檢測硝酸銨和糖或烴的存在的方法及裝置的製作方法

2023-10-11 15:12:24 1

專利名稱：檢測硝酸銨和糖或烴的存在的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及化學檢測領域，具體涉及含硝酸銨的化學產品的檢測領域。
硝酸銨可用作通用肥料，但也可以結合各種其他物質，如糖、粉末、燃油來生成炸藥。這些炸藥常稱為自製炸藥或HMEs。對許多安全機構，能夠檢測HMES並辨別這樣的炸藥混合物與硝酸銨之間的區別是最重要的。
已研製了幾種方法來測定存在硝酸銨和糖(以後稱AN/S)的炸藥混合物。這樣的一種方法是燃燒或分解懷疑含有AN/S的樣品，並測定一氧化二氮(N2O)的存在。然而，該試驗並不特異性地針對AN/S混合物，對AN本身會產生假陽性結果。可使用溼法化學來檢測銨、硝酸鹽及糖成分的存在，但該方法一般耗時並相對不敏感。這樣的溼法化學方法，某一些可以辨別AN/S和AN，對其他通常可獲得的含銨的化學產品也會給出假陽性讀數。
本發明方法致力於解決這樣的一些問題。根據本發明，一種用於檢測含硝酸銨及糖的材料的方法，該方法包括測定異氰酸(HNCO)的存在。這提供了另一種測定基於AN/S炸藥的方法。術語「糖」用來指任何能與存在的硝酸銨反應形成HNCO的糖。這樣的糖示例為葡萄糖和蔗糖。
本發明法優選包括將材料加熱升溫(優選至大約280℃)，感測異氰酸的存在。該材料優選在兩性化學材料中進行加熱，如陶瓷材料。
該方法進一步優選包括測定一氧化二氮(N2O)的存在。一氧化二氮是存在硝酸銨的標誌。同時測定HNCO和一氧化二氮減小了假陽性結果的可能性，而單獨測定HNCO卻會使這種可能性上升。這種假陽性可能產生於某種塑料材料的燃燒。優選地，用一種或多種以下方法測定異氰酸及可任選的一氧化二氮的存在紅外光譜、氣相色譜及質譜。紅外光譜是最優選的方法。
本發明進一步提供了一種測定炸藥的方法，該炸藥並不一定含有硝酸銨和糖，其中該方法包括測定異氰酸的存在。
根據本發明的另一方面，一種適於測定被懷疑含有硝酸銨和糖的材料的裝置，該裝置包括加熱部件，其與適於留存材料的樣品儲存器相互熱連接，該樣品儲存器與傳感區域氣體連接，該裝置進一步設置有用於從樣品儲存器到傳感區域引導氣體流動的裝置，和感測傳感區域中異氰酸存在的裝置。
這使得含AN/S混合物(如HMEs)材料的測定快速並可靠。
優選地，傳感區域形成感測室的一部分。這是可以聚集氣體以便測定的腔室。
優選樣品儲存器和感測室基本對異氰酸是惰性的。優選地，感測室由聚四氟乙烯(PTFE)製成。感測室的至少部分表面可由金覆蓋。已發現為了更有效地產生HNCO，樣品儲存器由兩性化學材料構成，如陶瓷材料。Macor(美國，Corning)是一種這樣的陶瓷材料示例。
樣品儲存器和感測室至少之一，優選兩者都可從該裝置上容易地除去。這可以使單元的清潔、替換變得容易。該感測室優選為模形式以使它可以易於拆解從而進行清潔。
優選將顆粒過濾器放在樣品儲存器和傳感區域之間的氣體通道中。這避免了微粒進入傳感區域。
優選地，由基本為化學惰性的管道設置樣品儲存器和傳感區域之間的氣體連通。這樣的管道對HNCO有抗腐蝕效果，並且不容易吸收HNCO或其他反應產物。該管道優選由聚四氟乙烯(PTFE)製成。
該裝置可設置入口，用於在將氣體吸入傳感區域前先將氣體吸入樣品儲存器。將空氣吸入樣品儲存器，然後將樣品儲存器的成分，包括HNCO帶入傳感區域。優選將用於除去二氧化碳的過濾器安置在入口和樣品儲存器之間的氣體通道中。這樣會從運載氣體中基本除去二氧化碳，由此任何在樣品儲存器中檢測到的二氧化碳可認為是來自分析樣品中的。或者，二氧化碳過濾器可以是具有一定體積的腔室，它作為儲氣器，在外界變化的二氧化碳濃度中使樣品氣體得到緩衝。
