Zoptymalizowane protokoły pobierania próbek i rozwój nowych materiałów do czyszczenia mogą być ułatwione dzięki ustandaryzowanym pomiarom efektywności pobierania próbek z wycierania. Nasze podejście do pobierania próbek śladowych ilości materiałów wybuchowych wykorzystuje zautomatyzowane urządzenie do kontrolowania prędkości, siły i odległości podczas pobierania próbek wycierania, a następnie ekstrakcji zebranych materiałów wybuchowych.
Artykuł metodologiczny
Znormalizowana metoda pomiaru skuteczności zbierania próbek śladowych ilości materiałów wybuchowych za pomocą wycierania
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Jednym z kroków ograniczających wykrywanie śladów materiałów wybuchowych w miejscach kontroli jest skuteczne pobranie próbki. Pobieranie próbek metodą wycierania jest najpowszechniejszą procedurą pobierania śladów materiałów wybuchowych, a do oceny i optymalizacji protokołów pobierania próbek potrzebne są ustandaryzowane pomiary skuteczności pobierania. Opisane tutaj podejście ma na celu zapewnienie tej infrastruktury pomiarowej i kontroluje większość czynników, o których wiadomo, że są istotne dla pobierania próbek wymazywania. Trzy krytyczne czynniki (przyłożona siła, odległość jazdy i prędkość jazdy) są kontrolowane za pomocą zautomatyzowanego urządzenia. Powierzchnie testowe są wybierane na podstawie podobieństwa do środowiska przesiewowego, a chusteczki mogą być wykonane z dowolnego materiału rozważanego do użycia przy pobieraniu próbek wycierania. Próbki cząstek wybuchowej 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triazyny (RDX) nanosuje się w ustalonym miejscu na powierzchni przy użyciu techniki suchego transferu. Próbki cząstek, opracowane niedawno w celu symulacji pozostałości powstałych po kontakcie z materiałami wybuchowymi, są wytwarzane przez drukowanie atramentowe roztworów RDX na podłożach z politetrafluoroetylenu (PTFE). Skuteczność zbierania mierzy się poprzez ekstrakcję zebranego materiału wybuchowego z chusteczki, a następnie odnosi się do krytycznych czynników pobierania próbek oraz wyboru materiału do wycierania i powierzchni testowej. Pomiary te mają na celu ukierunkowanie opracowania protokołów pobierania próbek w miejscach badań przesiewowych, w których szybkość i przepustowość są głównymi czynnikami.
Wprowadzenie
Badanie pod kątem śladów materiałów wybuchowych na lotniskach i w innych miejscach jest kluczowym krokiem w ochronie społeczeństwa przed zagrożeniem terrorystycznym. Obecne praktyki są w dużym stopniu skoncentrowane na wycieraniu próbek zanieczyszczeń powierzchniowych z przedmiotów przenoszonych przez ludzi, samych ludzi oraz przedmiotów przeznaczonych do ładowni. Chusteczki do zbierania są analizowane natychmiast w terenie przy użyciu komercyjnych detektorów śladowych materiałów wybuchowych (ETD), które zwykle opierają się na desorpcji termicznej zebranego materiału stałego, z wykrywaniem za pomocą spektrometrii ruchliwości jonów1 lub, od niedawna, spektrometrii mas. Całkowity czas dostępny na pobranie i analizę próbek jest ograniczony ze względu na konieczność zminimalizowania wpływu na przepustowość pasażerów i ładunków. Protokoły pobierania próbek muszą być zoptymalizowane w celu pobrania jak największej ilości próbek w jak najkrótszym czasie, co wymaga ustandaryzowanych pomiarów, które mogą ważyć czynniki ważne dla pobierania wycierania.
Pobieranie próbek metodą wycierania jest powszechną praktyką stosowaną do pobierania próbek zanieczyszczeń powierzchniowych w obszarach zdrowotnych, środowiskowych i regulacyjnych2,3,4,5,6,7. Typowe praktyki obejmują trzymanie chusteczki ręcznie i pobieranie próbek w ustalonym obszarze przy użyciu ogólnego wzorca pokrycia. Aby zwiększyć kontrolę nad czynnikami wycierania, w tym siłą i prędkością, opracowaliśmy instrumentalne podejście do symulacji próbkowania wymazywania8, które zostało również wykorzystane do oceny wydajności biologicznego pobierania próbek wipe-sup9. Komercyjne urządzenie przeznaczone do pomiaru przyczepności zostało dostosowane do tego celu; Obejmuje płaską powierzchnię, która porusza się ze stałą prędkością i odległością pod nieruchomym wycieraczem. Siła podczas pobierania próbek jest kontrolowana przez ciężarek umieszczony na górze uchwytu chusteczek. Powierzchnie będące przedmiotem zainteresowania (tkaniny, tworzywa sztuczne, metale itp.) umieszcza się na powierzchni płaskiej, a próbkę cząstek umieszcza się w ustalonym obszarze na tej powierzchni. W naszych wcześniejszych pracach wykorzystaliśmy mikrosfery lateksu polistyrenowego jako cząstki testowe i wykazano, że wielkość cząstek ma wpływ na zbieranie cząstek, przy czym większe (42 μm) kulki zbierane są bardziej efektywnie niż mniejsze (9 μm). Stwierdziliśmy również pewną poprawę skuteczności zbierania wraz ze wzrostem siły przyłożonej podczas pobierania próbek oraz zaobserwowaliśmy różnice w zbieraniu z różnych powierzchni i dla różnych chusteczek.
