(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
爆発物に用いられる脅威物質を検知する方法であって、
試料を受領し、
標的材料を無害な材料から区別することで、試料における標的位置を選択し、
ラマンレーザーを用いて選択された前記標的位置を精査することにより、ラマンスペクトルを生成し、
前記ラマンスペクトルにおける第１スペクトル領域の振幅を既定の第１閾値と比較することで、前記標的材料が脅威物質であるか否かを判定し、
該判定により前記標的材料が脅威物質であるとの疑義が示された場合のみ検証を行い、該検証は、前記第１スペクトル領域とは異なる前記ラマンスペクトルにおける第２スペクトル領域の振幅を既定の第２閾値と比較することで行うものとし、
前記検証により前記標的材料が脅威物質であることが示された場合に、インジケータを作動させる、一連のステップを備える、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
単一の特徴を捉えるのに十分な小ささで狭い領域である第１スペクトル領域を選択するステップを更に備え、
前記ラマンスペクトルにおける前記第１スペクトル領域の振幅を既定の第１閾値と比較することで、前記標的材料に脅威物質の疑義があるか否かを判定するステップが、
前記標的材料に脅威物質の疑義があるか否かを判定する際に前記第１スペクトル領域のみを考慮することを含む、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記脅威物質が硝酸塩であることを既定する、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、
ラマンレーザーを用いて選択された前記標的位置を精査するステップが、
波数シフトが約1050 cm-1に設定された前記第１スペクトル領域において前記ラマンスペクトルの少なくとも一部を精査することを更に含む、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、
前記ラマンスペクトルにおける前記第１スペクトル領域の振幅を既定の第１閾値と比較することで、前記標的材料に脅威物質の疑義があるか否かを判定するステップが、
前記ラマンスペクトルの約1050 cm-1の波数シフトを有する部分での振幅を既定の閾値と比較することを含み、この場合に、既定の閾値を、硝酸塩を表す第１スペクトル領域の特徴に対応する値に設定する、方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、
前記判定により前記標的材料が脅威物質であるとの疑義が示された場合のみ検証を行うステップが、
波数シフトが約3225 cm-1に設定された第２スペクトル領域において前記ラマンスペクトルの少なくとも一部を精査することを含み、
前記第１スペクトル領域とは異なる前記ラマンスペクトルにおける第２スペクトル領域の振幅を既定の第２閾値と比較するステップが、
前記ラマンスペクトルの約3225 cm-1の波長シフトを有する部分での振幅を既定の閾値と比較することで、試料が硝酸アンモニウムを含むか否かの判定をすることを含み、この場合、前記既定の第２閾値を、硝酸アンモニウムを示す第２スペクトル領域の特徴に対応する値に設定する、方法。
【請求項７】
請求項５に記載の方法であって、
前記判定により前記標的材料が脅威物質であるとの疑義が示された場合のみ検証を行うステップが、
波数シフトが約550 cm-1に設定された第２スペクトル領域における前記ラマンスペクトルの少なくとも一部を精査することを含み、
前記第１スペクトル領域とは異なる前記ラマンスペクトルにおける第２スペクトル領域の振幅を既定の第２閾値と比較するステップが、
約550 cm-1の波長シフトを有する部分での振幅を既定の閾値と比較することで、試料が尿素硝酸塩を含むか否かの判定をすることを含み、この場合に前記既定の第２閾値を、尿素硝酸塩を示す第２スペクトル領域の特徴に対応する値に設定する、方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、
ラマンレーザーを用いて選択された前記標的位置の精査を行うステップが、
選択された前記標的位置の少なくとも一部にてスペクトルを生成するために干渉分光を用いて前記標的位置の前記少なくとも一部を精査することを含む、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、
ラマンレーザーを用いて選択された前記標的位置の精査を行うステップが、
微粒子形状の前記試料の少なくとも一部を精査することを含む、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、前記試料の結晶相を検知することで、該試料の製造工程を判定するステップを更に備える、方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、試料の受領が、開放環境下で試料基板に前記試料を受領することを更に含む、方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、試料の受領が、流体の流れを試料基板に衝突させて試料を生成することを更に含む、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、試料の受領が、流体の流れ内の微粒子を濾過して既定寸法とするための前置インパクタの使用を更に含む、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であって、試料の受領が、流体の流れを金（AU）で構成された試料基板に作用させて試料を生成することを更に含む、方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法であって、
前記標的位置を選択するステップが、
蛍光装置を用いて前記試料の蛍光領域を同定することにより前記標的位置を選択することを含む、方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法であって、
