CN1618016A - 检测硝酸铵和糖或烃的存在的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于检测含硝酸铵及糖的材料的方法，该方法包括感测异氰酸(HNCO)和可任选的一氧化二氮(N₂O)的存在。而且还提供了一种装置，包括与适于留存材料的样品储存器(31)热连接的加热装置(22)，该样品储存器与传感区域(6)相互气体连接(12)，该装置进一步设置有：用于从传感区域的样品储存器引导气体流动的装置(9)和用于检测传感区域中异氰酸的存在的装置(9)。而且，提供了一种用于检测含硝酸铵及烃的材料的方法，包括感测一氧化二氮、二氧化碳或烃的存在。

Description

检测硝酸铵和糖或烃的存在的方法及装置

本发明涉及化学检测领域，具体涉及含硝酸铵的化学产品的检测领域。

硝酸铵可用作通用肥料，但也可以结合各种其他物质，如糖、粉末、燃油来生成炸药。这些炸药常称为自制炸药或HMEs。对许多安全机构，能够检测HMES并辨别这样的炸药混合物与硝酸铵之间的区别是最重要的。

已研制了几种方法来测定存在硝酸铵和糖(以后称AN/S)的炸药混合物。这样的一种方法是燃烧或分解怀疑含有AN/S的样品，并测定一氧化二氮(N₂O)的存在。然而，该试验并不特异性地针对AN/S混合物，对AN本身会产生假阳性结果。可使用湿法化学来检测铵、硝酸盐及糖成分的存在，但该方法一般耗时并相对不敏感。这样的湿法化学方法，某一些可以辨别AN/S和AN，对其他通常可获得的含铵的化学产品也会给出假阳性读数。

本发明方法致力于解决这样的一些问题。根据本发明，一种用于检测含硝酸铵及糖的材料的方法，该方法包括测定异氰酸(HNCO)的存在。这提供了另一种测定基于AN/S炸药的方法。术语“糖”用来指任何能与存在的硝酸铵反应形成HNCO的糖。这样的糖示例为葡萄糖和蔗糖。

本发明法优选包括：将材料加热升温(优选至大约280℃)，感测异氰酸的存在。该材料优选在两性化学材料中进行加热，如陶瓷材料。

该方法进一步优选包括：测定一氧化二氮(N₂O)的存在。一氧化二氮是存在硝酸铵的标志。同时测定HNCO和一氧化二氮减小了假阳性结果的可能性，而单独测定HNCO却会使这种可能性上升。这种假阳性可能产生于某种塑料材料的燃烧。优选地，用一种或多种以下方法测定异氰酸及可任选的一氧化二氮的存在：红外光谱、气相色谱及质谱。红外光谱是最优选的方法。

本发明进一步提供了一种测定炸药的方法，该炸药并不一定含有硝酸铵和糖，其中该方法包括测定异氰酸的存在。

根据本发明的另一方面，一种适于测定被怀疑含有硝酸铵和糖的材料的装置，该装置包括：加热部件，其与适于留存材料的样品储存器相互热连接，该样品储存器与传感区域气体连接，该装置进一步设置有用于从样品储存器到传感区域引导气体流动的装置，和感测传感区域中异氰酸存在的装置。

这使得含AN/S混合物(如HMEs)材料的测定快速并可靠。

优选地，传感区域形成感测室的一部分。这是可以聚集气体以便测定的腔室。

优选样品储存器和感测室基本对异氰酸是惰性的。优选地，感测室由聚四氟乙烯(PTFE)制成。感测室的至少部分表面可由金覆盖。已发现为了更有效地产生HNCO，样品储存器由两性化学材料构成，如陶瓷材料。Macor^(美国，Corning)是一种这样的陶瓷材料示例。

样品储存器和感测室至少之一，优选两者都可从该装置上容易地除去。这可以使单元的清洁、替换变得容易。该感测室优选为模形式以使它可以易于拆解从而进行清洁。

优选将颗粒过滤器放在样品储存器和传感区域之间的气体通道中。这避免了微粒进入传感区域。

优选地，由基本为化学惰性的管道设置样品储存器和传感区域之间的气体连通。这样的管道对HNCO有抗腐蚀效果，并且不容易吸收HNCO或其他反应产物。该管道优选由聚四氟乙烯(PTFE)制成。

