broj 383, veljača 2012.

Dragutin TUŠEK
Zadnja promjena: 21.8.2014.
Welcome to Adobe GoLive 6
VOJSKA PONOVNO PRISKAČE U POMOĆ
NEFORMALNI SASTANAK MINISTARA OBRANE NATO-a U BRUXELLESU
MINISTAR KOTROMANOVIĆ NA 48. MUNCHENSKOJ SIGURNOSNOJ KONFERENCIJI
MULTINACIONALNA BOJNA VOJNE POLICIJE
ZAJEDNIČKO UVJEŽBAVANJE HRVATSKIH I AMERIČKIH SPECIJALACA
OPERACIJA KFOR - KOSOVO
MEMORIJALNI CENTAR DOMOVINSKOG RATA U VUKOVARU
PREDSTAVLJAMO STANAG TIM
Vijesti
Vijesti iz svijeta
NATO novosti
Novosti iz vojne tehnike
DETEKCIJA OPASNIH TVARI (II. DIO)
HELIKOPTERSKI IZVIDNICI
Podlistak - GRAĐANSKI RATOVI 1945. - 2011.

POZIV ZA UPIS U VOJNU EVIDENCIJU









Detekcija opasnih tvari (II. dio)
Za široko područje monitoringa rabe se optičke metode detekcije poput infracrvene detekcije (IRD) i Raman spektrometrije. Raman i FTIR spektroskopija su visoko selektivne i precizne optičke tehnike koje pružaju mogućnost uporabe za detekciju širokog spektra različitih kemikalija


Foto: US Army
Mogu se analizirati kruti, tekući i plinoviti uzorci bez potrebe destrukcije uzorka. Ovim tehnikama mogu se analizirati opasne industrijske kemikalije (TIC), eksplozivi, kemijski bojni otrovi, narkotici i mnoge druge poznate i nepoznate tvari. Optičke spektroskopske metode omogućavaju brzu, u realnom vremenu, detekciju i identifikaciju velikog broja spojeva na mjestu događaja. Uređaji koji se razvijaju omogućuju uporabu senzora malih dimenzija koji se baziraju na lasersko induciranoj fluorescenciji, infracrvenoj apsorpciji i Ramanovu raspršenju. Naravno, ograničenje je raspoloživa baza podataka putem koje se podaci dobiveni detekcijom analiziraju i uspoređuju. Neki uređaju daju mogućnost lagane dogradnje baze podataka, putem komercijalnih podataka, ali i vlastitih do kojih se dolazi istraživanjem u vlastitom laboratoriju.

Infracrvena je spektroskopija jedna od najčešćih spektroskopskih tehnika koje se rabe u analizi organskih i anorganskih spojeva. Jednostavno rečeno mjeri se apsorpcija različitih IR frekvencija u uzorku pozicioniranih na putanji IR zrake. Glavni cilj IR spektroskopije je definiranje kemijskih funkcionalnih skupina u uzorku. Različite funkcionalne skupine apsorbiraju karakteristične frekvencije IR zračenja. Budući da je apsorpcija IR zračenja svojstvo tvari i nije vezano uz njezino agregatno stanje, to znači da se na ovaj način mogu analizirati kruti, tekući i plinoviti uzorci. IR zračenje obuhvaća dio elektromagnetskog spektra valnog broja od 13 000 do 10 cm-1 te valne duljine od 0,78 do 1000 ?m. Vezan je na crveni kraj vidljivog spektra na visokim frekvencijama i na mikrovalno područje na niskim frekvencijama. Pozicija IR apsorpcije se obično prikazuje valnim brojem (?) i valnom duljinom (?). Najviše se rabi valni broj koji se definira kao broj valova u jedinici duljine i izravno je proporcionalan frekvenciji kao i energiji IR apsorpcije. Transmitacija (T) je odnos snage zračenja koju emitira uzorak (I) u odnosu na snagu ulaznog zračenju u uzorak (I0). Apsorbancija (A) je logaritam s bazom 10 recipročne vrijednosti transmitacije (T). Te vrijednosti daju bolji kontrast intenziteta jakih i slabih veza u molekuli. Podaci koji su prikupljeni za određene spojeve nalaze se u bazi podataka jer svaki spoj ima jedinstven IR spektar. Tijekom analize se uspoređuju dobiveni podaci (IR spektar) s podacima (različitim IR spektrima) u bazi podataka te ako imamo poklapanje ili bolje reći podudaranje, riječ je o istom kemijskom spoju. Isto je Ramanovo raspršenje karakteristika tvari te se ta tehnika rabi na sličan način u analizi kemijskih spojeva.