爆発物であることを示す脅威物質が検知された場合、その爆発物質源の表示を出力するステップを更に備える、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記爆発物質源の表示の出力が、爆発物及び出力を判定するために用いる少なくなくとも１つの工程及び材料を判定するステップを備える、方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法であって、試料の受領が、試料とされた爆発物の天然状態を害することなく該試料を受領することを含む、方法。
【請求項１９】
爆発物に用いられる脅威物質を検知するシステムであって、
試料を収集する試料コレクタと、
該試料コレクタから前記試料を受領する収集ステージと、
ラマンレーザー源を含む精査ステーションと、
メモリに接続され、前記試料を精査するために精査ステーションと相互作用し、標的材料を無害な材料から区別することで前記試料の標的位置を選択するようプログラミングされたプロセッサとを備え、該プロセッサは：
・前記ラマンレーザー源を用いて前記標的位置を精査することにより、ラマンスペクトルを生成し；
・前記ラマンスペクトルにおける第１スペクトル領域の振幅を既定の第１閾値と比較して、前記標的材料に脅威物質の疑義があるか否かを判定し；
・該判定により前記標的材料に脅威物質の疑義があることが示された場合にのみ、前記ラマンスペクトルにおける前記第１スペクトル領域とは異なる第２スペクトル領域の振幅を既定の第２閾値と比較することで、検証を行い；
・前記検証により前記標的材料が脅威物質であることが示された場合にインジケータを作動させるよう、
前記処理装置を前記精査ステーションと相互作用させる；
ように更にプログラミングされている、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の多様な側面は、一般的に爆発物の検知及び特に爆発物を検知するために光学分光法を用いることに関する。
【背景技術】
【０００２】
即席爆発装置（ＩＥＤ）、典型的には自家製爆弾は、従来の軍事手段とは異なる方法で構成・配置される。例えば、いくつかの事例では、ＩＥＤは、硝酸アンモニウム肥料、鋼管、圧力調理器具等を含む通常の日用資材から構成される。
【発明の概要】
【０００３】
本発明は、その一態様において、爆発物に用いられる脅威物質を検知する方法を提供する。この方法は、試料を受領し、爆発物であると示される脅威物質を含む疑義のある試料における対象領域を選択し、光源を用いて対象領域を精査するものである。そして、この精査中に測定した第１スペクトル領域の振幅を既定の第１閾値と比較することで、対象領域に脅威物質が含まれるか否かを判定する。更に、この判定により対象領域に脅威物質が含まれると示された場合、この脅威物質の存在を表す２次的インジケータをチェックすることで検証を行う。この検証は、精査中に第１スペクトル領域とは異なる第２スペクトル領域の振幅を既定の第２閾値と比較することで行うものとする。更に、当該方法は、この検証により２次的インジケータが満たされることが示された場合に、インジケータを作動させる。
【０００４】
本発明の更なる態様に係る方法では、判定により対象領域に脅威物質が含まれることが示された場合にのみ検証を行う。例えば、第１スペクトル領域の振幅が既定の第１閾値よりも大きい場合にのみ検証を行う。
【０００５】
本発明の更なる態様に係る方法は、測定したスペクトルから区別することができる単一の特徴を捉えるのに十分な小さい領域である第１スペクトル領域、第２スペクトル領域又はその両方を選択するステップを備える。例えば、脅威物質が硝酸塩である場合、ラマンスペクトルを生成するためにラマンレーザーを用いて対象領域を精査し、その精査に際して、波数シフトが約1050 cm-1に設定された第１スペクトル領域にてラマンスペクトルを測定する。この構成を有する方法において、約1050 cm-1の波数シフトを有するラマンスペクトルの測定した振幅を既定の閾値と比較する。この場合に、硝酸塩は当該領域において区別可能な特徴を有すると予測されることから、既定の閾値を、硝酸塩を表す第１スペクトル領域の特徴に対応する値に設定する。更に、当該方法は、第２スペクトル領域にて特徴をチェックすることで検証を行う。この場合に、硝酸アンモニウムは、第２スペクトル領域において区別可能な特徴を有すると予測されることから、硝酸アンモニウムを検知するよう第２スペクトル領域にて波数シフトを約3225 cm-1に設定する。他の例として、当該方法は、波数シフトが約550 cm-1に設定された領域にて、この領域にて区別可能な特徴を有すると予測される硝酸尿素の特徴をチェックすることで検証を行う。
【０００６】
本発明は、更なる態様において、爆発物に用いられる脅威物質を検知するシステムを提供する。この方法は、試料コレクタ、試料ステージ、少なくとも１つの精査装置を含む精査ステーション、メモリに接続されるプロセッサ及び出力装置を備える。試料コレクタは試料を収集し、試料ステージは該試料コレクタから試料を受領する。プロセッサは、試料を精査するために精査ステーションと相互作用し、脅威物質を含む疑義のある試料の対象領域を選択するようプログラミングされている。このプロセッサは、精査ステーションと相互作用することで光源を用いて対象領域を精査し、該精査中に測定した第１スペクトル領域の振幅を既定の第１閾値と比較して、対象領域に脅威物質が含まれるか否かを判定するようプログラミングされている。プロセッサは、該判定により前記対象領域に脅威物質が含まれることが示された場合、該脅威物質の存在を表す２次的インジケータをチェックすることで検証を行い、該検証は、前記精査中に前記第１スペクトル領域とは異なる第２スペクトル領域の振幅を既定の第２閾値と比較することで行うように更にプログラミングされている。プロセッサは、検証により試料が脅威物質を含むことが示された場合にインジケータを作動させるよう、出力装置と相互に作用する。 
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の多様な態様に係る、光学分光法を用いる例示的な爆発物検知システムのブロック図である。
【図２】本発明の多様な態様に係る、光学分光法を用いる例示的な爆発物検知方法のフローチャートである。
