Detekcja materiałów wybuchowych

Detektory podręczne i stacjonarne są wykorzystywane do kontroli osób bądź przedmiotów czy pojazdów pod kątem śladowych ilości materiałów wybuchowych pozostawionych przez osoby mające kontakt z tymi substancjami. Próbki zbiera się na odpowiednie paski przede wszystkim z miejsc najczęściej dotykanych przez osoby kontrolowane jak kierownica w pojazdach, laptopy, telefony komórkowe, paski, listy itp. Po pobraniu próbki taki pasek umieszczany jest w analizatorze, gdzie następuje analiza i określenie czy zebrana substancja może być potencjalnie materiałem wybuchowym.  Niektóre rodzaje detektorów przenośnych mają również możliwość wykrywania oparów materiałów wybuchowych, jednak tego typu analizy obarczone są wieloma niedogodnościami, które zostaną opisane w dalszej części artykułu.

Obecnie na rynku dostępnych jest wiele detektorów materiałów wybuchowych z których każdy wykorzystuje zupełnie inne techniki analityczne. Każda z tych technik pozwala na efektywne wykorzystanie urządzenia detekcyjnego w innych rodzajach analiz. Należy rozważyć czy detektor którego poszukujemy ma nam posłużyć do detekcji śladowych ilości substancji czy wymagamy identyfikacji substancji w dużych ilościach (identyfikacja płynów, proszków i ciał stałych).

Jeżeli chcemy wykrywać zarówno śladowe ilości substancji, a także i mieć możliwość identyfikacji większych ilości substancji należy wyposażyć się w dwa różne aparaty. Wykorzystując do takiej aplikacji na przykład tylko technikę IMS ryzykujemy zabrudzeniem a wręcz nawet uszkodzeniem detektora jeżeli wprowadzona próbka będzie o zbyt wysokim stężeniu. Dodatkowo detektory śladowych ilości materiałów wybuchowych nie mają możliwości dokładnej i jednoznacznej identyfikacji materiału. Najczęściej sygnalizują tylko, że został wykryty potencjalny materiał wybuchowy (bez podanie konkretnie jaki) lub podają klasę lub grupę materiału wybuchowego. Przykładowe techniki pomiarowe w zależności od ilości analizowanej substancji zostały przedstawione na rysunku 1.

Techniki kolorymetryczne

Jest to jedna z najbardziej rozpowszechnionych technik do detekcji materiałów wybuchowych. Pozwala na wykrywanie niewielkich ilości materiałów wybuchowych natomiast jej czułość nie może być porównywana z detektorami śladowych ilości (ETD).  Systemy tego typu pozwalają na wykrywanie materiałów w ilości mikrogramów. Technika ta wykorzystuje do detekcji tzw. "mokrą chemię". Próbka pobierana jest z powierzchni na odpowiedni papier lub kartę detekcyjną. Następnie na zebraną próbkę nakłada się odpowiednią mieszaninę odczynników chemicznych (w formie sprayu lub po rozbiciu ampułek z cieczami). Jeżeli mieszanka odczynników wejdzie w kontakt z materiałem wybuchowym dochodzi  do reakcji barwnej. Zmianę koloru uzyskuje się zazwyczaj w czasie ok. 30 sekund od zadozowania odczynnika. Niezależnie od tego czy wynik jest pozytywny czy negatywny elementy do pobierania próbek należy wyrzucić. Wszystkie elementy zużywalne wykorzystywane w tej technice pomiarowej są jednokrotnego użytku. Jest to technika łatwa i w miarę szybka, dobrze nadaje się do kontroli pozostałości substancji w pojemnikach czy niewielkich ilości substancji nieznanego pochodzenia na przedmiotach.

Spektroskopia molekularna - Raman i FTIR

Spektroskopia molekularna jest bardzo dobrym rozwiązaniem jeżeli wymagamy identyfikacji konkretnych substancji. Aparaty tego typu są w stanie rozróżniać i jednoznacznie identyfikować setki różnych materiałów wybuchowych, a także ich prekursorów i substancji pomocniczych. Przy zastosowaniu tej techniki konieczna jest widoczna ilość materiału (miligramy lub więcej). Czas analizy i identyfikacji ściśle zależy od badanej substancji i wynosi średnio od kilku do kilkudziesięciu sekund. Urządzenia tego typu są dość proste w obsłudze a także łatwo operator może rozbudowywać bazy danych tych aparatów o nowe substancje chemiczne. Techniki te nie wymagają użycia jakichkolwiek odczynników i nie wymagają przygotowywania próbek do analizy. Tego typu aparaty są idealnym rozwiązaniem dla grup pirotechnicznych, ekspertów kryminalistycznych i innych służb dla których konkretna identyfikacja nieznanej substancji jest kluczowa. Również idealnie nadają się jako kolejny etap po wykryciu podejrzanego materiału (płyny w butelkach, nieznane proszki, tabletki itp.).

Technika spektrometrii ruchliwości jonów - IMS

Technika IMS jest bardzo popularna zarówno w aplikacjach stacjonarnych (np. Porty Lotnicze) jak i w aplikacjach mobilnych. Pozwala ona na wykrywanie śladowych ilości materiałów wybuchowych zarówno z powierzchni jak i oparów. Aparaty tego typu zasysają pobraną próbkę do komory reakcyjnej, gdzie następnie jest ona jonizowana. Po tym etapie jony kierowane są do tuby wyposażonej w metalowe pierścienie do których przyłożone jest napięcie. Detekcja materiałów odbywa się na zasadzie pomiaru czasu przelotu jonów w polu elektrycznym.

