CN105136769A - 一种痕量弹药探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种痕量弹药探测装置及探测方法。所述痕量弹药探测装置包括空气抽运模块、痕量弹药探测模块、金属溶胶注入模块、激光发射模块、拉曼分析仪和数据分析及显示模块。在痕量弹药探测模块内至少设一条微流道，金属溶胶注入模块向微流道内注入金属溶胶，空气抽运模块向微流道内输送待探测空气，金属溶胶与待探测空气在微流道内反应，由激光发射模块发射的激光照射微流道内的金属溶胶，产生拉曼散射光谱，经拉曼分析仪将光谱数据传输至数据分析及显示模块，通过对拉曼散射光谱的分析、处理，得出待探测空气中是否含有痕量弹药，并在含有痕量弹药的情况下确定弹药的类型。本发明具有高集成度、高灵敏度、高精度、轻便可靠、易操作等优点。

Description

一种痕量弹药探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及一种痕量弹药探测技术领域，具体地说是一种痕量弹药探测装置及探测方法。

背景技术

近年来，随着全球恐怖主义活动的日益猖獗以及局部地区冲突的逐步加剧，在维和维稳、防暴处突过程中面临大量定时炸弹、地雷等隐藏弹药以及其它多种形式炸药装置的威胁。恐怖分子尤其喜欢在地铁、机场、车站、商场等公共场所安置弹药，以制造大规模的人员伤亡、财产损失等恐怖事件。为保证人们的生命财产安全，反恐人员需要对这些隐藏弹药等进行搜索及定向定位。一旦发现弹药，就要争取时间及时排爆排炸，以消除危机。因此，如果能够迅速探测出空气中的痕量弹药，就可以快速跟踪、确定爆炸物的安置位置，以给排爆排炸工作争取更多的时间。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种痕量弹药探测装置，该装置可快速探测空气中是否含有痕量弹药分子，且探测灵敏度高。

本发明的目的之二就是提供一种与上述痕量弹药探测装置相对应的痕量弹药探测方法。

本发明的目的之一是这样实现的：一种痕量弹药探测装置，包括：

空气抽运模块，与痕量弹药探测模块相接，用于对待探测空气进行抽取，并通过抽运气体通道将待探测空气输送至痕量弹药探测模块；

金属溶胶注入模块，与痕量弹药探测模块相接，用于向痕量弹药探测模块内注入金属溶胶；

痕量弹药探测模块，分别与所述空气抽运模块、所述金属溶胶注入模块、激光发射模块和拉曼分析仪相接，用于使注入的金属溶胶吸附输送的待探测空气中或存的痕量弹药分子；

激光发射模块，与所述痕量弹药探测模块相接，用于发射激光，以激发微流道内吸附了待探测空气中或存痕量弹药分子的金属溶胶产生拉曼散射光谱；

拉曼分析仪，分别与所述痕量弹药探测模块和数据分析及显示模块相接，用于采集微流道内吸附了待探测空气中或存的痕量弹药分子的金属溶胶在激光作用下所产生的拉曼散射光谱数据，并将所采集到的数据发送至数据分析及显示模块；以及

数据分析及显示模块，与所述拉曼分析仪相接，用于对所接收到的拉曼散射光谱数据进行分析、处理，以确定待探测空气中是否含有痕量弹药分子，并在待探测空气中含有痕量弹药分子时确定痕量弹药的类型，同时对探测结果进行显示；

所述痕量弹药探测模块由至少一条微流道构成，在所述微流道的顶部沿轴向开有长条形开口，所述长条形开口与抽运气体通道相接；由所述金属溶胶注入模块注入的金属溶胶在所述微流道内流动，并吸附由抽运气体通道输送的待探测空气中或存的痕量弹药分子。

在所述空气抽运模块中，采用计量泵对待探测空气进行抽取，所述计量泵的输出端通过空气过滤网筛与抽运气体通道相接。

所述金属溶胶注入模块中包含有金属溶胶存储容器，在所述金属溶胶存储容器中盛放有待注入的金属溶胶，所述待注入的金属溶胶为金或银的纳米颗粒溶胶。

本发明的目的之二是这样实现的：一种痕量弹药探测方法，包括如下步骤：

a、由空气抽运模块抽取待探测空气，所抽取的待探测空气通过抽运气体通道输送至痕量弹药探测模块；

b、由金属溶胶注入模块向痕量弹药探测模块内注入金属溶胶；

c、痕量弹药探测模块由至少一条微流道构成，在所述微流道的顶部沿轴向开有长条形开口，所述长条形开口与抽运气体通道相接；由金属溶胶注入模块注入的金属溶胶在痕量弹药探测模块的微流道内流动，并吸附由抽运气体通道输送的待探测空气中或存的痕量弹药分子；