【図３】本発明の多様な態様に係る、硝酸アンモニウムの３層のための200〜1100 cm-1の範囲のラマンスペクトルを示すグラフである。
【図４】本発明の多様な態様に係る、硝酸アンモニウムの３層のための200〜3500 cm-1の範囲のラマンスペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の多様な態様は、光学分光法を用いて爆発物などの脅威物質を検知及び／又はその特性を示すシステムを提供する。いくつかのシステムは、爆発物が爆発する機会を得る前にそれを検知するよう現場に携帯することができる。更に、当該システム及び方法により、特定の微粒子形状を有する爆発物を検知することができ、これにより、例えば、硝酸アンモニウム、硝酸尿素などの爆発基材を含む一般的な環境下で発生する塩に対して偽陽性反応を生じさせる溶解物質又は反応材料に依存するリスク低減させる。爆発物は、爆発していない状態又は爆破後（爆発後）の状態にて検知することができる。更に、爆発物を製造する工程及び材料を含む爆発物質源を特定するために爆発物に対する分析を行うことができる。この点において、自家製爆発物を含む爆発物の天然状態を攪乱させる必要なしに当該爆発物を検知することのできるシステム及び方法を提供する。
【０００９】
＜システムの概要＞
図１は、本発明の多様な態様に係る、光学分光法を用いた例示的な爆発物検知システム100を図示している。一般的にシステム100は、爆発物にて発見され得る脅威物質を含みかねない試料を提供する試料コレクタ102を備える。試料コレクタ102により収集された試料は、分析のために試料ステージ104に配置され、精査ステーション106の少なくとも１つの精査装置により精査される。例えば、精査装置は、ラマン分光蛍光システム、イメージングカメラ及び顕微鏡、並びにそれらの組み合わせを備えることができる。いくつかの実施形態においては、試料コレクタ102、試料ステージ104、精査ステーション106における少なくとも１つの精査装置又はそれらの組み合わせを制御するためにプロセッサ108を用いる。
【００１０】
更に、プロセッサ108は、試料分析の結果などを通知するアラームを鳴らすために用いるインジケータなどの出力装置112にアクセスすることができる。出力装置112は、計測、分析結果、検知対象の爆発物の分析、爆発物質源の表示又はそれらの組み合わせを含む情報を伝達するためのスクリーン、プリンタ、トランスミッタ（携帯端末、ネットワーク等）、あるいは、他の適切な装置を備えることができる。検知対象の爆発物の製造工程及び／又は製造材料を含む爆発物質源を特定することができる。
【００１１】
この点について、プロセッサ108は、本明細書に記載する、閾値変数、制御指令、ポイント設定、精査制御パラメター、評価アルゴリズム、爆発物検知の実行に必須である情報等を記憶するようメモリ110と相互作用する。更に、プロセッサ108により、装置の使用中に生じた測定データ、評価データ、評価結果又はその他の情報を記憶する手段として、メモリ110を用いることができる。更に、プロセッサ110をメモリ110と結合させることで、試料コレクタ102、試料ステージ104、精査ステーション106、出力装置112又はそれらの組み合わせとプロセッサ108が相互作用する構成とすることができ、これにより、図２の方法200を含む、本明細書中に詳細に述べる機能を実行することができる。
【００１２】
使用時には、例えば、システム100の残余部分の構成要素、あるいは、別個の構成要素として適用される試料コレクタ102から試料を受領することができる。例示的な実施例においては、試料は、試料ステージ104にて受領される。この場合、試料ステージ104は、例えば、ステージに対して試料を、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向又はそれらを組み合わせた方向に動かすプロセッサ108により制御される多軸モータ付ステージである。試料面積は、例えば、収集された試料に応じて、2 mm×2 mm程度の大きさでもよい。しかしながら、脅威物質の微粒子の大きさは、約１〜２ mm以下である。このような場合、試料ステージ104は、高精度（例えば、0.1 mmまでの精度）を有するモータ付ステージであってもよい。
【００１３】
本発明の例示的な実施例において、精査装置は、光学精査ステーション106内、あるいは光学精査ステーション106と協働するように配置される。いくつかの実施形態において、第１精査装置は、第１光源106A（例えば、キセノンアーク源）を含む第１光学装置として適用される。この場合、第１光源106Aは、あらゆる適切なレンズ、フィルタ又は他の光学装置106B、並びに対象レンズなどの光学要素106Cを通して、第１光線を試料に向けて放射する。これに関連し、試料は、試料ステージ104の試料基板受領領域104Aへと前進させられる。試料表面からの光が反射し、カメラ106Dへと焦点が合わさることで試料のイメージが形成される。このイメージは、プロセッサ108により処理される第１データを備え、該第１データは、更なる精査対象となり得る、少なくとも１つの標的位置及び／又は視界を決定するために用いられる。ここで、標的位置（すなわち、対象領域）は、例えば、後述する蛍光検知、明視野画像処理又は暗視野画像処理などの技術を用いるプロセッサ108により、検知される。
【００１４】
従って、プロセッサ108は、脅威物質を含む疑義のある標的位置（試料の対象領域）を選択し、その標的位置を精査する。例えば、いくつかの実施形態において、第２精査装置は、第２光学装置106Eとして適用される。この場合、第２光学装置106Eは、あらゆる適切なレンズ、フィルタ又は他の光学装置106Fを通過する光線を放射し、対象レンズなどの光学要素106Gにより、任意に焦点を試料に合わせることができる。例えば、第２光学装置106Eからの光線は、対象領域の特定領域に向けられる。この特定領域は、例えば、第１データの分析に基づき、プロセッサ108により同定された標的位置により特定される。第２光線は、試料から反射され、この場合、ラマン分光計などの分光計106Hに向けて第２光線が放射されている。第２光学装置106Eからの精査データ（例えば、分光計106Hにより記録されるラマン分光計による標的振動分析）は、後述するように対象標的領域にて硝酸塩などの爆発物成分を含む脅威物質を同定するために用いられる。