W późniejszych pracach stwierdziliśmy, że cząsteczki polistyrenu mogą być ponownie osadzane, kontynuując wycieranie powierzchni po zebraniu, zmniejszając widoczną skuteczność zbierania10. Jest to ważny czynnik przy wykrywaniu śladowych ilości materiałów wybuchowych, ponieważ przedmioty, z których pobiera się próbki w scenariuszach kontroli bezpieczeństwa, takie jak walizki, mogą być duże w stosunku do obszaru zbierania chusteczek, co wymaga pokonywania dużych odległości, aby pokryć nawet niewielki procent powierzchni przedmiotu. W związku z tym odległość pokonywania powierzchni po pobraniu próbki jest ważnym czynnikiem, a protokoły terenowe zazwyczaj określają maksymalną dopuszczalną odległość pokonaną przed każdą analizą.
Kształty mikrosfer nie przypominają prawdziwych cząstek wybuchowych11,12 a ich właściwości chemiczne i fizyczne mogą czynić je nieodpowiednim symulantem dla materiałów wybuchowych w eksperymentach z zbieraniem chusteczek. Aby rozwiązać ten problem, opracowaliśmy materiał testowy zawierający materiał wybuchowy 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triazynę (RDX) o znanej wielkości cząstek. Badany materiał jest wytwarzany przez drukowanie atramentowe nanolitrowych objętości roztworu RDX w tablicach na podłożach teflonowych, z mikrometrowymi osadami stałymi utworzonymi przez odparowanie w każdym punkcie matrycy. Osady są przenoszone na powierzchnie testowe poprzez wcieranie w powierzchnię, a wynikowe rozmiary cząstek są definiowane przez początkową wielkość osadu. Pożądane średnice cząstek, określone na podstawie analizy odcisków palców zawierających śladowe ilości materiałów wybuchowych, wynoszą od 10 do 20 μm. Osady mogą być również tworzone przez pipetowanie mikrolitrowych objętości roztworu na podłoża teflonowe 13, ale wyschną one do jednego dużego osadu, na ogół znacznie większego niż pożądany zakres rozmiarów cząstek (dla mas RDX istotnych dla tej pracy). W tej pracy stosuje się wzorzec cząstek RDX do drukarek atramentowych wraz z procedurami ekstrakcji i analizy ilościowej w celu zademonstrowania metody określania skuteczności zbierania chusteczek. Pomiary te mają na celu promowanie rozwoju nowych chusteczek do pobierania próbek o lepszej wydajności pobierania i wspieranie najlepszych praktyk w zakresie pobierania próbek w terenie, w tym celowania w powierzchnie, które dają więcej próbki, odpowiednią siłę do użycia podczas pobierania oraz obszar do pokrycia przed analizą.
Protokół
1. Aparatura
- Wybierz lub wykonaj urządzenie z ruchomą płaszczyzną (patrz schemat na Rysunku 1).
UWAGA: W tym przypadku użyto testera poślizgu/odrywania TL, jednak urządzenie to posiada funkcje, takie jak pomiar sił tarcia, które nie są niezbędne w tej metodzie i mogą zwiększyć koszt w porównaniu z prostszym urządzeniem.- Wybierz wymiary płaszczyzny o minimalnej długości 15 cm i minimalnej szerokości 3 cm. Długość ta kontroluje maksymalny dystans przemieszczenia dla pojedynczej ścieżki pobierania próbek (Rysunek 1).
- Wybierz płaszczyznę, która porusza się z określonymi prędkościami w zakresie 50-400 mm/s, z powtarzalnością na wybranej prędkości wynoszącą ± 10%. Zakres ten oparto na danych z populacji ochotników wykonujących eksperymenty z przecieraniem.10
- Wykonaj uchwyt do ściereczki (Rysunek 2). Rysunki CAD dostępne są w informacjach uzupełniających.
- Zastosuj mechanizm zaciskowy do trzymania ściereczki, który odsłania okrągły obszar pobierania o średnicy 30 mm. Obszar pobierania oparto na typowych detektorach ETD, w których obszar desorbera w urządzeniu definiuje dopuszczalny obszar pobierania.
- Zastosuj usuwalną miękką podkładkę za obszarem pobierania, aby zapewnić równomierny rozkład siły. Jest ona usuwalna w przypadku zanieczyszczenia, którego nie można usunąć w inny sposób poprzez czyszczenie. Podkładka może być wykonana z gąbki gumowej, zgodnie z opisem w ASTM D189414, lub z innego miękkiego materiału, np. filcu, dociętego do rozmiaru.
