从微量炸药的擦拭取样测量收集效率的标准化方法

Summary

通过对擦拭采样采集效率的标准化测量，可以促进优化的采样方案和新擦拭材料的开发。我们对痕量爆炸物进行采样的方法使用自动化设备来控制擦除采样过程中的速度、力和距离，然后提取收集的爆炸物。

Abstract

在筛查场所检测爆炸物痕迹的限制步骤之一是有效收集样本。擦拭采样是收集痕量爆炸物的最常用程序，需要对采集效率进行标准化测量，以评估和优化采样方案。此处描述的方法旨在提供这种测量基础设施，并控制大多数已知与擦除采样相关的因素。三个关键因素（施加的力、行进距离和行进速度）使用自动化设备进行控制。根据与筛选环境的相似性选择测试表面，湿巾可以由考虑用于擦拭采样的任何材料制成。使用干转印技术将爆炸性 1,3,5-三硝基全氢-1,3,5-三嗪 （RDX） 的颗粒样品施加在表面的固定位置。最近开发的颗粒样品用于模拟处理炸药后产生的残留物，通过将 RDX 溶液喷墨打印到聚四氟乙烯 （PTFE） 基材上来生产。收集效率的衡量方法是从擦拭物中提取收集的炸药，然后与关键采样因素以及擦拭材料和测试表面的选择相关联。这些测量旨在指导筛查场所采样方案的制定，其中速度和通量是主要考虑因素。

Introduction

筛选在机场和其他地点的爆炸物痕迹是在公众的反对恐怖主义威胁的保护中至关重要的一步。目前的做法主要侧重于表面污物擦拭取样从往货舱由人来处理项目，该人本身，和项目。收集擦巾使用通常基于收集的固体材料的热脱附商业炸药跟踪检测器（的ETD）立即分析的领域，与由离子迁移谱¹或更最近，质谱检测。可用于样本采集和分析时间的总量是由需要尽量减少对旅客和货物吞吐量的影响有限。采样协议必须进行优化，以收集在最短的时间，这就要求标准化的测量，可衡量的因素擦拭收集重要最样品。

擦拭取样是用于在健康，环境和法规领域^{2，3，4，5，6，7}取样表面污染的一般做法。典型的做法包括保持由手和采样使用一般的覆盖模式的固定区域内的擦拭。为了增加在擦拭因素，包括力和速度控制，我们开发了一种工具的方法来模拟擦拭采样^8，其也被用于评估生物擦拭采样⁹效率。用于粘附测量的商业设备适应于目的;它包括下一个固定擦拭移动以固定的速度和距离的平坦表面。采样期间的力由设置在擦拭支架的顶部上的重量进行控制。感兴趣的表面（面料，PLASTICS，金属等 ）被放置在平坦表面上和颗粒样品放置在该表面上的固定区域。我们早期的工作中使用的聚苯乙烯胶乳微球作为试验粒子，粒径显示出具有对粒子收集的效果，具有小于（9微米）球收集更有效地大（42μm）的球体。我们还发现在收集效率有所改善，采样期间增加作用力，并观察在不同的表面收集和不同的抹布差异。

在随后的工作中，我们发现，聚苯乙烯颗粒可以通过继续收集后在表面擦拭，降低了表观收集效率¹⁰被再沉积。这是微量爆炸物探测的一个重要的考虑因素，在筛选的情况抽样商品，如手提箱，可相对于擦拭收集面积大，需要广泛的旅行DISTANCES覆盖项目的区域，甚至一个很小的比例。因此，样品收集后的表面上的行驶距离是一个重要因素，并且场协议通常定义之前每个分析所覆盖的最大容许距离。

微球的形状不像真正的炸药颗粒^11，12和它们的化学和物理特性可以使他们爆炸物的不足模拟擦拭收集实验。为了解决这种限制，我们开发了含有炸药1,3,5- trinitroperhydro -1,3,5-三嗪（RDX）具有已知粒径的试验材料。该测试材料是通过在上基板特氟隆阵列的RDX溶液，与通过蒸发在所述阵列中的每个点处形成微米大小的固体沉积物的喷墨印刷纳升体积制成。所述沉积物通过摩擦在表面上转印到测试表面上，并且将所得部分ICLE大小由起始存款尺寸限定。所需的颗粒直径，如通过含有微量爆炸物指纹分析测定，为10至20μm。沉积物还可以通过吸取的溶液微升体积到特氟隆基板¹³形成的，但它们会干燥成一个单一的大型矿床，通常大得多的是颗粒尺寸的所希望的范围（相关与这个工作RDX质量）。喷墨RDX粒子标准在这项工作中使用定量提取和分析程序沿着演示用于确定擦拭收集效率的方法。这些测量旨在促进新采样的发展提供更好的收集效率湿巾，并支持在现场取样的最佳做法，包括靶向产生更多的样本，适当用力收集过程中使用的表面，以及该地区之前的分析覆盖。