【００１５】
精査ステーション106に関連して上述した特定の構成要素は、明確に説明するために別個の構成要素として説明及び概略的に図示されている。しかしながら、実際には、精査装置を構成する構成要素は、独立していても共有する構成となっていてもよい。同様に、本明細書に記載する機能（例えば、標的を定めること、標的精査を行うこと）を発揮できる限り、単一精査装置又は複数精査装置であってもよい。
【００１６】
プロセッサ108は、精査中に測定した第１スペクトル領域の振幅を既定の第１閾値と比較することで、対象領域に脅威物質が含まれるか否かを判定する。図１において、第１スペクトル領域フィルタ114により抽出された第１スペクトル領域は、ブロック図形式で図示されている。第１スペクトル領域フィルタは、光学フィルタ（例えば、狭いバンドパスフィルタ）であっても良く、あるいは、第１スペクトル領域フィルタ114は、プロセッサ108によりデジタル方式で適用することもできる。第１閾値を比較のためにメモリ110から抽出する。対象領域に脅威物質が含まれるという判定が（万が一）示された場合、システムにより検証が行われる。検証は、精査中に測定された第１スペクトル領域とは異なる第２スペクトル領域の振幅を既定の第２閾値と比較することにより行う。図１において、第２スペクトル領域フィルタ116により抽出された第２スペクトル領域は、ブロック図形式で図示されている。第２スペクトル領域フィルタは、光学フィルタ（例えば、狭帯域バンドパスフィルタ）であっても良く、あるいは、第２スペクトル領域フィルタ116は、プロセッサ108によりデジタル方式で適用することもできる。
【００１７】
検証により試料に脅威物質を含まれることが示された場合、プロセッサ108は、出力装置112を作動させる。この場合、プロセッサ108とインジケータ112が相互作用することで、使用者に分析結果が通知される。更に、プロセッサ108は、検知及び検証により判定された対象の特定の脅威物質を、収集された他の微粒子と区別する。
【００１８】
＜脅威物質の検知方法＞
図２は、爆発前及び爆発後の物体を含む爆発物を、光学分光法を用いて検知する方法200を図示している。方法200は、例えば、図１のシステム100に適用することができる。方法200は、試料をステップ202にて受領することを含む。あらゆる適切な方法によって、ステップ202にて試料を受領することができる。
【００１９】
＜収集＞
例示的な適用例として、図１の試料コレクタ102を、方法200にて受領する試料を収集するために用いることができる。例えば、試料コレクタには、試料基板（例えば、非ラマン活性膜材料又は他の形状のフィルタ材料）上にて、試料を収集するような構成とする収集システムを適用することができる。収集装置は、例えば、コレクタ、固体面を有する小面積のインパクタ、静電集塵装置、サイクロン装置又は他の収集技術を備えることができる。
【００２０】
実施例において、収集装置は、コレクタを通じて、周囲の空気などの流体流れを作り、それを促進させる。その流れに乗った微粒子は抽出され、試料基板（例えば、フィルタ）の比較的小さい既定の試料領域に配置される。フィルタは、収集システムにて手作業により配置又は（例えば、変換サブシステムを通じて）収集システムにより自動的に配置することができる。
【００２１】
試料を生成するための適切な収集装置は、米国特許第 7,499,167 号明細書（発明の名称「AEROSOL TRIGGER DEVICE AND METHODS OF DETECTING PARTICULATES OF INTEREST USING AN AEROSOL TRIGGER DEVICE」、出願日2006年７月14日、出願人Rodney S. Black他）、及び米国特許第 7,993,585 号明細書（発明の名称「BIOLOGICAL AND CHEMICAL MONITORING」、出願日2006年７月14日、出願人Rodney S. Black他）に開示されおり、当該開示は、本明細書に組み込まれる。
【００２２】
例えば、収集装置は、流体の流れ内の微粒子を濾過して既定寸法とするための前置インパクタを含むことができる。更なる実施例として、コレクタは、高効率かつ低圧で実施可能な装置を用いることにより、異なる微粒子を収集し、空気力学を用いて粒子を濾過することで既定寸法とし、微粒子の平面上の均一な被膜及び平坦な表面を提供することができる。これにより、収集システムは、試料基板に均質な空間分布を提供することができる。
【００２３】
上述したように、流体の流れを試料基板に衝突させることで、試料を生成することができる。アルミニウム基板を含むあらゆるタイプの基板を用いることができる。しかしながら、実験を通じて、特に試料が硝酸アンモニウムを含む場合に、アルミニウム基板よりも長時間試料を保存することができる金（AU、金メッキ又は固体）が好ましいことが分かった。例えば、硝酸アンモニウムは、アルミニウムと化学反応しかねず、金基板上に試料を置いた場合よりもより短時間で試料が失われるリスクが生じる。
【００２４】
試料を受領する他の例として、既に収集、配置され又は基板に存在する試料を受領することが挙げられる。
【００２５】
爆発物質の小さい粒子の蒸発を防止するために粒子を比較的小さいコンテナ内に封入する。例えば、試料は、硝酸アンモニウムを含み得る。しかしながら、硝酸アンモニウムが分離すると、結果的に共に揮発性であるアンモニア及び硝酸が発生し、これらのアンモニア及び硝酸分子が空気中に拡散した場合に失われる試料の比率は、硝酸アンモニウムの蒸気圧のみから予測される比率よりも高い。アンモニア及び硝酸分子が継続的に失われることにより、平衡が生じず、硝酸アンモニウムは継続的に分離する。従って、試料を保存するためには、試料を比較的小さいコンテナ内に封入することが望ましい。
【００２６】
一方で、基板との衝突後、試料は開放環境下に存在するか、そうでなければ、コンテナ内に封入されていない状態にある。例えば、試料は開放環境下で、試料基板に受領され得る。この受領は、図１に示すように構成要素の一部として又は自動光学システムとして適用する、本明細書に記載するコレクタによる衝突を通じて行うことができる。
