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你了解应用于防爆、安检的拉曼光谱技术吗?

发布时间:2020-02-25

一、拉曼光谱分析技术及其发展

1928年印度物理学家拉曼(Sir Chandrasekhara Venkata Raman,1888-1970)首次发现拉曼散射效应(即当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化),并因此荣获1930 年诺贝尔物理学奖。拉曼效应发现以后,拉曼光谱分析曾是研究分子结构的主要手段;60年代激光光源的问世以及弱信号检测技术的发展给拉曼光谱分析技术带来了新的契机;70年代中期,激光拉曼探针的出现,给微区分析注入了活力;80年代以来,凹陷滤波器的出现替代了双联单色器甚至三联单色器,极大的提高了光源效率,降低入射光功率,提高了光谱仪的灵敏度。近年来,拉曼光谱技术己发展到共焦显微拉曼技术、表面增强拉曼技术、共振拉曼技术等,形成了拉曼光谱分析领域的技术体系。 


拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源于分子的振动和转动。不同的物质具有不同的特征光谱,因此可以通过拉曼光谱作定性分析;根据物质光谱拉曼散射强弱的特点可以对物质作定量分析;对拉曼光谱谱带的分析,可进行物质官能团及分子结构分析。正因如此,激光拉曼光谱技术在物质鉴定、分子结构研究、化工过程、医学医药、生物化学、考古及宝石鉴定、公安与法学样品分析、反恐技术、食品安全、地质及环境科学等各个领域都得到了广泛的应用,越来越受研究者的重视。特别是激光拉曼光谱分析技术无需样品制备过程、无损探测技术、适合水溶液分析、速度快稳定性高,已在反恐禁毒领域获得广泛应用;奥运会、世博会等都采用了激光拉曼光谱仪来现场判别爆炸物、毒品等危险品。


二、激光拉曼光谱分析仪

激光拉曼光谱分析仪一般由激光器、光学系统、计算机系统、软件系统、控制系统五个部分构成。



(1)激光器:一般采用大功率单色发光器作为激发光源,常规的激光波长为532nm、785nm、1064nm等(简智SST-3000便携式拉曼爆炸物/毒品检测仪即采用785nm光源),功率从几十毫瓦到数百毫瓦不等。在一些大型拉曼光谱仪上,也有采用多个激光器。


(2)光学系统:主要包括聚光、集光、滤光、CCD等光学部件,收集激光入射样品的散射光,滤除瑞利散射,并将拉曼散射光送入CCD进行光电转换,变成数字信号后送入计算机。


(3)计算机系统:进行数据采集、软硬件接口的部件。


(4)软件系统:根据获得光谱进行预处理、光谱分析、样品识别的软件部分。


(5)控制系统:根据测量要求调节光学系统、激光器的部件。


三、拉曼光谱技术应用于毒品检测

毒品的泛滥,不仅危害人类的健康,而且破坏国家的社会安宁和经济发展,已成为严重的国际性公害。1991年2月,联合国首次禁毒特别会议指出,从社会和经济发展角度看,其危害大于艾滋病和沙漠化,“世界性贩毒吸毒已成为影响我们所有人并对国际和平与安全日益构成威胁的一大问题”。在我国,党和政府采取坚决果断的措施打击毒品犯罪。然而,在国际毒潮的侵袭下,毒品祸害常卷土重来。特别是易制毒化学品的出现,大大缩短了毒品的生产周期,产生了多种新型化学合成毒品。公安部日前发布的最新数据显示,我国登记在册的吸毒人员已经达到390余万名,呈现缓慢上升的态势。和往年相比,新型毒品上升态势较为突出。

目前,用于毒品检测的主要技术有:X射线背散技术、离子迁移谱技术、激光拉曼光谱分析技术等。毒品通常为粉末,结晶或片剂等,纯品不常见,易与日用品、食品混合,特别是近年来易制毒化学品大量用于毒品加工,而在缉毒工作中缺乏现场快速精确的毒品检测技术,使得便携式拉曼光谱仪在这一领域得到越来越多的关注。


由于拉曼光谱具有高度特征性,采用激光拉曼光谱技术鉴定毒品,其结果在许多国家可以作为法庭的有效证据,我国对毒品现场检测技术也有较多的研究报道。比如采用激光显微拉曼光谱法对7种毒品和5种白色粉末进行了分析,结果发现7种常见毒品均有丰富的拉曼位移峰,可以与其他常见白色物质区分开来,表明拉曼光谱法适用于快速准确地识别毒品。此外利用显微拉曼技术对安非他明硫酸盐、甲基安非他明盐酸盐、盐酸吗啡、盐酸海洛因、盐酸蒂巴因、盐酸那可汀、盐酸罂粟碱和盐酸可卡因8种常见毒品做测试和分析,并对手指触摸过海洛因后所沾有的微量残留物进行分析,研究表明显微拉曼技术对检测分析走私毒品以及其他痕量物质是一种极为有力的手段。