優選地，該裝置進一步包括用於感測流過該裝置至少部分的氣流的部件。該裝置可進一步包括啟動部件，應答感測氣流的部件，其用於控制該部件感測在傳感區域中存在的HNCO。在該實施例中，啟動部件控制HNCO傳感器相對於進入傳感區域樣品流的操作時間。
優選地，用於感測異氰酸存在的裝置包括紅外光源和檢測器。這樣則提供了一種簡單、有效、快速的檢測裝置。可將適宜的光學過濾器放在光源和檢測器之間的光路中。
這樣的裝置可用於檢查炸藥，該炸藥不一定包括硝酸銨和糖，其在適宜的條件下釋放出HNCO。
現參照下面的附圖描述本發明，這些附圖只是示例

圖1是一種建議的反應圖示，顯示了通過糖和硝酸銨如何產生HNCO；圖2是根據本發明的一種裝置的圖示；圖3是構成圖2裝置部分的爐子組件的圖示；圖4是在根據本發明的裝置中通過加熱糖和硝酸銨樣品所產生的紅外吸收光譜；圖5是隨時間的紅外吸收信號變化圖示，該信號與在根據本發明的裝置中進行加熱糖/硝酸銨樣品所產生的HNCO、二氧化碳和一氧化二氮相關；本發明的方法本申請人發現在一定的限定條件下，硝酸銨和糖的混合物反應產生異氰酸(HNCO)。
圖1的反應圖示給出了建議的該反應的根本化學式。
這樣通過感測異氰酸的存在，可以確定所研究的材料是否含有硝酸銨和糖(或者在反應圖示的反應條件下分解放出糖的材料)。應注意，不管反應圖示的準確度怎樣，反應圖示的主要特徵是糖和硝酸銨的混合物產生HNCO。
研究者也希望感測到一氧化二氮的存在，這說明存在硝酸銨。測定硝酸銨的存在減小了由於單獨感測HNCO存在而產生的假陽性的可能性；除AN/S混合物之外的其他材料(例如某種塑料)也可能會釋放HNCO。感測一氧化二氮的存在顯示是否有硝酸銨，而硝酸銨不可能存在於單獨會產生HNCO的材料例如塑料中。而且，根據本發明的方法通過感測二氧化碳的存在而進一步得到加強，二氧化碳是樣品中含有有機物(即非硝酸銨)的顯示。二氧化碳的量指示是否可能認為樣品中的有機成分是重要的。人們也可以通過感測不飽和烴的存在來開展本發明的方法，不飽和烴的存在顯示了燃油的存在，燃油是HMEs可能含有的另一種成分。
對本領域技術人員來說用於測定HNCO和其他上述化合物的方法是公知的。因為紅外光譜簡單、快速並且廉價，它將是特別恰當的方式。相對小的分光計可用在本發明中。
本發明的裝置圖2是根據本發明的裝置的圖示，其適於測定懷疑含有硝酸銨和糖的材料，該裝置包括爐子組件1、氣室2、顆粒過濾器3、流動控制閥4、二氧化碳過濾器5、氣泵6、石英窗7、紅外光源8、紅外檢測器9、壓力傳感器10、空氣入口11、樣品氣體管12、控制電子儀器13和顯示器14。
氣泵6將空氣通過空氣入口11經二氧化碳過濾器5和流動控制閥4吸入到爐子組件1的氣體入口端28。該空氣作為運載氣體。二氧化碳過濾器5基本將空氣中的全部二氧化碳除去；如果該裝置用於檢測樣品分解產物中存在的二氧化碳，這是有利的。由於流動控制閥4可以控制空氣流通過爐子組件1，優選包括流動控制閥4。通過氣體入口端28將空氣吸入爐子組件1的腔體內。在使用中，將爐子組件1中所包含的樣品加熱至280℃，然後冷卻。已發現，對於從AN/S混合物中產生的HNCO將會有比較成功的加熱狀態。該反應產物在空氣流中經由氣體出口端27被帶出爐子組件1的腔體。氣泵6作為引導氣體流到達氣室2的傳感區域裝置。然而，本領域技術人員會明白空氣入口11不是本發明重要的部件，僅是優選的。載氣和反應產物沿樣品氣體管12經顆粒過濾器3通入氣室2。顆粒過濾器3將顆粒從氣流中除去。這種顆粒可能包括由氣體反應產物一氧化二氮和氨形成的硝酸銨顆粒。