码】A【DOI】10.3969/j.issn.1672-2396.2013.04.033【【文章编号】16722396[2013]33-0122-04 Application of Handheld ATR-FTIR Spectrometer and Raman Spectrometerin Real-time Detection of Explosives CAI Jiangang GUO Junhu (Shanghai police security administration， Shanghai 200030， China) Abstract： IR spectrometer and Raman spectrometer becomes an important analytical method in explosiveidentification. With the rapid development of modern optics and software technology， that is the trend in the explosivedetection application for these technical equipment becoming portable and integration. This paper mainly describes thecomparison of application of handheld ATR-FTIR spectrometer and Raman spectrometer for explosive detection. Key words： IR spectrometry； Raman spectrometry； detection of explosives；real-time analysis 0引言 近年来，国内外安全形势严峻复杂，针对重要目标实施的爆炸恐怖袭击时有发生，加强防爆安全检查工作已突显其必要性。红外和拉曼光谱检测技术通过对物质照射产生振动光谱，从而判断物质的化学成分，已被广泛用于分析化学、安全检查、生物医学等领域。随着反恐怖斗争形势的需要，安全部门对光谱仪的便携性和实时性提出了更高的要求。因此，手持式拉曼和红外光谱仪应运而生，它们体积小，便于携 带，能够在复杂环境下使用，适合在安检现场实时对可疑物质进行检测和分析，尤其对爆炸可疑物和爆炸残余物能够做出准确、实时的检测判断，大大提高了现场处置的效率，增强了安全部门的应急处置能力。 1红外光谱与拉曼光谱的特点 红外和拉曼光谱都是通过光源照射物质分子产生振动光谱来测定物质的分子结构。红外光谱为吸收光谱，透射样品的光谱使样品分子内部发生振动和转 ( 收稿日期：20 1 3-09-08 ) ( 作者简介：蔡建刚(1978-)，男，汉族，江苏宜兴人，上海市警卫局技术处工程师，专业技术少校，解放军理工大学火炮、自动武器与弹药工程专业硕士，反恐防排爆理论与技术研究方向；郭俊虎(1986-)，男，汉族，河南洛阳人，上海市警卫局技术处助理工程师，专业技术中尉，解放军理工大学火炮、自动武器与弹药工程呈业学士。 ) 动能级跃迁，如果伴随偶极矩的改变就会吸收红外光子，形成红外吸收光谱。拉曼光谱为发射光谱，透射样品的光谱使样品分子的极化率产生变化，发生拉曼散射即形成拉曼散射光谱。两种光谱都可以通过分子的特征识别化合物的分子结构，并对物质进行定性分析。红外光谱和拉曼光谱特点的比较见表1。 表1红外光谱与拉曼光谱特点的比较 比较项目 红外光谱 拉曼光谱 光谱形式 吸收光谱 发射光谱 极性分子及基团，适用于有 非极性分子及基团，适用于无 分子的光谱活性 机物检测 机物检测 分子的结构测定 分子端基的测定 分子骨架的测定 测试对象 可对荧光性强的物质及深色测试荧光性强的物质及深色物 物质检测， 质困难 液体检测 有一定限制 不受水的干扰，可透过透明或 半透明容器 样品采集 一般需要采集取样 无需采集制样 2手持式红外和拉曼光谱仪的技术发展 2.1手持式红外光谱仪的技术发展 上世纪末，计算机和光学技术的进步，带动了光谱物质分析技术和仪器研制的迅猛发展，傅里叶变换红外光谱技术(简称FTIR)逐渐成为一种常规分析方法。