中紅外光譜(MIR)是一種非常有前途的痕量表面化學(xué)物質(zhì)的光譜檢測(cè)方法歧强，因?yàn)榇蠖鄶?shù)物質(zhì)在光譜的MIR部分具有強(qiáng)烈而獨(dú)特的吸收特征。
表面痕量化學(xué)物質(zhì)的中紅外反射特征
檢測(cè)方法包含主動(dòng)MIR高光譜成像(HSI)为肮，包括使用波長(zhǎng)可調(diào)激光器與高速相機(jī)相結(jié)合摊册，以捕獲目標(biāo)表面反射光譜的高光譜圖像(即超立方體)。分析這些超立方體的光譜特征颊艳，以表明感興趣的化學(xué)物質(zhì)的存在茅特。該技術(shù)的一個(gè)非常重要的應(yīng)用是痕量爆炸物的探測(cè)。
圖1
MIR HSI方法涉及使用外腔量子級(jí)聯(lián)(ec - qcl)進(jìn)行激光照明棋枕。圖1顯示了測(cè)量裝置的照片白修，其中樣品在近距離(8厘米的距離)測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)70 um的高空間分辨率重斑。使用兩個(gè)Block的Mini-QCLTM ec - qcl在波長(zhǎng)范圍為7.7 - 11.8 um的范圍內(nèi)捕獲了一個(gè)256波長(zhǎng)的復(fù)合超立方體兵睛。激光束在目標(biāo)上進(jìn)行光柵掃描以捕獲(8.8 mm)2的圖像區(qū)域。
黑色鍵盤按鍵上的PETN樣品由海軍研究實(shí)驗(yàn)室提供窥浪。利用干轉(zhuǎn)移技術(shù)祖很，PETN在50μg到0.2μg的化學(xué)載荷范圍內(nèi)沉積在小的局部區(qū)域。
圖2
圖2演示了為加載50 ug PETN的樣品創(chuàng)建檢測(cè)圖的過程漾脂。顯示的是超立方體的示例和框架的可見圖像假颇。對(duì)超立方體進(jìn)行分析，以區(qū)分基材干凈的區(qū)域和污染的區(qū)域骨稿。為此爆捞，計(jì)算給定像素處的測(cè)量光譜與其相鄰像素的光譜的方差;如果該值低于某個(gè)閾值莹捡，則假定像素只包含干凈的承印物。這些被識(shí)別為含有干凈基片的像素在圖2.4的檢測(cè)圖上顯示為紅色像素。每個(gè)“干凈”像素的平均反射光譜被認(rèn)為是基片光譜的猜測(cè)复凳，在圖2.5中用紅色標(biāo)出。
接下來巡莹，我們將這些數(shù)據(jù)與自適應(yīng)余弦估計(jì)(ACE)算法一起使用兵迅，以找到被PETN污染的像素。我們的預(yù)期PETN反射光譜模型是用一個(gè)簡(jiǎn)單的米氏散射模型計(jì)算的例衍，使用之前測(cè)量的PETN的復(fù)折射率數(shù)據(jù)作為輸入昔期。將閾值應(yīng)用于得到的ACE檢測(cè)分?jǐn)?shù)，得出圖2.4中的檢測(cè)圖佛玄，其中使用該方法確定被PETN污染的像素以藍(lán)色顯示硼一。污染像元的平均光譜如圖2.5中藍(lán)色曲線所示，干凈區(qū)域和污染區(qū)域的平均光譜明顯顯示出反射光譜的差異梦抢。還請(qǐng)注意般贼，圖2.4中包含的區(qū)域被確定為既沒有干凈的基材，也沒有足夠強(qiáng)的信號(hào)，因此被認(rèn)為含有PETN哼蛆，并被標(biāo)記為“兩者都沒有”蕊梧。
圖3
圖3顯示了PETN負(fù)載為0.2 ug的示例的結(jié)果。使用上述分析程序腮介，在33個(gè)像素中檢測(cè)到該化學(xué)物質(zhì)肥矢。在此基礎(chǔ)上，假設(shè)每個(gè)像素同樣被總0.2 μ g污染叠洗，我們估計(jì)檢測(cè)限約為6 ng/像素甘改。事實(shí)上，我們期望真正的閾值甚至比這個(gè)值更小灭抑，因?yàn)檫@個(gè)估計(jì)假設(shè)污染均勻地分布在這33個(gè)像素上十艾，而從可見圖像中可以看到污染分布得更廣泛。
圖4
圖4顯示了一系列實(shí)驗(yàn)的結(jié)果名挥，用異丙醇浸泡的布擦拭鍵盤鍵上的PETN污染物疟羹。重要的是，即使在擦了四次之后禀倔，沒有留下任何可見的污染證據(jù)榄融，我們?cè)噲D清除爆炸物仍然留下了一個(gè)明顯的和容易識(shí)別的殘留物。經(jīng)異丙醇擦拭后檢測(cè)到的PETN的測(cè)量光譜如圖5所示救湖，為紅色(擦拭1倍)和黃色(擦拭4倍)曲線愧杯。這張圖清楚地表明，被異丙醇抹布擦去后鞋既，PETN污染物的光譜表現(xiàn)發(fā)生了巨大變化力九。然而，殘留的污染物仍然很容易在超立方體圖像中識(shí)別為PETN邑闺。
圖5
圖5解釋了擦除前后PETN反射光譜觀測(cè)到差異的原因跌前。在被異丙醇擦除之前，PETN樣品被制備成一個(gè)小的陡舅、局部的干粉堆抵乓，因此測(cè)量的反射光譜可以用簡(jiǎn)單的Mie散射模型計(jì)算的合成反射光譜很好地模擬。該模型如圖5所示靶衍，在左邊的面板中;zui上面的面板顯示了粉末狀PETN的實(shí)測(cè)光譜灾炭，中間的面板顯示了PETN粉末的反射光譜模型，與測(cè)量的襯底數(shù)據(jù)相比較颅眶，底部的面板顯示了PETN折射率的實(shí)際復(fù)分量蜈出。在所有三個(gè)幀中，豎線都被繪制以突出所有三個(gè)圖中的相似特征涛酗。
在討論P(yáng)ETN擦除后的不同表現(xiàn)之前铡原，首先要注意的是偷厦，PETN很容易被異丙醇溶劑溶解。因此燕刻，擦干后留下的殘余PETN很可能是含有炸藥的異丙醇薄膜蒸發(fā)掉的結(jié)果沪哺，在鍵盤鍵上留下了一層化學(xué)薄膜。因此酌儒，在這種情況下，PETN的反射光譜應(yīng)該是作為薄膜而不是作為稀疏的粉末來建模枯途。
圖5右側(cè)的面板演示了為什么這種方法是成功的忌怎。利用PETN的復(fù)折射率數(shù)據(jù)計(jì)算光滑表面的鏡面反射，結(jié)果表明酪夷，頂板PETN的實(shí)測(cè)反射光譜與中心板PETN的模擬光譜匹配良好榴啸。復(fù)雜折射率數(shù)據(jù)中的相同特征在右側(cè)面板上與左側(cè)面板上突出顯示，這表明兩個(gè)光譜中的重要特征位于相同的光譜位置晚岭。
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