Protocol

1.仪器

1. 选择或制造器件与可移动的平面（参见图1中示意）。
   注意:在此，使用TL-滑动/剥离测试仪但该器件的功能，如摩擦力的测定，即是没有必要在该方法中，并且可以增加成本通过简单的装置。
   1. 选择平面尺寸与由3cm的最小宽度为15厘米的最小长度。长度控制为单个采样路径（ 图1）的最大行进距离。
   2. 选择与一个重复性在±10％的选定的速度移动以定义的速度从50-400毫米/秒的平面。范围是基于来自一个志愿者人口进行擦拭实验数据。 ¹⁰
2. 制造擦拭物夹持器（ 图2）。在补充资料CAD图纸。
   1. 包括夹紧机构保持擦拭暴露circulAR收集区直径30毫米。收集区是基于那里仪器的解吸区定义允许的收集区典型的ETD。
   2. 包括收集区域后面可拆卸的软后盾，提供给偶数的动力分配。这是在污染的情况下，可以不另外通过清洗去除可拆卸。背衬可以由海绵橡胶的泡沫，如ASTM D1894 ^14，或另一种软的材料所描述的，如毛毡，切割成适当的尺寸。
      注:在ASTM D1894中描述的海绵橡胶的性能包括:使用85±15千帕（12.5±2.5 psi）的压力时，以压缩泡沫的25％的能力来测量所需的柔软性。我们评估任何背衬材料的有效性通过使用力敏感膜^8，10映射压力均匀地分布力。在整个收集区（压力30毫米 diame之三圆）可基于只针对受力均匀分布的总力来计算。
   3. 包括在擦拭范围从约1至15 N（约100至1500克力）附接权重，以提供总的力（保持器和重量的组合重量）。在擦拭支架的重量设定最小力。力范围是基于数据从志愿者人口进行擦拭的实验中，其中平均力施加为7 N. ¹⁰的最大的力将通过确保行驶期间在表面上平滑运动的能力的限制。
   4. 包括眼钩或类似装置用于连接一个约束线。导线抑制从平面的运动期间移动擦拭支架。导线应平行于表面或平面的运动期间处于轻微的正角。

2.材料的选择和仪器配置

1. 选择TE基于相似甄别环境ST表面。选择可包括合成皮革，金属，塑料，纸板，织物，即是平的，适合于测试装置的平面等使用的表面。非常灵活的表面可能需要由刚性表面进行备份，以防止擦拭采样过程中发生移动。
   1. 如果必要的话，清洁的溶剂（乙醇或甲醇通常是合适的）和/或通过吹离颗粒加压空气切割表面的尺寸。清洁表面之前立即擦拭取样的行为。
2. 使用自认为是在擦拭取样用任何材料制成的湿巾。他们必须有最小尺寸覆盖在擦拭支架30毫米直径的圆形收集区和到位夹紧。
   1. 切湿巾的大小，如果需要放入抹持有人。
   2. 测试中使用的第4节中描述以下过程来确定提取效率和空白铅污染之前的擦拭物的一个子集离子水平相对于RDX或其它污染物可能会干扰分析。
3. 准备通过喷墨印刷阵列RDX粒子标准到聚四氟乙烯（PTFE）的基板。它们的制造和使用进行了详细审查的出版物中描述。 RDX 200ng的是最小量，给定的大约5纳克/毫升，并且最大量的定量技术的基础上，在指纹报告金额RDX的典型的分析检测限，应该是一个几微克。样品可以在冷藏条件下打印后举行长达30天。
   注意:从这些标准获得的颗粒的尺寸范围为1微米至40微米的直径，模拟以及在处理塑料炸药¹²之后进行指纹的颗粒。转移的样品的面积分布取决于印刷阵列大小，但通常是一个5毫米的5mm的区域内;以及内30毫米直径的圆形采样区域。该协议使用通过当转印到测试表面具有已知的粒度分布和已知的区域分布喷墨打印产生RDX粒子标准。其它干转移样品¹³能如果相同的参数是已知的使用。不推荐通过直接沉积溶液到测试表面产生样本。
4. 配置和用于擦拭取样试验装置。
   1. 移动面上的起点位置（ 图1）。
   2. 参照图3，放置一个测试表面，而不粘附它，该设备平面上。
      1. 从纸制备的模板，如在图1中的示意图中所示，并把它齐平，以在测试表面的边缘， 如图3。模板标志着擦拭开始位置和采样路径的位置和长度的位置。
      2. 坚持在型板T○表面使用磁带。移动表面，与模板，来回上飞机，直到擦坐在起始位置时，限制线绷紧。移动的表面上，与模板，侧面到侧面的平面上，直到约束丝的中心向下的行进路径。
   3. 标记上，其中底物将被粘附，如上文所确定的平面的位置。坚持面，与模板，使用双面胶带的平面。
   4. 使用软件控制的仪器输入行驶距离和行驶速度。
   5. 发起的平面的运动，以测试该擦拭遵循的整个行驶距离的采样路径，以确保顺利的旅行。
      注:的一些组合擦拭和测试表面可导致运动期间高水平的摩擦。跳跃和运动期间的擦拭起重是不希望的。该擦拭巾可从长行程的采样通道或某些偏离组合的擦拭和测试表面。最关键的因素是，以确保通过样品沉积位置擦拭通行证。调整限制线的角度可能有助于缓解这一问题。
   6. 从样品测量存款行程的末端的位置的行进距离。
      注:如果在样品在图1中放置采样路径的起点附近，如，行驶距离将处于其最大的测试表面的长度。较小的行进距离可以通过限制行驶的总长度来选择，或者通过移动所述样品的位置。

