一種痕量爆炸物的快速檢測方法及裝置製造方法
2023-04-24 00:49:36
一種痕量爆炸物的快速檢測方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明一種痕量爆炸物的快速檢測方法及裝置，該方法採用離子遷移譜檢測技術，包括樣品分子的電離、分離和檢測三個步驟，特點是由表面解吸常壓化學電離裝置作為電離源實施所述電離；相應的，該裝置以表面解吸常壓化學電離裝置（2）作為電離源替換原放射性電離源，與傳統離子遷移譜儀的樣品引入裝置（1）和待測離子的分離檢測裝置（3）聯用，實現對爆炸物的靈敏度高、針對性強、操作方便、檢測時間短、無放射性汙染的高效檢測，解決了爆炸物檢測中的技術難題，可應用於機場、車站、碼頭等公共場所的爆炸物監測。
【專利說明】一種痕量爆炸物的快速檢測方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於爆炸物探測【技術領域】，涉及一種痕量爆炸物的快速檢測方法及裝置。【背景技術】
[0002]自十八世紀七十年代諾貝爾發明安全炸藥以來，炸藥在近代社會發展中特別在軍事領域、航空航天領域、基礎設施領域和一些工業領域，發揮了極其重要的作用。近年來，隨著炸藥應用範圍的拓廣、爆炸物新品種的出現、以及新炸藥的發明，恐怖爆炸事件頻頻發生在世界各地，各種形式的炸藥和爆炸裝置被用於恐怖犯罪活動，嚴重危害人們的生命財產安全，破壞社會穩定，阻礙經濟發展，甚至導致地區經濟危機和人道主義危機。為了把恐怖爆炸活動控制在未遂狀態，許多國家和部門都在發展快速、靈敏、便攜的檢測方法以便對這些過程進行控制。
[0003]爆炸物的探測技術種類較多，根據國內外較為認可的分類方法，爆炸物探測技術可以分為體探測技術和微痕量檢測技術兩類。體探測技術是對爆炸物的整體外觀探測的技術，存在價格昂貴、靈敏度低、設備體積大等缺點。微痕量檢測技術主要是對微量的爆炸殘留物進行取樣和分析技術。較之於體檢測技術，微痕量檢測技術具有可靠性高、性能優異、多功能集成、可以批量生產等優點，使爆炸物探測器實現小型化、低成本、高精度成為可能。
[0004]離子遷移譜(1n Mobility Spectrometry, IMS)技術為一項卓越的痕量氣態物質檢測技術，IMS因其靈敏度高、檢測速度快、體積小、功耗低等眾多優點，被廣泛應用於機場、車站、碼頭等公共場所的爆炸物、毒品、毒劑的監測。傳統的離子遷移譜儀一般採用放射性元素63Ni作為離子源，它具有性能穩定、能耗低、無噪音幹擾、簡單易用等優點，而且不需要外接電源和後期維護，但其缺點也是顯而易見的，這種離子源的離子強度較低，線性範圍窄，尤其是其具有放射性汙染，會對使用者的身體健康構成潛在威脅，不利於其推廣。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對目前複雜的國際國內爆炸襲擊屢屢發生的情況下，提供一種靈敏度高、針對性強、操作方便、檢測時間短以及不被放射性汙染的痕量爆炸物快速檢測方法。
[0006]為實現上述發明目的，本發明提供的痕量爆炸物的快速檢測方法，採用離子遷移譜檢測技術，包括樣品分子的電離、分離和檢測三個步驟，特點是，由表面解吸常壓化學電離裝置作為電離源實施所述電離。這裡，「常壓」是指在大氣壓環境下。
[0007]所述痕量爆炸物的快速檢測方法中，表面解吸常壓化學電離裝置包括外接電壓的電離針，由電離針針尖發生電暈放電使輔助解吸氣體離子化進而使所述樣品分子電離為待測離子。
[0008]電離針施加電壓:-3.5KV;工作電流:16 μ A ;輔助解吸氣體:空氣。電離針為材質鎳鎘金屬的放電針。