紅外光源8和紅外檢測器9如下設置使得氣室2中成分的紅外吸收特徵可以得到測定。在此情況下，紅外光源8是寬帶光源；或者人們可以使用幾種窄帶或單色光源。紅外檢測器9與氣室2中的成分通過惰性的、紅外透明石英窗7相互分離。由於HNCO是有反應性的並且具有腐蝕性的，優選將檢測器9的這種分離。檢測器9是四通道檢測器，這些通道與對照帶的特徵吸收和AN/S混合物的三種重要產物的特徵吸收相一致，根據本發明反應當AN/S發生分解時產生該三種重要產物。關鍵成分和相關的吸收帶是二氧化碳-4.24μm，HNCO-4.4μm，一氧化二氮-4.5-4.55μm，對照-3.95μm。每一通道設置有適宜的光學帶通濾波器。雖然需要識別許多反應產物，本領域技術人員明白在本發明的情況下檢測除HNCO之外的物質並不是重要的。
壓力傳感器10與氣室2氣體連通，並進一步與控制電子儀器13相連。優選包括壓力傳感器10以確保通過該裝置維持空氣流。控制電子儀器13可以是任何種本領域已知的儀器，其進一步與氣泵6、紅外光源8、紅外檢測器9及爐子組件1相連。該控制電子儀器13以本領人員公知的任意方式控制並調整反應產物的產生以及數據收集過程。該控制電子儀器13進一步將分析結果顯示在顯示器14上。本領域技術人員會意識到可以不使用控制電子儀器13而人工操作該裝置。顯示器14通常包括液晶顯示器。當分析樣品時，條狀的17位顯示器用於一氧化二氮、二氧化碳、異氰酸及烴中的每一種，以顯示存在這些物質，該條的長度顯示存在物質的數量。電子儀器13中的算法系統用來分析從樣品獲得的數據，以確定在分析樣品後，對以下四種結果中的哪一種進行顯示；a-無AN/S存在；b-AN存在；c-AN/S可能存在，試驗更多的樣品；d-AN/S存在。
根據本發明方法，AN/S混合物的一些分解產物，特別是HNCO具有很高的腐蝕性和反應性。特別優選的，與這種化學物質接觸的任何表面基本對這些化學物質具有惰性。這增長了具有這樣表面的部件的壽命，也使該裝置給出由樣品釋放的HNCO的量更準確的讀數。優選，樣品氣體管12、部分爐子組件1和顆粒過濾器由聚四氟乙烯(PTFE)構成。PTFE對HNCO具有相對惰性，並對反應產物氣體成分具有較少的影響。矽橡膠管不應用於樣品氣體管12，因為它對產物氣體流中的HNCO量具有相當大的影響。而且，雖然相對惰性金屬，如金，是可以接受的，但特別優選的，與HNCO接觸的部件不應是金屬的。
氣室2是NDIR(非色散紅外)氣體分光計室。由於它在與反應產物接觸的室表面設置有基本為惰性的金覆膜(未示出)，這樣的室是有利的。氣室2可容易地從該裝置中移走，並且為模形式，因而它可以容易地由使用者拆開並重建以易於清潔。由於氨和一氧化二氮可能反應，在氣室2的壁上形成硝酸銨固體，從而導致裝置敏感性的降低，因此容易地除去及模製性是特別優選的。使用顆粒過濾器3幫助避免硝酸銨顆粒到達氣室2。
本領域技術人員明白氣泵可由任何通過該裝置吸入空氣的部件代替。這樣的部件可使用正壓(例如泵、風扇)或負壓(真空泵)。理論上將真空泵放置在爐子組件1和氣室2的下遊。可以當樣品已進行檢測後在給定的周期上操作氣泵6，以便於從裝置的氣體流路中衝走材料。這使樣品間的交叉汙染最小化。
本領域技術人員明白當使用紅外輻射識別反應產物時，氣室2的存在是特別優選的。然而，這樣的腔室不是必須的。而且，如果使用其他檢測技術(例如質譜)，那麼使用感測腔室就不是優選的；爐子組件1的輸出可以直接通入分光計或其他分析裝置中。
紅外檢測器9優選能檢測C-H鍵的伸縮，而且或替代地能產生參考信號。可以如此設置該裝置以使得如果參考信號低於預定水平，則顯示器14顯示這種情況已發生並且氣室2需要清潔。