四、拉曼光谱技术应用于爆炸品检测

近年来,由于国际形势的紧张,恐怖分子经常利用公共交通人流量大的特点,制造惨烈的爆炸恐怖袭击,比如2010年的莫斯科地铁爆炸案,2011年的多莫杰多沃机场爆炸案,2016年比利时扎芬特姆国际机场爆炸案,同年的布鲁塞尔地铁站爆炸案。自1969年以来,飞机上的恐怖爆炸已经夺去了数千人的生命。近年出现的液体爆炸物,易于伪装携带,爆炸力巨大,若要炸穿机身,仅需半包香烟大小的液体炸弹就可以。1987年韩国客机爆炸案,1994年初基地组织策划的“波金卡计划”,都是使用了液体炸弹。2005年伦敦发生震惊世界的爆炸案,造成51人丧生,逾700人受伤,这次袭击伦敦运输系统的炸弹,采用的就是一种与以往不同的以过氧化物为基础的爆炸物,即三过氧化三丙酮(TATP)。现在,各国航空都明令限制携带液体物品登机。在我国,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》明确将爆炸物、毒品等违禁品与核生化恐怖源的远程探测技术与装备列入公共安全领域的优先主题。


爆炸物从化学性质上看,可分为无机爆炸物和有机爆炸物,常见的无机爆炸物包括含硝酸盐、氯酸盐、过氯酸盐等化合物,金属乙炔化物,无机过氧化物和四唑类爆炸物等。有机爆炸物按官能团不同分为芳香族硝基化合物、脂肪族硝基化合物、硝酸酯、硝胺和有机过氧化物等。虽然大部分液体炸药都在上述分类以内,也有部分液体炸药利用氧化剂和还原剂混合而成,主成分不在此列。就液体炸药探测而言,主要采用的技术有双能X射线检测技术、热导系数检测技术、介电常数检测技术、激光拉曼光谱检测技术等。由于拉曼光谱检测速度快、结果精确,最近两年得到广泛应用。在国外,美国运输安全管理局测试了一种能检测液体爆炸物等危险物质的新工具,以增强全国机场的安检配备力量。这种新工具即为“首席卫士”,由美国马萨诸塞州AHURA公司研制,是一种采用激光拉曼光谱技术的手持式化学品鉴定装置。在我国,试验采用激光显微拉曼光谱法对17种常见炸药粉末进行分析,结果发现这17种常见炸药均有丰富的拉曼位移峰,可以通过特征拉曼光谱快速准确地识别炸药。此外采用线性拉曼光谱解谱算法用于液态违禁品快速检查仪中,可实现现场快速准确的判别违禁物品。


五、拉曼光谱分析技术在防爆安检领域的展望

由于拉曼散射截面小,使得拉曼光谱仪在非均相固体检测中的应用受到一定的限制,因而表面增强拉曼光谱技术最近得到了大量实用性的研究。表面增强拉曼散射(SERS)效应是指在一些特殊制备的金属良导体表面或溶胶中,吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射信号大大增强的现象。表面增强拉曼克服了拉曼光谱灵敏度低的缺点,可以获得常规拉曼光谱所不易得到的结构信息。据报道,美国利用增强拉曼光谱技术,将上万根银纳米线制成薄层作为探测器,研制出一种可检测痕量危险化学制品的新型探测装置。我国也有用表面增强拉曼光谱对接触毒品后微量残留进行检测的研究报道。


拉曼光谱与其它光谱联用技术也得到广泛研究。红外光谱(IR)与拉曼光谱互为补充,在化学分析中是相辅相成的两种分析方法;红外光谱与拉曼光谱的联用给毒品、爆炸品等违禁品检测提供了更加精确的结果。气相色谱(GC)作为一种有效的分离手段应用面极广,将表面增强拉曼技术作为气相色谱的一种控制器也已有应用,此方法分析了吡啶类化合物,达到满意的结果。利用离子迁移谱技术(IMS)的高灵敏度与拉曼光谱的高精确度相结合进行违禁品的探测在国内研究也获得相应成果。


在一定距离外进行爆炸品的探测预警,一直是防爆领域的技术难题。在欧洲的研究机构最近报道了一种远程拉曼光谱技术,即在远处定向发射激光束到可疑物品上,通过特殊的收集装置获得拉曼散射光加以分析来判断其是否为爆炸物,这一技术可保护现场人员安全。


毒品、爆炸品等违禁物品的危害日益严重,传统的一些检查手段已经无能为力,而拉曼光谱分析方法方兴未艾,是一种发展前景良好的检测手段。国际上已有许多成功应用的范例,国内相关领域的技术发展和仪器应用也逐步获得人们的关注。我们相信,在不久的将来,拉曼光谱分析技术就会在防爆、安检领域大放异彩。


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