UWAGA: Właściwości gąbki gumowej opisane w ASTM D1894 obejmują wymaganą miękkość, mierzoną jako zdolność do ściśnięcia pianki o 25% przy zastosowaniu ciśnienia 85 ± 15 kPa (12.5 ± 2.5 psi). Skuteczność dowolnego materiału podkładowego w równomiernym rozkładzie siły oceniamy poprzez mapowanie ciśnienia za pomocą folii czułej na nacisk8,10. Ciśnienie w całym obszarze pobierania (okrąg o średnicy 30 mm ) można obliczyć na podstawie całkowitej siły wyłącznie dla jednorodnych rozkładów siły. - Zastosuj dołączane obciążniki, aby zapewnić całkowite siły (połączona masa uchwytu i obciążnika) działające na ściereczkę w zakresie od około 1 do 15 N (około 100 do 1 500 gram-siły). Minimalną siłę należy ustalić poprzez masę uchwytu do ściereczki. Zakres siły oparto na danych z populacji ochotników wykonujących eksperymenty z przecieraniem, gdzie średnia wywierana siła wynosiła 7 N.10 Maksymalna siła będzie ograniczona możliwością zapewnienia płynnego ruchu po powierzchni podczas przemieszczania.
- Zastosuj hak z oczkiem lub podobne urządzenie do przymocowania drutu ograniczającego. Drut zapobiega przemieszczaniu się uchwytu do ściereczki podczas ruchu płaszczyzny. Drut powinien być równoległy do powierzchni lub pod niewielkim dodatnim kątem podczas ruchu płaszczyzny.
2. Dobór materiałów i konfiguracja aparatury
- Wybierz powierzchnie testowe na podstawie ich podobieństwa do środowiska przesiewowego. Wybory mogą obejmować skórę syntetyczną, metal, plastik, karton, tkaninę itp. Należy używać powierzchni płaskich, które mieszczą się w płaszczyźnie urządzenia testowego. Bardzo elastyczne powierzchnie mogą wymagać podparcia sztywną powierzchnią, aby zapobiec przesunięciom podczas pobierania próbek metodą wymazową.
- W razie potrzeby dotnij powierzchnie do odpowiedniego rozmiaru i oczyść rozpuszczalnikiem (zazwyczaj odpowiednie są etanol lub metanol) i/lub poprzez zdmuchnięcie cząsteczek sprężonym powietrzem. Powierzchnie należy oczyścić bezpośrednio przed przeprowadzeniem pobierania próbek metodą wymazową.
- Użyj wymazów wykonanych z dowolnego materiału rozważanego do zastosowania w pobieraniu próbek metodą wymazową. Muszą one mieć minimalne wymiary pozwalające na pokrycie okrągłego obszaru zbierania o średnicy 30 mm na uchwycie do wymazów i być w nim unieruchomione.
- W razie potrzeby dotnij wymazy do rozmiaru pasującego do uchwytu do wymazów.
- Przed użyciem przetestuj podzbiór wymazów zgodnie z procedurami opisanymi w sekcji 4, aby określić wydajność ekstrakcji i poziom zanieczyszczenia tła w odniesieniu do RDX lub innych zanieczyszczeń, które mogłyby zakłócić analizę.
- Przygotuj standardy cząsteczek RDX poprzez druk atramentowy macierzy na podłożach z politetrafluoroetylenu (PTFE). Ich wykonanie i zastosowanie zostały szczegółowo opisane w analizowanej publikacji. Minimalna ilość to 200 ng RDX, biorąc pod uwagę typowe granice detekcji analitycznej techniki ilościowej wynoszące około 5 ng/mL, a ilość maksymalna, oparta na zgłaszanych ilościach RDX w odciskach palców, powinna wynosić kilka mikrogramów. Próbki mogą być przechowywane w warunkach chłodniczych do 30 dni po wydrukowaniu.
UWAGA: Cząsteczki pochodzące z tych standardów mają średnicę od 1 μm do 40 μm, co dobrze symuluje cząsteczki w odciskach palców powstałych po kontakcie z materiałami wybuchowymi w plastictach12. Rozkład przestrzenny przeniesionej próbki zależy od rozmiaru wydrukowanej macierzy, ale zazwyczaj mieści się w obszarze 5 mm na 5 mm, co znajduje się w obrębie okrągłego obszaru pobierania o średnicy 30 mm. W niniejszym protokole stosuje się standardy cząsteczek RDX wytworzone za pomocą druku atramentowego, które mają znany rozkład wielkości cząstek i znany rozkład przestrzenny podczas przenoszenia na powierzchnię testową. Można stosować inne próbki przenoszone na sucho13, jeśli te same parametry są znane. Nie zaleca się stosowania próbek nanoszonych bezpośrednio w formie roztworu na powierzchnie testowe. - Skonfiguruj i przetestuj urządzenie do pobierania próbek metodą wymazową.
