美國“9·11”及英國爆炸案等事件發(fā)生后,引起了世界各國對(duì)安全防范的重視,紛紛投入經(jīng)費(fèi)研發(fā)反恐與智能化的安防監(jiān)控系統(tǒng)。這種智能安防系統(tǒng),除需要好的關(guān)鍵的軟件分析與識(shí)別功能外,還需要將成熟而可靠的現(xiàn)代高新技術(shù)引入到安防監(jiān)控中來。付里葉變換紅外光譜技術(shù)是先導(dǎo)的光子技術(shù)之一,也是現(xiàn)代最先進(jìn)的技術(shù)之一,本文簡介付里葉變換紅外光譜技術(shù)的系統(tǒng)組成、工作原理、類型、特點(diǎn)及其在安全中的應(yīng)用。
文/雷玉堂
大家知道,自美國“9·11”及英國爆炸案等事件發(fā)生后,引起了世界各國對(duì)安全防范的重視,尤其是發(fā)達(dá)國家,紛紛投入經(jīng)費(fèi)研發(fā)反恐與智能化的安防監(jiān)控系統(tǒng)。這種智能化的安防系統(tǒng),即可對(duì)人與物的異常行為進(jìn)行探測、分析、處理、識(shí)別,一旦發(fā)現(xiàn)異常,便可立即跟蹤與預(yù)/報(bào)警,排除爆炸物等,使事故消滅在萌芽之中。
顯然,要做到事前預(yù)/報(bào)警的可靠性,除需要好的軟件分析與識(shí)別功能外,還需要將成熟而可靠的現(xiàn)代高新技術(shù)引入到安防監(jiān)控中來。而付里葉變換紅外光譜技術(shù)是先導(dǎo)的光子技術(shù)之一,也是現(xiàn)代最先進(jìn)的技術(shù)之一,利用這種技術(shù)可根據(jù)殘余的爆炸物痕跡確定它的起源,或根據(jù)可恢復(fù)顯像芯片的爆炸現(xiàn)象確定犯罪分子留下的車輛牌號(hào)和年齡。并且,可用付里葉變換紅外光譜技術(shù)分析毒品的包裝袋,甚至能區(qū)分毒品的類型等。因此,這里再增加簡介一下付里葉變換紅外光譜技術(shù)的系統(tǒng)組成、工作原理、類型、特點(diǎn)及其在安全中的應(yīng)用。
系統(tǒng)組成、工作原理及類型
由近代光學(xué)得知,透鏡的相位變換作用使它具有獨(dú)特的付里葉變換功能,根據(jù)菲涅耳衍射原理,把一個(gè)二維光學(xué)圖像置于一個(gè)凸透鏡的前焦面上,并用垂直入射的單色相干光照明時(shí),可在透鏡的后焦面上得到該圖像的準(zhǔn)確的付里葉頻譜。這說明,利用透鏡可以用光學(xué)手段方便地實(shí)現(xiàn)二維圖像的付里葉變換。
實(shí)際上,圖像并非一定要置于透鏡的前焦面上才能得到它的付里葉頻譜,只要將它置于透鏡前任一離焦位置,甚至是置于透鏡后,都可在透鏡的后焦面上得到該圖像的付里葉頻譜。這與圖像置于透鏡的前焦面上的差別,僅僅是附加了一個(gè)與位置有關(guān)的相位因子,一般并不會(huì)改變付里葉頻譜的總體強(qiáng)度分布。
系統(tǒng)組成
付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)主要由光源(硅碳棒、高壓汞燈)、邁克爾遜干涉儀、檢測器、放大濾光、微型計(jì)算機(jī)和記錄儀等組成。
系統(tǒng)的核心部分是邁克爾遜干涉儀,它由光源、互相垂直排列的定鏡與動(dòng)鏡,以及與動(dòng)鏡、定鏡成45度的光束分裂器、檢測器等部件組成。
系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)的工作原理是,經(jīng)邁克爾遜干涉儀將樣品的信號(hào)以干涉圖的形式(檢測器輸出的信號(hào)經(jīng)放大濾光、模數(shù)轉(zhuǎn)換),送往微型計(jì)算機(jī)去進(jìn)行付里葉變換的數(shù)據(jù)處理,并進(jìn)行定性與定量分析,計(jì)算機(jī)將處理與分析的結(jié)果輸出,再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換,最后將干涉圖還原成光譜圖輸出來。[nextpage]
系統(tǒng)類型
付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)通常也分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類:
主動(dòng)式就是在待測對(duì)象兩端分別放置紅外輻射源和付里葉變換紅外光譜系統(tǒng),以測量待測對(duì)象對(duì)紅外輻射源發(fā)出的紅外光的吸收光譜,然后對(duì)其進(jìn)行定性與定量分析而得出結(jié)果。這種主動(dòng)式的特點(diǎn)是,具有較高的靈敏度,且受背景影響較小。
