拉曼光谱在液体安检中的应用及发展趋势.docx

第 卷 第 期光散射学报 年 月 文章编号 ：（）拉曼光谱在液体安检中的应用及发展趋势王红球，张建红，张丽，（同方威视技术股份有限公司 ，北 京 ；清华大学工程物理系 ，北 京 ）摘 要：在民航 、轨 道交通 、重要场馆安保等领域的液体安检中 ，现在主要的技术有三种 ：介电常数测量技术 、 拉曼光谱分析技术以及基于 射线的检测技 术 ，但每种技术都不能单独地满足实际需求 。 拉曼光谱技术可 以在液体安检以及违禁品检测中发挥重要作用。未来拉曼光谱技术将在以下方面得到发展 ：、采 用新技术提 升仪器性能 ；、增加谱图库扩大技术的应用范围 ；、与表面增强拉曼光谱技术结合实现违禁品的探测 。关键词 ：拉 曼光谱 ；危 险品 ；液 体 ；安 全检查中图分类号 ：文献标志码 ： ， ，（， ，；，）： ，： ， ：， ；，；， ：； 引言欧盟民航会议 （ ，简称“”）最终 决定将于 年 月 起解除乘客携带液体上飞机的禁令。 这一决定曾 经数度被推 迟，其 原 因 在 于 世 界 范 围 内 液 体 安 检 的技术和设备始终无法满足民航部门对于安全检查的要 求。 经 过 世 界 多 家 厂 商 和 研 究 机 构 的 努 力，液体 安 检 的 技 术 取 得 了 显 著 的 进 步。 虽 然 现 在还没有单一的技术或产品能满足民航部门对于液体安检的 需 求，但 将 现 有 的 不 同 技 术 和 产 品 进 行组合，基 本 已 能 满 足 需 求。 而 这 些 技 术 的 组 合 中，几乎必不可少的就是拉曼光谱技术 。除了民航领域的液体 安检之外 ，其 他 常 规 公 共交通领域的液体安检需求也逐渐凸显。 国内几 次恶性事件的发生，如 年 月 日厦门的公 交车纵火案 和 年 月 日 成 都 公 交 车 纵 火 案，无不 造 成 了 人 员 的 大 量 伤 亡。 公 众 对 于 公 共 交通系统的液体安检也逐渐理解和接受。 人员密 集、空间密 闭 的 地 铁，以 及 速 度 极 快 的 高 铁，向 来收稿日期 ：； 修改稿日期 ：作者简介 ：王红球（年），男，工程师，主要从事拉曼光谱仪器及拉曼光谱技术应用研究，：第 期王红球 ：拉曼光谱在液体安检中的应用及发展趋势 是恐怖事件的高发地 ，一 旦发生恐怖袭击，极 易引 起巨大的伤亡。 例如 年伦敦地铁爆炸案，造 成人死 亡 和 一 百 多 人 受 伤。 年 韩 国 地 铁纵火案造成 人死亡， 人受伤， 人失踪。 国内的 地铁现在基本上都配备 了液 体 安 检 的 设 备，而高 铁 站 尚 未 配 备 液 体 安 检 设 备。 但 现 有 设 备的误报率极高，在 实际的使用过程中备受诟病。未来几年，全国还将新建公里地铁，高铁里程 也将达到万公里。同时，其液体安检的需求也 将逐渐提升。基于拉曼光谱技术的安检设备将作 为现有安检 技 术 的 升 级 和 替 代 技 术 ，在 这 一 领 域 发挥极为重要的作用。此外，在 博物馆、展 览中心、重 要场馆、大 型会 议等的安保 中，除 了 关 注 常 规 的 易 燃 易 爆 危 险 液 体外，还非 常 关 注 腐 蚀 性、氧 化 性及毒害性液体， 这是现有的 液 体 安 检 设 备 无 法 满 足 的 ，而 拉 曼 光 谱技术则能充分满足这一需求。除常规的安全检查市场外 ，边 防、海 关等地重 点关注的毒品及易制毒品的检查。 我国云南某一 个边防站 每 年 查 获 的 毒 品 数 量就可达几百公斤， 而查获的易制毒品则多达数百吨。 在易制毒品的 检测方面，拉 曼 光 谱 技 术 准 确、快 速、方 便 的 特 点 可以很好地发挥作用。 