IR spektri se promatraju kroz detekciju promjene intenziteta u transmitaciji (ili apsorpciji) kao funkcije frekvencije. Većina komercijalnih uređaja razdvaja i mjeri IR zračenje uporabom disperzijskog spektrometra ili Fourierova transformacijskog (FTIR) spektrometra.


Primjer FTIR detektora
FTIR spektrometri su zamijenili disperzivne spektrometre u većini modernih detektora zbog svoje superiornosti u brzini i selektivnosti. Oni su znatno povećali mogućnosti IR spektroskopije te omogućuju analizu koja prije njih nije bila moguća klasičnim disperzivnim spektrometrom. Umjesto sekvencijskog gledanja svake komponente frekvencije kao kod disperzijskog IR spektometra, sve frekvencije se ispituju simultano u FTIR spektroskopu. Osnovne komponente FTIR spektroskopa su: izvor zračenja, interferometar i detektor.

Gasmet DX4030 detektor može mjeriti anorganske i organske plinove s niskim detekcijskim limitom i to više od 25 plinova istodobno. Može služiti u razne svrhe te ga mogu rabiti vojnici, policija, carina kao i u različitim industrijskim procesima te za praćenje kvalitete zraka. Rabi FTIR detekciju te omogućuje mjerenje u koncentraciji različitih spojeva što je vrlo važno u slučaju kad se događaju brze promjene u koncentraciji opasnih spojeva na određenom prostoru.

Noviji FTIR detektori mogu mjeriti organske i anorgaske plinove s vrlo niskim detekcijskim limitima. Istododobno se može mjeriti i više desetaka plinova. Mogu se mjeriti otrovni industrijski plinovi poput fosgena, hidrogen cijanida i arsina koji su razni industrijski nusproizvodi ili prekursori, do mjerenja najotrovnijih živčanih, krvnih i kožnih bojnih otrova. Takvi uređaji rabe se i u pregledu opasnih tvari prilikom prekograničnog prometa na graničnim prijelazima, riječnim i morskim te zračnim lukama. Uređaji se mogu rabiti i u svrhu praćenja čistoće industrijskih procesa, nadzora zagađenja i slično istodobnim praćenjem više različitih plinova.

Postoje uređaji koji omogućavaju detekciju s određene razdaljine od samog uzorka koja može biti od 1 do 10 metara. Time se smanjuje mogućnost kontaminacije ljudstva i opreme, ali sama tehnologija izrade uređaja je složenija i skuplja. Postoje i uređaji koji rade monitoring kakvoće zraka i mogu detektirati zagađenje na udaljenostima od nekoliko kilometara.

Ramanova spektroskopija uključuje molekulske vibracije i vibracije kristalne rešetke i zbog toga je osjetljiva na sastav, kemijske veze, kemijsku okolinu, faze i kristalne strukture tako da uzorci mogu biti u bilo kojoj formi: plina, tekućine, otopine, kristalne ili amorfne krutine. Ramanov fenomen je posljedica zračenja uzorka monokromatskom fotonskom zrakom (laser), od kojeg se većina apsorbira, reflektira ili je ponovo emitira uzorak. Međutim, malena frakcija fotona djeluje s uzorkom. Tijekom tog međudjelovanja jedan dio energije se emitira do elementarnih čestica od kojih je tvar sastavljena (elektroni, ioni i slično). To uzrokuje promjenu u njihovu energetskom položaju iz osnovnog u "virtualno? pobuđeno stanje. Ti položaji su energetski nestabilni i čestice teže vraćanju u osnovni energetski položaj jednim od sljedećih triju različitih procesa.