【００２７】
＜評価＞
方法200は、ステップ204にて脅威物質を含む疑義のある試料における対象領域を選択するステップを備える。例えば、試料に蛍光性マーカー又は造影剤を適用することもできる。蛍光光学装置（例えば、深紫外線生励起装置）により試料に照射し、蛍光する領域を対象領域として選択することができる。追加的な実施例として、第１光学装置において、追加的な標的精査を行うために試料領域内の試料領域又は特定の微粒子を区分、同定及び／又は区別するためにスペクトル「指紋」を用いることができる。選択的なスペクトル領域は、粒子のレベルを示す強い錯乱性を有し得る。このような場合、スペクトル領域は、蛍光発光と同様の手段により区別ツールとして用いることができる。他の実施例において、試料内で形成された粒子の位置には、微粒子の大きさが作用し得る。例えば、微粒子の大きさは、コレクタのノズルの中心からの試料内の距離に伴って縮小する。この情報は、例えば、標的位置の少なくとも一部が、既定の大きさ範囲の微粒子に基づいて選択される場合に利用することができる。    
【００２８】
更に、対象となり得る微粒子を同定するために暗視野、明視野及びその他の光学処理技術を用いることができる。他方で、対象領域は試料のラスタースキャンにより選択することができる。この場合、最終的に全ての試料が精査されることとなる。標的を評価するための選択領域は、単一の粒子の大きさにまで縮小することができる。これに関し、上述した多様な技術を所望の組み合わせにより組み合わせて使用することができる。例えば、明視野画像を蛍光画像等と比較することもできる。他の例示的な技術として、例えば、標的とする粒子の特定の大きさ及び／又は形状を選択するためにカメラの画像を用いることが挙げられる。画像処理により示される標的とする粒子の大きさの範囲は、従って、対象の微粒子を同定する確率を上昇させる。対応する画像処理技術を用いることで、特定の大きさ及び／又は形状の粒子を、精査用の視界に配置することができる。更に、対象領域を区別する技術を対象領域とした領域を除外するために用いることもできる。
【００２９】
このように、多様な外部要因（砂、塵、綿屑）及び干渉材料が存在することによって、精査の精度に影響が与えられることはない。対象領域（単数又は複数）の選択は、図１に示す精査ステーション106及びプロセッサ108の少なくとも１つの精査装置により行われる。
【００３０】
従って、ステップ204のプロセスを、無害な材料を標的材料から分離させるために用いることができる。とりわけ、試料収集領域は、1 mm〜2 mm平方とすることができる。しかしながら、対象粒子は、1 mm以下である。そのため、無害な材料を分離することにより評価工程の速度は、著しく加速する。
【００３１】
方法200は、ステップ206にて、光源を用いて対象領域の精査を行うステップを備える。例えば、ラマンスペクトルを生成するためにラマンレーザーを用いて一部の対象領域を精査することができる。他の実施例として、対象領域の一部にてスペクトルを生成するために干渉分光を用いて少なくとも一部の対象領域を精査することができる。例えば、ステップ206における精査は、図１に示す精査ステーション106及びプロセッサ108のレーザー又はラマン分光計により実行することができる。
【００３２】
方法200は、ステップ208にて、精査中に測定した第１スペクトル領域の振幅を既定の第１閾値と比較することで、対象領域に脅威物質が含まれるか否かを判定するステップを含む。例えば、試料が脅威物質の成分（例えば、硝酸塩を含む爆発物）を含む場合、単一スペクトル（又は一連のスペクトル）の第１部を既定の第１閾値と比較する。判定は、例えば、図１に示す精査ステーション106、プロセッサ108、メモリ110及び第１スペクトル領域フィルタ114により行われる。
【００３３】
例示として、ラマン分光計を用いる場合、約1050 cm-1であるラマンスペクトルの振幅は、硝酸塩が存在する場合の周囲のペクトル値を超えた値である。つまり、スペクトルは、約1050 cm-1のスパイクを示す。従って、約1050 cm-1であるラマンスペクトルの振幅が一定のレベル（既定の第１閾値レベル）を超える場合、試料は、硝酸塩を含んでいると言える。従って、方法200の実施例においては、ラマンスペクトルを生成するためにラマンレーザーを用いて少なくとも一部の対象領域を精査し、この場合には波数シフトが約1050 cm-1に設定された第１スペクトル領域にてラマンスペクトルを測定する。すなわち、方法200は、約1050 cm-1である測定したラマンスペクトルの振幅を既定の閾値と比較するステップを備え、この場合には既定の閾値を、硝酸塩を表す第１スペクトル領域の特徴に対応する値に設定する。
【００３４】
とりわけ、第１スペクトル領域は狭い領域として選択することができる。例えば、硝酸塩の存在を示す約1050 cm-1のスパイク振幅など、補捉したスペクトルの単一の特徴を捉えるのに十分な程狭い領域を選択することができる。実際には、他の脅威物質は、異なる波数シフトを有する点において、規定の特徴を有する傾向にある。従って、第１スペクトル領域として、対象のラマンスペクトルの特徴を捉えるのに十分に広い領域を選択する。しかしながら、フィルタを狭帯域化するほど（すなわち、スペクトル領域を狭めるほど）、計算量が減少し、従って、初期評価はより高速となる。例えば、実施例においては、第１スペクトル領域フィルタを使用して試料から分離した狭いスペクトル領域を形成する。この狭いスペクトル領域は、潜在的には例えば、約1050 cm-1となり、特定の波数シフトと同程度に狭いものとする。これに対応して、ステップ206では、例えば、図１のプロセッサ108により狭いスペクトル領域内のスペクトル情報のみを評価する。これにより、分析対象のデータ量を最小化させることができる。また、調節又は調整が可能なフィルタの複雑性を排除することができる。更に、調節又は調整が可能なフィルタを制御するために生じる工程の遅延を排除することができる。この遅延は、特に爆発後の環境にて、揮発性又は分離性の試料を評価する際、その揮発性への対応を困難にするものである。  
【００３５】