d、在痕量弹药探测模块的末端采用激光照射微流道内吸附了待探测空气中或存的痕量弹药分子的金属溶胶，以使其产生拉曼散射光谱；

e、采用拉曼分析仪采集微流道内吸附了待探测空气中或存的痕量弹药分子的金属溶胶在激光作用下所产生的拉曼散射光谱数据，并将所采集到的数据发送至数据分析及显示模块；

f、数据分析及显示模块对所接收到的拉曼散射光谱数据进行分析、处理，以确定待探测空气中是否含有痕量弹药分子，并在待探测空气中含有痕量弹药分子时确定痕量弹药的类型，最后对探测结果进行显示。

步骤a中，采用计量泵对待探测空气进行抽取，计量泵所抽取的待探测空气首先经空气过滤网筛过滤后，再由抽运气体通道输送至痕量弹药探测模块。

步骤b中，所述金属溶胶注入模块中包含有金属溶胶存储容器，在所述金属溶胶存储容器中盛放有待注入的金属溶胶，所述待注入的金属溶胶为金或银纳米颗粒溶胶。

步骤c中，通过调整微流道内金属溶胶的流速及温度，以使金属溶胶中的金属纳米颗粒在微流道的末端形成双聚体或三聚体。

步骤d中，所采用的激光的波长为658nm，激光功率为35mW。

本发明所提供的痕量弹药探测装置及探测方法是仿生物嗅觉的SERS（SurfaceEnhancedRamanScattering，表面增强拉曼散射）-MEMS（MicroelectromechanicalSystems，微机电系统）痕量弹药探测装置及探测方法，其采用SERS和MEMS有机融合的技术模仿了生物嗅觉的功能。从犬类鼻子的生物解剖可以发现，在鼻子内部具有许多贝壳状半圆形结构，在半圆形结构中分布着许多复杂的分叉和漩涡形结构。上述复杂结构为犬类鼻道内热量、水份、气味分子的传播提供了极大的区域。本发明中痕量弹药探测模块由至少一条微流道构成，优选的，可以由若干呈分叉状结构的微流道构成，这种结构的设置正是模仿了犬类鼻子的结构。

通过金属溶胶注入模块向痕量弹药探测模块的微流道内注入金属溶胶，金属溶胶一般为金或银等金属纳米颗粒溶胶。金属纳米颗粒溶胶在流动一定的距离后会因为自组装发生团聚形成双聚体或三聚体等，而吸附在金属纳米颗粒溶胶上的样品分子则有助于团聚物的形成。对于形成双聚体的情况，则在双聚体的中间位置，电磁场增强最大，采用激光照射就会形成SERS热点，而待探测的样品分子恰好位于这个位置，其拉曼信号将获得10⁹～10¹⁰倍的增强。三聚体相对双聚体可能电磁场增强稍弱一点，但在激光照射下同样会形成SERS热点。

本发明是模仿生物嗅觉器官内部结构特征，结合SERS-MEMS融合技术，通过设置分叉结构的微流道，使金属溶胶在微流道内吸附待探测空气中或存的痕量弹药分子，调整金属溶胶的流速及温度等，以使金属溶胶中的金属纳米颗粒溶胶在微流道末端形成双聚体或三聚体；对于待探测空气中含有痕量弹药分子的情况，弹药分子与金属纳米颗粒溶胶共同形成双聚体或三聚体，采用激光照射就会形成特征峰非常明显的拉曼散射光谱。在微流道末端采用激光照射吸附了待探测空气中或存的痕量弹药分子的金属溶胶，以产生拉曼散射光谱，由拉曼分析仪采集拉曼散射光谱数据，后续由数据分析及显示模块对拉曼分析仪所采集到的数据进行分析、处理，将微流道内吸附了待探测空气中或存的痕量弹药分子的金属溶胶所产生的拉曼散射光谱与数据分析及显示模块中所存储的现有已知弹药分子的拉曼散射光谱进行对比、分析，以确定待探测空气中是否含有痕量弹药分子，并在待探测空气中含有痕量弹药分子时确定痕量弹药的类型，最后对探测结果进行显示。

