CN103472117A

CN103472117A - 基于纳米分子印记压电传感器的便携式炸药痕量探测仪

Info

Publication number: CN103472117A
Application number: CN2012102544896A
Authority: CN
Inventors: 倪原; 赵晨; 贾光锋; 倪中辰
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian Technological University
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: CN103472117B

Abstract

本发明涉及炸药探测技术领域，进一步涉及一种基于纳米分子印记压电传感器的便携式炸药痕量探测仪。本发明要提供一种基于纳米分子印记压电传感器的便携式炸药痕量探测仪，以达到灵敏度高、特异性强、探测炸药种类多和体积小的目的。为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种基于纳米分子印记压电传感器的便携式炸药痕量探测仪，包括密闭的主壳体，主壳体的一侧设置有进气管，另一侧设置有风机，主壳体的内部设置有检测系统，主壳体的外部设置有按键、电源开关、蜂鸣器、LED显示板和供电装置，主壳体的下部设置有手柄；所述进气管内设置有传感器部件，传感器部件与检测系统相连接，检测系统与开关、蜂鸣器、LED显示板相连，安装于主壳体内。本发明仪器灵敏度高、特异性强、识别种类多。

Description

基于纳米分子印记压电传感器的便携式炸药痕量探测仪

技术领域

本发明涉及炸药探测技术，具体涉及纳米分子印记技术、压电传感器技术、电子计算机技术领域，进一步涉及一种基于纳米分子印记压电传感器的便携式炸药痕量探测仪。

背景技术

目前痕量炸药探测技术包括主要包括：

(1)气相色谱（GC）：是一种分离检测技术，利用试样气体中各组分在通过色谱柱时，柱中的固定相对各组分的吸附能力不同，因此各组份在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定的柱长后，随着时间差异便彼此分离，顺序离开色谱柱进入检测器，产生的离子流信号经放大后，在记录器上描绘出各组分的色谱峰。色谱图中的保留时间可以用来定性分析，峰面积指示组分的含量。GC仅局限于硝化甘油和易沾染的样品，但是对于挥发性较差的炸药，例如：黑索金等检测可靠性较差，同时这种方法也很难实现在线实时监测。

(2)离子迁移谱（IMS：ion mobility spectrometry）是20世纪60年代末70年代初发展起来的一种气态物质痕量探测技术。其工作原理：离化区，待测样品的蒸汽或者微粒被放射性同位素源，激光或者电喷等方法实现电离，然后进入带电场的迁移区，因其质量、电荷和尺寸的大小不同而发生不同速度的漂移。人们根据其速度的不同来鉴别物质的种类。该方法所用仪器体积较大，不便于携带。

(3)质谱法（MS）理论依据：磁场中,不同质荷比的离子源因受力方向不同而发生分离。经过捕获收集，可以确定离子的种类和相对含量，由此可对样品进行定性和定量分析。该方法所用仪器体积较大，不便于携带。

(4)红外吸收光谱是依据：气体受到红外光束照射时，光子作用于该气体分子，该分子选择性地吸收某些频率的光子，并从低能态跃迁到高能态；不同的分子具有不同的微观结构，从而所形成的分子光谱也就不同。每种物质都有其特定的吸收光谱，对应于不同的吸收带，根据吸收带的不同来推断探测组分。该方法交易受到干扰，影响检测精度。

(5)激光拉曼光谱法是基于运用激光作光源的拉曼散射而建立起来的分析方法。拉曼散射是一种分子光谱,当物质分子受到光辐射照射时,由于分子的振动或转动能级的跃迁使照射光被吸收并重新散射出来,散射光的波长可长于或短于照射光的波长。利用拉曼光谱可以把处于红外区的分子能谱转移到可见光区来观测。拉曼效应是物质的特性，因此，可有拉曼散射的波长定性分析物质类别，有拉曼散射强度定量分析痕量组分，也可以探测液体炸药。虽然其检测样品不用处理，但是拉曼光谱较弱，易受荧光干扰，且仪器价格昂贵。

(6)MEMs传感器技术：其检测原理是，首先利用微机电技术在硅芯片上加工出只有几个微米长度的悬臂梁，然后将悬臂梁加热或者红外照射至所吸附爆炸物微粒发生爆燃反应，产生的微小热扰动使悬臂梁振动并产生位移。通过测量悬臂梁顶端位置的变化，就可判断爆炸物是否存在，并且通过调整悬臂梁的温度，还可以检测其它爆炸物成分。MEMs技术具有分析快速、灵敏精准等优点，但是装置复杂、抗干扰能力差。