硝酸塩が発見されない場合、方法200において、ステップ204へと進むことで、試料又は方法200における他の対象領域の選択を終了させることができる。方法200が、脅威物質を全く検知することなく終了した場合、方法200は、爆発物を示すインジケータを作動させることなく、ステップ210にて終了する。
【００３６】
しかしながら、脅威物質（例えば、硝酸塩）が発見された場合（すなわち、対象領域に脅威物質が含まれるという判定が示された場合）、方法200により検証が行われる。従って、方法200は、第１スペクトル領域の振幅が既定の第１閾値を超えた場合にのみ検証を実施する。
【００３７】
より具体的には、方法200は、ステップ212において、脅威物質の存在を表す２次的インジケータをチェックすることで検証を行うステップを含む。この検証は、精査中に第１スペクトル領域とは異なる第２スペクトル領域の振幅を既定の第２閾値と比較することで行うものである。検証は、例えば、図１に示す精査ステーション106、プロセッサ108、メモリ110及び第２スペクトル領域フィルタ116により行われる。
【００３８】
実施例においては、ステップ212にて、試料が爆発物を示す２次的インジケータを含むか否かを判定するために、スペクトル（又は一連のスペクトル）の第２部を既定の第２閾値と比較する。言い換えると、ひとたび、方法200にて、試料中に脅威物質（例えば、硝酸塩）が存在すると判定された場合、方法200は、爆発物を示す２次的インジケータ（硝酸アンモニウムに用いるアンモニア、硝酸尿素に用いる尿素）を検索し始める。
【００３９】
例えば、ラマン分光計を用いる際にアンモニアが存在する場合、約3225 cm-1であるラマンスペクトルの振幅は、約3225 cm-1超の値となり、尿素が存在する場合、約550 cm-1であるラマンスペクトルの振幅は、約550 cm-1超の値となる。
【００４０】
より具体的には、方法200では、ラマンスペクトルを生成するためにラマンレーザーを用いて少なくとも一部の対象領域を精査することができる。その精査に際しては、ラマンスペクトルを、波数シフトが約3225 cm-1に設定された第２スペクトル領域にて測定し、約3225 cm-1であるラマンスペクトルの測定した振幅を既定の閾値と比較することで、試料が硝酸アンモニウムを含むか否かの判定を行う。この場合、既定の第２閾値を、硝酸アンモニウムを表す第２スペクトル領域の特徴に対応する値に設定することで、検証を行うことができる。
【００４１】
同様に方法200では、ラマンスペクトルを生成するためにラマンレーザーを用いて少なくとも一部の対象領域を精査し、その精査に際して、波数シフトが約550 cm-1に設定された第２スペクトル領域にてラマンスペクトルを測定し、約550 cm-1である測定した振幅を有するラマンスペクトルを既定の閾値と比較することで、試料が尿素硝酸塩を含むか否かの判定をし、この場合に既定の第２閾値を、尿素硝酸塩を表す第２スペクトル領域の特徴に対応する値に設定することで、検証を行うことができる。
【００４２】
爆発物を表す２次的インジケータが存在しない場合、方法200は、新たな対象領域を選択するステップに戻る又は終了させることができる。しかしながら、２次的インジケータが検知された場合、ステップ214にて、試料に爆発物が存在することを示すためにインジケータは作動する。インジケータは、光、ブザー、プリントアウト、ディスプレイ（例えば、モニタ、LEDディスプレイ、LCDディスプレイ等）、Ｅメール、テキストメッセージなどのあらゆる適切な信号とすることができる。
【００４３】
この方法は、最終的には、収集システムにより動向を明らかにするために分析された試料を収集し続けることで貯蓄された情報などの追加的な分析と共に継続することが望ましい。更に、ひとたび、材料が脅威物質であると判定された場合、より詳細な分析が実行される。例えば、特殊性を有する材料を同定するためにシグネチュアを用いることができる。試料は、その濃度等を予測するために継続的に収集することができる。例えば、プロセッサ108は、収集されたスペクトル（例えば、ステップ208及び212で使用されるスペクトルよりもより完成したスペクトル）を、メモリ110に貯蓄されたシグネチュアと比較することで、脅威物質の特性を同定することができる。例えば、シグネチュアの分析結果を、図１のメモリ110にプログラミングされたドメイン情報と組み合わせることで、そのシグネチュアを、爆発物の製造工程及び材料を同定するための判断材料として、利用することができる。
【００４４】
＜光学分光法＞
ステップ206においては、精査を行うために光学分光法を用いることができる。実施例では、試料分析（例えば、精査ステーション106を用いて、軸外拡散光除去率、集光散乱光学のために最適化されたエタンデュを求める）のために高スループット分光計を用いることができる。システムは、空間分離及びスペクトル分離可能でなければならない。しかしながら、レーザースキャンを用いる場合、スペクトル分離を必ずしも行う必要はない。実施例において、分光計は、偏光分散不変であり、広帯域の計測及び高スペクトル分解を行って標的物の同定を向上させることが可能である。
【００４５】
更に、システムは、干渉計測法を用いることができ、これにより格子分散要素を除去（例えば、２次元検知器を除去）することで、システムの要件を減らすことができる。また、有限要素の熱電冷却直線配列を検知器として用いることができる。
【００４６】
更に、分光計は、高集光角度並びに完全に自動化されたイメージコレクション及びその工程と結合し、続いて、選択された粒子を自動的に標的とする（例えば、方法200のステップ204にて開始する）する狭域の被写界深度システムを用いることができる。これにより、直径が300 nm程の小さい粒子までも迅速に分析することができる。
【００４７】
＜観察＞
