化学品中鉴别未知化学品检测方案(激光拉曼光谱)

GEMINI新用户培训 最佳实践和经验教训结论 面临在现场快速鉴定未知化学品的挑战，许多民间、联邦及国防机构往往使用便携式光谱仪执行任务，而多数情况下均采用 Raman 和傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪执行所需分析任务。 这些机构通常采用逐步抽样分析策略。当更全面地鉴定危险物质时，，可充分利用更多的分析资源。虽然在高级机构的分析中需要更为精密的仪器，但诸如 Thermo ScientificTM First DefenderTMRMX、Thermo ScientificTM TruDefenderTM FT 以及 Thermo ScientificTM GeminiTM 分析仪之类的便携式分析仪却适用于所有级别的分析。在现场初步测试中，这些分析仪操作简便，而在实验室中，这些仪器又足够精密，，可由训练有素的操作人员使用。 简介 FirstDefender 仪器采用 Raman 技术鉴定未知物质；而TruDefender采用 FTIR 技术。Thermo Scientific 分析仪作为逐步分析策略的一部分被广泛应用于涉及民间、联邦及国防机构的现场。 。军用爆炸品处置小组执行现场分析；可疑自制炸药(HME)和前体材料被送往现场实验室做进一步分析，后交由更高级的机构进行分析。无论用户熟练程度如何，上述操作均可使用Thermo Scientific 便携式分析仪来完成。 ·联邦刑事技术调查局使用 Thermo Scientific 分析仪进行现场测试，后将可疑样品送至国家实验室，在该实验室，样品通过该相同仪器进行初筛，后被送往实验室设施。 ·国民警卫队“大规模杀伤性武器民事支援队”会根据需要，分别在调查组采集样品时和在分析实验室套件中使用 ThermoScientific 分析仪，后将样品交给其他部门。 ·危险品第一响应小组和消防部门先使用 Thermo Scientific 分析仪进行现场分析，再将样品送至实验室进行环境或犯罪跟踪。 我们最新推出了Gemini 手持式分析仪。Gemini 是一款集 Raman和 FTIR 技术于一身的紧凑型仪器。对于军事和第一响应组织来说，该新型分析仪不仅可达到与实验室分析同等的分析性能，还减轻了重量并减少了下行测量所携带的仪器数量。 2015年，美国国防部的一个机构将Gemini 分析仪同FirstDefender 和 TruDefender 分析仪进行了对比。经过简短培训，现场勘查小组和移动实验室单位的成员首次使用了 Gemini 分析仪，随后对其实用性和功能性进行了评估，并就其优势和局限性将其与 FirstDefender 和 TruDefender 分析仪进行了比较。 评估方法和样品 两名操作员身穿A类个人防护设备 (PPE) 并佩戴可维持1小时的自给式呼吸器，对体积不同、形态各异的未标记化学品进行分析。操作员分别用 FirstDefender、TruDefender 和 Gemini 对8份样品进行第一层分析，每次分析一份样品，共分析32次。(A类 PPE 能够最大程度地保护皮肤、呼吸道和眼睛，极大削弱了操作员的感知和移动能力)。 随后，执行第二层分析的移动实验室操作员在实验室通风柜内使用上述仪器对同样8份样品进行分析。操作中，预包装样品，包装类似于现场勘查小组执行初步分析和证据收集时的包装。 这8份样品由一个模拟的临时化学武器药剂生产站点提供。样品含有 HEM 和 HME 前体材料，包括4份液体、2份固体、1份湿固体以及1份浆状犬品。具体包括： ·用于制造硫芥子气子硫二甘醇和盐酸 (HCI) 液体。 。用于制造铵油炸药(ANFO) 的工业级硝酸铵 (TGAN) 固体和燃油。 ·用于制造硝酸尿素 (UN) 的固态尿素和液态硝酸。 ·现场制造呈糊状/浆状的硝酸尿素。 在模拟过程中，培训员遵循了样品制备和测试协议。分析结果存储于仪器中，后被制成表格。随后培训员对首次使用 Gemini的操作员进行了调查，记录了最佳实践和经验教训。 分析结果的显示 Thermo Scientific 分析仪在彩色显示屏上实时显示分析结果，供操作员轻松识读。彩色显示屏为绿色、蓝色、黄色或红色，对于评估过程中所用的每台仪器均相同。 ·绿色屏幕一仪器将测得样品与仪器库中某项物质相匹配。 。蓝色屏幕一仪器鉴定出所测样品为数据库中几项物质的混合物，排在第一位的为最重要的物质。 ·黄色屏幕一仪器在样品中鉴定出与仪器库中“类似”的物质。 ·红色屏幕一仪器未能将所测样品与仪器库中任何物质相匹配。此时，结果屏幕将提示操作员考虑使用 FTIR 进行分析。 以下是 Gemini 分析仪采彩屏显示示例： 简短培训后，为模拟中的国防部( DOD)新手操作员提供8份样品。他们将使用 FirstDefender Raman、TruDefender FTIR、GeminiRaman 以及 Gemini FTIR 对每份样品进行扫描，可能共出现32次测试。同样，为执行第二层分析的移动实验室操作员提供相同的样品，这些样品在现场勘查小组进行证据收集时预包装和提交，每份样品将采用相同仪器进行扫描，共出现32次测试。 我们发现首次使用这些仪器的操作员在样品分析中会出现一些偏差。例如，操作员两次忽略了运行 FTIR 背景扫描(每次使用FTIR 仪器进行测试前均须运行背景扫描)。又如，背景扫描、将样品放置到测试区以及实际执行分析的间隔时间过长。在Raman 测试中，操作员试图扫描 Gemini 仪器塑料机身上的小样品，而不是按照指示在正确的表面上扫描，所以产生了“光噪声”。 共有7次测试未能遵循简短培训中所要求的程序，属“操作失误”，而不能代表仪器性能。公平地讲，我们的观察员意识到这些“失误”是由于培训课程太过简短而造成的。观察组认为，只要增加培训和实践时间，这些程序上的失误可尽量减少，并提高操作员的工作效率。 此外，由于已知样品量的局限或实践时间有限，现场和实验室操作员通过了其中三次测试。其中4份样品对Raman 信号无响应， Gemini 分析仪正确指示出应使用替代的 FTIR技术。表1为测试结果汇总表(如下)。 操作员 正确ID 错误ID 通过的扫描 操作失误 正确ID 的调整率 现场勘查小组 22 1 5 4 95.7% 移动实验室 26 2 2 2 92.9% 总计 48 3 7 6 94.1% 在分阶段实践后，培训师主持了操作员任务报告会议。参与者就 Gemini 分析仪的优势和局限性公开发表了意见，在某些情况下，还对比了 Gemini 与 FirstDefender 和 TruDefender 的实用性。 Gemini 的优势 ·一台设备与两台设备一就分析能力而言，操作员发现 Gemini集成式系统在数据存储、检索和流通方面均有明显优势。操作员表示，将 Raman 和 FTIR 光谱库相结合可简化分析的下行测量并可能减少光谱支持请求。在现场勘查中，操作员发现 Gemini 比 FirstDefender 和 TruDefender 组合更加轻便易携。另外，移动实验室用户指出，在实验室通风柜下方，Gemini 分析仪占地面积更小，可减少因空间拥挤而造成的潜在污染。 ·电源一操作员对 Gemini 的分层式电源系统给予了正面评价。仪器先从一次性热插拔碱性电池组取电，当一级电池耗尽时，从集成式锂离子电池取电。当仪器插入110V 插座时，两种电源均可备用。 ·扫描助手—Gemini 分析仪指示操作员选择适当的鉴定技术。操作员认为扫描助手功能非常有用，尤其是在下行测量情况下，因为下行测量时现场时间延长且操作员可能疲劳。此外，他们还提到，对于不熟练的操作员来说，扫描助手提出的一系列问题可起到提示作用。 ·配置文件牛通过设置 Gemini 配置文件，用户可根据态势感知和经验自定义扫描参数，然后进入危险区域。模拟中的操作员指出，当收到可疑物质的情报时，配置文件非常有用。因为如果操作员已知目标物，他们便可利用配置文件来确保下行测量时鉴定和识别待测化合物。 ·标记一标记指示 Gemini 仪器在 Raman 或 FTIR 模式下更加仔细地检查某种特定化学品。操作员发现了标记的普遍价值。但是，由于许多组织采用“all-hazards”方法，所以该功能的使用可能受限。 ·导航一操作员报告指出， Gemini 操作简单易学。在上述场景中，即使操作员穿戴A级 PPE， 该仪器的触摸屏仍运行良好。操作员发现该导航简单实用。 ·探头一相比 FirstDefender RMX， Gemini Raman 分析用探头虽固定，却更为短小和灵活。操作员发现这提高了仪器的易用性和可操作性。RMX的保护眼睛安全距离为17.25英寸，而 Gemini 为13英寸，距离大大缩短，让操作员距离工作更近。 Gemini 的局限性 。多种选项—Gemini 仪器功能多样，如两种光谱技术、配置文件、FTIR 扫描延迟和电动铁砧等。