3.擦拭取样

1. 清洁测试表面并晾干。
2. 放置在顶加载天平表面，在上面放置一纸模板（参见2.4.2），在转角保持到位。
3. 拿在手上的颗粒样品，并使用掠照明来检查阵列完成。
4. 将手指存款的背后并把PTFE基板存款侧向下测试表面上，与所述标记的样品区域内的沉积物。沿着平移使用最少的10N的采样路径中的测试表面的PTFE基板（观察的重量上的平衡，以等于或超过千克力），以干转移的粒子。
   1. 对于具有条纹纹理测试表面，翻译沿表面垂直于条纹的PTFE基板，即使这是正交于采样路径。
5. 使用掠照明检查干转印后的PTFE基板，以确保移除阵列。如果数组元素仍然存在，选择是否继续或放弃实验，重新开始。的选择将取决于从提取和分析，并在需要的表面上的最小质量的检测限。
6. 保留PTFE基材的转印效率的提取和判定。
7. 将测试表面上的平面在previously定义的位置，并坚持使用双面胶或等效的平面。
8. 加载所选抹到支架和附加适当的权重选择的力量。
9. 记录温度和湿度的实验附近在±2℃和±5％RH。
10. 附加约束丝的擦拭夹具与夹具擦拭侧朝下放置在试验表面上。立即启动飞机的运动。提起擦保持器时，将测试表面移动之后停止，并除去从所述保持器的擦拭。

4.提取与分析

1. 提取和分析残留在PTFE转印基板任何RDX。
   1. 流速1mL甲醇中含在表面并进入2mL玻璃小瓶中的内标。使用同位素标记RDX作为内部标准。具有相似化学结构和物理性质的合适的类似物可以如果同位素标记的支架一起使用ARD不能获得。为RDX，附加上可接受的内标。将环四（HMX）。制备PTFE转印基板的方法，建议包裹纸环绕PTFE以最小化溶剂损失到纸张上。
   2. 量化使用以前开发的分析协议解决方案。在此研究中使用的协议是基于电喷雾电离质谱（ESI-MS）。
2. 提取和分析收集到的擦拭RDX。
   1. 切割擦拭材料下降到30毫米直径的圆形收集区域并放置一个2毫升的小玻璃瓶内的切口部。加入1毫升含内标甲醇。
   2. 盖上小瓶和旋涡在10,000rpm下30秒。
   3. 量化溶液尽可能迅速地防止被分析物和/或内部标准的再吸附到擦拭材料。提取尽可能的在一个小时内完成分析。
3. 提取并分析关于PTFE的未使用的RDX粒子标准的一个子集相同的方式以得到基线起始质量为4.1。
4. 计算从PTFE基底转印效率（TE），以确定RDX的沉积在表面上的质量。
   