[0009]本發明另一目的還在於提供一種表面解吸常壓化學電離離子遷移譜裝置，其為前痕量爆炸物的快速檢測方法中離子遷移譜檢測技術所用儀器，其包括傳統離子遷移譜儀的樣品引入裝置和待測離子的分離檢測裝置，且以表面解吸常壓化學電離裝置作為電離源替換原放射性電離源；分離檢測裝置通過橡膠管與樣品引入裝置相連，表面解吸常壓化學電離裝置裝設於分離檢測裝置中離子化區一端且緊密配合，表面解吸常壓化學電離裝置的電離針伸入分離檢測裝置離子化區內。
[0010]其中，表面解吸常壓化學電離裝置還包括電離管和固定架，電離管固定在固定架上，固定架密封安裝在分離檢測裝置的離子化區端面；電離管中部設有氣體接口用於引入輔助解吸氣體，電離針同軸置於電離管的中空管腔內，電離針前端針尖放電端伸出電離管並伸入分離檢測裝置的離子化區，電離針後端連接高壓電源。
[0011]利用該表面解吸常壓化學電離離子遷移譜裝置，本發明繼續提供一種痕量爆炸物的快速檢測方法。
[0012]該方法實施中，待測樣品為痕量爆炸物，將擦拭痕量爆炸物的試紙置於樣品引入裝置中，樣品分子在樣品引入裝置中被加熱揮發並隨載氣被引入分離檢測裝置的離子化區；載氣為空氣，載氣流量為200mL/min ;樣品注入溫度為180°C。
[0013]所述電離針位於被引入的樣品分子的正上方，離子化區無需外接高壓，被電離的輔助解吸氣體離子碰撞所述樣品分子形成待測離子。
[0014]分離檢測裝置採用負離子模式，其漂移區遷移管內有均勻電場，管體溫度設置為140°C ;待測離子經過分離檢測裝置的漂移區進入其檢測區被檢測，得到待測離子遷移譜譜圖，通過該譜圖峰的位置確定待測離子含有何種爆炸物。
[0015]更具體的，漂移區遷移管內徑為1cm，長度為7-8cm，遷移管的不鏽鋼金屬環上從前向後順序加上由高到低2000V、1800V、1600V、1400V、1200V、1000V、800V的電壓，由此遷移管內產生200-210V/cm的均勻電場；漂移區通入的漂移氣體為空氣。
[0016]以上介紹了本發明痕量爆炸物的快速檢測方法，其包括樣品分子的電離、分離和檢測三個步驟。該方法是根據不同的痕量待測物具有不同特徵檢測峰的表面解吸常壓化學電離離子遷移譜檢測法，痕量待測物在表面解吸常壓化學電離源的作用下，可以產生相應的產物離子，將這些產物離子放置在大氣環境恆定的電場中，它們受到電場加速和中性大分子的碰撞減速，在宏觀上就表現為獲得了一個恆定的平均速度。由於不同的痕量待測物的產物離子其質荷比、空間幾何構型和碰撞截面不同，因而獲得的平均速度也不同，再經過電場作用後就被分離，先後達到收集器，最終完成樣品的檢測。
[0017]檢測時，首先把擦拭痕量爆炸物的試紙置於電離源的正下方，痕量爆炸物加熱揮發，並在電離源的作用下，產生相應的產物離子。本發明公開了所述的檢測方法採用表面解吸常壓化學電離源；放電針材質:鎳鎘金屬；放電針施加電壓:-3.5KV ;工作電流:16μ A ;輔助氣體:空氣。
[0018]本發明還公開了表面解吸常壓化學電離源離子遷移譜技術檢測痕量爆炸物的優選條件為:載氣選用空氣；載氣流量為200mL/min ;管體溫度設置為140°C ;注入溫度為1800C ;負離子模式。
[0019]本發明所述的檢測方法結合爆炸物分子具有較高的電負性的特性，提出了一種耦合表面解吸常壓化學電離源和離子遷移譜的檢測方法，極大的提高了痕量爆炸物檢測的準確率和靈敏度，使得痕量爆炸物檢測更加可靠、有效。本發明具有以下優點:本發明的一種痕量爆炸物檢測方法採用表面解吸常壓化學電離技術對實際樣品進行直接電離，該電離技術具有電離效率高、結構簡單、操作靈活方便、無化學汙染，可以直接分析粉末樣品，便於進行現場分析；本發明的一種痕量爆炸物檢測方法樣品的耗量少；本發明的一種痕量爆炸物檢測方法採用離子遷移譜儀作為產物離子的分離和檢測部分，具有分析速度快(l_4s)、功耗低(35mW)、重現性好等突出優點；本發明的一種痕量爆炸物檢測方法結構簡單、體積小、檢測成本低，無放射性汙染，便於現場應用。