被動(dòng)式是使用付里葉變換紅外光譜系統(tǒng),直接遙測待測對(duì)象的自輻射的紅外光譜,然后再對(duì)其進(jìn)行定性與定量的分析而得出結(jié)果。這種被動(dòng)式的特點(diǎn)是,使用方便,并且可進(jìn)行流動(dòng)測定。
系統(tǒng)特點(diǎn)
付里葉變換紅外光譜技術(shù)是用于測量材料的紅外吸收和發(fā)射的主要方法,它所組成的檢測系統(tǒng)具有很多特點(diǎn):
1、掃描速度極快:付里葉變換紅外光譜系統(tǒng),在整個(gè)掃描時(shí)間內(nèi)同時(shí)測定所有頻率的信息,一般只要1秒左右,因此它可用于測定不穩(wěn)定物質(zhì)的紅外光譜。而色散型紅外光譜系統(tǒng),只能在任一瞬間觀測一個(gè)很窄的頻率范圍,它一次完整的掃描時(shí)間,通常需要8秒、15秒、甚至30秒等。
2、分辨力很高:一般,付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)的分辨力達(dá)0.1-0.005/cm;而一般棱鏡型的儀器的分辨力在1000/cm處有0.3/cm;光柵型的紅外光譜儀的分辨力也只有0.2/cm。
3、靈敏度高:由于付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)不用狹縫和單色器,且反射鏡面又大,因而能量損失小,所以到達(dá)檢測器的能量大,靈敏度高,可檢測到1×10-8g數(shù)量級(jí)的樣品。
4、光譜范圍寬:付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)的光譜范圍寬,一般在1000到10/cm。并且,利用多重濾光片,允許由單臺(tái)付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)同時(shí)分析幾種樣品。
5、檢測精度高:付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)能提供較大的光譜通過量,可把更多的紅外能量傳送到探測器上。這將把紅外頻率指向探測器,把探測器噪聲均勻地分配在整個(gè)光譜上。其檢測精度高,檢測的重復(fù)性可達(dá)0.1%。
6、抗干擾能力強(qiáng):付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng),受雜散光干擾小。即使是主動(dòng)式付里葉變換紅外光譜系統(tǒng),也受背景影響較小。并且樣品也不會(huì)受到紅外聚焦而產(chǎn)生熱效應(yīng)的影響。
7、使用方便:付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)使用方便,尤其被動(dòng)式系統(tǒng)是直接遙測待測對(duì)象的自輻射的紅外光譜,更方便進(jìn)行流動(dòng)測定。
在安全中的應(yīng)用
可進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測
人的生活環(huán)境的好壞,是人的生命安全的重要部分。因此,要注意對(duì)環(huán)境的監(jiān)測,以便隨時(shí)采取措施使之有利于人的生存環(huán)境。而現(xiàn)代光學(xué)中的付里葉變換紅外光譜法,是進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測的一種有效的好方法。
1、對(duì)大氣環(huán)境的監(jiān)測
當(dāng)前,全世畀面臨著全球變暖、臭氧層破壞、酸雨三大環(huán)境問題。對(duì)這種環(huán)境問題的研究,不僅需要大量的人力、物力與財(cái)力,還需要靈敏的能監(jiān)測污染物的設(shè)備,以定量測定工業(yè)污染源和非點(diǎn)源排放的污染物。而付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)為遙感測定大氣中的污染物提供了有效、準(zhǔn)確、靈敏、方便的監(jiān)測手段。它與常規(guī)的監(jiān)測方法相比,不需要進(jìn)行采樣、樣品前處理、實(shí)驗(yàn)室分析,便可直接對(duì)污染源進(jìn)行無損、無干擾、無影響地連續(xù)測定。[nextpage]
由于付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)采用非色散光譜技術(shù),同時(shí)能夠測量很寬的紅外波段范圍,因而可測定多組分的污染物,以及污染物的輸送、擴(kuò)散和變化情況。此外,因?yàn)闇y量距離遠(yuǎn),范圍較大,可以測定一定范圍內(nèi)的一些污染物的總量。尤其在大氣光化學(xué)反應(yīng)、污染物的示蹤實(shí)驗(yàn)等方面,不論是地面還是高空測量,它都是一種經(jīng)濟(jì)和技術(shù)均可行的方法。