液体安检技术现状目前已知可以用来作为液体安检的技术有近 十种，而 其 中 几 种 尚 不 成 熟。 例如基于超声原理 的技术、康 普 顿 散 射 的 技 术 和 基 于 分 子 印 迹 的 技 术。这些技术虽然在某些特定的情况下能检测少 量危险品，但 截 至 目 前 尚 未 见 到 成 熟 可 用 的 产 品 面世。还有几种技术虽然已经运用到现有的安检 技术中，但 其 技 术 原 理 决 定 了 很 难 出 现 基 于 单 一 技术的产品，而是 只能作为其他技术的补充技术。 例如基 于加热原理的技术和基 于秤 重 原 理 的 技 术。现在比较 成 熟 的 液 体 安 检 技 术 ，大 致 可 分 为 如下三种：基于介 电常数测量的检测技术 、基 于 射线的检测技术和基于拉曼光谱的检测技术。 基于介电常数测量的检测技术该技术的基本原理是通过测量被测物的相对 介电常数来判定被测物是否安全。 由于不同极性 分子的介电 常 数 会 有 所 差 异 ，而不同介电常数的 液体会对周 边 的 电 磁 场 产 生 不 同 的 影 响 ，例 如 改 变平板间 的 电 容。 利 用 这 一 点，可 以 通 过 测 量 平 行平板间的电容或复阻抗来大致区分平板间液体分子的极 性。 由 于 水 分 子 的 极 性 较 强，而 油 类 分 子的极性较弱，因 此水的相对介电常数较高，而 油 的相对介电常数较低。 因此利用测量某一装置的 电容或复 阻 抗，就 可 以 将 油 和 水 区 分 开。 易 燃 易 爆危险液体大多是极性较弱的油类 （如 汽油、煤 油 等），而常见安全 品大多是水或者水溶液。 但这种 技术无法 检测危险性极高的双 氧水 （与 常 见 有 机 物如面粉等混合，就 能制成威力巨大的液体炸药） 和硫酸等强 氧 化 剂 和 强 腐 蚀 性 液 体 ，以 及 毒 害 性 液体。基于介电常数测量的检测技术可以检测易燃 易爆危险液 体，且 检 测 速 度 快，成 本 较 低，但 受 包 装形状、厚 度、容 量、尺 寸、材 质、甚 至 环 境 温 度 影 响较大，检测的误 报率很高，甚 至有些产品的误报率高达 以 上。 同 时，该 技 术 无 法 检 测 金 属 包 装的液体，通 常 这 些 技 术 会 集 成 一 种 其 他 技 术 来 检测金属包 装 的 液 体，例 如 通 过 加 热 的 方 式 来 测 比热容，或 者 通 过 秤 重 的 方 式 来 与 测 量 液 体 的 密度等。目前采用该技术的产品有日本东京燃气公司（）的 、意 大利 公司的 ，以及国 内 中 泰 通 公 司 的 和 瑞 源 公 司 的 瑞康 。这 些 产 品 主 要 应 用 到 国 内 的 地 铁 液 体安检中，图至图是上述款产品的图片。值 得一提的是，中泰 通和瑞源分别曾是 和 公司的代理商。 （） （） （）光散射学报第 卷 （） （） （） （） （中 泰通） 瑞康 （瑞 源） 基于 射线的检测技术该技术利用 双 能 或 多 能 的 射 线，通 过 多 个 视角或者螺 旋 方 式 对 被 测 物 进 行 扫 描 ，通 过 一 定 的算法，就能得到 被测物的密度和原子序数信息。 利用这两个维度的信息可以对大部分安全品和危 险品 进 行 区 分。 该 技 术 穿 透 玻 璃、塑 料、金 属、陶 瓷等各种材 料 的 包 装，可 以 在 不 开 瓶 的 状 态 下 对 被测物 进 行 检 测。 但 采 用 该 技 术 的 设 备 造 价 昂贵，且误报率较高（一般 以上），因 此使用的范 围有一定的局限，需要与其他技术结合起来使用 。 基于该技术的产品有 多种形式 ，例 如 同 方 威视技术有限公 司 （简 称 “威 视 股 份 ”）的 和英国 公司的是专门用来第 期王红球 ：拉曼光谱在液体安检中的应用及发展趋势 进行液体安检的设备 ，体 积相对较小，但 检测时间 都较长。