該裝置進一步包括汙染傳感器(未示出)，該傳感器感測裝置內累積的汙染物。這樣的汙染傳感器優選與控制電子儀器13連接。
壓力傳感器10可由流量傳感器代替。本領域技術人員應理解雖然是優選的，但壓力傳感器10對操作該裝置不是重要的。
圖3是用於圖2裝置中的爐子組件1的圖示。爐子組件1包括支架20、21(該支架用於支持其中形成有內腔31的陶瓷加熱器22)，樣品室密封塞23、24，在支架20中形成的入口端25，在支架21中形成的出口端26，氣體入口端28，氣體出口端27，NiCr加熱絲29以及熱電偶30。陶瓷加熱器22是具有通體矩形內腔31的已經過機械加工的Macor(美國Corning公司)部件。內腔31沿加熱器22的長度延伸。NiCr加熱絲29基本繞加熱器22的整個長度，並由快幹水泥(未示出)固定，設計為在高溫下操作。熱電偶30由水泥固定並用作爐子組件1的溫度控制機構部分。將支架20、21設置在加熱器22的兩端，支架20、21用來將爐子組件1安置在圖1的裝置中。支架20、21由PTFE製成，每一個都設置有圓柱形的穿孔分別作為樣品的入口端25和出口端26。入口端25和出口端26使樣品分別從內腔31通入、通出。入口端25和出口端26通常為圓柱形的穿孔但也可以為任何適宜的空穴。
支架20也設置有氣體入口端28，通常為圓柱形穿孔形式。氣體入口端28經由入口端25在加熱器22的內腔31和圖2裝置的空氣入口11之間形成氣體連接。支架21設置有氣體出口端27，通常也為圓柱穿孔的形式。氣體出口端27經由出口端26和樣品氣體管12在加熱器22的內腔31與氣室2之間形成氣體連接。
當將樣品通入內腔之後以及加熱步驟開始之前分別將樣品室封閉塞23、24放在支架21、20之上。封閉塞23、24避免了經氣體入口端28進入爐子組件1的空氣洩漏，同時避免了由加熱樣品產生的反應產物的洩漏。該裝置可設置有聯鎖器，以便如果爐子組件1未適當與該裝置的其他部分連接，則在顯示器14上顯示適當的錯誤信息。
本領域技術人員應理解其他加熱設置也是可以的。
圖4顯示了在根據本發明的裝置中將AN/S樣品加熱至280℃並使之冷卻所產生的紅外光譜。檢測器用於感測HNCO、二氧化碳和一氧化二氮。圖4的數據顯示HNCO、二氧化碳和一氧化二氮全都存在。這與試驗樣品中存在硝酸銨和糖是一致的。在大約4.4μm處的峰用於評定是否存在HNCO，並任選地評定存在多少。隨一氧化二氮的吸收在約4.44μm處的HNCO峰消失，因此該峰優選不用於顯示存在HNCO。
圖5顯示了當AN/S樣品在根據本發明的裝置中加熱時，對應於隨時間存在的HNCO、二氧化碳和一氧化二氮紅外吸收信號的變化。通過一段時間，關掉加熱器，加熱器中的溫度為大約280℃。由於HNCO峰與一個二氧化碳峰重疊(參見圖4)，注意應將HNCO數據進行修正。參見圖5，當加熱器打開關閉時所觀察到的吸收峰僅僅是與所用於獲得數據的特定裝置相關的人為試驗現象。這樣，已顯示本發明的方法和裝置可用於檢測存在AN/S混合物。1-2mg樣品在本發明的裝置中產生滿意的陽性結果。較少的樣品也產生可接受的結果，但可信度降低。然而，本領域技術人員理解有許多方式可提高裝置的敏感性，例如通過減少裝置氣體體積(通過減小內腔31、氣室2及樣品氣體管12的容積)以及通過減小同HNCO接觸的部件與HNCO的反應性。
本發明可用於檢測其他形式的自製炸藥，例如那些包含硝酸銨和燃油的那些(稱為「ANFO」)。在本發明的裝置中加熱ANFO炸藥樣品會產生一氧化二氮、二氧化碳和至少一種烴。烴可方便地用IR光譜進行檢測。
權利要求
1.一種用於檢測含硝酸銨和糖的材料的方法，該方法包括感測異氰酸(HNCO)的存在。
