城市軌道交通常見爆炸物及爆炸危險品的檢測方法*

韓 峰 張振一

(公安部第三研究所國家安全防范報警系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(上海)，200031，上海 ∥ 第一作者，副研究員)

近年來，國內(nèi)外城市軌道交通中使用爆炸危險品的恐怖襲擊事件頻發(fā)，而由各類爆炸危險品造成的財產(chǎn)損失和人員傷亡程度也不斷提高，因此防爆反恐形勢需不斷升級。為最大可能地防患于未然，需要對潛在爆炸危險品的檢測方法進(jìn)行技術(shù)升級。在實際應(yīng)用環(huán)境中，各類爆炸危險化學(xué)品的種類不斷增加，研制技術(shù)不斷進(jìn)步，已形成“道高一尺、魔高一丈”的局面。通過近期香港發(fā)生的一系列暴徒襲擊事件來看，各類爆炸危險品廣泛存在于民間，因此城市軌道交通爆炸危險品安檢技術(shù)亦須“水漲船高”[1]。

1 爆炸危險品的定義及分類

危險品在常規(guī)定義下是指具有易燃、爆炸、毒害、放射性、腐蝕等危險性質(zhì)，并在物品運輸、使用、裝卸、保存等過程中容易引起爆炸、燃燒等引發(fā)人員傷亡和財產(chǎn)損失事故的物品。根據(jù)GB 13690—1992《常用危險化學(xué)品的分類及標(biāo)志》及GB 6944—1986《危險貨物分類和品名編號》兩個強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，將危險品分為8類：①爆炸品；②毒害品和感染性物品；③易燃液體；④易燃固體、自燃物品和遇濕易燃物品；⑤壓縮氣體和液化氣體；⑥放射性物品；⑦氧化劑和有機(jī)過氧化物；⑧腐蝕品。

經(jīng)上述定義，認(rèn)為爆炸品涵蓋在危險品范圍內(nèi)，一般在國際爆炸危險品研究領(lǐng)域是指《國際海運危險貨物規(guī)則》中列為第1類的危險貨物。常見的爆炸品分為以下6類：①具有整體爆炸危險的爆炸品；②具有拋射危險但無整體爆炸危險的爆炸品；③具有燃燒危險并兼有較小爆炸(局部爆炸)或較小拋射(局部拋射)危險之一，或兼有這兩種危險但無整體危險、無重大危險的爆炸品；④具有整體爆炸危險的極不敏感的爆炸品；⑤不具有整體爆炸危險的極不敏感的物質(zhì)、物品；⑥無重大危險的物質(zhì)或物品。

2 爆炸物及爆炸危險品物質(zhì)歸類

1) 目前，行業(yè)內(nèi)常見的爆炸危險品物質(zhì)包含：梯恩梯(TNT)、硝化甘油(NG)、硝酸銨(AN)、黑火藥(BP)、黑索今(RDX)、太安(PETN)、二硝基甲苯(DNT)、奧克托今(HMX)、特屈兒(TETRYL)、硝基苯(NT)、硝基甲苯(MNT)、C4、賽姆汀(Semtex)、苦味酸、硝基胍、硝基甲烷、銨梯、銨黑、銨膨及復(fù)合炸藥等。

2) 常見壓縮氣體和液化氣體包含：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、各類殺蟲劑及清洗劑等。

3) 常見易燃液體包含：汽油、乙醇、二甲苯、煤油、油漆及膠粘劑等。

4) 常見易燃、自燃、遇濕自燃物質(zhì)包含：紅磷、碳粉、煤粉、賽璐珞、金屬鎂錳鈦鋰鈉鉀鋅及黃磷等。

5) 常見氧化劑和有機(jī)過氧化物包括：氯酸銨、氯酸鉀、過氧化氫、硝酸鍶及硝酸鋇等。

6) 常見毒害品包括：氰化物、四氯乙烯、苯酚、甲酚及磷化物等。

7) 常見腐蝕品包括：硝酸、硫酸、過氧酸、磷酸、丙酸、乙酸、氧化鉀、氫氧化鉀及馬琳等。

3 爆炸危險品物質(zhì)的檢測原理分類

根據(jù)目前國內(nèi)城市軌道交通常用的安檢設(shè)備統(tǒng)計數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)爆炸危險品物質(zhì)的檢測原理主要分為3類：

1) 根據(jù)爆炸危險品物質(zhì)對各頻段電磁波的吸收、反射、散射特性不同，檢測主要包括拉曼光譜技術(shù)、太赫茲技術(shù)、毫米波技術(shù)、X射線技術(shù)等，且檢測主要利用圖譜特征進(jìn)行物質(zhì)分析。