方法200は、試料内に爆発物が存在することを判定するためにスペクトルを評価する工程において、２つの判定工程を備える。第１判定（例えば、ステップ208）において、爆発物の存在を示すインジケータ（例えば、硝酸塩を表すスペクトルの特徴）を判定するためにスペクトルの特定領域のみをチェックする。例えば、試料から収集されたラマンスペクトルにおいて、硝酸塩の存在を判定する際に約1050 cm-1の狭帯域をチェックする。スペクトルの他の全ての領域は、この第１判定においては、無視する。硝酸塩が発見された場合（その発見後に）、第２判定により爆発物の存在を示す２次的インジケータをチェックする。第１判定と同様に２次的インジケータ領域（例えば、アンモニアを示す物質には約3225 cm-1、尿素を示す物質には550 cm-1の領域を適用）のみをチェックする。例えば、ラマンスペクトルを用いて、試料が硝酸塩を含むか否かを判定する場合、試料のラマンスペクトル領域において、約1050 cm-1及び約3225 cm-1領域を比較するのみでよい。
【００４８】
更に、少なくとも１つのスペクトルを生成することができる。例えば、第１判定で用いるスペクトルは、ラマンレーザーを用いて生成することができ、第２判定で用いるスペクトルは、干渉分光を用いて生成することができる。一例として、第１判定で用いるスペクトルは、第１波長のラマンレーザーを用いて生成することができ、第２判定で用いるスペクトルは、第１波長のラマンレーザーを用いて生成することができる。同一の試料に異なるレーザー励起を用いることで、試料が爆発物を含むか否かを判定する際に補助となる異なるスペクトルを生成することができる。
【００４９】
従って、本明細書に記載したように、方法200に係る爆発物検知プロセスは、爆発物の存在を判定するために、全試料のスペクトルを既知のラマンシグネチュアと比較することを要する方法において、全試料を処理する計算時間を高速化させる。
【００５０】
図３及び図４は、硝酸アンモニウムの３層のラマンスペクトルを示す。図３において、底部のスペクトル302は第２層の硝酸アンモニウムを示し、中央のスペクトル304は第３層の硝酸アンモニウムを示し、上部のスペクトル306は第４層の硝酸アンモニウムを示す。同様に、図４において、底部のスペクトル402は第２層の硝酸アンモニウムを示し、中央のスペクトル404は第３層の硝酸アンモニウムを示し、上部のスペクトル406は第４層の硝酸アンモニウムを示す。       
【００５１】
図２に示す方法200において、試料内の硝酸アンモニウム源の判定を助けるために上述の情報を使用することができる。例えば、異なるスペクトルを有していても、硝酸アンモニウムの各層が、約1050 cm-1の強いピークを示すことで、それらを同定することができる。このように、この領域内にて狭帯域濾過スキャンを行うことにより、正確かつ迅速に各試料を硝酸塩と区別することができる。
【００５２】
＜結晶層分布＞
硝酸アンモニウムは、結晶多形及び６つの安定した結晶層を有する。結晶構造は、どの振動が励起（及び観察）されるかを決定し、いくつかの結合の振動エネルギ内にてシフトを生成する。このため、ラマンスペクトルは、結晶層同士を区別することができる。
【００５３】
通常の試験所環境（約293 K）下にて、第４層は、硝酸アンモニウムの主要層であることが予測される。しかしながら、硝酸アンモニウムの層はその調製方法に応じて異なるため、常に第４層が主要層であるとは限らない。例えば、硝酸アンモニウムを溶解し、微細結晶を生成するよう急速に乾燥した場合、第２層及び第３層を有することが示され、これらの層は、数日に亘って存在する。このため、試料にて爆発物が検知された場合、ラマンスペクトルを、爆発物の調製工程を示すその層のシグネチュアと比較することができる。現場で収集する試料は、硝酸アンモニウムの調製方法を示す結晶層の分布を有し得るため、証拠保全のための手段として使用することができる。
【００５４】
硝酸アンモニウムを生成する他の方法として、製造された硝酸アンモニウムカルシウムの顆粒を粉砕する方法が挙げられる。更に、硝酸アンモニウムの貯蔵温度は、試料にて検知された硝酸アンモニウムの主要層に作用し得る。このため、試料内の硝酸アンモニウムの層を観察することにより、貯蔵温度、製造過程又はそれらの両方が、爆発物質源の同定を補助し得ることが分かった。
【００５５】
本明細書において、硝酸アンモニウムについて詳述しているが、（爆発前及び爆発後の物体を含む）爆発物となりかねないあらゆる物質源を検知することができる。例えば、図１のシステム100は、所望の製品又は対象製品を検知するような構成とすることができる。上述したように、米国特許第 7,993,585 号は、本明細書に記載したシステム100及び／又は方法200をサポートするよう変更することができる。このような場合、実施例において、爆発物、爆発前及び爆発後の物体は、ピコグラム重量又は500 nm未満の大きさを有する微粒子を用いて同定することができる。
【００５６】
＜試料の持続性＞
収集及び保存状況により、従来の調製された硝酸アンモニウムの試料は、昇華、揮発又は化学反応により、数時間又は数日で失われかねなかった。しかしながら、本発明に係るシステムは、長時間に亘り粒子を観察し、それらの損失率又は反応産物を監視するために用いることができる。硝酸アンモニウムは、分離するとアンモニア及び硝酸が生成される。その生成過程を次式に示す。
NH4 NO3 -> NH3+ HNO3
【００５７】
アンモニア及び硝酸は、共に揮発性である。これらの分子が空気中に拡散した場合に失われる試料の比率は、硝酸アンモニウムの蒸気圧から予測される比率よりも高い。アンモニア及び硝酸分子が継続的に失われることにより、平衡が生じず、反応産物に対する反応により継続的な分離が生じる。分離及び揮発による損失過程に加え、他の化学反応により硝酸アンモニウムが失われかねない。例えば、上述したように、アルミニウム基板に配置された硝酸アンモニウムは、金（AU）基板で構成されたに配置された硝酸アンモニウムよりもより短時間で失われる。
【００５８】
＜その他＞
本発明の態様は、ピコグラム重量／マイクロメーターの半分の大きさの微粒子のトレース量を検査するシステムを提供する。すなわち、本明細書で詳述するシステムは、標的とする爆発物の単一微細粒子を検査することに基づいて、脅威物質を同定することができる。顕微鏡光学素子、高感度検知器、試料収集から同定までの工程を完全に自動化するパターン認識ソフトウェアを用いて評価を行う。詳述したように、システムは、試料の化学構造を示すことができる。更に、詳述したように、システムは、全てのデータを自動的に組み合わせ、試料の物質源の情報を提供するようにプログラミングされている。例として、硝酸アンモニウム試料の結晶構造の分布を調べることで、証拠保全のための情報を得られる可能性がある。例えば、結晶構造は、材料の調製工程に応じて異なる。このように、結晶構造を調べることで、自家製爆発物又は他の装置に用いられる硝酸アンモニウムの物質源に関する情報を明らかにすることができる。