如對(duì)煉油廠煙囪頂進(jìn)行約1.4Km的遠(yuǎn)距離長光程紅外吸收測定。測出的污染物有丙烯、乙烯、己烷、二氧化硫、甲醇等不同的濃度。又如對(duì)水泥廠燒結(jié)窯排放氣體用約2Km的長光程吸收法測量(排放氣體溫度400K),測出不同濃度的氨、一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化硫、氯化氫、氟化氫、甲醛等污染物。
此外,甲烷是一種對(duì)全球變暖作用顯著的重要?dú)怏w,而人為排放的甲烷大部分來自垃圾填埋場。利用付里葉變換紅外光譜系統(tǒng),可測定垃圾填埋場甲烷等的濃度值。
2、對(duì)水環(huán)境的監(jiān)測
水體中的有機(jī)污染物種類繁多、含量低、變化大,使用常規(guī)的紅外光譜法測定會(huì)遇到很大的困難。而使用付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)測定水體中的有機(jī)污染物,可取得良好的效果。
通常,使用親酯性鍍硅膜的內(nèi)反射組件(SRE)為付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)中可更換的探測器,可測定水中的污染物。實(shí)際上是將這種由純凈的十八烷基三氯硅烷制成的親酯鍍硅膜探測器,安裝在有多層光導(dǎo)晶體的反射池中即可進(jìn)行測定。其測定結(jié)果表明,不論是理論上還是實(shí)驗(yàn)結(jié)果,都確認(rèn)了被安裝在多層光導(dǎo)晶體上的探測器,可以測定水中的正己烷等有機(jī)污染物。
硫脲是重要的化工原料,也是癌癥非正式的指示劑,而在一些藥廠排放的污水中即含有一定的硫脲。但由于農(nóng)藥廠排放的污水中的成分復(fù)雜、干擾嚴(yán)重,許多方法測定硫脲有一定的困難。而利用全反射付里葉變換紅外光譜法,可定量測定在硫化物存在的條件下,經(jīng)硫酸酸化的水溶液中的硫脲。在高濃度的硫化物和無機(jī)鹽存在的條件下,可用于14種含硫脲溶液的測定。該方法測定簡單、快速、準(zhǔn)確,其相對(duì)誤差在0.07%,并且還有效地應(yīng)用于礦石和精礦中黃金的浸提實(shí)驗(yàn)的研究之中。
可進(jìn)行安全檢測
眾所周知,自美國“9·11”及英國爆炸案等事件發(fā)生后,能檢測與識(shí)別恐怖分子攜帶的武器和炸藥等是很重要的。而利用被動(dòng)式付里葉變換紅外光譜系統(tǒng),能感受到隱藏武器和炸藥等發(fā)射的光線,并根據(jù)其輸出的頻譜,識(shí)別出武器或炸藥等。四級(jí)共振(QR)技術(shù)探測隱藏在旅客行李中的炸藥和非法毒品最有效,現(xiàn)已為機(jī)場安全應(yīng)用。
付里葉變換紅外光譜技術(shù)是現(xiàn)代最先進(jìn)的技術(shù)之一,利用這種技術(shù)可根據(jù)殘余的爆炸物痕跡確定它的起源,或根據(jù)可恢復(fù)顯像芯片的爆炸現(xiàn)象確定犯罪分子留下的車輛牌號(hào)和年齡,因而也方便破案和抓捕罪犯。
最危險(xiǎn)的化學(xué)毒劑包含致命的神經(jīng)毒氣沙林、氰化物、光氣和芥子氣,它們都能造成人員的大量死亡。因?yàn)檫@些襲擊的發(fā)生是以蒸氣或氣溶膠的形式緩慢泄放,而且又是秘密進(jìn)行的,因而探測將相當(dāng)緩慢和困難。并且,由于化學(xué)毒劑顆粒尺寸小和化學(xué)成分單一,用光譜探測比較靈敏,所以應(yīng)用付里葉變換紅外光譜技術(shù)探測靈敏而容易。[nextpage]
可進(jìn)行毒品檢測及提取罪犯的證據(jù)
目前,打擊犯罪組織面對(duì)的是一群不顧人的生命和財(cái)產(chǎn)的狡猾犯罪分子的新挑戰(zhàn),且毒品偵察是法制年代所面臨的主要問題。因此,需要快速探測與識(shí)別毒品及其成分,而利用付里葉變換紅外光譜技術(shù)即能解決此問題。
付里葉變換紅外光譜技術(shù)現(xiàn)已被國際上的主要犯罪實(shí)驗(yàn)室廣泛使用,因?yàn)樗峁┙o研究人員一種快而可靠的方法,以便決定毒品販子或罪犯的嫌疑證據(jù)。因?yàn)楦独锶~變換紅外光譜技術(shù)能得到分子的信息,并很容易區(qū)分不同的同質(zhì)異構(gòu)體,而使用氣體色譜-質(zhì)譜技術(shù)則很難區(qū)分。在甲苯丙胺和二甲苯乙胺毒品情況中,調(diào)查人員選用付里葉變換紅外光譜技術(shù)可得到清楚而可靠的讀數(shù)。此外,付里葉變換紅外光譜技術(shù)能確切區(qū)分裂化可卡因和鹽酸可卡因,而氣體色譜-質(zhì)譜技術(shù)則不能區(qū)分。