2) 基于爆炸危險物品的微小粒子較為活躍，會附著在其他材料表面，如衣物、包裝等，可結(jié)合氣味甄別(警犬)、痕量檢測技術(shù)等偵測手段進(jìn)行甄別。

3) 基于爆炸危險品的分子結(jié)構(gòu)中C、H、N、O的成分占比與其他類物質(zhì)(原子)差異較大，尤其是N、O原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性，具有非常明顯的特征，檢測主要包括分子分析技術(shù)、離子遷移譜技術(shù)等。雖然部分設(shè)備也通過圖譜進(jìn)行分析，但與第一類檢測原理不同的是該類技術(shù)是通過物質(zhì)分析進(jìn)一步確定樣品類別的。

4 常用的爆炸危險品物質(zhì)新型檢測技術(shù)原理解析及對比

4.1 拉曼光譜技術(shù)

拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，該技術(shù)對物質(zhì)純度分析、定性分析和分子結(jié)構(gòu)分析都具有很大研究價值。采用拉曼光譜技術(shù)對物質(zhì)樣本檢測具有試樣制備簡單、速度快、結(jié)果一致性高及環(huán)境要求低等優(yōu)勢。

拉曼光譜技術(shù)是C.V.拉曼于1928年在試驗中發(fā)現(xiàn)的。其發(fā)現(xiàn)當(dāng)用波長遠(yuǎn)小于樣品顆粒的光束照射透明氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)樣品時，除大部分按原來的光波波長散射外，還有一部分的散射光發(fā)生了頻率漂移，這種現(xiàn)象被稱為拉曼散射現(xiàn)象。在透明介質(zhì)的散射光譜中，與入射光頻率ν0相同的光波稱為瑞利散射光；頻率對稱分布在ν0兩側(cè)的譜線或譜帶ν0±Δν即為拉曼光譜。當(dāng)入射光子與樣品分子發(fā)生非彈性散射時，若分子吸收的能量大于釋放的能量，則樣本分子吸收頻率為ν0的光子，發(fā)射頻率為ν0-Δν的光子，同時樣品分子從低能級向高能級發(fā)生躍遷，因此產(chǎn)生斯托克斯譜線；相反，若分子釋放的能量大于吸收的能量，即分子釋放頻率為ν0的光子，發(fā)射頻率為ν0+Δν的光子，同時分子從高能級向低能級發(fā)生躍遷，隨即產(chǎn)生反斯托克斯譜線。瑞利散射與拉曼散射的原理如圖1所示。

圖1 瑞利散射與拉曼散射的原理示意圖

由于常見爆炸危險品在分子結(jié)構(gòu)中擁有特定的結(jié)構(gòu)，具有獨特的拉曼特征位移峰，且每個位移峰的信噪比都非常高，因此采用拉曼光譜法進(jìn)行成分分析，可以得到質(zhì)量非常高的拉曼譜圖，通過與標(biāo)準(zhǔn)樣品的特征譜庫進(jìn)行比對，從而進(jìn)行爆炸危險品的成分分析。另一方面，由于激光拉曼光譜分析儀器一般都具有顆粒分析能力，即使爆炸危險品和其他粉末狀物質(zhì)混和在一起，也可以通過復(fù)合拉曼光譜分析技術(shù)對其進(jìn)行識別，即通過與不摻雜爆炸危險品粉末的拉曼光譜圖對比，找出具有差異的拉曼特征峰。

拉曼光譜儀的技術(shù)核心在于拉曼激光器，而隨著激光器技術(shù)的不斷更新，激光器的單色性更好、譜線更窄、光強(qiáng)更高、相干性更突出，使得拉曼光譜儀的分析精度得到了提高，進(jìn)而促進(jìn)拉曼光譜分析技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

4.2 太赫茲技術(shù)

太赫茲波(THz)由Fleming于20世紀(jì)70年代提出，是指頻率介于0.1 THz和10 THz之間的電磁輻射，在電磁波譜上位于微波和遠(yuǎn)紅外線之間(見圖2)。由于大多數(shù)爆炸物危險品在THz波段存在特征比較明顯的吸收譜，因此可以將THz分析技術(shù)作為爆炸危險品的檢測手段之一。典型的THz時域譜分析系統(tǒng)是由超快脈沖激光器、THz發(fā)射元件、探測和時間延遲控制系統(tǒng)等組成。激光器產(chǎn)生具有飛秒脈寬的激光脈沖串列，被光學(xué)元件分為兩路，一路激發(fā)THz發(fā)射元件產(chǎn)生THz電磁波，另一路作為探測光與THz脈沖匯合后共線通過THz探測元件，經(jīng)差分分析得到吸收譜，進(jìn)而完成爆炸危險品的成分分析[2]。