此外，威 视 股 份 的 、德 国 的 和 美 国 公 司 的 ，将 液体安检的 功 能 和 行 李 物 品 的 检 查 集 成 起 来 ，可检测出藏在行李包裹中的危险液体 ，检 测速度快。 但误报率和 漏 报 率 都 较 高 ，只 适 合 于 危 险 液 体 的 初步筛查。图至图是上述款产品的图片。 基于拉曼光谱的检测技术该技术 的 原理是通 过 激光照射被测液体 ，测 量激光被液体散射后的光谱。 由于不同液体的分 子能级不同，从而 其拉曼散射光的光谱也就不同。 通过测量液 体 散 射 的 拉 曼 光 谱 ，就 可 以 识 别 被 测 液体的分 子，从 而 判 定 液 体 是 否 是 危 险 液 体。 由 于拉曼光谱 是 分 子 的 指 纹 光 谱 ，因 此 该 方 法 的 最 大优点是准确性高，能对被测液体进行定性检测 。其次，利 用 拉 曼光 谱 技 术 的可检测物质种类 很丰富，不仅可以检测易燃易爆的危险液体 ，还 可以检测双氧水、硫 酸、硝酸等氧化性和腐蚀 性液 体，以 及 一 些 农 药、化 学 战 剂 等 毒 害 性 液 体。 此 外，拉曼 光 谱 技 术还可以检测固体的 炸药、毒 品 等。因此，拉曼光 谱技术可以在机场、地 铁、高 铁、 博物馆、大型会议 等不同领域的安检中得到应用。 此外，利用 拉 曼 光 谱 技 术 还 能 检 测 液 态 的 易 制 毒 化学品以及 容 易 制 成 化 学 武 器 的 化 学 品 ，因 此 拉 曼光谱技术在海关、边 防等地的液体检查中，都 可 以得到很好的应用。由于激光和拉曼散射信号光一般都在可见和 近红外波段，穿透 能力有限，因此无法检测不 透明 包装的液 体。 在 使 用 时，需 要人工判断包装 是否 透明，这是拉曼光 谱技术最明显的缺点 ，因 此拉曼 光谱技术在安检领域中的定位于安检员的辅助鉴 别工具，而不是普检设备。目前基于拉曼光谱技术的液体安检设备在世 界范围 内 共 有 家，分 别 是 威 视 股 份 的 、 英国 公司的、德 国 公 司的 和美国 公 司 的 。此外，公安部三所 曾研制过基于该技术的 液体安检的样机。图 至图 是上述设备的图 片。 拉曼光谱在液体安检中的定位及要求通 过 对 上面 的 三 种技术 的分析和比较发现， 三种技术都有各自的优缺点。 虽然三种技术都能 解决部分液体安检的需求 ，但在实际的应用中 ，每 （） （） （） （）种技术都有一定的局限性。 目前尚不能通过单一 的技术 或 者 产 品 解 决 全 部 的 液 体 安 检 问 题。 对 此，欧盟民 航 各 安 检 部 门 所 采 用 的 方 式 是 通 过 两 种或者多种 具 有 互 补 性 的 技 术 组 合 ，来 实 现 对 液 体的全部检测。由于其他的技术都无法对液体进 行定性检测，因此，拉 曼光谱技术几乎成为各种组光散射学报第 卷合中必不可 少 的 技 术，作 为 透 明 包 装 液 体 的 筛 查 以及可 疑 液 体 的 二 次 取 样 检 测。 但 需 要 指 出 的 是，无论是采用两 种还是多种技术进行组合 ，都 不 足以形成液 体 安 检 的 完 全 解 决 方 案 ，因 此 技 术 手 段都只能成 为 安 检 人 员 的 辅 助 ，而 无 法 完 全 替 代 人的工作。在不 同 的 安 检 领 域 中，拉曼光谱技术可以发 挥的作用 不 尽 相 同。 在 民 航 液 体 安 检 领 域 ，拉 曼 光谱技术作 为 一 种 必 不 可 少 的 二 次 检 查 技 术 ，对 可以液体 进 行 取 样 检 测。 