发明内容

本发明要提供一种基于纳米分子印记压电传感器的便携式炸药痕量探测仪，以达到灵敏度高、特异性强、探测炸药种类多和体积小的目的。

为克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种基于纳米分子印记压电传感器的便携式炸药痕量探测仪，包括密闭的主壳体，主壳体的一侧设置有进气管，另一侧设置有风机，主壳体的内部设置有检测系统，主壳体的外部设置有按键、电源开关、蜂鸣器、LED显示板和供电装置，主壳体的下部设置有手柄；所述进气管内设置有传感器部件，传感器部件与检测系统相连接，检测系统与开关、蜂鸣器、LED显示板相连，安装于主壳体内；

所述检测系统包括依次相接的分频电路、多路开关、差频电路、和单片机处理电路，所述单片机处理电路分别与按键、蜂鸣器、LED显示板相接；

所述传感器部件包括电路板上安装的振荡电路和并列设置的多组测试传感器和参考传感器，测试传感器和参考传感器分别包括多组压电晶体，测试传感器的多组压电晶体上分别涂有不同种类的纳米分子印迹聚合物，测试传感器和参考传感器与振荡电路相连接，振荡电路的输出接入检测系统的分频电路；

所述测试传感器中的纳米分子印迹聚合物由以下工艺制作而成:

（1）合成SiO₂纳米粒子

取3mL氨水（催化剂）加入到50mL溶剂（V_水：V_无水乙醇=3:7）中，摇匀后加入0.2mL的TEOS，常温下进行磁力搅拌，将得到的悬浮液以6000r/min的转速进行离心，移除上清液，用乙醇对沉淀物进行分解，再离心，最后将沉淀物室温晾干；

（2）活化硅胶

取10g的SiO2纳米粒子，浸没于V_甲烷磺酸：V_水=1:1的溶液中，丙酮清洗，烘干；

（3）硅胶表面硅烷化

取上步产物10g，将15mL的乙烯基三乙氧基加入乙醇和水的混合物中，在50℃水浴锅内进行搅拌，再进行抽滤烘干；

（4）预处理

取上述产物3g，10mL的甲基丙烯酸和0.018g过硫酸铵加入到200mL水中。将烧杯在65℃水浴锅内搅拌，抽滤，乙醇冲洗；

合成MIPs将上一步产物和4mmol目标分子（TNT、硝铵炸药、黑索金、奥克托金等）溶于100mL的氯仿溶液，振荡6小时。加入交联剂EGDMA，在50℃水浴锅内进行搅拌，抽滤，洗脱（洗脱液配制为V_乙醇:V_甲醇:V_水=2:7:1），烘干制成纳米分子印迹聚合物。

上述振荡电路以型号为74LS04的芯片为核心；所述检测系统中所述的分频电路以74HC74为核心；所述多路开关以CD4052为核心，差频电路以TDC-GP2为核心；单片机处理电路以MSP30为核心。

本发明与现有技术相比，本发明的优点是：

1、仪器灵敏度高，可对10^-6g的炸药分子作出反应。

2、仪器特异性强，识别种类多。针对不同炸药设计制作专门的分子印记传感器，抗干扰性强。

3、仪器体积小，便于携带，本仪器体积为30cm×15cm×10cm，重量3Kg。

4、仪器结构简单，便于拆卸、维修。

5、仪器造价低，价格便宜，适于推广使用。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图

图2是检测系统的总体原理框图；

图3是传感器部件的结构示意图；

图4是振荡电路的电路图；

图5是分频电路的电路图；

图6是多路开关的电路图；

图7是差频电路的电路图；

图8是单片机处理电路的电路图。

附图标记说明如下：

1、进气管；2、传感器部件；3、单片机检测系统；3.1、分频电路；3.2、多路开关；3.3、差频电路；3.4、单片机处理电路；4、按键；5、手柄；6、开关；7、电池；8、导线；9、风机；10、蜂鸣器；11、LED显示；12、主壳体；13、压电晶体；14、振荡电路。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明进行详细地说明。