本发明所提供的痕量弹药探测装置具有高集成度、高灵敏度、高精度、轻便可靠、易操作等优点，实现了弹药探测仪器的小型化、高性能以及便携化。采用本发明能够对挥发空气中的痕量弹药分子进行连续实时精确探测，因此可以用于未爆危险弹、地雷、隐藏爆炸物等的搜索以及定向定位，库存弹药的安全检测及预警，机场、车站等公共场所安保工作的排爆排炸等领域。

附图说明

图1是本发明中痕量弹药探测装置的模块化结构示意图。

图2是本发明中痕量弹药探测装置的具体结构示意图。

图3是图2中圆圈所示结构的放大结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明中的痕量弹药探测装置包括空气抽运模块1、痕量弹药探测模块2、金属溶胶注入模块3、激光发射模块4、拉曼分析仪5和数据分析及显示模块6。

空气抽运模块1通过抽运气体通道18与痕量弹药探测模块2相接，空气抽运模块1用于抽取待探测空气，并通过抽运气体通道18将待探测空气输送至痕量弹药探测模块2。具体抽运待探测空气时，可采用计量泵对待探测空气进行抽取，计量泵所抽取的待探测空气可首先经空气过滤网筛16将所抽取的待探测空气中的粉尘等大颗粒物过滤后，再由抽运气体通道18将过滤后的待探测空气输送至痕量弹药探测模块2，空气过滤网筛16可设置在抽运气体通道18上。

金属溶胶注入模块3用于向痕量弹药探测模块2内注入金属溶胶。金属溶胶注入模块3中包含有金属溶胶存储容器14，在金属溶胶存储容器14内盛放有待注入的金属溶胶，待注入的金属溶胶一般为金或银等金属纳米颗粒溶胶。

痕量弹药探测模块2分别与空气抽运模块1、金属溶胶注入模块3、激光发射模块4和拉曼分析仪5相接。痕量弹药探测模块2由至少一条微流道构成，微流道即是指流道孔径为微米量级的流道。本实施例中，痕量弹药探测模块2包括前端的金属溶胶注入流道17、中间的反应微流道13及后端的金属溶胶输出流道10。金属溶胶注入流道17及金属溶胶输出流道10均为孔径为20~40μm的流道，且金属溶胶注入流道17及金属溶胶输出流道10均呈管状结构。在金属溶胶注入模块3的金属溶胶存储容器14中所存储的待注入的金属溶胶，可由微泵泵出，然后经金属溶胶注入孔11进入金属溶胶注入流道17，经金属溶胶注入流道17后进入反应微流道13，金属溶胶在反应微流道13内作为反应作用介质吸附待探测空气中或存的痕量弹药分子后，进入金属溶胶输出流道10，后经金属溶胶流出孔12流出。可在金属溶胶注入模块3内再设置一个金属溶胶回收容器15，由金属溶胶流出孔12流出的废弃了的金属溶胶可回收至金属溶胶回收容器15内，以保证环保性。

反应微流道13是用于实现金属溶胶与待探测空气中或存的痕量弹药分子之间的吸附、浓缩和反应。结合图3，本实施例中反应微流道13包括若干呈分叉状结构的细微流道，这些细微流道的孔径一般在5~10μm之间。在这些细微流道的顶部沿轴向开有长条形开口7，长条形开口7的设置正是为了使待探测空气经抽运气体通道18的输出端进入细微流道内，并与细微流道内流动的金属溶胶发生反应，因此，长条形开口7的设置使得细微流道形成了类似条形凹槽结构，条形凹槽即构成待探测空气与金属溶胶两者的自由表面接触区域。若干分叉型条形凹槽结构为其内流动着的金属溶胶提供了很大的吸收表面积，由抽运气体通道18输送的待探测空气经长条形开口7后进入细微流道内，待探测空气中或存的痕量弹药分子在细微流道内被金属溶胶所吸附，并与金属溶胶中的金属纳米颗粒逐渐反应形成多聚体或双聚体。通过分叉型的细微流道后会对待探测空气进行浓缩，在分叉型细微流道的末端，会具有比较大的浓度；通过控制金属溶胶的流速及温度，可使待探测空气中或存的痕量弹药分子与金属溶胶中的金属纳米颗粒结合，在分叉型细微流道的末端形成双聚体，即：若待探测空气中含有痕量弹药分子，则痕量弹药分子会与金属溶胶中的金属纳米颗粒结合，在分叉型细微流道的末端形成双聚体。