- Przesuń płaszczyznę do pozycji startowej (Rysunek 1).
- Zgodnie z Rysunkiem 3 umieść powierzchnię testową, bez przyklejania jej, na płaszczyźnie urządzenia.
- Przygotuj szablon z papieru, jak pokazano na schemacie na Rysunku 1, i przyłóż go równo do krawędzi powierzchni testowej, jak pokazano na Rysunku 3. Szablon wyznacza położenie pozycji startowej wymazu oraz lokalizację i długość ścieżki pobierania.
- Przymocuj szablon do powierzchni za pomocą taśmy. Przesuwaj powierzchnię wraz z szablonem w przód i w tył po płaszczyźnie, aż wymaz znajdzie się w pozycji startowej przy napiętym drucie ograniczającym. Przesuwaj powierzchnię wraz z szablonem na boki po płaszczyźnie, aż drut ograniczający znajdzie się w centrum ścieżki ruchu.
- Zaznacz na płaszczyźnie miejsce, w którym podłoże zostanie przyklejone, zgodnie z powyższymi ustaleniami. Przyklej powierzchnię wraz z szablonem do płaszczyzny za pomocą taśmy dwustronnej.
- Użyj sterowania programowego instrumentu, aby wprowadzić dystans i prędkość ruchu.
- Uruchom ruch płaszczyzny, aby sprawdzić, czy wymaz podąża ścieżką pobierania przez cały dystans ruchu i aby zapewnić jego płynność.
UWAGA: Niektóre kombinacje wymazu i powierzchni testowej mogą powodować wysoki poziom tarcia podczas ruchu. Niepożądane jest przeskakiwanie i odrywanie się wymazu podczas ruchu. Wymaz może odchylać się od ścieżki pobierania przy dużych dystansach ruchu lub dla niektórych kombinacji wymazu i powierzchni testowej. Najważniejszym czynnikiem jest zapewnienie, że wymaz przejdzie przez miejsce naniesienia próbki. Regulacja kąta drutu ograniczającego może pomóc rozwiązać ten problem. - Zmierz dystans ruchu od miejsca naniesienia próbki do końca ruchu.
UWAGA: Jeśli próbka zostanie umieszczona blisko początku ścieżki pobierania, jak na Rysunku 1, dystans ruchu będzie maksymalny dla długości powierzchni testowej. Mniejsze dystanse ruchu można uzyskać poprzez ograniczenie całkowitej długości ruchu lub zmianę położenia próbki.
3. Pobieranie próbek wymazowych
- Oczyścić powierzchnię testową i pozostawić do wyschnięcia.
- Umieścić powierzchnię na wadze z załadunkiem górnym i położyć na niej szablon papierowy (patrz 2.4.2), przytrzymując go za róg.
- Wziąć do ręki próbkę cząstek i użyć oświetlenia kątowego, aby sprawdzić, czy macierz jest kompletna.
- Umieścić palec za osadem i położyć podłoże z PTFE stroną z osadem do dołu na powierzchni testowej, tak aby osad znajdował się w wyznaczonym obszarze próbkowania. Przesunąć podłoże z PTFE wzdłuż powierzchni testowej na ścieżce próbkowania, stosując siłę minimum 10 N (obserwując, czy waga wskazuje wartość równą lub przekraczającą 1 000 gram-siły), aby przeprowadzić suchy transfer cząstek.
- W przypadku powierzchni testowych o prążkowanej teksturze, przesuwać podłoże z PTFE wzdłuż powierzchni prostopadle do prążków, nawet jeśli jest to prostopadle do ścieżki próbkowania.
- Użyć oświetlenia kątowego do inspekcji podłoża z PTFE po suchym transferze, aby upewnić się, że macierz została usunięta. Jeśli elementy macierzy pozostały, zdecydować, czy kontynuować, czy odrzucić eksperyment i rozpocząć go ponownie. Wybór będzie zależał od granic wykrywalności podczas ekstrakcji i analizy oraz minimalnej masy wymaganej na powierzchni.
- Zachować podłoże z PTFE do ekstrakcji i określenia wydajności transferu.
- Umieścić powierzchnię testową na płaszczyźnie w wcześniej zdefiniowanej lokalizacji i przytwierdzić ją do płaszczyzny za pomocą dwustronnej taśmy klejącej lub odpowiednika.
- Załadować wybraną ściereczkę do uchwytu i przymocować odpowiednie obciążniki dla wybranej siły.
- Zarejestrować temperaturę i wilgotność w pobliżu eksperymentu z dokładnością do ± 2 °C i ± 5% RH.
- Przymocować drut ograniczający do uchwytu ściereczki i położyć uchwyt stroną ze ściereczką do dołu na powierzchni testowej. Natychmiast rozpocząć ruch płaszczyzny. Podnieść uchwyt ściereczki z powierzchni testowej po zakończeniu ruchu i wyjąć ściereczkę z uchwytu.