   其中RDX _初始是提取的基线样品的平均附着量（步骤4.3）和RDX _保留 。是RDX的干转移（步骤4.1）之后剩余的PTFE基板上的质量。
5. 计算捕集效率（CE）的擦拭相对于所述表面上沉积的质量。
   
   其中RDX _擦拭距离擦拭（步骤4.2）中提取RDX的质量。

5.质量控制

1. 进行最少重复3次。变异CE可以相对高，并且可能需要10次或更多的重复，以确定各采样因素的重要性。
   1. 清洁和再利用测试表面，用于重复如果空白测试表明清洁过程的功效。溶剂可能会影响表面纹理，以及任何需要使用它们的过程必须适用于所有的重复。
   2. 使用新鲜的湿巾每个重复。
2. 按照相同的程序，但用空白PTFE衬底测量过程空白。

6.报告

1. 计算和报告TE为平均值和标准偏差和CE（n）的复制。
2. 报告1）类型的擦拭物，2）测试表面，3）的力，4）的速度，5）的行驶距离，6）温度，和7）湿度。
3. 报告中使用的类型和样品的细节。如果样品已制备比通过喷墨印刷，报告估计粒径和再现性等。
4. 报告任何其它因素，控制或观察到。

Results

这个协议的精确从各种各样的可能的测试表面测量收集效率的能力依赖于样本和它的限制，以在表面上的特定区域的物理特性。如果样品是所定义的区域之外，它可能无法完全擦除采样过程中遇到，并且收集效率将人为地降低。此外，如果颗粒与预期中的微量残留炸药实粒子显著不同，收集效率的测量可能不具有代表性。出于这些原因，我们建议使用这已被证明产生适当的粒度特性，并转移到一个限定的区域与协议一致的内表面测试样品的特定类型的。直接溶液沉积以形成颗粒取决于表面的质地和组合物，并且可以不导致representative样本。

结果在表1中给出对于给定的7.5N的力，并测试表面代表行李的（弹道尼龙机织织物）商业ETD擦拭物1（间位芳族聚酰胺聚合物），对于两个不同的行进距离。所有实验中的移动速度为50毫米/秒，和收集过程中的温度和相对湿度分别为20±2℃和40±4％RH，。结果表明，较长的路径长度导致降低的收集效率，预计由于颗粒¹⁰的再沉积。所述36厘米行驶距离，通过使用三个单独的道次表面上，起重在每个路径的端部的擦拭和平移表面以暴露出新鲜的采样路径来实现。延伸的行进距离的这种方法需要抹被提升并多次向下放置，并与连续的可产生不同的结果样本路径。在筛选的方案，很可能是在擦拭被提升并在项目更换很多次，所以这种方法为延长行驶距离是合适的。

从PTFE基板的RDX沉积物的TE的高，如预期的该表面。因为转座因子是接近100％，并且有由基底（步骤3.2.3）的目视检查提供质量保证，TE的测量可以在不影响显著此测试面的CE结果被消除。其他测试表面可具有低或多个可变的TE。在CE的不确定性预期根据我们的经验，迄今这种技术的范围内。第二商业ETD擦拭（PTFE涂覆的编织的玻璃纤维）通常具有比间位芳族聚酰胺聚合物的不确定性擦拭下，尽管它也有在一般（ 图4）下的CE。我们以前用的聚苯乙烯微球工作相比与擦拭物1 F"> 8是具有用于ETD所观察到的低收集效率一致的擦拭2。

图1. 原理图擦拭采样装置（左和中间）与模板测试表面（右）上的样品放置。擦拭收集区域，30毫米直径的圆，的覆盖区被示出在采样路径的开始和结束。擦巾放置在测试表面上，直接行进通过样本位置（一般为5毫米×5mm或更小），并在表面上结束。的行驶距离是从C，所述样品的位置，到最后。 请点击此处查看该图的放大版本。

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图2. 示例擦拭支架。自定义保持器组成部件示于左上角的，并且包括三维打印产生的两个塑料部件。这两个组件用来夹住的地方擦拭，并通过两个翼形螺丝固定在一起。可附接的不锈钢砝码是实心杆，在其一端附接至保持器的螺纹螺柱。吊环螺栓是用于约束线的附接。