反应微流道13的末端连接金属溶胶输出流道10，在金属溶胶输出流道10上与反应微流道13相接的位置处开有激光入射孔8，这里需要说明的是，由于激光入射孔8紧邻反应微流道13的末端，因此，在反应微流道13末端形成的双聚体形态的金属溶胶，在激光入射孔8处仍然是双聚体形态。激光发射模块4发射的激光可通过激光入射孔8照射到金属溶胶输出流道10内，由反应微流道13末端流出的吸附了待探测空气中或存的痕量弹药分子的金属溶胶进入金属溶胶输出流道10内后，在激光入射孔8处在激光的照射下会产生拉曼散射光谱，该光谱也称表面增强拉曼散射（SERS）光谱。在金属溶胶输出流道10上紧邻激光入射孔8的位置处开有光谱出射孔9，光谱出射孔9位于激光入射孔8的后端，在光谱出射孔9上设有光谱接收头，吸附了待探测空气中或存的痕量弹药分子的金属溶胶在激光的照射下所产生的SERS光谱经光谱出射孔9上的光谱接收头后被拉曼分析仪5（或称拉曼光谱仪）所采集。

拉曼分析仪5将所采集到的SERS光谱数据发送至数据分析及显示模块6，由数据分析及显示模块6对所接收到的SERS光谱数据进行分析、处理，一般是通过将所接收到的SERS光谱与其内所存储的现有已知弹药分子的拉曼散射光谱进行对比、分析，以确定待探测空气中是否含有痕量弹药分子，并在待探测空气中含有痕量弹药分子时确定痕量弹药的类型，最后对探测结果进行显示。

下面介绍本发明中痕量弹药探测装置的具体使用过程，也即是痕量弹药探测方法，具体如下：

a、首先由空气抽运模块1抽取待探测空气，所抽取的待探测空气通过抽运气体通道18输送至痕量弹药探测模块2。具体是，采用计量泵对待探测空气进行抽取，计量泵所抽取的待探测空气经空气过滤网筛16过滤掉待探测空气中的粉尘等大颗粒物过滤后，再由抽运气体通道18输送至痕量弹药探测模块2。痕量弹药探测模块2包括前端的金属溶胶注入流道17、中间的反应微流道13及后端的金属溶胶输出流道10。

b、由金属溶胶注入模块3向痕量弹药探测模块2内注入金属溶胶。金属溶胶注入模块3中包含有用于存储金属溶胶的金属溶胶存储容器14。具体是，采用微泵将金属溶胶存储容器14中所存储的金属溶胶泵出，泵出的金属溶胶经金属溶胶注入孔11进入金属溶胶注入流道17，再经金属溶胶注入流道17后进入反应微流道13。反应微流道13包括若干呈分叉状结构的细微流道，在这些细微流道的顶部沿轴向开有长条形开口7，长条形开口7与抽运气体通道18的输出端相接。

c、由金属溶胶注入模块3注入的金属溶胶在痕量弹药探测模块2的反应微流道13内流动，金属溶胶通过长条形开口7吸附由抽运气体通道18输送的待探测空气中或存的痕量弹药分子。调整反应微流道13内金属溶胶的流速及温度，以使金属溶胶中的金属纳米颗粒能够在反应微流道13的末端形成双聚体。对于待探测空气中含有痕量弹药的情况，弹药分子被金属溶胶吸附后正好处于双聚体的中间位置。

d、在金属溶胶输出流道10上与反应微流道13相接的位置处开有激光入射孔8，激光发射模块4发射的波长为658nm、功率为35mW的激光经激光入射孔8后照射到由反应微流道13末端流出的已形成双聚体形态的金属溶胶上，在激光的照射下，双聚体的金属溶胶产生拉曼散射光谱。

e、在金属溶胶输出流道10上紧邻激光入射孔8的位置处开有光谱出射孔9，光谱出射孔9位于激光入射孔8的后端，在光谱出射孔9上设有光谱接收头。拉曼分析仪5通过光谱接收头采集金属溶胶输出流道10内双聚体金属溶胶所产生的拉曼散射光谱数据，并将所采集到的数据发送至数据分析及显示模块6。

f、数据分析及显示模块6对所接收到的拉曼散射光谱数据进行分析、处理，一般是通过将所接收到的拉曼散射光谱与其内所存储的现有已知弹药分子的拉曼散射光谱进行对比、分析，以确定待探测空气中是否含有痕量弹药分子，并在待探测空气中含有痕量弹药分子时确定痕量弹药的类型，最后对探测结果进行显示。

Claims (8)