参见图1：

一种基于纳米分子印记压电传感器的便携式炸药痕量探测仪，包括密闭的主壳体12，主壳体12的一侧设置有进气管1，另一侧设置有风机9，主壳体12的内部设置有检测系统3，主壳体12的外部设置有按键4、电源开关6、蜂鸣器10、LED显示板11和供电装置7，主壳体12的下部设置有手柄5；所述进气管1内设置有传感器2，传感器部件2与检测系统3相连接，检测系统3与开关6、蜂鸣器10、LED显示板11相连，安装于主壳体12内。

使用时：人通过手握手柄5，按动开关6，使得电池7对电路供电，并使风机旋转，进气管1吸入含有被测物的气体，被测物会附着在检测传感器和参考传感器上，针对某种炸药分子，对应两路传感器，一路为检测传感器；一路为参考传感器。在电路中提取检测传感器和参考传感器的差频输出，差频信号送入单片机，单片机软件可实现计算外部输入信号的频率，并进行数据处理、数码管显示、声光报警，并可将信息传给上位计算机。

参见图2：

所述检测系统3包括依次相接的分频电路3.1、多路开关3.2、差频电路3.3、和单片机处理电路3.4，所述分频电路3.1的输入接振荡电路的输出，所述单片机处理电路3.4分别与按键4、蜂鸣器10、LED显示板11相接。

参见图3：

所述传感器部件2包括电路板12上安装的振荡电路14和并列设置的多组测试传感器和参考传感器，测试传感器和参考传感器分别包括多组压电晶体13，测试传感器的多组压电晶体13上分别涂有不同种类的纳米分子印迹聚合物，测试传感器和参考传感器与振荡电路14相连接，振荡电路14的输出接入检测系统3的分频电路3.1；

上面所说的测试传感器和参考传感器结合振荡电路构成了一个炸药检测电路，采用电子微天平技术和单片机测频技术，准确测量检测信号与参考信号的频率差值，并进行信号识别与显示、以及声光报警。

测试传感器中的纳米分子印迹聚合物由以下工艺制作而成:

（1）合成SiO₂纳米粒子

（2）活化硅胶

（3）硅胶表面硅烷化

（4）预处理

纳米分子印迹聚合物制得后，采用压电传感器技术，把压电效应应用于生化传感器，将纳米分子印迹聚合物固定于压电晶体表面，根据 Sauerbrey定理，若在石英晶体的电极表面加上一小质量负载层，将导致晶振频率的显著下降，晶体表面附加物质质量(△M)与器件的谐振频率变化(△F)之间关系的方程即Sauerbrey方程：

Figure 2012102544896100002DEST_PATH_IMAGE001

式中，ΔF——由涂层所引起的频率变化(Hz)

F——晶体的固有谐振频率(基频，MHz)

ΔM——晶体表面涂层质量的变化量(g),

A——即为涂层面积(cm²)

将压电石英晶体进行修饰后可与待测物选择性地相互作用，作用后可以改变晶振的输出频率，通过检测电路和单片机信息处理能够实现对炸药分子的识别。

针对不同的炸药分子制作不同的纳米分子印迹聚合物，从而制作不同探测对象的压电传感器，将压电传感器安装到电路板上即可。

参见图4：所说的振荡电路14以型号为74LS04的芯片为核心，通过振荡电路14输出方波信号。

参见图5：分频电路以74HC74为核心，分频电路由74LS74组成，其功能是将振荡电路的输出信号进行2分频和整形。

参见图6：多路开关3.2以CD4052为核心，四对（测试传感器和参考传感器）信号接入多路开关的8个输入通道，CD4052是双4选2多路开关，可同时输入2路（测试传感器和参考传感器）的信号，由单片机控制地址码决定选通哪2路输入，从而将被测物的方波信号接入差频电路。

参见图7：差频电路由TDC-GP2高精度时间测量芯片组成， TDC-GP2与单片机利用四线SPI总线通信， SSN从机使能，SCK读写时序时钟信号，SI和SO分别为读写端口，与单片机相连。

参见图8：单片机由MSP430为主控芯片，

MSP430与TDC-GP2相连：RSTN:控制；TDC复位；SSN：TDC使能；SCK：TDC读写时钟；SO/SI：数据读写；En_Start、En_Stop1、En_Stop2：使能信号；Start：测量开始信号；INTN：TDC中断接口。MSP430还与按键4、蜂鸣器10、LED显示板11相接。