4. Ekstrakcja i analiza
- Ekstrakcja i analiza pozostałego RDX na podłożu transferowym z PTFE.
- Przepłucz powierzchnię 1 mL metanolu zawierającego standard wewnętrzny, zbierając roztwór do szklanej fiolki o pojemności 2 mL. Jako standard wewnętrzny należy zastosować izotopowo znakowany RDX. Jeśli standard izotopowy jest niedostępny, można użyć odpowiedniego analogu o podobnej strukturze chemicznej i właściwościach fizycznych. W przypadku RDX dodatkowym akceptowalnym standardem wewnętrznym jest cyklotetrametylenotetranitramina (HMX). Metoda przygotowania podłoża transferowego z PTFE sugeruje owinięcie PTFE wokół papieru, aby zminimalizować straty rozpuszczalnika w papierze.
- Ilościowo określ zawartość roztworów, korzystając z wcześniej opracowanego protokołu analitycznego. Protokół zastosowany w niniejszym badaniu opiera się na spektrometrii mas z jonizacją przez elektroryk (ESI-MS).
- Ekstrakcja i analiza RDX zebranego na waciku.
- Wytnij materiał wacika do rozmiaru okrągłego obszaru zbierania o średnicy 30 mm i umieść wyciętą część w szklanej fiolce o pojemności 2 mL. Dodaj 1 mL metanolu zawierającego standard wewnętrzny.
- Zamknij fiolkę i mieszaj w wstrząsarce typu vortex z prędkością 10 000 rpm przez 30 s.
- Wykonaj analizę ilościową roztworów tak szybko, jak to możliwe, aby zapobiec ponownej adsorpcji analitytu i/lub standardu wewnętrznego na materiale wacika. Jeśli to możliwe, zakończ analizy w ciągu godziny od ekstrakcji.
- Wykonaj ekstrakcję i analizę podgrupy niewykorzystanych standardów cząstek RDX na PTFE w ten sam sposób co w punkcie 4.1, aby uzyskać bazową masę początkową.
- Oblicz wydajność transferu (TE) z podłoża PTFE, aby określić masę RDX osadzoną na powierzchni.
gdzie RDXInitial to średnia osadzona masa z ekstrahowanych próbek bazowych (krok 4.3), a RDXRemain to masa RDX pozostała na podłożu z PTFE po transferze na sucho (krok 4.1). - Oblicz wydajność zbierania (CE) wacika w stosunku do masy osadzonej na powierzchni.
gdzie RDXWipe to masa RDX ekstrahowana z wacika (krok 4.2).
5. Kontrola jakości
- Wykonaj minimum 3 powtórzenia. Zmienność w CE może być stosunkowo wysoka i może być konieczne wykonanie 10 lub więcej powtórzeń, aby określić istotność różnych czynników próbkowania.
- Oczyść i użyj ponownie powierzchni testowych dla powtórzeń, jeśli testy ślepe wykażą skuteczność procedury czyszczenia. Rozpuszczalniki mogą wpływać na teksturę powierzchni, a każda procedura wymagająca ich użycia musi być zastosowana do wszystkich powtórzeń.
- Używaj nowych chusteczek dla każdego powtórzenia.
- Zmierz próbki ślepe procesu, postępując zgodnie z tą samą procedurą, ale z użyciem pustych podłoży z PTFE.
6. Raportowanie
- Oblicz i podaj średnią oraz odchylenie standardowe TE i CE dla (n) powtórzeń.
- Podaj 1) rodzaj ściereczki, 2) testowaną powierzchnię, 3) siłę nacisku, 4) prędkość, 5) dystans przemieszczenia, 6) temperaturę oraz 7) wilgotność.
- Podaj rodzaj i szczegóły wykorzystanej próbki. Jeśli próbki zostały przygotowane w inny sposób niż za pomocą druku atramentowego, podaj szacowaną wielkość cząstek oraz powtarzalność.
- Podaj wszelkie inne czynniki, kontrolowane lub zaobserwowane.
Wyniki
Zdolność tego protokołu do dokładnego pomiaru wydajności pobierania z szerokiej gamy potencjalnych powierzchni testowych zależy od właściwości fizycznych próbki oraz jej ograniczenia do konkretnego obszaru na powierzchni. Jeśli próbka znajduje się poza zdefiniowanym obszarem, może nie zostać w pełni pobrana podczas pobierania wymazów, co doprowadzi do sztucznego obniżenia wydajności pobierania. Ponadto, jeśli cząstki znacząco różnią się od rzeczywistych cząstek spodziewanych w śladowych pozostałościach materiałów wybuchowych, pomiary wydajności pobierania mogą nie być reprezentatywne. Z tych reasons zalecamy stosowanie konkretnego rodzaju próbki, w przypadku której wykazano generowanie odpowiednich charakterystyk wielkości cząstek oraz przenoszenie na powierzchnie testowe w obrębie ograniczonego obszaru zgodnie z protokołem. Bezpośrednie nanoszenie roztworu w celu utworzenia cząstek zależy od tekstury i składu powierzchni i może nie skutkować otrzymaniem reprezentatywnych próbek.
