探测爆炸物

麻省理工的一个高能物质小组最近开发了一种新的传感器来检测爆炸物。

爆炸物检测一直以来都是动物王国统领的范围:大多数人都对嗅探犬比较熟悉(但大家对嗅探蜜蜂的了解就知之甚少了)。但就在最近,技术替代品已经开始派上用场了,像气相色谱分析、离子迁移光谱和X射线等技术现在都已经成为了机场安检设备中的标准配备了。

但是对于各大领域中的爆炸物探测而言,这些技术并非真正实用。地雷清除(影响了全世界76个国家的事件)需要一个可靠、便携式的探测方法,就好像在军事冲突和反恐行动中的简易爆炸装置(IED)的清除方法一样。可是说的总比做的简单。从化学的观点来看,研发TNT 这样的硝基化合物探测器并非易事,因为这种化合物的蒸汽压力都较低,也就是说:它们在室温下的空气浓度为大约6ppb(而且当材料封装在装置内部时这个指标会更低)。从技术角度而言,现在机场中在用的机器也不具备可延展性,虽然我们在制造较小、较敏锐的以微型悬臂为基础的系统方面已经取得了一些进展,但是对激光源(和大型动力源)以及零部件的光学检测的高精度定位需求仍然限制了它们的现场工作潜力。

硝基芳烃检测的微型悬臂系统引起了麻省理工士兵纳米技术研究所的卡伦·格里森和她的团队的研究兴趣。悬臂传感器可以利用功能性涂层将化学探测转化为信号。当涂层——通常是聚合物,与目标分析物发生反应时它会膨胀变大然后倾向悬臂的一侧。该团队完成的工作就是将聚合物涂层聚(4-乙烯吡啶)与气相沉积技术和标准纳米制作工艺相结合,使传感器系统达到微型化。它的工作原理是这样的:我们利用微型制造技巧将一个硅晶片蚀刻进大约600 nm宽的纳米级沟渠内。然后使用引发CVD(iCVD) 使聚合物涂层沉淀,这是格里森实验室首创的低压CVD工艺,将它们转移至反应装置中热丝上,单体和引发剂就可以蒸发了。这样做时,引发剂会分解成自由活性物质,开始聚合作用。iCVD可以精确地控制积附厚度和正形性,也就是说:团队可以利用探测器聚合物在大约120 nm厚的表层上给沟渠的内部做好完整的涂层。接下来,一层薄薄的金膜会喷溅到沟渠的顶部边缘,连接到一个动力源,从而形成一个开路。当聚合物涂层触及到硝基芳香化合物(初次实验使用的是硝基苯)时,涂层会膨胀,向外延展填满沟渠。另一侧的金膜则会发生交联,闭合电路,产生一个可探测信号。根据首次设备的建模表现我们得知:只要优化设置(较厚的涂层、较窄的沟渠、涂层的方向)就可以探测浓度在0.95 ppb以上的硝基芳烃。

K. Gleason et al.,  Adv. Funct. Mater. ; DOI: 10.1002/adfm.200901890