为了更清楚地对本发明进行说明，以下提供本发明信号处理软件模块的工作流程：

主程序中检测到频率计算标志位置位后运行频率计算程序，结果输出到数码管进行显示。单片机测量到的频率值要通过串口传输到上位机做被测物浓度与频率之间的曲线拟合处理，以便根据电路测量到的频率值反推出检测传感器上结合到被测物的量。

频率测量采用测频法和测周法混合使用。在频率较高时采用测频法，是指在一定的时间间隔T内，对输入的脉冲信号计数为N，则信号的频率为

Figure 2012102544896100002DEST_PATH_IMAGE002

。在频率较低时用测周法，由单片机提供标准时基信号

Figure 2012102544896100002DEST_PATH_IMAGE003

，将被测信号的周期作为闸门，将测量转化为对标准时基信号进行计数，

即为测量信号的周期，则有

Figure 2012102544896100002DEST_PATH_IMAGE005

。这种方法适用于低频测量，信号频率越低，则相对误差越小。

本发明设计一种融合了测频法和测周法的测量信号频率的方法。设计思想，标准时基频率

Figure 2012102544896100002DEST_PATH_IMAGE006

由单片机晶振提供给定时器，设置定时常数，在定时时长内记录脉冲数N，并且记录第一个脉冲和最后一个脉冲之间定时器

Figure 2012102544896100002DEST_PATH_IMAGE007

的差值，可得

Figure 2012102544896100002DEST_PATH_IMAGE009

即为（N-1）个被测信号的周期，从而得被测信号频率：

Figure 2012102544896100002DEST_PATH_IMAGE010

。当测得的信号频率反应有被测对象时将会进行声光报警。

由于设计中要处理多种爆炸物的检测，所以单片机外围需要根据传感器的数量和种类设计多路开关，通过按键选择多路开关确定信号种类（不同的炸药），在显示频差值时同时显示对应的被测爆炸物的类型。

Claims

1.一种基于纳米分子印记压电传感器的便携式炸药痕量探测仪，其特征在于：包括密闭的主壳体（12），主壳体（12）的一侧设置有进气管（1），另一侧设置有风机（9），主壳体（12）的内部设置有检测系统（3），主壳体（12）的外部设置有按键（4）、电源开关（6）、蜂鸣器（10）、LED显示板（11）和供电装置（7），主壳体（12）的下部设置有手柄（5）；所述进气管（1）内设置有传感器部件（2），传感器部件（2）与检测系统（3）相连接，检测系统（3）与开关（6）、蜂鸣器（10）、LED显示板（11）相连，安装于主壳体（12）内；

所述检测系统（3）包括依次相接的分频电路（3.1）、多路开关（3.2）、差频电路（3.3）、和单片机处理电路（3.4），所述单片机处理电路（3.4）分别与按键（4）、蜂鸣器（10）、LED显示板（11）相接；

所述传感器部件（2）包括电路板（12）上安装的振荡电路（14）和并列设置的多组测试传感器和参考传感器，测试传感器和参考传感器分别包括多组压电晶体（13），测试传感器的多组压电晶体（13）上分别涂有不同种类的纳米分子印迹聚合物，测试传感器和参考传感器与振荡电路（14）相连接，振荡电路（14）的输出接入检测系统（3）的分频电路（3.1）；

合成SiO₂纳米粒子

活化硅胶

硅胶表面硅烷化

预处理

取上述产物3g，10mL的甲基丙烯酸和0.018g过硫酸铵加入到200mL水中，将烧杯在65℃水浴锅内搅拌，抽滤，乙醇冲洗；

合成MIPs将上一步产物和4mmol目标分子（TNT、硝铵炸药、黑索金、奥克托金等）溶于100mL的氯仿溶液，振荡6小时，加入交联剂EGDMA，在50℃水浴锅内进行搅拌，抽滤，洗脱（洗脱液配制为V_乙醇:V_甲醇:V_水=2:7:1），烘干制成纳米分子印迹聚合物。

2.根据权利要求1所述一种基于纳米分子印记压电传感器的便携式炸药痕量探测仪，其特征在于：所述振荡电路（14）以型号为74LS04的芯片为核心；所述检测系统（3）中所述的分频电路以74HC74为核心；所述多路开关（3.2）以CD4052为核心，差频电路（3.3）以TDC-GP2为核心；单片机处理电路(3.4)以MSP30为核心。