傅里叶变换红外光谱技术是通过迈克尔逊干涉仪对光源进行干涉后，再照射样品，经检测器获得干涉图。干涉图属于时域图，内含待测物质的红外光谱信息，但无法辨认。需要通过计算机算法对该干涉图进行快速傅立叶变换，形成以波束或波长为函数的频域谱，即所见的红外光谱图。FTIR光谱仪具有低噪声、高通量、测速快等一系列优点，因此被广泛用于实验室化学物质分析。l 基于FTIR技术的光谱仪早期主要用于实验室，设备体积较大，便携性差。20世纪初，国外仪器厂商生产了台式和便携式红外光谱仪，逐渐开始用于现场检测，但是此类光谱仪需要现场组装和预热，大大降低了应急处突能力。近年来，手持式拉曼光谱仪研制成功，其特点是重量轻，便于携带，并且适用性强，无需校正和预热，主要用于在复杂环境下对可疑化学物质进行实时的检测分析。 本文使用的美国赛默飞世尔科技公司生产的TrueDefender手持式傅里叶变换红外光谱仪(以下简称TrueDefenderFT)，光谱范围为4000cm~650cm， 光谱分辨率为4cm*，重量为1.4kg。 TruDefender FT使用钻石晶体衰减全反反光学系统，内置8500多种化学物质标准比对图谱，分辨率强，信噪比高，分析时间短，能够满足安检现场的使用需求。 2.2手持式拉曼光谱仪的技术发展 早期的拉曼光谱测定是通过大功率汞气体光谱灯照射，使用单色仪获得较强的单色光照，但是如果物质本身的拉曼效应较弱，通过上述手段则无法测出，因此使用得到限制。自上世纪60年代以来，激光和电荷耦合元件(CCD)逐渐被应用，由于激光的强度和单色性符合拉曼光谱测量的激发光要求，因而被广泛用于拉曼光谱测定的激发光。近几年，随着拉曼光谱检测新技术的不断发展，手持式拉曼光谱分析仪应运而生，它将稳定的激光束、超低波数的锐利衰减片、高分辨率的CCD检测器以及精密的模块化光路系统和强大的软件数据搜索分析系统应用在一起。其特点是便携性强、分析速度快、直接照射无损检测，可在现场实时检测出上万种物质的成分，适合安检现场对可疑物质的快速判断。 本文使用的是美国Ahura公司生产的FirstDefender手持式拉曼光谱仪(以下简以FirstDefender)。该仪器采用了波长785nm、线宽2cm小型半导体激光器，激光可设置为50mW、150mW、300mW三种功率输出。光谱分辨率为8cm，拉曼光谱范围为250 cm²~2875cm，单色光谱范围为781nm~1014nm。该仪器重量仅为1.4kg，内置上万种化学物质标准比对图谱，可用于各种复杂环境。[4] 3手持式红外和拉曼光谱仪实时检测炸药的应用分析 为分析手持式红外和拉曼光谱仪对炸药实时检测的性能与互补性，本文采用TruDefender FT和FirstDefender这两款手持式光谱分析仪分别对梯恩梯、黑索金、奥克托金、太安、2#岩石炸药、氯酸钾、黑火药、三过氧化三丙酮等炸药进行实时检测分析，表2列出了8种炸药的基本参数及红外和拉曼的光谱匹配度，图1一图8为8种炸药的红外和拉曼光谱实时扫描和标准光谱对比图。(实时扫描光谱是指在模拟现场环境中对炸药样品进行的一次扫描结果，标准扫描光谱是指在实验室环境中对标准炸药进行几十次扫描的结果整合。) 表28种炸药的基本参数及光谱匹配度 名称 主要成分实验 式 主要成分 分子量 红外扫描光谱匹 配度 拉曼扫描光谱匹 配度 TNT C，HNO， 227.1 100% 100% RDX CHN6O， 222.1 98.9% 100% HMX CHNO； 296.16 100% 100% PETN C，HNO， 316.2 99.9% 100% 2#岩石炸药 NHNO， 80.05 50%匹配NHNO， 44%匹配TNT 74.1%匹配 NHNO， 氯酸钾 KCLO 122.5 91.5% 99.9% 黑火药 KNO. 101.1 与KNO，相似 无数据 TATP CH0， 222.24 100% 无数据 图2黑索金的红外、拉曼扫描和标准光谱对比 红外位(cm-1) 图52#岩石炸药的红外、立曼扫描和标准光谱对比 图6氯酸钾的红外、拉曼扫描和标准光谱对比 图7黑火药的红外扫描和标准光谱对比 图8三过氧化三丙酮的红外扫描和标准光谱对比 通过上述实验比较分析，两种检测技术对TNT、RDX、HMX、PETN、氯酸钾五种单质类炸药检测均显示为单物质正确匹配，且匹配度高，分析时间短，光谱信号强，说明两款检测设备对单质类炸药能够做出准确检测；对2#岩石炸药等混合类炸药进行检测时，两种光谱均显示为多物质数据匹配，能够分析出炸药的主要成分。