Wyniki przedstawiono w Tabeli 1 dla komercyjnej ściereczki ETD 1 (polimer meta-aramidowy) przy zastosowaniu siły 7,5 N i powierzchni testowej reprezentującej bagaż (tkana tkanina nylonowa balistyczna), dla dwóch różnych dystansów przesuwania. Prędkość przesuwania we wszystkich eksperymentach wynosiła 50 mm/s, a temperatura i wilgotność względna podczas pobierania próbek wynosiły odpowiednio 20 ± 2 °C i 40 ± 4% RH. Wyniki pokazują, że dłuższa droga przesuwania prowadzi do zmniejszenia wydajności pobierania, co jest spodziewane ze względu na redepozycję cząstek10. Dystans przesuwania 36 cm osiągnięto, wykonując trzy oddzielne przejścia po powierzchni, podnosząc ściereczkę na końcu każdej drogi i przesuwając powierzchnię, aby odsłonić nową ścieżkę pobierania. Ta metoda wydłużania dystansu przesuwania wymaga wielokrotnego podnoszenia i przykładania ściereczki, co może przynieść inne wyniki w porównaniu do ciągłej ścieżki pobierania próbek. W scenariuszach przesiewowych prawdopodobne jest, że ściereczka jest wielokrotnie podnoszona i przykładana do przedmiotu, zatem takie podejście do wydłużania dystansu przesuwania jest odpowiednie.
Wartości TE dla osadów RDX z podłoża PTFE są wysokie, co jest spodziewane dla tej powierzchni. Ponieważ TE są bliskie 100%, a zapewnienie jakości jest realizowane poprzez wizualną inspekcję podłoża (krok 3.2.3), pomiar TE mógłby zostać pominięty bez istotnego wpływu na wyniki CE dla tej powierzchni testowej. Inne powierzchnie testowe mogą charakteryzować się niższymi lub bardziej zmiennymi wartościami TE. Niepewności CE mieszczą się w zakresie oczekiwanym dla tej techniki na podstawie naszego dotychczasowego doświadczenia. Druga komercyjna ściereczka do ETD (tkana włóknista szklana powlekana PTFE) zazwyczaj wykazuje mniejsze niepewności niż ściereczka z polimeru meta-aramidowego, choć ogólnie charakteryzuje się ona również niższymi wartościami CE (Rysunek 4). Nasze poprzednie prace z mikrosferami polistyrenowymi8 są zgodne z niższą wydajnością zbierania zaobserwowaną dla ściereczki ETD 2 w porównaniu ze ściereczką 1.
Rysunek 1. Schemat aparatury do pobierania próbek metodą wycierania (lewo i środek) wraz z szablonem rozmieszczenia próbek na powierzchni testowej (prawo). Powierzchnia styku obszaru zbierania wycierakiem, będąca okręgiem o średnicy 30 mm, jest pokazana na początku i na końcu ścieżki pobierania próbek. Wycierak jest umieszczany na powierzchni testowej, przesuwa się bezpośrednio przez miejsce pobrania próbki (zazwyczaj 5 mm na 5 mm lub mniejsze) i kończy ruch na powierzchni. Dystans przemieszczenia mierzony jest od punktu C, miejsca pobrania próbki, do końca ścieżki. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 2. Przykład uchwytu na chusteczkę.W lewym górnym rogu przedstawiono części składowe niestandardowego uchwytu, w tym dwa plastikowe komponenty wykonane za pomocą druku 3D. Te dwa elementy służą do zaciskania chusteczki w odpowiednim miejscu i są utrzymywane razem przez dwie śruby motylkowe. Dołączany ciężarek ze stali nierdzewnej to pełny pręt z gwintowanym trzpieniem na jednym końcu, służącym do mocowania do uchwytu. Śruba z oczkiem służy do przytroczenia linki ograniczającej.
Rysunek 3. Konfiguracja urządzenia. Żółty papierowy szablon jest wykonany tak, aby pasował do kwadratowej stalowej powierzchni testowej o wymiarach 10 cm na 10 cm, z wycięciem na ścieżkę pobierania próbek. Powierzchnia z szablonem zostaje umieszczona na ruchomej płaszczyźnie i dopasowana tak, aby linia ograniczająca była napięta i wycentrowana nad ścieżką pobierania próbek. Szablon służy do konfiguracji urządzenia oraz podczas przenoszenia próbki testowej, ale nie jest stosowany podczas pobierania próbek metodą wycierania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 4. Wyniki dla powierzchni testowej ze skóry syntetycznej i odległości przesunięcia 36 cm, osiągniętej poprzez wykonanie 3 przejść po 12 cm każde, dla dwóch różnych chusteczek. Niepewności CE podano jako 1 odchylenie standardowe.
| Przebyta odległość (cm) | Siła (N) | TE (%) | Względne odchylenie standardowe (%) | Wydajność konwersji (%) | Względna odchyłka standardowa (%) | n |
| 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 |
| *3 przejścia po 12 cm każde. | ||||||
Tabela 1. Wyniki dla komercyjnej ściereczki ETD 1 i testowej powierzchni z tkaniny nylonowej dla dwóch różnych odległości przesuwania. Niepewności TE i CE podano jako 1 odchylenie standardowe.