该装置可设置入口，用于在将气体吸入传感区域前先将气体吸入样品储存器。将空气吸入样品储存器，然后将样品储存器的成分，包括HNCO带入传感区域。优选将用于除去二氧化碳的过滤器安置在入口和样品储存器之间的气体通道中。这样会从运载气体中基本除去二氧化碳，由此任何在样品储存器中检测到的二氧化碳可认为是来自分析样品中的。或者，二氧化碳过滤器可以是具有一定体积的腔室，它作为储气器，在外界变化的二氧化碳浓度中使样品气体得到缓冲。

优选地，该装置进一步包括用于感测流过该装置至少部分的气流的部件。该装置可进一步包括：启动部件，应答感测气流的部件，其用于控制该部件感测在传感区域中存在的HNCO。在该实施例中，启动部件控制HNCO传感器相对于进入传感区域样品流的操作时间。

优选地，用于感测异氰酸存在的装置包括红外光源和检测器。这样则提供了一种简单、有效、快速的检测装置。可将适宜的光学过滤器放在光源和检测器之间的光路中。

这样的装置可用于检查炸药，该炸药不一定包括硝酸铵和糖，其在适宜的条件下释放出HNCO。

现参照下面的附图描述本发明，这些附图只是示例：

图1是一种建议的反应图示，显示了通过糖和硝酸铵如何产生HNCO；

图2是根据本发明的一种装置的图示；

图3是构成图2装置部分的炉子组件的图示；

图4是在根据本发明的装置中通过加热糖和硝酸铵样品所产生的红外吸收光谱；

图5是随时间的红外吸收信号变化图示，该信号与在根据本发明的装置中进行加热糖/硝酸铵样品所产生的HNCO、二氧化碳和一氧化二氮相关；

本发明的方法

本申请人发现在一定的限定条件下，硝酸铵和糖的混合物反应产生异氰酸(HNCO)。

图1的反应图示给出了建议的该反应的根本化学式。

这样通过感测异氰酸的存在，可以确定所研究的材料是否含有硝酸铵和糖(或者在反应图示的反应条件下分解放出糖的材料)。应注意，不管反应图示的准确度怎样，反应图示的主要特征是糖和硝酸铵的混合物产生HNCO。

研究者也希望感测到一氧化二氮的存在，这说明存在硝酸铵。测定硝酸铵的存在减小了由于单独感测HNCO存在而产生的假阳性的可能性；除AN/S混合物之外的其他材料(例如某种塑料)也可能会释放HNCO。感测一氧化二氮的存在显示是否有硝酸铵，而硝酸铵不可能存在于单独会产生HNCO的材料例如塑料中。而且，根据本发明的方法通过感测二氧化碳的存在而进一步得到加强，二氧化碳是样品中含有有机物(即非硝酸铵)的显示。二氧化碳的量指示是否可能认为样品中的有机成分是重要的。人们也可以通过感测不饱和烃的存在来开展本发明的方法，不饱和烃的存在显示了燃油的存在，燃油是HMEs可能含有的另一种成分。

对本领域技术人员来说用于测定HNCO和其他上述化合物的方法是公知的。因为红外光谱简单、快速并且廉价，它将是特别恰当的方式。相对小的分光计可用在本发明中。

本发明的装置

图2是根据本发明的装置的图示，其适于测定怀疑含有硝酸铵和糖的材料，该装置包括炉子组件1、气室2、颗粒过滤器3、流动控制阀4、二氧化碳过滤器5、气泵6、石英窗7、红外光源8、红外检测器9、压力传感器10、空气入口11、样品气体管12、控制电子仪器13和显示器14。