此外，由于TATP炸药极为敏感，轻微摩擦或温度稍高即会爆炸，所以仅对其极少药量进行了红外光谱分析，而未使用拉曼光谱激光照射检测，其红外光谱匹配度为100%，能够正确识别。 红外光谱中，2#岩石炸药检测光谱显示出与主要成分硝酸铵和梯恩梯的标准光谱匹配度分分为50%和44%。黑火药检测光谱显示与主要成分硝酸钾的标准光谱具有相似性，所以在实际使用中具有参考价值；拉曼光谱中，2#岩石炸药检测光谱显示出与主要成分 硝酸铵的标准光谱匹配度为74.1%，基本分析出炸药的主要成分。黑火药在检测过程中发生燃烧，说明拉曼检测技术对深色物质识别困难，而且拉曼光谱仪使用激光照射产生的能量易使深色物质吸收过高的热量而导致燃烧。 4结论 通过上述实验分析说明， TrueDefender FT和FirstDefender手持式拉曼光谱仪联合使用，体现了两种设备所具有的互补特性，能够对国内主要炸药进行实时的定性分析，尤其是对单质类炸药检测效果较好，对混合类炸药检测能够检测出主要成分，为在犯罪现场实时检测可疑爆炸物提供参数依据。 与此同时，在使用两种设备对炸药检测时，也有一些需要注意的方面。在使用红外光谱仪时，由于使用ATR附件作为光学采集系统，需要将炸药样品与光谱仪的晶体反射面紧密接触，如果待检炸药的摩擦感度或压力感度较大，则有可能在受到挤压或摩擦后产生燃烧。而且， ATR光学采集系统属于表面取样，获取的仅是其表面层的光谱信息，如果炸药样品不均匀，有可能检测结果会有偏差。同时，在使用拉曼光谱仪时，由于仪器采用单色激光作为激发光源，其照射光强度大，热量高。如果照射热感度低或者深色的炸药，易使炸药吸收过高的热量导致燃烧或爆炸。此外，两种光谱仪都无法穿透金属或高密度物质，如对金属易拉罐或陶瓷内的藏匿爆炸物就无法进行直接无损检测，需要使用其他方式进行分析。 总而言之，红外和拉曼光谱技术以其成熟的理论基础及自身优良的性能，将在反恐怖斗争和刑事侦查领域得到进一步应用，它们不仅仅是炸药检测的一种重要分析手段，还是对各种液体和固体物质成分识别的重要工具。随着红外和拉曼光谱相关技术的不断发展，两种检测技术必将在未来的安全防范领域工作中发挥更大的作用。 ( 参考文献 ) ( [1]晁建会.ATR/FTIR技术在固体发动机界面污染物鉴定中的应用研究[D].西安：西北工业大学，2006. ) ( [2] Anonymous. TruDefender FT user Manual， Ahura Scientific， USA， Part number： 110-00021-01. ) ( [3]朱弘.拉曼光谱技术的研究与公安应用[C].柳晓川.防爆安检技术论文集.北京：中国安全防范产品行业协会，2008.19-23. ) ( [4]Anonymous. FirstDefender user Manual， Ahura Scientific， USA， Part n u mber： 11 0 -00001-06. ) ·     近年来，国内外安全形势严峻复杂，针对重要目标实施的爆炸恐怖袭击时有发生，加强防爆安全检查工作已突显其必要性。红外和拉曼光谱检测技术通过对物质照射产生振动光谱，从而判断物质的化学成分，已被广泛用于分析化学、安全检查、生物医学等领域。随着反恐怖斗争形势的需要，安全部门对光谱仪的便携性和实时性提出了更高的要求。因此，手持式拉曼和红外光谱仪应运而生，它们体积小，便于携带，能够在复杂环境下使用，适合在安检现场实时对可疑物质进行检测和分析，尤其对爆炸可疑物和爆炸残余物能够做出准确、实时的检测判断，大大提高了现场处置的效率，增强了安全部门的应急处置能力。