Dyskusja
Pobieranie próbek jest obecnie postrzegane jako krok ograniczający do poprawy możliwości wykrywania w środowiskach przesiewowych. Pobieranie próbek metodą wipe-sampling wymaga pomiarów i standaryzacji w celu oceny obecnych możliwości i wsparcia rozwoju nowych materiałów i protokołów pobierania próbek. Opisane tutaj podejście ma na celu zapewnienie tej infrastruktury pomiarowej i kontroluje większość czynników, o których wiadomo, że są istotne dla pobierania próbek wymazywania. Wcześniejsze prace wykazały, że wielkość cząstek, siła przyłożona podczas zbierania, powierzchnia testowa, ściereczka do pobierania próbek i odległość przebycia są ważnymi czynnikami, które należy kontrolować. Podejście instrumentalne pozwala na kontrolę nad przyłożoną siłą, prędkością wycierania i odległością przesuwu, a wartości dobrane dla tych parametrów powinny mieścić się w zakresie oczekiwanym w rzeczywistych sytuacjach. Siła jest przykładana za pomocą obciążnika podkładowego nad obszarem zbierania i należy zachować ostrożność, aby uzyskać równomierny rozkład siły w celu obliczenia nacisku.
Powierzchnie testowe są wybierane przez użytkownika i powinny odnosić się do rzeczywistych środowisk przesiewowych, aby odtworzyć oczekiwany zakres wyzwań związanych z pobieraniem próbek. Chusteczki do pobierania próbek są wybierane w celu oceny obecnych praktyk i/lub pomiaru skuteczności nowo zaprojektowanych materiałów. W celu porównania wyników między laboratoriami należy użyć tych samych powierzchni testowych i chusteczek, co można zrobić, określając parametry krytyczne lub udostępniając materiały zakupione z jednego źródła. Chusteczki ETD są dostępne na rynku, ale są stale w produkcji i różne partie mogą mieć różne właściwości. Są to kwestie, które mogą zostać rozwiązane w przyszłości dzięki skoordynowanym wysiłkom międzylaboratoryjnym.
Próbki wykorzystywane do oceny skuteczności zbierania powinny odpowiadać cechom fizycznym oczekiwanym w rzeczywistych sytuacjach. W przypadku materiałów wybuchowych opracowaliśmy podejście do rozwiązań druku atramentowego RDX w celu wytwarzania osadów o rozmiarach mikrometrowych, które skutecznie przenoszą się na różne podłoża i wytwarzają osady cząstek o wielkości od 1 do 40 μm. Alternatywnie można zastosować mikrosfery polistyrenowe o stałym rozmiarze. Pipetowanie roztworów RDX na podłoża teflonowe zwykle powoduje powstanie pojedynczego osadu, który może być dość duży, a rozmiary cząstek po przeniesieniu na powierzchnię są nieznane. Podejście to może być stosowane do badań pobierania próbek, jeżeli rozmiary cząstek są scharakteryzowane i wykazane, że są odtwarzalne.
Metoda ta została opisana w celu oceny wydajności pobierania próbek materiałów wybuchowych, ale może być również stosowana do zastosowań środowiskowych, jądrowych lub kryminalistycznych. Próbki, ponownie, powinny być opracowywane tak, aby odpowiadały rzeczywistym zastosowaniom, a w przypadku pozostałości cząstek odpowiedni byłby ten sam rodzaj suchego transferu z teflonu. W przypadku zanieczyszczeń powierzchniowych pochodzących ze źródeł innych niż przenoszenie cząstek, takich jak kondensacja z pary, bardziej odpowiednie mogą być różne rodzaje próbek.
Obecnym ograniczeniem tej techniki jest brak możliwości zmiany kierunków podczas próbkowania. Bieżąca konfiguracja pozwala na ruch tylko w jednym kierunku, a zatem nie może kontrolować zmian kierunku, które zwykle występują podczas próbkowania obiektów w terenie. Obecnie odpowiadamy na tę potrzebę, włączając ruch x - y i pozwalając na określone wzorce próbkowania, aby wypełnić obszar.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia. Niektóre komercyjne urządzenia, instrumenty lub materiały są określone w tym dokumencie. Taka identyfikacja nie oznacza rekomendacji ani poparcia ze strony Narodowego Instytutu Standaryzacji i Technologii ani nie oznacza, że zidentyfikowane produkty są koniecznie najlepszymi dostępnymi do tego celu.