HazMatID detektor
Prvi je Rayleighavo raspršenje - emisija fotona istih energija dopušta molekuli relaksaciju do svog osnovnog vibracijskog položaja (elastično raspršenje). Ta vrsta raspršenje ne daje informaciju o vibracijskim energetskim razinama u molekuli.

Zatim, Stokes i anti-Stokes Raman fotona (neelastično raspršenje) - emisija fotona energije koja je ispod ili iznad Rayleighovih fotona, na taj način generira set frekvencijskih pomaknutih Ramanovih fotona. Energetske razlike između Stokes i anti-Stokes Ramanovih fotona s obzirom na energetsku pobudu daju informaciju o molekulskim vibracijama.

Ti fotoni se prikupljaju detektorom i pretvaraju se u električni signal koji odgovara Ramanovu spektru. Obično, Stokesove veze koje su intenzivnije od anti-Stokesovih se nazivaju ?Ramanovim spektrom? uzorka. Rayleighove veze se filtriraju prije dolaska do detektora.

Ramanova spektroskopija koju je otkrio Raman dvadesetih godina prošlog stoljeća nije bila osobiro zanimljiva desetljećima zbog nedostatka monokromatskog izvora i odgovarajućih detektora. Ramanova spektroskopija se ponovno budi otkrićem lasera i CCD detektora.

Ramanovi spektrometri

Tipični Ramanov spektrometar je načinjen od četiri osnovna elementa. Prvi je izvor pobude (većinom laser): Laser se rabi za stvaranje Ramanova spektra zbog tog jer on daje koherentnu zraku monokromatskog svjetla. To stvara dovoljni intenzitet za proizvodnju korisnog iznosa Ramanova raspršenja.

Drugi je pobuđivanje uzorka svjetlosnom zrakom i sustav za skupljanje raspršenog svjetla (sonda). Ta sonda je uređaj koji skuplja fotone, filtrira izlazno Rayleighovo raspršenje kao i bilo koji pozadinski signal iz vlakna optičkih kabela i šalje raspršenu svjetlost na spektrograf. Mnoge sonde su fokusirane i šalju sporednu lasersku zraku.

Treći je nosač uzorka, a četvrti spektograf - kad Ramanovi raspršeni fotoni uđu u spektograf, oni prolaze kroz transmisijsku rešetku gdje se odvajaju prema valnoj duljini i zatim prolaze kroz detektor. Detekcijski sustav (optički više funkcijski analizator, PMT, intenzivno fotopodručje, ili nekoliko vezanih uređaja, CCD) snima intenzitet Ramanova signala na svakoj valnoj duljini. Ti podaci predstavljaju Ramanov spektar.

Prosječan Ramanov detektor mase je do 1 kg, veličine 20x10x5 cm, a način djelovanja (detekcije) ručni i automatski.Temperatura djelovanja: od -20 stupnjeva C do 40 stupnjeva C, način uporabe: točkasti i fotografski kroz prozirne posude. Spektralna rezolucija je 7 to 10,5cm-1 (FWHM). Optički skupljač: NA = 0,23, 17 mm udaljenost rada; 0,14 to 1,8 mm veličina ćelije. Vrijeme skeniranja je 2 do 5 min a pogone ga baterije i uz mogućnost adaptera za pogon na struju


Detektor Gasmet Calcmet DX4030
Uređaji koji se baziraju na ovim tehnikama detekcije često pružaju mogućnost analize sumnjivih tvari unutar plastičnih i staklenih posuda i boca, vrećica te se time bitno smanjuje mogućnost kontaminacije ljudi, opreme i prostora. Napredni uređaji pružaju mogućnost automatske detekcije i analize kemijskih smjesa i mješavina. Problem kod detekcije Ramanovom spektroskopijom su nemogućnost detekcije spojeva koji imaju ionske veze ili ionsko-polarne veze u molekuli poput NaCl, spojeva gdje su metali vezani s nemetalima, vode i florescentnih spojeva poput "crnog praha?.