操作员反映这些选项有时会引起混淆。但通过我们提供的培训和现场模拟实践，操作员学会了如何充分发挥这些功能的优势。 ·样品室一原 Thermo ScientificTM Ahura FDTM(未用于本次模拟)的样品室让样品瓶倾斜45度，使一两小滴样品聚集在样品瓶的“角落”，正好在 Raman 激光的路径中。操作员发现 Gemini 和 RMX的样品架呈直立状，无倾斜角，激光路径在样品上方。不过， 将 Gemini 或 RMX仪器倾斜45度便可在两滴样品上成功扫描。 ·采用 FTIR 时的预粉碎——现场和实验室操作员发现，仅用电动铁砧无法完成所有的样品制备工作，要获得精确的结果，供FTIR分析用的待测样品需预粉碎。虽然使用铁砧对着金刚石 ATR(光谱系统部分)粉碎样品的做法正确，但当所提供的样品较好时仪器才能良好运行。如带涂层的块状样品，当样品经过“预粉碎”后，仪器可更清晰地观察到块状样品的中心和更具代表性的部分，而非仅观察到涂层，所以产生的结果质量更好。注：由于进行了模拟，我们重新设计了铁砧尖端的配置文件。经过重新设计，仪器在扫描颗粒状硝铵、晶粒和氯酸钾等硬质晶体材料时的性能得以显著提升。 。 Thermo Fisher 培训师与操作了进行了一次综合讨论，突出强调了在使用 Thermo Scientific 分析仪进行未知化学品鉴定过程中的几种最佳实践： ·事实证明 ScotchTM 牌喷砂表面透明胶带对于采用 Raman 和FTIR 技术进行极小(针头大小)固体样品的采样非常有用。当在瞄准式扫描模式下使用 Raman 激光器时，可用胶带将样品悬在空中，以消除背景干扰。随后将上述样品精确定位于 FTIR金刚石表面，并在施加铁砧压力以进行第二轮测试前用胶带固定住样品。 ·预粉碎固体样品通常可改善 FTIR 的结果，确保与金刚石表面充分接触。(新型 Gemini 铁砧尖端同样可改善结果。) ·改变 FTIR 的压力会影响固-固混合物和固-液混合物的结果。在不同压力条件下，固体颗粒的形状和硬度将影响其与金刚石的接触。在高压条件下，液体会从固体中挤出，改变固体成分与液体成分的比例，进而改变光谱信号比例。 ·操作员应考虑物理分离混合物，以采用 Raman 和FTIR分别对物质进行测试。通过混合物的物理分离，仪器可执行两次或两次以上的简单测试，而无需进行一次复杂的混合物测试。 许多联邦、国防及第一响应机构均使用便携式 Raman 和 FTIR光谱仪鉴定未知化学品。Thermo Scientific FirstDefender、TruDefender 及当前最新的 Gemini 分析仪通常会被用于这些机构内部的多级逐步物质分析系统中。 在培训师进行的模拟中，经过简短培训，美国国防部的一个机构用三种 Thermo Scientific 仪器测试了未知化学品，并记录了新型 Gemini 的优势和局限性。模拟中的操作员包括现场勘查小组和移动实验室的操作员。 通过调整64份可能样品中的通过和“操作失误”情况，Thermo Scientific 仪器正确鉴定了94.1%的样品。重要的是，观察员认为，只要增加培训和实践时间，这些程序上的失误可尽量减少，并提高操作员的工作效率。 尽管这三款 Thermo Scientific 仪器在样品分析中表现出相同的性能，但操作员反映， Gemini 给用户带来了显著优势。这些优势包括融入了许多新功能，如将 Raman 和 FTIR 整合进单台设备；扩展和多种的电源；扫描助手和配置文件；改进的探头；增强的导航功能。操作员还注意到了 Gemini 的局限性。这些局限性包括： Gemini 的多种功能可能让操作员混淆；直立式样品室要求在微小样品的扫描中倾斜分析仪；在采用 FTIR技术时，可能需要预粉碎固体(尽管存在这种普遍接受的 FTIR局限性，新型 Gemini 铁砧设计已改进了性能)。 为客观地收集用户信息和采集数据，美国国防部参与了此次研究。 SCIENTIFIC SCIENTIFICAThermo Fisher Scientific Brand全国服务热线：支持手机用户) 官方网站： www.thermofisher.comBRNX_CSTSEULT 最新推出的 Gemini 手持式分析仪。Gemini 是一款集 Raman和 FTIR 技术于一身的紧凑型仪器。对于军事和第一响应组织来说，该新型分析仪不仅可达到与实验室分析同等的分析性能，还减轻了重量并减少了下行测量所携带的仪器数量。