Podziękowania
Dr Jayne Morrow i dr Sandra Da Silva, obie z NIST, przyczyniły się do powstania wcześniejszej wersji metody. Dyrekcja ds. Nauki i Technologii Departamentu Bezpieczeństwa Wewnętrznego Stanów Zjednoczonych sponsorowała produkcję części tego materiału w ramach umowy międzyagencyjnej HSHQPM-15-T-00050 z Narodowym Instytutem Standardów i Technologii (NIST).
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Tester poślizgu / odklejania | Imass | TL-2300 | zastępuje TL-2200 używany w protokole |
| drukarki 3D | Stratasys | Connex500 | Żywica VeroWhite jako materiał do drukowania |
| stalowy z gwintem | McMaster-Carr | 7786T14 | przycięty na wymiar dla żądanej wagi, wielu dostawców internetowych dostępnych |
| filcowy lub gumowy | materiał podkładowy w uchwycie na chusteczki, wiele online dostępni dostawcy | ||
| Podłoże PTFE | SPI Supplies | 01426-AB | Bytac o szerokości 1 cala Ochraniacz na ławkę i półkę, z podkładem aluminiowym, przycięty na wymiar |
| Rozwiązanie RDX | Cerilliant Analytical Reference Standards | ERR-001S | 1,000 mg/mL w acetonitrylu |
| Drukarka atramentowa | MicroFab Technologies, Inc. | jetlab4 xl-B | |
| Izotopowo oznakowany RDX | Cambridge Isotope Laboratories | CLM-3846-S | Do wewnętrznego wzorca analitycznego |
| 2 ml szklana fiolka | Restek | 21140 /24670 | |
| Metanol | Sigma Aldrich | 14262 | Chromasolv grade |
| ETD chusteczka 1 | DSA Detekcja | DSW8055P | Ionscan 500 DT chusteczka |
| ETD 2 | DSA Wykrywanie | ST1318P | Itemiser DX chusteczka |
| Balistyczna tkanina nylonowa | Seattle Fabrics | 1050 Denier Ballistics Tkanina | |
| w celu uzyskania próbki |
Bibliografia
- Ewing, R. G., Atkinson, D. A., Eiceman, G. A., Ewing, G. J. A critical review of ion mobility spectrometry for the detection of explosives and explosive related compounds. Talanta. 54, 515-529 (2001).
- US EPA. A Performance-Based Approach to the Use of Swipe Samples in a Response to a Radiological or Nuclear Incident, EPA/600/R-11/122. 2011. , Available from: https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-07/documents/600-r-11-122_use_of_swipe_samples.pdf (2016).
- Ashley, K., Braybrooke, G., Jahn, S. D., Brisson, M. J., White, K. T. Standardized Surface Dust Sampling Methods for Metals, with Emphasis on Beryllium. J. Occup. Environ. Hyg. 6, D97-D100 (2009).
- Lioy, P. J., Freeman, N. C. G., Millette, J. R. Dust: a metric for use in residential and building exposure assessment and source characterization. Environ. Health Perspect. 110 (10), 969-983 (2002).
- ASTM International. American Society for Testing and Materials. E1728-10 Standard Practice for Collection of Settled Dust Samples Using Wipe Sampling Methods for Subsequent Lead Determination. , West Conshohocken, PA, USA. E1728-E1710 (2010).
- Cettier, J., et al. Efficiency of wipe sampling on hard surfaces for pesticides and PCB residues in dust. Sci. Total Environ. 505, 11-21 (2015).
- Jain, S., Heiser, A., Venter, A. R. Spray desorption collection: an alternative to swabbing for pharmaceutical cleaning validation. Analyst. 136, 1298-1301 (2011).
- Verkouteren, J. R., et al. A method to determine collection efficiency of particles by swipe sampling. Meas. Sci. Technol. 19 (11), 115101(2008).
- Da Silva,, Urbas, S. M., Filliben, A. A., J, J., Morrow, J. B. Recovery balance: a method for estimating losses in a Bacillus anthracis spore sampling protocol. J. Appl. Microbiol. 114, 807-818 (2013).
- Verkouteren, J. R., Ritchie, N. W. M., Gillen, G. Use of force-sensing array films to improve surface wipe sampling. Env. Sci. Process. Impact. 15, 373-380 (2013).
- Verkouteren, J. R. Particle characteristics of trace high explosives: RDX and PETN. J Forensic Sci. 52, 335-340 (2007).
- Verkouteren, J. R., Coleman, J. L., Cho, I. Automated mapping of explosives particles in composition C-4 fingerprints. J. Forensic Sci. 55, 334-340 (2010).
- Brady, J. J., Argirakis, B. L., Gordon, A. D., Lareau, R. T., Smith, B. T. A method to control the polymorphic phase for RDX-Based Trace Standards. Proc. Of SPIE. 9824, 982418(2016).
- ASTM International. D1894-14 Standard Test Method for Static and Kinetic Coefficients of Friction of Plastic Film and Sheeting. American Society for Testing and Materials. , West Conshohocken, PA, USA. (2010).
- Dry transfer method for the preparation of explosives test samples. US patent. , 6470730 (2002).
Przedruki i uprawnienia