【００５９】
更に、本明細書に記載するラマンシグネチュアは、爆発物及び爆発前後の物質を含む、広範囲の化合物を同定することを可能にする。
【００６０】
本明細書に記載するシステムは、溶解物質又は反応材料の検知に依存することなく、無傷の硝酸アンモニウム結晶及び硝酸尿素結晶を検知可能であるという固有の特性を有する。これにより、例えば、アンモニウム、尿素、硝酸イオンなどを含む一般的な環境下で発生する塩から標的材料を区別することができる。
【００６１】
爆発物を検知する従来の方法は、凝縮層材料を溶解し、発見された物質を不明瞭にする。より一般的には、爆発物を検知する従来の方法は、爆発物試料の特性を低下させる点において非効率的である。
【００６２】
対照的に、本発明に係る態様は、信頼性が高く、高い真陽率と、低い偽陽性率を示す。特定の爆発成分（例えば、硝酸塩）に対する第１評価、及びそれに続いて、第１評価にて評価されたバンド幅外のスペクトルの一部などの爆発物の２次的インジケータを検知する第２評価を爆発物の存在の表示と組み合わせながらも独立して行うことで、信頼性を少なくとも一部は予測することができる。対象評価領域における信号の存在を判断するために用いる閾値を適切に設定することで、高い真陽率と、低い偽陽性率を実現することできる。
【００６３】
更に、システムの速度及び特性によって、材料が蒸発する前に検知を行うことが可能となるため、証拠保全用の証拠を収集し、保存する機会を得ることができる。この点において、微粒子形状の材料を評価することができる。
【００６４】
本発明の態様おいて、ラマン分光計、顕微鏡用撮像装置及び自動操作ソフトウェアを組み合わることで、トレース材料（? １ ピコグラム）を分析する。システムは、例えば、化学成分を判定し、粒子の大きさを計測し、結晶層を特徴付けることができる。更に、システムは、（例えば、評価する標的物を特定すること及び／又はそれらの選択した標的物のために特定の閾値を設定することで）特定の目的のための設計又は構成とすることができる。更に、システムは、１人で携帯可能な大きさ（例えば、１．５立方フィート）に設計することができ、消耗品を生じさせることなく、光学分析を用いた完全に自動化した試料分析を提供することができる。
【００６５】
蒸発及び化学反応により、トレース試料が消失することがある。このため、本発明に係るシステム及び方法において、収集した試料の損失率及びそれらの反応産物を監視するために用いることができる。収集された情報は、試料の損失を最小限に抑えるために推奨する方法を提供するために用いることができる。本発明に係るシステムは、試料中の結晶層を計測し、その結晶層の潜在値を犯罪学的シグネチュアとして判定するように構成される。
【００６６】
本発明の態様は、方法を示すフローチャート及び／又はブロック図、並びに本発明の実施形態に係る装置（システム）及びコンピュータプログラム製品を参照する。フローチャート及び／又はブロック図の各ブロック及びそれらの組み合わせは、コンピュータプログラムの指令により実行可能である。これらのコンピュータプログラムの指令は、１つ以上のプログラミング言語を組み合わせて入力することができる。この指令は、一般的な目的のためのコンピュータ、特別な目的のためのコンピュータ又は機械を製造するためのプログラム可能データ処理装置へ提供することができる。この場合、コンピュータのプロセッサ、あるいは、フローチャート及び／又はブロック図の１つ又は複数のブロックにて特定される機能／動作を実行する手段を形成する処理装置のプログラミング可能なデータを通じて指令を実行する。
【００６７】
本明細書中で使用された用語は、特定の実施形態についてのみ記載すべく使用されたものであり、本発明を限定するものではない。本明細書中では、特に内容が明確に単数形を示していない限り、単数形の冠詞「a、 an、 the」は同様に複数形を含むものとする。更に、本明細書中で使用された「備える（有する、含む）」及び／又は「備えている（有している、含んでいる）」の語句は、記載された特徴、整数、ステップ、オペレーション、構成要素及び／又は成分の存在を規定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、オペレーション、構成要素、成分の存在又は追加、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を除外していない、と理解されたい。
【００６８】
対応する全ての構造、材料、動作、均衡あるいは、特許請求の範囲に記載するステップ及び機能の構成要素は、具体的に記載された他の構成要素と組み合わせてその機能を発揮するために、あらゆる構造、材料又は動作を含むことを意図する。本発明に関する記載は例示及び記載を目的としたものであるが、本発明を開示された形態に包括及び限定することを意図してはいない。当業者にとり、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく多くの変更及び変形が可能であることは明白である。本発明に係る態様は、発明の原理及び実際の適用について最良の状態を説明し、特定の使用に適する多様な変更を施した多様な実施形態を当業者が理解することができるように選択し、記載したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６９】
【特許文献１】米国特許第 7,499,167 号明細書
【特許文献２】米国特許第 7,993,585 号明細書
【図１】
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【図２】
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【図３】
0006678117.tif 000004
【図４】
0006678117.tif 000005