而 在 地 铁、高 铁 等 人 流 量大的场所，由 于 现 有 的 基 于 介 电 常 数 测 量 技 术 的设备误报 率 太 高 而 备 受 诟 病 ，而 准 确 性 更 高 的 拉曼光谱技术必将成为其替代和升级技术而得到 广泛的应用。同时，在 博物馆、大 型会议等有着特 殊安检需求 的 场 所，由 于 拉 曼 光 谱 技 术 的 可 检 测 种类更丰 富，因 此 也 可 以 发 挥 更 重 要 的 作 用。 而 在边防、海 关 等 地，拉 曼 光 谱 技 术 在 缉 毒 缉 私 ，尤 其在鉴别毒 品 和 易 制 毒 化 学 品 方 面 ，可 以 得 到 很 好的应用。随着拉曼光谱技术在不同领域的液体安检中 的应用越来 越 广 泛，不 同 领 域 的 液 体 安 检 需 求 不 尽相同，同 时 其 使 用 环 境 和 操 作 人 员 的 素 质 也 有 差异，因而 也 就 对 拉 曼 光 谱 技 术 和 设 备 的 发 展 提 出了更多更高的要求。这些要求具体体现在：（）设 备 性 能 指 标 和 价 格 的 多 样 化。 民 航 领 域要求检测 设 备 的 准 确 性 高 ，同时可以接受较高 的价格，而对检测 速度的要求并不是很高 ，通 常十 几秒甚至几十秒内即可。 而地铁和高铁的人流量巨大，要求检测速 度非常快，在几秒钟内就要 给出 结果，同时，地铁 和高铁要求设备的价格较低。 因 此针对不同 的 应 用 需 求 ，设 备 的 关 键 部 件 和 指 标 选择上都要有针对性地进行设计。（）环 境 适 应 性 和 可 靠 性 要 求 更 高。 与 传 统 的实验室设 备 相 比，安 检 现 场 的 使 用 环 境 比 实 验 室环境恶劣 和 复 杂 的 多 ，因 此 需 要 设 备 具 有 很 好 的环境适 应 性 和 运 行 的 可 靠 性。 例 如 高 低 温、湿 度、冲击、振动、防 尘、电 磁干扰等各方面。 只有解决好这些问 题，拉 曼 光 谱 技 术 才 能 从 实 验 室 仪 器 变成现场应用的设备。（）功能要求 更全面，智能化要求更高 。 由于 安检员及海 关 边 防 人 员 等 都 属 于 非 专 业 人 士 ，不 具备光谱学的基础知识 ，因 此，设 备必须做成具有 自动进行谱图采集、识 别、报 警、自 检、故 障诊断等 功能的智能化设备，同 时具备操作简单，结 果可靠等特点。这样才能使得拉曼光谱技术从一项分析 技术变成通 用 设 备，从 而 实 现 拉 曼 光 谱 技 术 在 实 际工作中的真正广泛应用。 拉曼光谱在安检领域的发展趋势现在，拉 曼 光 谱 技 术 在 安 检 领 域 已 经 得 到 了 很好的实际应用，取 得了良好的经济和社会效益。 在未来，拉 曼 光 谱 技 术 可 能 从 以 下 方 面 进 一 步 得 到发展，使 得 这 项 技 术 在 安 检 领 域 的 发 挥 更 大 的 作用。（）通 过 改 进 光 路 设 计、优 化 算 法 等 方 面，提 高拉曼光谱设备对于不同包装的适应性。 虽然现 有的产品能检测部分有色瓶 、半透明包装的液体 ， 但通过优化光路设计以及算法扣除等方式来减弱 包装对拉曼 信 号 的 影 响 ，从 而 扩 大 拉 曼 光 谱 的 包装适用范围。（）通 过 扩 大 谱 图 库 的 方 式 来 扩 充 设 备 的 可 检测范围。 拉 曼 光 谱 技 术 是 一 项 物 质 识 别 技 术， 除了检测液 体 危 险 品 之 外 ，还 可 以 检 测 固 体 危 险 品，以及其他危 险化学品。 同时，扩 充其他物质的 谱图库，如 珠 宝 玉 石、塑 料 等 的 谱 图 库，可 以 在 不同的领域发 挥 更 重 要 的 作 用 ，从 而 拓 展 设 备 的 使 用范围