圖2 THz頻段在電磁波頻段內(nèi)的位置

此外，THz脈沖光源與傳統(tǒng)拉曼激光光源相比具有較多獨特的性質(zhì)[3]：

1) 由于THz脈沖的典型脈寬為皮秒級，不但可以較方便地進(jìn)行時域測量研究，而且能夠有效地抑制背景噪聲干擾。

2) 由于THz脈沖源通常只包含若干個周期的電磁振蕩，因此單個脈沖的頻帶可覆蓋從GHz至幾十THz的范圍，具有極大的帶寬空間。

3) 由于THz的相干性源于其產(chǎn)生機(jī)制，它是由相干電流驅(qū)動的偶極子振蕩產(chǎn)生，或是由相干的激光脈沖通過非線性光學(xué)差頻變換產(chǎn)生，因此其相干性比較突出。

4) 由于THz光子的能量非常低，只有毫電子伏特，與X射線相差7個數(shù)量級，因此不容易破壞被檢測的物質(zhì)，這對爆炸危險品而言是非常重要的。因此，在樣本檢測過程中，極大地提高了檢測過程的安全性。

5) 極性分子，如水分子等對THz波的吸收特別明顯，因此，在實際檢測中，可去除樣本中極性分子雜質(zhì)的干擾。

6) THz波對于衣物等大多數(shù)包裝材料具有很強(qiáng)的穿透力,對物質(zhì)的檢測可以做到高靈敏、無損傷和遠(yuǎn)距離,因此，在反恐、毒品及安全檢測等方面具有顯著潛在優(yōu)勢。

由于目前THz技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈還未十分成熟，因此，其研發(fā)使用成本非常高昂，成為了制約其廣泛應(yīng)用的最大因素。

4.3 離子遷移譜技術(shù)

離子遷移譜(Ion Mobility Spectrometry, IMS)的檢測原理是：樣品由載體帶入電離反應(yīng)區(qū)后，載體分子和樣品分子在離子源的作用下發(fā)生一系列的電離反應(yīng)和離子分子反應(yīng)，形成各種產(chǎn)物的分子離子團(tuán)；在電場的驅(qū)使下，這些分子離子團(tuán)通過周期性開啟的離子門進(jìn)入漂移區(qū)域[4]；在與逆流的中性氣體分子不斷碰撞過程中，由于這些離子在電場中各自遷移速率不同，使得不同的離子得到分離，先后到達(dá)收集端被檢測；由于不同分子離子團(tuán)遷移的速度與質(zhì)量、體積及所帶電荷有關(guān)，在圖譜上就可以通過尖峰的分布區(qū)分不同的物質(zhì)。圖3為離子遷移譜原理圖。IMS技術(shù)具備能在大氣壓力條件下工作、探測靈敏度高、分析時間快、體積小、質(zhì)量輕和功耗低等特點，目前已成為最具實用性的痕量檢測方法，在毒品、爆炸物探測、化學(xué)戰(zhàn)劑檢測及工廠有毒氣體監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。

圖3 離子遷移譜原理圖

離子遷移譜和質(zhì)譜技術(shù)的原理有相同之處，亦有不同之處。兩者均需先對目標(biāo)物實施離子化，所以兩者都有離子源；最終經(jīng)過分離、檢測的都是離子，檢測器基本也相同；兩者既可以檢測正離子，也可以檢測負(fù)離子。兩者最主要的差異為離子的分離過程：離子遷移技術(shù)是利用離子的淌度不同分離離子，在離子遷移管中完成，離子的淌度與離子的電荷數(shù)、離子的體積及空間幾何形狀(碰撞截面)有關(guān)；而質(zhì)譜技術(shù)則是利用離子的質(zhì)荷比不同分離離子，在質(zhì)量分析器中完成，質(zhì)荷比取決于離子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)。

5 結(jié)語

本文對目前國內(nèi)城市軌道交通部門常規(guī)采用的3種爆炸物危險品檢測方法進(jìn)行了原理性闡述及優(yōu)缺點對比。隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，新型的爆炸物危險品檢測手段也會層出不窮，包括核磁共振等，但是由于新技術(shù)的設(shè)備成本較高且相應(yīng)的爆炸物危險品圖譜不完整，因此一直未得到充分的應(yīng)用；另一方面，爆炸物危險品的種類也在不斷地升級，還有待于研究人員進(jìn)行更加充分的學(xué)習(xí)和研究，新技術(shù)研發(fā)工作仍然“任重道遠(yuǎn)”。