Применение спектроскопии при детекции веществ
Спектроскопия является мощным и адаптивным методом для обнаружения опасных материалов, взрывчатых веществ и контрабанды, что способствует усилению мер безопасности при авиаперелетах.
Методы спектроскопии, используемые для обеспечения безопасности в аэропортах
При обеспечении безопасности аэропортов используются различные новейшие методы спектроскопии, каждый из которых обладает своими особенностями.
Инфракрасная (ИК) Фурье-спектроскопия
При использования данного метода спектроскопии анализ производится путем пропускания и детектирования ИК-излучения через образец. Результирующий спектр получается с помощью применения так называемого Фурье-преобразования, и он является своего рода «отпечатком пальца» образца, так как позволяет выявить характерный для каждого типа материала спектр.
Этот метод позволяет быстро и достаточно точно обнаруживать опасные материалы и взрывчатые вещества на основе их четких ИК-спектров.
Рамановская спектроскопия
Данный метод спектроскопии является неразрушающим и позволяет идентифицировать различные химические вещества путем анализа колебаний их молекул. Для получения спектра используется лазерный источник излучения.
Одним из основных преимуществ рамановской спектроскопии является то, что образец может находится в различных средах, в том числе в жидкостях, и не требует специальной подготовки к исследованию.
Так как ряд веществ обладают довольно слабо выраженным ИК-спектром, рамановская спектроскопия дополняет ИК Фурье-спектроскопию, повышая скорость и точность проверки.
Спектроскопия ядерного квадрупольного резонанса
Данный метод спектроскопии позволяет обнаруживать ядра атомов с несферическим расположением заряда путем измерения взаимодействия их электрического квадрупольного момента с градиентом окружающего электроны электрического поля. Это взаимодействие создает резонансные частоты, чувствительные к молекулярной структуре, что приводит к появлению характерных для каждого материала спектральных характеристик.
Например, если говорить о таких веществах как гексоген, различная геометрия кристаллической решетки порождает частоты, отличные примерно на 100 кГц, что делает метод ядерного квадрупольного резонанса незаменимым инструментом для точной идентификации материалов в системе безопасности аэропортов.
Где применяются методы спектроскопии в системе безопасности аэропортов?
Обнаружение легковоспламеняющихся жидкостей или химических веществ
ИК Фурье-спектроскопия применяется при сканировании жидкостей и емкостей для получения спектров поглощения и, следовательно, их состава.
Например, напитки на водной основе имеют сильное поглощение на длине волны около 950 нм, а легковоспламеняющиеся жидкости, такие как этанол или бензин, наоборот, имеют в этой области высокий коэффициент пропускания. Точно также растворы кислот, щелочей, а также перекись водорода обладают характерными пиками поглощения в ИК-диапазоне.
Анализ спектров поглощения позволяет быстро определить, является ли жидкость безопасной или представляет потенциальную угрозу. Современные портативные спектрометры, в основе которых лежит метод ИК Фурье-спектроскопии, позволяют эффективно идентифицировать более 15000 веществ менее чем за 30 секунд.
Обнаружение взрывчатых веществ и опасных химикатов, не содержащих нитратов
Как уже упоминалось ранее, рамановская спектроскопия дополняет ИК Фурье-спектроскопию в системах безопасности аэропортов, расширяя спектр идентифицируемых химических веществ, в том числе взрывчатых веществ без нитратов, таких как перекись ацетона.
Благодаря своему свойству неинвазивности, рамановская спектроскопия позволяет проводить анализ запечатанных контейнеров, вроде бутылок для напитков, не открывая их, что способствует снижению рисков для сотрудников аэропортов и пассажиров.
Низкая чувствительность рамановской спектроскопии к воздействию воды также позволяет обнаруживать химические вещества в водных растворах, благодаря чему повышается скорость проверки и улучшаются меры безопасности аэропортов.
Современные спектрометры, использующие раманоский метод спектроскопии, широко применяются в международных аэропортах и обеспечивают быструю и точную проверку всех типов контейнеров, включая металлические. Среднее время проверки составляет около 6 секунд, а количество ложных срабатываний близко к минимуму.
Использование спектроскопии ядерного квадрупольного резонанса для обнаружения взрывчатых веществ с нитратами
Спектроскопия ядерного квадрупольного резонанса позволяет обнаруживать взрывчатые вещества, содержащие в своем составе нитраты по их уникальным электрическим квадрупольным моментам.
Так как азот-14 имеет несферическое распределение заряда, данный метод спектроскопии позволяет распознать взрывоопасные и неопасные материалы на основе четких спектральных линий, соответствующих их кристаллической структуре.
Спектроскопия ядерного квадрупольного резонанса эффективно применяется для обнаружения взрывчатых веществ в багаже.
Преимущества использования методов спектроскопии
Использование методов спектроскопии для обеспечения безопасности в аэропортах дает несколько ключевых преимуществ.
Благодаря своему свойству неинвазивности, рамановская и ИК Фурье-спектроскопия позволяют анализировать содержимое контейнеров и багажа без вскрытия, тем самым снижая риск контакта с опасными материалами и сохраняя конфиденциальность пассажиров.
Данные методы дают результаты за несколько секунд, облегчая быструю проверку и сводя к минимуму количество ложных тревог, повышая эффективность и надежность обеспечения безопасности. Также, их универсальность позволяет обнаруживать различные вещества, в том числе взрывчатые и легковоспламеняющиеся, а также опасные химические вещества, эффективно выявляя потенциальные угрозы.
Последние исследования и разработки
Недавние достижения в области спектроскопии еще больше повысили ее полезность для систем безопасности аэропортов. Разработка портативных и удобных в использовании приборов, таких как ручные рамановские и ИК-спектрометры, позволила легко интегрировать их в процесс проверки безопасности.
ТГц-волновая спектроскопия для обнаружения взрывоопасных паров в реальном времени
Одним из последних нововведений является применение ТГц-волновой спектроскопии поглощения для обнаружения в реальном времени опасных для пассажиров газов в воздухе. Этот метод использует спектры газов в ТГц-диапазона для быстрой идентификации малой концентрации взрывоопасных паров или других опасных веществ.
Одно из последних исследований объединило перестраиваемый по частоте генератор ТГц-волн с компактными газопоглощающими ячейками, что позволяет обнаруживать опасные вещества с концентрацией всего 0,2 ppm. При этом был разработан прототип с шестиметровой многопроходной ячейкой для сквозного досмотра, обеспечивающей почти мгновенные результаты и улучшающей безопасность пассажиров.
Заключение
Исследования в области методов спектроскопии и обработки данных позволяют значительно улучшить обеспечение безопасности в аэропортах. Из-за того, что авиационная отрасль продолжает сталкиваться с растущими угрозами, роль спектроскопии в обеспечении безопасности пассажирских перевозок будет продолжать расти при соблюдении высоких стандартов безопасности.