Poznato je da su Raman i FTIR spektroskopija komplementarne tehnike jer se temelje na različitim vrstama vibracija u molekulama. Tako su karakteristične vibracije za IR gdje dolazi do promjene dipolnog momenta (vodikova veza), a za Raman je karakteristično neelastično raspršenje i promjena polarnosti u molekuli (C=C veza). Kako vrijedi pravilo uzajamnog isključenja, jake vrpce u IR rezultiraju slabim vrpcama u Ramanu i obrnuto. Prevedeno jaki signal u IR spektroskopiji za neke spojeve bit će slab u Ramanu i obrnuto. Ovo pravilo ne vrijedi uvijek i za sve spojeve, ali se može smatrati pravilom jer vrijedi u većini slučajeva. Uređaj koji istodobno može rabitii obje tehnike detekcije postaje univerzalan jer se može upotrijebiti za gotovo sve spojeve. Prednost je takvih uređaja njihova relativno malena veličina i masa te jednostavno rukovanje.

Prednosti FTIR-a su dobro poznata tehnika, velika analitička baza spojeva, visoka osjetljivost i neovisnost o fluorescenciji uzorka.

Prednosti Ramana jesu velika prostorna rezolucija, pristup niskim frekvencijama, nije potrebna priprema uzorka i mogućnost analize kroz staklo te unutar vodenih otopina.

Kombinacijom tih dviju tehnika unutar jednog uređaja nema potrebe za dva različita uređaja jer ne utječe na djelotvornost analize. Skraćuje se i vrijeme analize te nema potrebe nakon FTIR analize mijenjati točku mjerenja na Raman analizu.

Novi smjer je uporaba biološki aktivnih molekula kao senzora. Rabe se isti mehanizmi koji utječu na ljudsko tijelo prilikom trovanja. Jednostavan primjer biosenzora je enzimski karton.


FirstDefender RMX detektor
Uporaba kromatografskih metoda analize uz upotrebu različitih vrsta detektora obično zahtijeva složenu instrumentaciju i vezana je uz laboratorijsku analizu. Plinska i tekućinska kromatografija kao i i elektroforeza mogu rabiti različite tipova detektora. Od detektora koji su osjetljivi na određene elemente poput NPD i SPD detektora, od kojih je prvi osjetljiv na dušik i fosfor, a drugi na sumpor i fosfor do detektora koji rabe spektrometriju masa ili nuklearno magnetsku rezonanciju. Detekcija komponenti koje se ispiru s kromatografske kolone može se provesti brojnim univerzalnim i selektivnim detektorima. Najčešći je plamenoionizacijski detektor (engl. Flame Ionization Detector, FID) koji je prikladan za analizu većine organskih spojeva. Kada se analiziraju kompleksne matrice, prikladni su detektori poput plameno-fotometrijskog (engl. Flame Photometric Detector, FPD) koji je selektivan za fosforove i sumporove spojeve, zatim detektora selektivnog za spojeve dušika i fosfora (engl. Nitrogen Phosphorus Detector, NPD), kao i atomskog emisijskog detektora (engl. Atomic Emission Detector, AED) koji može selektivno detektirati elemente kao što su C, N, P, S, F, As, Cl i Br.
Noviji je pristup plinska kromatografija uz detekciju spojeva pulsnim plameno-fotometrijskim detektorom (Pulse Flame Photometric Detector, PFPD) koji omogućuje još bolje razlučivanje emisije ugljika od fosfora i sumpora što rezultira povećanom selektivnošću i osjetljivošću. Sa PFPD-om su postignute granice detekcije od 180 fg s-1 za sumpor, 7 fg s-1 za fosfor i 2 pg s-1 za dušik.

