利用表面增强拉曼光谱（SERS）探测地下地雷

摘要：截至 1999 年，美国军方用于探测地下地雷的唯一人工系统是金属探测器。尽管这些探测器能够探测到少至 0.5 克的金属，因而具备较高的探测概率，但它们无法区分是撞针还是一块废旧金属。此外，现代地雷可以在不使用金属部件的情况下制造出来，因此利用现有技术无法对其进

引言

截至 1999 年，美国军方用于探测地下地雷的唯一人工系统是金属探测器。尽管这些探测器能够探测到少至 0.5 克的金属，因而具备较高的探测概率，但它们无法区分是撞针还是一块废旧金属。此外，现代地雷可以在不使用金属部件的情况下制造出来，因此利用现有技术无法对其进行探测。理想的传感器应当能够探测到实际的爆炸物材料（例如三硝基甲苯（TNT）、黑索金（RDX）），而不是探测地雷构造中所使用的部件。它需要具备高灵敏度，同时也要有高特异性，以免产生大量误报，进而拖慢排雷进程。

表面增强拉曼光谱

EIC实验室长期以来一直运用表面增强拉曼光谱（SERS）技术对化学污染物进行痕量检测。表面增强拉曼光谱采用微观上粗糙化或“活化”的金属（通常是贵金属），这些金属会吸附目标分析物。与非共振拉曼强度相比，分析物吸附到金属表面过程中涉及的振动模式的强度可增强10²至10⁸倍。这种增强是由多种化学和电磁效应导致的。凭借这些增强作用，表面增强拉曼光谱能够检测出皮克到飞克级别的目标分析物。

截至目前，大多数痕量表面增强拉曼光谱分析都是在溶液相中进行的。作为备受瞩目的“电子狗鼻”美国国防高级研究计划局（DARPA）项目的一部分，EIC目前正在研究将表面增强拉曼光谱用作一种可在实地使用的硝酸盐类爆炸物蒸气探测器的潜力。

在比较常规拉曼光谱与表面增强拉曼光谱时，由于与吸附在表面的分析物部分相关的振动模式增强效果最为显著，所以谱带强度比会有所不同。对于像苦味酸、三硝基甲苯（TNT）及其降解产物这类基于硝酸盐的芳香族化合物而言，硝酸盐是吸附部分。关键的光谱区域是在约1350厘米⁻¹处的硝酸盐伸缩振动区域以及约820厘米⁻¹处的面外弯曲振动模式区域。这在探测地下地雷方面具有相当大的用处，因为探测到天然存在的基于硝酸盐的芳香族化合物的可能性极小。二氧化氮不会产生干扰，因为它会在表面发生催化反应生成硝酸根离子（NO³⁻），并在1035厘米⁻¹处产生一个尖锐的峰。

在金基底上对2,4-二硝基甲苯（2,4-DNT）和2,4,6-三硝基甲苯（2,4,6-TNT）进行的表面增强拉曼光谱（SERS）测量。

表面增强拉曼光谱（SERS）数据与常规拉曼光谱的对比。

地雷探测系统

一种新型的表面增强拉曼光谱（SERS）探头正在研发当中，它融合了蒸气采样和光学部件。在探头主体内，环境空气被抽引至活化的金（Au）基底上方，然后利用内置的拉曼光纤探头对其进行分析。此外，还开发出了一种便于在实际雷场进行测量的便携式光谱仪。该系统坚固耐用，足以应对常规运输，并且能够承受工作温度的变化。

这项研究的最新成果包括：能在不到10秒的时间内测量出浓度为5 ppb（十亿分之五）的2,4-二硝基甲苯（2,4-DNT），以及利用原型设备探测到实际埋设的地雷。目前，提高基底可更新性的相关工作仍在进行之中。