[0020]另外本發明還進一步提示，通過待測離子遷移譜譜圖中特徵峰的強度，利用所確定爆炸物的峰強度-樣品濃度標準曲線，半定量或定量得到樣品中該爆炸物的含量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為未進樣時的背景峰
[0022]圖2為三硝基甲苯(TNT)檢測的離子遷移譜譜圖
[0023]圖3為環三亞甲基三硝胺(RDX)檢測的離子遷移譜譜圖
[0024]圖4為季戊四醇四硝酸酯(PETN)檢測的離子遷移譜譜圖
[0025]圖5為三硝基苯甲硝銨(Tetryl)檢測的離子遷移譜譜圖
[0026]圖6為環四亞甲基四硝胺(HMX)檢測的離子遷移譜譜圖
[0027]圖7為環三亞甲基三硝胺(RDX)檢測的信號強度-樣品濃度工作曲線
[0028]圖8為本發明中表面解吸常壓化學電離離子遷移譜裝置構成圖
【具體實施方式】
[0029]本發明提供一種痕量爆炸物的快速檢測方法，利用了離子遷移譜(1nMobilitySpectrometry, IMS)技術。與傳統的IMS檢測類似,該檢測包括樣品分子的電離、分離和檢測三個步驟。
[0030]與傳統IMS檢測不同之處在於，本發明樣品分子的電離和分離中不使用放射性離子源，而是使樣品中痕量待測物在表面解吸常壓化學電離源的作用下生成產物(樣品)離子，再將這些產物離子放置在大氣環境恆定的電場中完成不同離子的分離，進而針對不同離子進行檢測。
[0031]本發明痕量爆炸物的快速檢測方法是根據不同的痕量待測物具有不同特徵檢測峰的表面解吸常壓化學電離離子遷移譜檢測法，其機理為:痕量待測物在表面解吸常壓化學電離源的作用下，產生相應的產物離子，將這些產物離子放置在大氣環境恆定的電場中，它們受到電場加速和中性大分子的碰撞減速，在宏觀上就表現為獲得了一個恆定的平均速度。由於不同的痕量待測物的產物離子其質荷比、空間幾何構型和碰撞截面不同，因而獲得的平均速度也不同，再經過電場作用後就被分離，先後達到收集器，最終完成樣品中多種痕量待測分子的檢測。
[0032]本發明痕量爆炸物的檢測包括以下過程:
[0033]1.樣品分子的電離過程
[0034]把擦拭痕量爆炸物的試紙置於表面解吸常壓化學電離源的正下方，痕量爆炸物樣品分子被加熱揮發進入電離區，當放電針上施加高壓電時(-3.5KV)，放電針針尖發生電暈放電，放電針尖端的電場強度足夠高時，電極周圍的易電離物質首先被電離，產生部分正電荷尚子和電子；此時正電荷尚子和電子的數量基本相等，而且分布在接近樣品分子的狹窄空間內，以致電極周圍的介質整體呈電中性；但是，這些帶電粒子在電場的作用下迅速獲得能量，繼續與其他中性分子碰撞，發生碰撞電離反應，產生更多的帶電粒子；而這些新產生的帶電離子繼續從電場中獲得能量，然後和周圍再次發生碰撞電離反應，最終形成雪崩放電，從而獲得大量的高密度初級離子，即試劑離子。這些試劑離子在電場的作用下獲得能量，將迅速的撞擊到樣品分子，發生一系列分子-離子反應，從而獲得(產生)包含有樣品離子的待測離子。
[0035]2.待測離子的分離