Takvi su uređaji precizni, zahtijevaju standardizirane laboratorijske uvijete i rabe se za identifikacijsku i kvantitativnu analizu. Često zahtijevaju pripremu uzoraka, bilo da je riječ o postupcima koncentriranja ili čišćenja analita. Takvi uređaji daju nepobitnu potvrdu da je riječ o određenom kemijskom spoju te su korak koji slijedi nakon detekcije na mjestu događaja. Dobiveni rezultati u laboratorijima koji imaju akreditaciju za točno određenu vrstu analize, mogu se rabiti u medicinske, pravne političke i druge svrhe. No razvijeni su detektori koji su namijenjeni terenskoj analizi, ali tu nije riječ o brzoj detekciji nego o potpunoj analizi kvalitete okoliša ili služe da bi se potvrdilo da u nekom kemijskom postrojenju postoji onečišćenje ili tragovi koji upućuju da se u takvom pogonu proizvode opasne tvari koje su pod zabranom međunarodne zajednice (npr. Organizacije za zabranu kemijskog oružja - OPCW). Jedan od takvih je Brukerov prijenosni plinsko-maseni spektrograf EM 640S. Najnoviji razvijeni detektori se baziraju na rendgenskom i neutronskom zračenju. I jedan i drugi detektor detektiraju elemente u određenom uzorku te kombinacijom različitih elemenata u uzorku i omjerom njihove količine dolazi se do rezultata o kojom je pojedinom spoju riječ. Oba detektora imaju veliku prednost što mogu detektirati o kojom je spoju riječ bez potrebe otvaranja posuda ili sanduka u kojima se sumnjiva tvar nalazi. Prenosivi XRF (rendgenski) detektori rabe se u razne svrhe, a posebno su vrijedni u geologiji i mineralogiji. Njihov je nedostatak što su svojom cijenom daleko iznad ostalih detektora, često zahtijevaju iznimno stručno osoblje koje radi s njima te su često ipak prilično veći od običnih kemijskih detektora.

Kvalitetan detektor


Prijenosni XRF detektor X-5000
Ne postoji univerzalni detektor koji će riješiti sve probleme detekcije kemijskih spojeva od otrovnih industrijskih kemikalija (TIC), narkotika, eksploziva do bojnih otrova.

Svrha uporabe najčešće određuje odabir detektora: za nadzor kontaminacije i kemijsko izviđanje najbolji su IMS (spektrometrija mobilnih iona) detektori, za nadzor djelotvornosti dekontaminacije najbolji su FPD (plameno-fotometrijski detektori).

Za nadzor onečišćenja na daljinu najbolji su optički detektori poput FTIR detektora.

Postoje i vrlo sofisticirani detektori poput detektora koji rabi rengenske zrake ili neutronskog detektora koji otkrivaju elemente koji su prisutni u određenom spoju i njihovu zastupljenost u spoju te pomoću tih podataka i uspoređivanjem s raspoloživom bazom podataka dolaze do rezultata o kojoj je vrsti spoja riječ. Imaju jedan nedostatak, vrlo su skupi i često zahtijevaju iznimno stručno osoblje koje rukuje njima.

Detektori koji radi na principu Ramanove spektroskopije jedna su od najboljih rješenja za detekciju kemijskih opasnih tvari jer su mali, pouzdani, osjetljivi i precizni. Mogu detektirati krute, tekuće i plinovite spojeve, ne traže pripremu uzorka, mogu detektirati spoj kroz staklo i plastiku i nisu zahtjevni za rukovanje.

LITERATURA:

1. Convention on the Prohibition of the Development, Production, Stockpiling and Use of Chemical Weapons and on their Destruction, Technical Secretariat of the Organisation for Prohibition of Chemical Weapons, Hag, (1997)

2. NATO AEP-10 Handbook for sampling and identificationof biological and chemical agents volume 1 Procedures and techniques, Edition 5 (2000)

3. Koizumi, Kei, "R&D in Department of Homeland Security" Advanced Science, Serving Society, March 2007.

4. H.H. Hill, Jr., S.J. Martin Conventional analytical methods for chemical warfare agents. Pure Appl. Chem. 74, (2002) 2281-2291.

5. GRIFFITHS, P. R., AND J. A. DE HASETH, Fourier Transform Infrared Spectrometry. New York: Wiley, 1986.

6. Coupry C, Lautie A; Raman studies on surface of artefacts; REV METALL-PARIS 98, 789, 2001.

7. JL Gotfried & al., Discrimination of explosives residues on organic and inorganic substrates using laser-induced breakdown spectroscopy. Jurnal of Analytical Atomic Spectroscopy 2009, 24, pp.288-296.

8. www.ahuracorp.com,

9. www.airsense.com,

10. www.gasmet.fi

11. www.smithdetection.com


Copyright (c) Služba za odnose s javnošću i informiranje, Odjel Hrvatskih vojnih glasila, MORH.
Sva prava pridržana - All rights reserved
Pravne napomene