付里葉變換紅外光譜技術(shù)能從一滴血中提供脫氧核糖核酸證據(jù),這樣可排除性襲擊案件的嫌疑犯或加強(qiáng)起訴證據(jù)。有經(jīng)驗(yàn)的化學(xué)家能使用付里葉變換紅外光譜技術(shù)分析毒品的包裝袋,甚至能區(qū)分毒品的類型。因此,該技術(shù)為法醫(yī)、犯罪實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)人等,提供了一個(gè)高精度和可靠性的正確手段。
可監(jiān)控食品的安全
食品的安全監(jiān)控也是非常重要的,而付里葉變換紅外光譜技術(shù)可應(yīng)用于食品加工工業(yè)中的快速分析和精確監(jiān)控。首先鑒定在食品的配料中有無致命的細(xì)菌存在,或在細(xì)菌出現(xiàn)之前避免在烹調(diào)中發(fā)生任何問題。而不可靠的食品分析或檢測會(huì)產(chǎn)生食品中毒,并導(dǎo)致與消費(fèi)者昂貴的法律訴訟。利用付里葉變換紅外光譜技術(shù)則可安全、可靠、有效和十分簡明地進(jìn)行食品的分析和監(jiān)控。
付里葉變換紅外光譜技術(shù)能得到分子的信息,以及得到像糖或使糕餅松脆的油等材料明確的識(shí)別。如食品加工者在食品產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)黑色條紋,若是油脂狀物,最適于用付里葉變換紅外光譜技術(shù)檢測。此外,用付里葉變換紅外光譜技術(shù)能比較容易地識(shí)別食油的產(chǎn)地,而用付里葉變換拉曼光譜技術(shù)能適合作可靠食油和摻假混合食油之間的鑒別等。
可監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)過程
付里葉變換紅外光譜技術(shù)能監(jiān)視和控制工業(yè)生產(chǎn)過程,如半導(dǎo)體生產(chǎn)過程。例如,在復(fù)雜的多層制作布線圖案的芯片腐蝕期間,可靠監(jiān)視腐蝕過程最好是用付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)。它為優(yōu)化等離子體功率提供可靠的方法,盡量使有效腐蝕部分最大。在腐蝕過程中,沒有其它傳感器能夠達(dá)到或超過付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)的性能水平。
半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中排出的氣體,一般是含有有毒的溫室氣體,因而不適合于排放到大氣中。在除氣系統(tǒng)前后,用付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)采樣排氣含量,如CO、NO、SiF4、C2F6、CF4等,它為分析和鑒別排氣中存在的氣體組分提供可靠的方法。并且,也能用來測量除氣系統(tǒng)的破壞效果和潛在的二次污染的產(chǎn)生率??傊?,付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)在這里是氣體監(jiān)控系統(tǒng),它為從除氣系統(tǒng)廢氣排放到半導(dǎo)體加工室整個(gè)工藝過程,提供定性定量的測量與監(jiān)控,并且快速、一致性好。
結(jié)語
以上只敘述了付里葉變換紅外光譜技術(shù)這一先導(dǎo)光子技術(shù)在安全中的應(yīng)用。值得指出的是,根據(jù)分子光譜理論,在分子振動(dòng)過程中,極化率發(fā)生變化會(huì)有拉曼散射光譜,而偶極矩發(fā)生變化則產(chǎn)生紅外光譜。因此,付里葉變換紅外與拉曼這兩種光譜技術(shù)是相互補(bǔ)充的,人們可以從它們間的結(jié)合中獲得關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的豐富而完整的信息。
付里葉變換紅外光譜技術(shù)主要用于測量材料紅外吸收與發(fā)射,而拉曼光譜技術(shù)主要進(jìn)行分子的轉(zhuǎn)動(dòng)與振動(dòng)的研究。付里葉變換拉曼光譜技術(shù)能快速查明化學(xué)成分而不需要復(fù)雜的處理。它可用來偵察被懷疑的透明毒液容器或玻璃試管,并能透過毒品犯廣泛使用的玻璃和塑料薄膜袋進(jìn)行取樣。上述二種技術(shù)可用于偵察致命的爆炸物痕跡,包括塞姆汀塑膠炸藥、粉末炸藥和三硝基甲苯炸藥等,目前正考慮將它們用作防生物恐怖主義。