2.根據權利要求1所述的方法，包括將該材料加熱升溫並感測異氰酸的存在。
3.根據權利要求2所述的方法，其中將該材料加熱至大約280℃。
4.根據權利要求2和3之一所述的方法，其中在兩性化學材料存在下加熱該材料。
5.根據前述任一項權利要求所述的方法，進一步包括感測一氧化二氮(N2O)的存在。
6.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中使用紅外光譜、氣相色譜和質譜中的一種方法或多種方法感測異氰酸及任選的一氧化二氮的存在。
7.一種適於檢測懷疑含有硝酸銨和糖的材料的裝置，該裝置包括與適於留存材料的樣品儲存器保持熱連接的加熱裝置，該樣品儲存器與感測區域氣體連通，該裝置進一步設置有引導氣流從樣品儲存器到達感測區域的部件以及在感測區域感測異氰酸存在的部件。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中感測區域在感測室內。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中樣品儲存器和感測室對異氰酸基本為惰性。
10.根據權利要求8和9之一所述的裝置，其中感測室由聚四氟乙烯(PTFE)製成。
11.根據權利要求8-10任意一項所述的裝置，其中感測室的至少部分表面由金覆蓋。
12.根據權利要求7-11任意一項所述的裝置，其中樣品儲存器包含兩性化學材料。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中兩性化學材料是陶瓷材料。
14.根據權利要求8-13任意一項所述的裝置，其中樣品儲存器和感測室至少之一易於從該裝置上移走。
15.根據權利要求8-14任意一項所述的裝置，其中感測室為模形式，以便它能易於拆解進行清潔。
16.根據權利要求7-15任意一項所述的裝置，進一步包括位於樣品儲存器和感測區域之間的氣體通道中的顆粒過濾器。
17.根據權利要求7-16任意一項所述的裝置，其中通過基本為化學惰性的管道設置樣品儲存器和感測區域之間的氣體連通。
18.根據權利要求7-17任意一項所述的裝置，其中該裝置設置有在將氣體吸入感測區域之前先將氣體吸入樣品儲存器的入口。
19.根據權利要求18所述的裝置，進一步包括用於除去二氧化碳的過濾器，該過濾器設置在入口和樣品儲存器之間的氣體通道中。
20.根據權利要求7-19任意一項所述的裝置，進一步包括用於感測流過至少部分該裝置的氣流的部件。
21.根據權利要求20所述的裝置，進一步包括啟動部件，該部件響應於感測氣流的部件，用於控制感測部件。
22.根據權利要求7-21任意一項所述的裝置，其中感測異氰酸的部件包括紅外光源和檢測器。
23.參照圖2、3基本如上文中所述的一種裝置。
24.基本如上文中所述的檢測含硝酸銨和糖的材料的方法。
25.一種用於檢測含硝酸銨和烴的材料的方法，該方法包括感測一氧化二氮、二氧化碳和烴中的至少一種的存在。
26.根據權利要求25所述的方法，包括感測一氧化二氮、二氧化碳和烴中的兩種或三種。
27.根據權利要求25和26之一所述的方法，其中烴是以燃油的形式存在。
全文摘要
本發明提供了用於檢測含硝酸銨及糖的材料的方法，該方法包括感測異氰酸(HNCO)和可任選的一氧化二氮(N
文檔編號G01N31/12GK1618016SQ02827833
公開日2005年5月18日 申請日期2002年12月5日 優先權日2001年12月5日
發明者T·克拉克, A·J·託馬斯, N·C·尚德, B·J·韋布 申請人:英國國防部