气泵6将空气通过空气入口11经二氧化碳过滤器5和流动控制阀4吸入到炉子组件1的气体入口端28。该空气作为运载气体。二氧化碳过滤器5基本将空气中的全部二氧化碳除去；如果该装置用于检测样品分解产物中存在的二氧化碳，这是有利的。由于流动控制阀4可以控制空气流通过炉子组件1，优选包括流动控制阀4。通过气体入口端28将空气吸入炉子组件1的腔体内。在使用中，将炉子组件1中所包含的样品加热至280℃，然后冷却。已发现，对于从AN/S混合物中产生的HNCO将会有比较成功的加热状态。该反应产物在空气流中经由气体出口端27被带出炉子组件1的腔体。气泵6作为引导气体流到达气室2的传感区域装置。然而，本领域技术人员会明白空气入口11不是本发明重要的部件，仅是优选的。载气和反应产物沿样品气体管12经颗粒过滤器3通入气室2。颗粒过滤器3将颗粒从气流中除去。这种颗粒可能包括由气体反应产物一氧化二氮和氨形成的硝酸铵颗粒。红外光源8和红外检测器9如下设置：使得气室2中成分的红外吸收特征可以得到测定。在此情况下，红外光源8是宽带光源；或者人们可以使用几种窄带或单色光源。红外检测器9与气室2中的成分通过惰性的、红外透明石英窗7相互分离。由于HNCO是有反应性的并且具有腐蚀性的，优选将检测器9的这种分离。检测器9是四通道检测器，这些通道与对照带的特征吸收和AN/S混合物的三种重要产物的特征吸收相一致，根据本发明反应当AN/S发生分解时产生该三种重要产物。关键成分和相关的吸收带是：二氧化碳-4.24μm，HNCO-4.4μm，一氧化二氮-4.5-4.55μm，对照-3.95μm。每一通道设置有适宜的光学带通滤波器。虽然需要识别许多反应产物，本领域技术人员明白在本发明的情况下检测除HNCO之外的物质并不是重要的。

压力传感器10与气室2气体连通，并进一步与控制电子仪器13相连。优选包括压力传感器10以确保通过该装置维持空气流。控制电子仪器13可以是任何种本领域已知的仪器，其进一步与气泵6、红外光源8、红外检测器9及炉子组件1相连。该控制电子仪器13以本领人员公知的任意方式控制并调整反应产物的产生以及数据收集过程。该控制电子仪器13进一步将分析结果显示在显示器14上。本领域技术人员会意识到可以不使用控制电子仪器13而人工操作该装置。显示器14通常包括液晶显示器。当分析样品时，条状的17位显示器用于一氧化二氮、二氧化碳、异氰酸及烃中的每一种，以显示存在这些物质，该条的长度显示存在物质的数量。电子仪器13中的算法系统用来分析从样品获得的数据，以确定在分析样品后，对以下四种结果中的哪一种进行显示；a-无AN/S存在；b-AN存在；c-AN/S可能存在，试验更多的样品；d-AN/S存在。

根据本发明方法，AN/S混合物的一些分解产物，特别是HNCO具有很高的腐蚀性和反应性。特别优选的，与这种化学物质接触的任何表面基本对这些化学物质具有惰性。这增长了具有这样表面的部件的寿命，也使该装置给出由样品释放的HNCO的量更准确的读数。优选，样品气体管12、部分炉子组件1和颗粒过滤器由聚四氟乙烯(PTFE)构成。PTFE对HNCO具有相对惰性，并对反应产物气体成分具有较少的影响。硅橡胶管不应用于样品气体管12，因为它对产物气体流中的HNCO量具有相当大的影响。而且，虽然相对惰性金属，如金，是可以接受的，但特别优选的，与HNCO接触的部件不应是金属的。

气室2是NDIR(非色散红外)气体分光计室。由于它在与反应产物接触的室表面设置有基本为惰性的金覆膜(未示出)，这样的室是有利的。气室2可容易地从该装置中移走，并且为模形式，因而它可以容易地由使用者拆开并重建以易于清洁。由于氨和一氧化二氮可能反应，在气室2的壁上形成硝酸铵固体，从而导致装置敏感性的降低，因此容易地除去及模制性是特别优选的。使用颗粒过滤器3帮助避免硝酸铵颗粒到达气室2。

