Stand-off Raman spectroscopy for the detection of explosives

Abstract

Als eine Reaktion auf den weltweiten Terrorismus wurde ein transportables System zur Identifizierung von Sprengstoffen aus 20 Metern Entfernung entwickelt. Dabei wurde Raman- und Infrarotspektroskopie mit laserinduzierter Emissionsspektroskopie kombiniert.<br />Im Rahmen dieses FP7 Projeks "OPTIX" wurde ein Stand off Ramansystem aufgebaut und optimiert.<br />Um dabei den Herausforderungen realer Proben gerecht zu werden, wurden unterschiedliche Sprengstoffe und deren Ausgangsstoffe mit interferierenden Substanzen versetzt. Außerdem wurden die Testmaterialien auf verschiedenen Hintergrundsubstraten (Metall, Kunststoffe, Autotüren) gemessen. Die ermittelten Detektionslimits belegen, dass der Methode auch Substanzspuren zugänglich sind. Darüber hinaus konnte, durch eine Änderung der Wellenlänge des gepulsten Lasers von 532 nm auf 355 oder 266 nm gezeigt werden, dass eine Probenanregung mit Licht kurzer Wellenlänge eine außerordentliche Verstärkung des Ramansignals erwirken kann.<br />Die im OPTIX-Projekt geforderte Messdistanz von 20 Metern konnte auf einem Testgelände des Österreichischen Bundesheers auf 100 Meter erweitert werden. Durch die neue Kombination der Stand off Technologie mit spatial offset Raman Streuung können Substanzen in einer Entfernung von bis zu 40 Metern in, für das menschliche Auge undurchsichtigen, Gefäßen selbst dann identifiziert und quantifiziert werden, wenn diese fluoreszieren. Eine Alternative um den Inhalt von Gebinden zu detektieren wurde in der tiefenaufgelösten Ramansektroskopie gefunden.<br />Dabei wird die Lichtgeschwindigkeit genutzt um Proben in unterschiedlicher Entfernung zu unterscheiden.<br />

Due to the worldwide threat of terrorism, a transportable prototype is being developed combining three OPtical Technologies for the detection and Identification of eXplosives (OPTIX) at a distance of 20 metres. The techniques are laser induced breakdown spectroscopy, pulsed laser fragmentation mid infrared spectroscopy and Raman spectroscopy.<br />As part of this FP7 project, a stand off Raman system was set up and optimised.<br />Meeting the challenging situations in real life scenarios, different explosives and their precursors were analysed in the presence of interfering substances and on a variety of background materials, (metal, plastics, car doors). Furthermore, detection limits were established, showing that this technique is suitable for trace detection. The influence of the excitation wavelength was investigated by changing the pulsed laser from 532 nm to 355 or 266 nm, which can increase the Raman signal significantly.<br />In addition to the OPTIX project requirements, the stand off distance was successfully extended to 100 metres at a testing ground at the Austrian Armed Forces. Moreover, combining stand off technology with spatial offset Raman scattering it is now possible to identify and quantify substances at up to 40 metres in bottles which are non transparent to the human eye. This method permits the detection of concealed substances in "real life" containers from a safe distance, even if the container exhibits interfering fluorescence. An alternative way to probe substances inside turbid bottles was found by using depth resolved stand off Raman spectroscopy. This methodology employs the speed of light to distinguish between samples located at different distances from the setup.