图3. 设备的配置。黄色纸模板由通过10cm至适合10cm的正方形钢测试的表面上，用于采样路径的切口。与模板中的表面被放置在可移动的平面和调整，直到约束线被拉紧并居中于采样路径。该模板用于配置日È设备和传送测试样品时，但不到位时擦拭采样。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4. 结果合成皮革试验表面和36厘米行驶距离，通过使用3次的每组12厘米，对于两个不同的擦拭物实现。在CE不确定性给定为1个标准差。

行驶距离（cm）	力（N）	TE（％）	RSD（％）	CE（％）	RSD（％）	ñ
36 *	7.5	97.4±2.1	2.2	11.7±4.0	34.0	9
12	7.5	98.5±1.3	1.3	22.6±3.4	15.2	4
*的每个12厘米3遍。

表1 的结果为商业ETD擦拭物1个编织尼龙织物测试表面为两个不同的行进距离。在TE和CE不确定性给定为1个标准差。

Discussion

目前样品收集被视为限制步骤筛选的环境中提高检测能力。擦拭取样是需要测量和标准化，以评估当前的能力和支持新的采样材料和协议的发展。这里所描述的方法旨在提供这种测量的基础设施，以及控制大多数已知的因素是相关的擦拭取样。以前的工作已经表明，粒径，收集，测试表面，采样期间施加力擦拭，行驶距离是控制所有的重要因素。器乐方法允许用于在所施加的力的控制，擦拭的速度和行驶距离，并选择这些参数的值应落在预期在实际情况的范围内。该力是通过使用背衬重量在收集区域施加，并且应该小心，以实现均匀的力分布，以calc下乌拉特压力。

测试表面由用户选择，并应与实际筛查的环境中复制的采样挑战的预期范围内。采样擦拭物，以评估当前的实践和/或测量新设计的材料的效力选择。为了比较实验室之间的结果，同样的测试表面和擦拭物必须被使用，其可以通过指定关键参数或通过共享来自单个源购买的材料来完成。该ETD湿巾是市售的，但他们不断地在生产，不同批次可能有不同的属性。这些都是可以在将来通过实验室间的协调努力解决的问题。

用于评估收集效率的样品应与预计在实际生活中的物理特性。在爆炸物的情况下，我们已经制定了RDX的喷墨印刷解决方案来生产的方法微米大小的沉积物，能有效地转移到一个范围的底物和产生粒子沉积物尺寸范围从1至40微米。可替换地，可以使用固定大小的聚苯乙烯微球。吹打RDX溶液到特氟隆基板通常导致单存可能是相当大的，并转移到后表面的颗粒尺寸是未知的。这种方法可用于采样的研究，如果颗粒尺寸的特征，并显示出可重现的。

用于评估炸药采样效率描述的这种方法，但也可以应用于环保，核能，或法医学应用。的样品中，再次，应开发以匹配实际应用中，并且在颗粒的残基的情况下，相同类型的从聚四氟乙烯干式转印的是适当的。从比颗粒转移其它来源，例如从蒸汽冷凝，不同类型的样品所产生的表面污染可能更合适。

该技术的电流限制是不能改变的采样方向。当前的配置允许在一个单一的方向上的移动只，因此，对于通常发生在物体的领域采样方向变化无法控制。目前，我们正在解决这个需求通过将X - Y移动，并允许特定的抽样模式来填充区域。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
滑爽/剥离测试仪	Imass	TL-2300	中使用的 TL-2200
	Stratasys	Connex500	VeroWhite 树脂作为打印材料
带螺纹的钢棒	McMaster-Carr	7786T14	切割成所需重量，多个在线供应商提供
毛毡或橡胶			背衬材料，多个在线供应商可用
PTFE 基材	SPI Supplies	01426-AB	1 英寸宽 Bytac 工作台和搁板保护器，铝背衬，按尺寸切割
RDX 溶液	Cerilliant 分析参考标准液	ERR-001S	1,000 mg/mL，在乙腈
喷墨打印机	MicroFab Technologies， Inc.	jetlab4 xl-B
同位素标记的 RDX	Cambridge Isotope Laboratories	CLM-3846-S	用于内部分析标准
2 mL 玻璃样品瓶	Restek	21140 /24670
甲醇	Sigma Aldrich	14262	Chromasolv 级
ETD 擦拭 1	DSA 检测	DSW8055P	Ionscan 500 DT 擦拭
ETD 擦拭 2	DSA检测	ST1318P	Itemiser DX wipe
弹道尼龙面料	Seattle Fabrics	1050 Denier Ballistics
合成皮革面料			联系作者索取样品