本领域技术人员明白气泵可由任何通过该装置吸入空气的部件代替。这样的部件可使用正压(例如泵、风扇)或负压(真空泵)。理论上将真空泵放置在炉子组件1和气室2的下游。可以当样品已进行检测后在给定的周期上操作气泵6，以便于从装置的气体流路中冲走材料。这使样品间的交叉污染最小化。

本领域技术人员明白当使用红外辐射识别反应产物时，气室2的存在是特别优选的。然而，这样的腔室不是必须的。而且，如果使用其他检测技术(例如质谱)，那么使用感测腔室就不是优选的；炉子组件1的输出可以直接通入分光计或其他分析装置中。

红外检测器9优选能检测C-H键的伸缩，而且或替代地能产生参考信号。可以如此设置该装置：以使得如果参考信号低于预定水平，则显示器14显示这种情况已发生并且气室2需要清洁。

该装置进一步包括污染传感器(未示出)，该传感器感测装置内累积的污染物。这样的污染传感器优选与控制电子仪器13连接。

压力传感器10可由流量传感器代替。本领域技术人员应理解虽然是优选的，但压力传感器10对操作该装置不是重要的。

图3是用于图2装置中的炉子组件1的图示。炉子组件1包括：支架20、21(该支架用于支持其中形成有内腔31的陶瓷加热器22)，样品室密封塞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，气体入口端28，气体出口端27，NiCr加热丝29以及热电偶30。陶瓷加热器22是具有通体矩形内腔31的已经过机械加工的Macor(美国Corning公司)部件。内腔31沿加热器22的长度延伸。NiCr加热丝29基本绕加热器22的整个长度，并由快干水泥(未示出)固定，设计为在高温下操作。热电偶30由水泥固定并用作炉子组件1的温度控制机构部分。将支架20、21设置在加热器22的两端，支架20、21用来将炉子组件1安置在图1的装置中。支架20、21由PTFE制成，每一个都设置有圆柱形的穿孔分别作为样品的入口端25和出口端26。入口端25和出口端26使样品分别从内腔31通入、通出。入口端25和出口端26通常为圆柱形的穿孔但也可以为任何适宜的空穴。

支架20也设置有气体入口端28，通常为圆柱形穿孔形式。气体入口端28经由入口端25在加热器22的内腔31和图2装置的空气入口11之间形成气体连接。支架21设置有气体出口端27，通常也为圆柱穿孔的形式。气体出口端27经由出口端26和样品气体管12在加热器22的内腔31与气室2之间形成气体连接。

当将样品通入内腔之后以及加热步骤开始之前分别将样品室封闭塞23、24放在支架21、20之上。封闭塞23、24避免了经气体入口端28进入炉子组件1的空气泄漏，同时避免了由加热样品产生的反应产物的泄漏。该装置可设置有联锁器，以便如果炉子组件1未适当与该装置的其他部分连接，则在显示器14上显示适当的错误信息。

本领域技术人员应理解其他加热设置也是可以的。

图4显示了在根据本发明的装置中将AN/S样品加热至280℃并使之冷却所产生的红外光谱。检测器用于感测HNCO、二氧化碳和一氧化二氮。图4的数据显示HNCO、二氧化碳和一氧化二氮全都存在。这与试验样品中存在硝酸铵和糖是一致的。在大约4.4μm处的峰用于评定是否存在HNCO，并任选地评定存在多少。随一氧化二氮的吸收在约4.44μm处的HNCO峰消失，因此该峰优选不用于显示存在HNCO。