[0036]待測離子在電場的驅使下，這些離子通過周期性開啟的離子柵門後進入離子的漂移區(或稱遷移區、分離區)。分離區是由若干個不鏽鋼金屬環(圖8所示的聚焦環)和絕緣環交替排列組成的空腔管子(遷移管)，例如為內徑1cm，長度7-8cm的遷移管(電離區、漂移區和檢測區總長度為14cm左右)；不鏽鋼金屬環上從離子柵門至檢測器方向順序加上由高到低一系列電壓，由此在遷移管內產生均有電場(例如電場強度為200-210V/cm)，用以提供離子的漂移；遷移管的外面是加熱層，加熱後遷移管內的溫度保持在140°C ;在遷移管的後部充入漂移氣體(例如氣流速度200mL/min的空氣)。
[0037]離子束在均有電場作用下，以恆定的速度(遷移速度)通過遷移區(分離區)。離子的遷移速度Vd (cm/s)與電場強度E (V/cm)成正比，如式(I)所示:
[0038]Vd=KE (I)
[0039]式中K稱為離子的遷移係數(常稱為遷移率)。一般而言，在同一電場中不同氣相離子的遷移率係數K是不同的，因此不同種類的離子會分離，分離後的樣品離子由檢測器完成檢測。
[0040]3.樣品的檢測
[0041]待測樣品離子的檢測由檢測器完成。檢測器採用法拉第電荷採集技術和快速電荷清除技術，設計高倍率低噪音的開關積分放大器，保證離子探測靈敏度和較高的離子探測時間解析度。
[0042]實現本發明痕量爆炸物的快速檢測的裝置為一種表面解吸常壓化學電離離子遷移譜裝置，其主要包括樣品引入裝置、表面解吸常壓化學電離裝置2和待測離子的分離檢測裝置等三個主要部分。結合圖8所示，該表面解吸常壓化學電離離子遷移譜裝置包括傳統離子遷移譜儀的樣品引入裝置I和待測離子的分離檢測裝置3，在此基礎上，以表面解吸常壓化學電離裝置2作為電離源替換原放射性電離源；其中:
[0043]樣品引入裝置I與常規離子遷移譜儀的樣品引入系統相同，採用循環吸氣進樣，並通過離子遷移譜儀的控制系統控制進樣裝置的加熱、溫度控制以及輔助氣體流量控制，樣品引入裝置I上置選擇性滲透膜，用於除去吸入氣體中的大部分水分子和氨分子，抑制形成離子簇進而提高儀器的解析度。
[0044]電離裝置2 (電離源)包括電離針22、電離管23和固定架24，電離裝置2通過固定架24裝設於分離檢測裝置3靠離子柵門一端並緊密配合，電離針22處於樣品引入裝置I正上方；電離管23為一細長的中空管，其前端伸入分離檢測裝置3的離子化區(離子柵門與固定架之間的區域，樣品分子的電離過程在該區域完成)，後端密封，中部設有氣體接口 25用於引入輔助解吸氣體；電離針22為材質鎳鎘金屬的放電針，同軸置於電離管23的中空管腔內，電離針前端放電端伸出電離管23並伸入待測離子的分離檢測裝置3的離子化區位於進樣裝置I的進樣口正上方，電離針22後端連接高壓電源；固定架24密封安裝在待測離子的分離檢測裝置3的離子化區端面。
[0045]待測離子的分離檢測裝置3包括常規的離子遷移譜儀中除樣品引入系統和放射性電離源之外的部分，即將傳統離子遷移譜儀中離子門(圖8所示離子柵門)、離子遷移區(圖8所示漂移區)、檢測器、數據採集與控制系統統稱待測離子的分離檢測裝置。
[0046]該表面解吸常壓化學電離離子遷移譜裝置中，分離檢測裝置3通過橡膠管與樣品引入裝置I相連，樣品引入裝置I的進樣口裝設選擇性滲透膜；表面解吸常壓化學電離裝置2的電離針22置於電離管23內部，電離管23固定在與之垂直的固定架24上，並通過固定架24與分離檢測裝置3緊密配合。通過以上裝配得到表面解吸常壓化學電離離子遷移譜
>j-U ρ?α裝直。
[0047]下面結合實例對本發明進行詳細闡述，以使本發明及其優點和特徵更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。
[0048]實施例1:溶液中痕量爆炸物的檢測
[0049]檢測對象:附著於試紙上的爆炸物
[0050]檢測過程:
[0051]表面解吸常壓化學電離離子遷移譜裝置(總長度為14cm)調試:分離檢測裝置設定為負離子模式，其遷移管內徑為1cm，長度為7cm，遷移管不鏽鋼金屬環上從前向後(從離子柵門到檢測器方向)順序加上由高到低2000V、1800V、1600V、1400V、1200V、1000V.800V的電壓，由此在遷移管內產生210V/cm的均勻電場，飄移氣體為空氣。樣品引入裝置的載氣選用空氣。電離裝置的放電針施加電壓:-3.5KV ;工作電流:16μ A ;輔助解吸氣體:空氣。
[0052]開啟儀器，待儀器達到設定值:載氣流量為200mL/min ;遷移管管體溫度設置為140°C ;樣品引入裝置樣品注入溫度為180°C。
[0053]樣品準備:用試紙擦拭爆炸物的溶液，得到待測樣品。
[0054]操作:將擦拭樣品的試紙放於樣品引入裝置中，試紙上的待測樣品揮發進入電離裝置，開啟表面解吸常壓化學電離裝置(電離源)電源，持續放電I~2秒。
[0055]該放電過程中，放電針周圍發生電暈放電，電極周圍的空氣和水分首先被電離產生初級試劑離子，這些初級試劑離子與待測樣品的離子碰撞發生電荷轉移，發生一系列分子-離子反應，從而獲得待測的離子。待測離子在漂移氣體和電場的作用下進入漂移區，由於不同樣品的帶電離子在相同的電場中飛行時間不同，從而在飛過漂移區到達檢測區時實現對待測樣品的區分。分離後的帶電離子被檢測器收集和檢測。
[0056]檢測結果:檢測進行中，在未放入試紙待測樣品時離子遷移譜儀出現的譜圖參見圖1，為未進樣時的背景峰。放入擦拭樣品的試紙後，其結果參見圖2。其中在漂移時間13.2毫秒和15.1毫秒處存在特徵峰，比照離子遷移譜標準譜圖，可以判斷待測樣品中存在三硝基甲苯(TNT)類型爆炸物。該檢測時長3秒，表明可以對爆炸物實現快速檢測。
[0057]另外，用同樣的操作還可檢測出其它類型的爆炸物，如環三亞甲基三硝胺(RDX，離子遷移譜譜圖見圖3)、季戊四醇四硝酸酯(PETN，離子遷移譜譜圖見圖4)、三硝基苯甲硝銨(Tetryl，離子遷移譜譜圖見圖5)、環四亞甲基四硝胺(HMX，離子遷移譜譜圖見圖6)。
[0058]實施例2:檢測靈敏度實驗[0059]溶液配置:採用黑索金(RDX)為檢測對象，以丙酮為溶劑，配成初始濃度為10_5g/μ L的標準儲備液，將儲備液用丙酮逐步稀釋10倍，到濃度分別為10_6g/y L、10_7g/y L、l(T8g/ μ L和l(T9g/ μ L的溶液用於測定。
[0060]實驗方法:按照實施例1中的實驗步驟對各個濃度樣品進行檢測分析，每個樣品檢測三次。
[0061]實驗結果:按照上述方法測得黑索金(RDX)的檢出限為:0.5pg，信號強度平均值及相應的標準偏差(括號內)依次為:52.67 (2.19%)、111.6 (1.71%),226.97 (5.23%),315.67 (1.28%),360.59 (1.18%)，繪製工作曲線，如圖7所示。在0.1?50pg範圍內，信號強度(y)與濃度(X)具有較好的線性關係。線性回歸方程為，y=81.86x-24.84，相對關係係數 R=0.98。
[0062]另外，用同樣的操作還可檢測出其它類型的爆炸物的靈敏度，如三硝基甲苯(TNT，離子遷移譜圖2)為50pg、季戊四醇四硝酸酯(PETN，離子遷移譜譜圖見圖4)為50pg、三硝基苯甲硝銨(Tetryl，離子遷移譜譜圖見圖5)為5pg、環四亞甲基四硝胺(HMX，離子遷移譜譜圖見圖6)為50pg。
[0063]與使用傳統的採用放射性元素63Ni作為離子源的離子遷移譜儀相比，對同類爆炸物進行檢測，檢出限均高出1-2個數量級，表明本發明檢測的準確率和靈敏度高，使得痕量爆炸物檢測更加可靠、有效。