Proces zasysania próbki do komory może być niestety przyczyną wielu problemów szczególnie w przypadku urządzeń przenośnych. Wszelkie zanieczyszczenia, które dostaną się do wnętrza aparatu muszą zostać wypalone i usunięte co czasami może być bardzo długotrwałym procesem. Zdarzają się również przypadki, że wprowadzenie zbyt dużej ilości substancji praktycznie uniemożliwia automatyczne oczyszczenie komory i wtedy aparat musi  zostać wysłany do naprawy w specjalistycznym serwisie. Spektrometry IMS cechują się dość długim czasem uruchamiania (od 30 minut do nawet godziny), również po pozytywnym wyniku detekcji aparat wymaga odpowiedniej czasu na oczyszczenie komory co może trwać od 5 minut do nawet godziny. Czasy analiz są krótkie od 10-20 sekund, a elementy do pobierania próbek po wyniku negatywnym mogą być wykorzystane ponownie co pozwala na zredukowanie kosztów analiz.

Systemy tego typu ze względu na dość długi czas przygotowania do pracy rekomendowane są raczej do aplikacji stacjonarnych, gdzie urządzenia są cały czas uruchomione i nie jest konieczne ich częste włączanie i wyłączanie.

Technika fluorescencji

Jest to jedna z najbardziej czułych technik detekcyjnych, pozwala na wykrycie śladowych ilości materiałów wybuchowych już na poziomie pikogramów, zarówno na powierzchniach (analiza cząstek) jak i w postaci oparów. Jest bardziej czuła od techniki IMS natomiast nie jest obarczona takimi ograniczeniami i problemami technicznymi . Aparaty tego typu wykorzystują wielokanałowe sensory polimerowe które pod wpływem kontaktu z materiałem wybuchowych emitują światło (fluorescencja). Zjawisko to jest reakcją chemiczną dlatego też sensory są jednym z elementów zużywalnych w tego typu aparatach. Paski do pobierania próbek w przypadku wyniku negatywnego, w przeciwieństwie do detektorów kolorymetrycznych mogą być wykorzystane ponownie co pozwala na zredukowanie kosztów analizy.

Czas przygotowania do pracy tego typu urządzeń jest znacznie krótszy niż w technice IMS (3-5 minut), ponieważ systemy te nie posiadają komory reakcyjnej, która wymaga odpowiedniej temperatury pracy. Nie zasysają również próbki do wnętrza urządzenia, dzięki czemu nie ma ryzyka "zatrucia" aparatu w przypadku wprowadzenia zbyt dużej ilości materiału wybuchowego. Czasy analiz dla tej techniki pomiarowej wynoszą od 10-20 sekund, natomiast po pozytywnym wyniku detekcji już w kilka sekund aparat jest ponownie gotowy do wykonania pomiaru. Tego typu aparaty są szybkie i idealnie nadają się tam, gdzie wymagana jest mobilność , a także konieczna jest szybka kontrola bardzo dużej ilości osób czy przedmiotów (punkty kontroli osób czy pojazdów).

Opisane wyżej techniki IMS oraz fluorescencji mają możliwość wykrywania materiałów wybuchowych zarówno w postaci cząstek jak i oparów. Cząstki materiałów są to pozostałości substancji wybuchowej i/lub innych substancji chemicznych przeniesionych na dany przedmiot po bezpośrednim kontakcie. Opary są to cząsteczki materiału wybuchowego uwolnione do powietrza (do fazy nad powierzchnią materiału wybuchowego znajdującego w dużej ilości). Ilość tych cząstek w powietrzu zależy od wielu różnych czynników jak między innymi temperatura otoczenia oraz rodzaj materiału wybuchowego. Stężenie oparów w miarę oddalania się od materiału jest coraz mniejsze, dlatego też możliwość ich wykrycia jest tym większa im bliżej materiału się znajdujemy.

Tego typu analizy mogą być stosowane w niewielkich zamkniętych przestrzeniach jak pudełka, słoiki czy bagażniki czy wnętrza pojazdów. Należy jednak pamiętać o tym, że nie wszystkie materiały wybuchowe mają na tyle dużą prężność par, aby uwalniać odpowiednią ilość cząstek do powietrza. Są materiały, których praktycznie w ogóle nie da się wykryć właśnie za pomocą detekcji z powietrza.   Znacznie bardziej rzetelne są pomiary z powierzchni, gdzie niezależnie od typu materiału wybuchowego czy parametrów środowiskowych, pewna ilość cząsteczek zawsze pozostaje i jest możliwa do detekcji.

W przypadku detektorów materiałów wybuchowych niestety nie ma techniki czy urządzenia uniwersalnego. Zawsze aparaty należy dobierać do danej aplikacji i wymaganej informacji jaką potrzebujemy uzyskać. Każdy z detektorów będzie miał ograniczenia ale też będzie miał swoje zalety i to do użytkownika należy decyzja jaką technikę pomiarową chce zastosować do swojej aplikacji.