图5显示了当AN/S样品在根据本发明的装置中加热时，对应于随时间存在的HNCO、二氧化碳和一氧化二氮红外吸收信号的变化。通过一段时间，关掉加热器，加热器中的温度为大约280℃。由于HNCO峰与一个二氧化碳峰重叠(参见图4)，注意应将HNCO数据进行修正。参见图5，当加热器打开关闭时所观察到的吸收峰仅仅是与所用于获得数据的特定装置相关的人为试验现象。这样，已显示本发明的方法和装置可用于检测存在AN/S混合物。1-2mg样品在本发明的装置中产生满意的阳性结果。较少的样品也产生可接受的结果，但可信度降低。然而，本领域技术人员理解有许多方式可提高装置的敏感性，例如通过减少装置气体体积(通过减小内腔31、气室2及样品气体管12的容积)以及通过减小同HNCO接触的部件与HNCO的反应性。

本发明可用于检测其他形式的自制炸药，例如那些包含硝酸铵和燃油的那些(称为“ANFO”)。在本发明的装置中加热ANFO炸药样品会产生一氧化二氮、二氧化碳和至少一种烃。烃可方便地用IR光谱进行检测。

Claims (27)

1.一种用于检测含硝酸铵和糖的材料的方法，该方法包括感测异氰酸(HNCO)的存在。

2.根据权利要求1所述的方法，包括将该材料加热升温并感测异氰酸的存在。

3.根据权利要求2所述的方法，其中将该材料加热至大约280℃。

4.根据权利要求2和3之一所述的方法，其中在两性化学材料存在下加热该材料。

5.根据前述任一项权利要求所述的方法，进一步包括感测一氧化二氮(N₂O)的存在。

6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中使用红外光谱、气相色谱和质谱中的一种方法或多种方法感测异氰酸及任选的一氧化二氮的存在。

7.一种适于检测怀疑含有硝酸铵和糖的材料的装置，该装置包括与适于留存材料的样品储存器保持热连接的加热装置，该样品储存器与感测区域气体连通，该装置进一步设置有引导气流从样品储存器到达感测区域的部件以及在感测区域感测异氰酸存在的部件。

8.根据权利要求7所述的装置，其中感测区域在感测室内。

9.根据权利要求8所述的装置，其中样品储存器和感测室对异氰酸基本为惰性。

10.根据权利要求8和9之一所述的装置，其中感测室由聚四氟乙烯(PTFE)制成。

11.根据权利要求8-10任意一项所述的装置，其中感测室的至少部分表面由金覆盖。

12.根据权利要求7-11任意一项所述的装置，其中样品储存器包含两性化学材料。

13.根据权利要求12所述的装置，其中两性化学材料是陶瓷材料。

14.根据权利要求8-13任意一项所述的装置，其中样品储存器和感测室至少之一易于从该装置上移走。

15.根据权利要求8-14任意一项所述的装置，其中感测室为模形式，以便它能易于拆解进行清洁。

16.根据权利要求7-15任意一项所述的装置，进一步包括位于样品储存器和感测区域之间的气体通道中的颗粒过滤器。

17.根据权利要求7-16任意一项所述的装置，其中通过基本为化学惰性的管道设置样品储存器和感测区域之间的气体连通。

18.根据权利要求7-17任意一项所述的装置，其中该装置设置有在将气体吸入感测区域之前先将气体吸入样品储存器的入口。

19.根据权利要求18所述的装置，进一步包括用于除去二氧化碳的过滤器，该过滤器设置在入口和样品储存器之间的气体通道中。

20.根据权利要求7-19任意一项所述的装置，进一步包括用于感测流过至少部分该装置的气流的部件。

21.根据权利要求20所述的装置，进一步包括启动部件，该部件响应于感测气流的部件，用于控制感测部件。

22.根据权利要求7-21任意一项所述的装置，其中感测异氰酸的部件包括红外光源和检测器。

23.参照图2、3基本如上文中所述的一种装置。

24.基本如上文中所述的检测含硝酸铵和糖的材料的方法。

25.一种用于检测含硝酸铵和烃的材料的方法，该方法包括感测一氧化二氮、二氧化碳和烃中的至少一种的存在。

26.根据权利要求25所述的方法，包括感测一氧化二氮、二氧化碳和烃中的两种或三种。

27.根据权利要求25和26之一所述的方法，其中烃是以燃油的形式存在。

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