1.一种痕量弹药探测装置，其特征是，包括：

空气抽运模块，与痕量弹药探测模块相接，用于对待探测空气进行抽取，并通过抽运气体通道将待探测空气输送至痕量弹药探测模块；

金属溶胶注入模块，与痕量弹药探测模块相接，用于向痕量弹药探测模块内注入金属溶胶；

痕量弹药探测模块，分别与所述空气抽运模块、所述金属溶胶注入模块、激光发射模块和拉曼分析仪相接，用于使注入的金属溶胶吸附输送的待探测空气中或存的痕量弹药分子；

激光发射模块，与所述痕量弹药探测模块相接，用于发射激光，以激发微流道内吸附了待探测空气中或存的痕量弹药分子的金属溶胶产生拉曼散射光谱；

拉曼分析仪，分别与所述痕量弹药探测模块和数据分析及显示模块相接，用于采集微流道内吸附了待探测空气中或存的痕量弹药分子的金属溶胶在激光作用下所产生的拉曼散射光谱数据，并将所采集到的数据发送至数据分析及显示模块；以及

数据分析及显示模块，与所述拉曼分析仪相接，用于对所接收到的拉曼散射光谱数据进行分析、处理，以确定待探测空气中是否含有痕量弹药分子，并在待探测空气中含有痕量弹药分子时确定痕量弹药的类型，同时对探测结果进行显示；

所述痕量弹药探测模块由至少一条微流道构成，在所述微流道的顶部沿轴向开有长条形开口，所述长条形开口与抽运气体通道相接；由所述金属溶胶注入模块注入的金属溶胶在所述微流道内流动，并吸附由抽运气体通道输送的待探测空气中或存的痕量弹药分子。

2.根据权利要求1所述的痕量弹药探测装置，其特征是，在所述空气抽运模块中，采用计量泵对待探测空气进行抽取，所述计量泵的输出端通过空气过滤网筛与抽运气体通道相接。

3.根据权利要求1所述的痕量弹药探测装置，其特征是，所述金属溶胶注入模块中包含有金属溶胶存储容器，在所述金属溶胶存储容器中盛放有待注入的金属溶胶，所述待注入的金属溶胶为金或银的纳米颗粒溶胶。

4.一种痕量弹药探测方法，其特征是，包括如下步骤：

a、由空气抽运模块抽取待探测空气，所抽取的待探测空气通过抽运气体通道输送至痕量弹药探测模块；

b、由金属溶胶注入模块向痕量弹药探测模块内注入金属溶胶；

c、痕量弹药探测模块由至少一条微流道构成，在所述微流道的顶部沿轴向开有长条形开口，所述长条形开口与抽运气体通道相接；由金属溶胶注入模块注入的金属溶胶在痕量弹药探测模块的微流道内流动，并吸附由抽运气体通道输送的待探测空气中或存的痕量弹药分子；

d、在痕量弹药探测模块的末端采用激光照射微流道内吸附了待探测空气中或存的痕量弹药分子的金属溶胶，以使其产生拉曼散射光谱；

e、采用拉曼分析仪采集微流道内吸附了待探测空气中或存的痕量弹药分子的金属溶胶在激光作用下所产生的拉曼散射光谱数据，并将所采集到的数据发送至数据分析及显示模块；

f、数据分析及显示模块对所接收到的拉曼散射光谱数据进行分析、处理，以确定待探测空气中是否含有痕量弹药分子，并在待探测空气中含有痕量弹药分子时确定痕量弹药的类型，最后对探测结果进行显示。

5.根据权利要求4所述的痕量弹药探测方法，其特征是，步骤a中，采用计量泵对待探测空气进行抽取，计量泵所抽取的待探测空气首先经空气过滤网筛过滤后，再由抽运气体通道输送至痕量弹药探测模块。

6.根据权利要求4所述的痕量弹药探测方法，其特征是，步骤b中，所述金属溶胶注入模块中包含有金属溶胶存储容器，在所述金属溶胶存储容器中盛放有待注入的金属溶胶，所述待注入的金属溶胶为金或银纳米颗粒溶胶。

7.根据权利要求6所述的痕量弹药探测方法，其特征是，步骤c中，通过调整微流道内金属溶胶的流速及温度，以使金属溶胶中的金属纳米颗粒在微流道的末端形成双聚体或三聚体。

8.根据权利要求4所述的痕量弹药探测方法，其特征是，步骤d中，所采用的激光的波长为658nm，激光功率为35mW。