[0064]另外，本發明由於採用表面解吸常壓化學電離技術對實際樣品進行直接電離，具有電離效率高、結構簡單、操作靈活方便、無化學汙染，可以直接分析粉末樣品，便於進行現場分析且分析速度快(l_4s)、功耗低(35mW)、重現性好等突出優點。
【權利要求】
1.一種痕量爆炸物的快速檢測方法，採用離子遷移譜檢測技術，包括樣品分子的電離、分離和檢測三個步驟，其特徵在於:由表面解吸常壓化學電離裝置作為電離源實施所述電離。
2.如權利要求1所述的痕量爆炸物的快速檢測方法，其特徵在於:表面解吸常壓化學電離裝置包括外接電壓的電離針，由電離針針尖發生電暈放電使輔助解吸氣體離子化進而使所述樣品分子電離為待測離子。
3.如權利要求2所述的痕量爆炸物的快速檢測方法，其特徵在於:電離針施加電壓:-3.5KV ;工作電流:16 μ A ;輔助解吸氣體:空氣。
4.一種表面解吸常壓化學電離離子遷移譜裝置，為權利要求1或2或3所述的痕量爆炸物的快速檢測方法中離子遷移譜檢測技術所用儀器，其特徵在於:其包括傳統離子遷移譜儀的樣品引入裝置(I)和待測離子的分離檢測裝置(3)，且以表面解吸常壓化學電離裝置(2)作為電離源替換原放射性電離源；分離檢測裝置(3)通過橡膠管與樣品引入裝置(I)相連，表面解吸常壓化學電離裝置(2)裝設於分離檢測裝置中離子化區一端且緊密配合，表面解吸常壓化學電離裝置的電離針(22)伸入分離檢測裝置離子化區內。
5.如權利要求4所述的表面解吸常壓化學電離離子遷移譜裝置，其特徵在於:表面解吸常壓化學電離裝置(2)還包括電離管(23)和固定架(24)，電離管固定在固定架上，固定架密封安裝在分離檢測裝置的離子化區端面；電離管中部設有氣體接口(25)用於引入輔助解吸氣體，電離針同軸置於電離管的中空管腔內，電離針前端針尖放電端伸出電離管並伸入分離檢測裝置的離子化區，電離針後端連接高壓電源。
6.一種痕量爆炸物的快速檢測方法，其特徵在於:利用權利要求4或5所述表面解吸常壓化學電離離子遷移譜裝置進行，所述的電離針為材質鎳鎘金屬的放電針。
7.如權利要求6所述痕量爆炸物的快速檢測方法，其特徵在於:待測樣品為痕量爆炸物，將擦拭痕量爆炸物的試紙置於樣品引入裝置中，樣品分子在樣品引入裝置中被加熱揮發並隨載氣被引入分離檢測裝置的離子化區；載氣為空氣，載氣流量為200mL/min ;樣品注入溫度為180°C。
8.如權利要求6或7所述的痕量爆炸物的快速檢測方法，其特徵在於:所述電離針位於被引入的樣品分子的正上方，離子化區無需外接高壓，被電離的輔助解吸氣體離子碰撞所述樣品分子形成待測離子。
9.如權利要求6或7或8所述的痕量爆炸物的快速檢測方法，其特徵在於:分離檢測裝置採用負離子模式，其漂移區遷移管內有均勻電場，管體溫度設置為140°C ;待測離子經過分離檢測裝置的漂移區進入其檢測區被檢測，得到待測離子遷移譜譜圖，通過該譜圖峰的位置確定待測離子含有何種爆炸物。
10.如權利要求9所述的痕量爆炸物的快速檢測方法，其特徵在於:漂移區遷移管內徑為1cm，長度為7-8cm，遷移管的不鏽鋼金屬環上從前向後順序加上由高到低2000VU800V、1600V、1400V、1200V、1000V、800V的電壓，由此遷移管內產生200_210V/cm的均勻電場；漂移區通入的漂移氣體為空氣。
【文檔編號】G01N27/68GK103940899SQ201410107876
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月21日 優先權日:2014年3月21日
【發明者】王姜, 劉林, 朱小兵, 陳煥文, 鄭健, 金潔, 歐陽光 申請人:東華理工大學