防简易爆炸装置威胁：基于共焦拉曼显微镜非破坏性多参数检测织物中的爆炸前残留物

《Analytical Methods》：Prevention of IED threats: a non-destructive and multiparametric detection of pre-blast explosive residues in fabrics using confocal Raman microscopyOpen Access

　　

简易爆炸装置（improvised explosive devices，IEDs）在犯罪和恐怖组织中广泛存在，因为这些组织越来越有能力制造更强大且易于隐藏的爆炸装置。这使得其检测不仅具有挑战性，而且对预防炸弹袭击至关重要。尤其是，纺织品往往因操作爆炸物而成为污染证据来源。本研究提出了一种新颖、快速且准确的共焦拉曼显微镜（confocal Raman microscopy）方法，用于检测和识别与爆炸装置操作、包装和携带相关的爆炸前残留物。研究人员采集了滞留于不同类型纤维（天然/合成、染色/未染色）中的TNT、TATP、PETN、Pyrodex、RDX和ANFO爆炸残留物的拉曼光谱，以在尽可能真实的条件下评估光谱响应，并量化基质的干扰效应。结果表明，所有受检爆炸物均以100%的准确率被正确识别，且未出现样品热降解或来自纺织基质的干扰贡献。该创新方法通过一个快速、准确且非破坏性的平台，可实现IEDs中最常见爆炸物的同时检测，该平台能够用作确证分析，并为国土安全领域的法医调查提供及时支持。

爆炸物在合法应用中广泛使用，但近年来其使用在犯罪和恐怖组织中蔓延，严重威胁公共安全。简易爆炸装置（improvised explosive devices，IEDs）通常由自制装置和不同爆炸物或临时爆炸物质构成，其检测对预防恐怖袭击和打击犯罪至关重要。然而，真实场景中爆炸物残留可能存在于复杂基质中，给分析带来困难。色谱方法虽能有效分离鉴定有机和无机爆炸物，但通常需要样本预处理、耗时较长。光谱方法，尤其是拉曼光谱，具有快速、无损、需样少等优点，但传统背散射拉曼存在信号弱和荧光干扰问题。共焦拉曼显微镜（confocal Raman microscopy）通过将激光聚焦于微小体积，提高了空间分辨率，能够从复杂基质中分离分析物信号。纺织品是法医调查中常见的证据来源，可能因操作、包装或携带爆炸物而附着残留物。因此，开发一种能够快速、准确、非破坏性检测织物上爆炸前残留物的方法具有重要价值。

针对上述问题，研究人员提出了一种基于共焦拉曼显微镜的新型多参数检测方法。研究选用六种常见爆炸物，将其沾染到不同纤维上，建立光谱库，优化采集条件，并用于真实纺织样品和缴获样品分析。结果表明，该方法能够同时、准确地识别所有目标爆炸物，准确率达100%，且无热降解和基质干扰，可用于法医确证分析和国土安全防范。

主要技术方法包括：爆炸物样品由罗马法医科学服务部爆炸物和可燃液体部门（Explosives and Ignitable Liquids Unit of the Forensic Science Service, Anticrime Central Branch of the State Police, Rome）提供；纺织品涵盖天然纤维（棉、丝绸、牛仔布）和合成纤维（涤纶），包括染色与未染色类型。通过接触、摇晃和摩擦将爆炸物残留于纤维上，模拟真实污染过程。使用Horiba Jobin-Yvon LabRAM Aramis共焦拉曼显微镜，以514 nm激光为激发源，配置10×和100×物镜、1800 lines/mm光栅，在50–2000 cm^?1范围内采集光谱。用LabSpec6软件建立光谱库并进行比对，以相关阈值评估识别结果。同时，采用气相色谱（GC）和离子色谱（IC）对相同样品进行确证分析，用于评估基质效应和方法有效性。

**方法优化**
研究人员首先对每种爆炸物作为参考标准进行光谱采集，以优化激光源、透镜、光栅、累积次数和曝光时间等参数。结果显示，有机爆炸物的拉曼光谱比无机爆炸物复杂，后者仅呈现少数特征峰。这些特征峰及其振动归属为后续识别提供了依据。TNT因易发生热降解而需要降低激光功率，但即使信噪比有所下降，仍可通过光谱库比对可靠识别。对沾染在纤维上的爆炸物，研究人员采用接触污染法制备样品，并对10–30 μm的微小颗粒进行聚焦分析，获得的拉曼光谱信号强且分辨良好。所有分析物的光谱与库中参考光谱的相关系数均大于0.95。该步骤证明，通过精细聚焦和优化采集参数，可以从纺织品复杂基质中分离出分析物信号。

**多参数方法**
为实现混合物中爆炸物的同时检测，研究人员进一步开发了多参数方法。最佳分析条件为：514 nm激光、100%输出功率、100×物镜、光栅1800 g mm^?1、针孔500 μm、狭缝20 μm、累积4次、曝光约3 s。在该条件下，即使是在通常易发生热降解的TNT以及含木炭而导致强烈荧光干扰的Pyrodex中的高氯酸钾，均能被清晰识别。研究人员将该方法应用于沾染混合爆炸物的四种织物（牛仔布、染色棉、白色涤纶和染色涤纶），发现由于织物基质的影响，信号信噪比有所降低，但仍可获得大于0.90的相关系数，实现快速、特异且准确的识别。该结果表明，多参数方法能够克服基质和染料干扰，对复杂真实样品具有适应性。

**真实样品处理**
为验证方法在实际案件中的应用价值，研究人员用优化的多参数方法处理了法医部门近期缴获的14个真实样品。这些样品此前已通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析确认存在ANFO（n=2）、RDX（n=3）、TATP（n=5）、KClO₄（n=1）、TNT（n=2）和PENT（n=1）。共焦拉曼显微镜分析对所有缴获样品中的爆炸物均给出了正确识别，分类率为100%。该结果证明了该方法能够对衣物上的爆炸前残留物进行非破坏性检测，无需任何样品前处理，可避免证据交叉污染，并提供具有分子特异性的光谱。研究人员认为，未来将该方案集成到小型化分析平台，将有助于实现实时检测，降低法医调查的时间和成本。

讨论部分指出，本研究证实了共焦拉曼显微镜检测爆炸物的高灵敏度和准确性，尤其适用于复杂织物基质。尽管514 nm激光通常被认为可能引起热降解，但通过优化参数，该方法能够获得强且分辨良好的信号，同时保持样品完整性。该方法对高干扰混合物（如高氯酸钾与木炭）同样有效，证明其具有良好的选择性。研究结论可概括为：研究人员开发了一种用于快速同时识别织物中爆炸物颗粒的多目标光谱方法，共焦拉曼光谱检测爆炸物的能力得到确认，并提供了一种灵敏准确的分析工具。为满足国土安全和法医学对省时省钱分析策略的需求，研究人员优化了通过单次分析识别ANFO、TNT、PENT、TATP、RDX和氧化盐的方案。该方法以高准确度识别了纤维中的所有颗粒，并在含有高干扰物质（如高氯酸钾与木炭）的混合物中验证了有效性。尽管514 nm激光在文献中因可能破坏样品而很少使用，本研究证明该光源能够提供强烈且分辨良好的信号并确保样品完整性。在所有研究情况下，尤其当混合物截留在纺织品中时，该方法均获得满意的信噪比，显示出高灵敏度。