(57)【要約】【課題】システムおよび方法が、分光技術を用いて、表面上または空間内の関心のある物質の存在を検出するために提供される。【解決手段】紫外線によって励起されるときに、蛍光を発するフォトフラグメント分子を作り出すために、関心のある標的物質の光解離を達成するように該紫外線のビームを表面または空間に向けることと、該表面または該空間からラマン散乱および蛍光を捕獲することと、該捕獲されたラマン散乱および蛍光からラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを生成することと、該表面上または該空間内の該関心のある標的物質の存在を決定するために、該フォトフラグメント分子と関連づけられた該蛍光スペクトルと、該標的物質の該ラマンスペクトルとを分析することとを包含する、方法。【選択図】図１
2009282028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線によって励起されるときに、蛍光を発するフォトフラグメント分子を作り出すために、関心のある標的物質の光解離を達成するように該紫外線のビームを表面または空間に向けることと、
該表面または該空間からラマン散乱および蛍光を捕獲することと、
該捕獲されたラマン散乱および蛍光からラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを生成することと、
該表面上または該空間内の該関心のある標的物質の存在を決定するために、該フォトフラグメント分子と関連づけられた該蛍光スペクトルと、該標的物質の該ラマンスペクトルとを分析することと
を包含する、方法。
【請求項２】
前記蛍光を捕獲し、前記蛍光スペクトルを生成することは、前記ラマン散乱を捕獲し、前記ラマンスペクトルを生成した後のある期間か、または該ラマン散乱を捕獲し、該ラマンスペクトルを生成すると同時に実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
分析することは、前記ラマンスペクトルおよび前記蛍光スペクトルを分析することを包含し、前記紫外線のビームによって照射されるときに、該蛍光スペクトルは、ニトロベースの爆発性標的物質の光解離によって作り出された一酸化窒素によって放射された蛍光と関連づけられ、そして決定することは、該蛍光スペクトルおよび該ラマンスペクトルに基づいて、該ニトロベースの爆発性標的物質が、前記表面上または前記空間内に存在することを決定することを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
分析することは、前記ラマンスペクトルおよび前記蛍光スペクトルを分析することを包含し、前記紫外線のビームによって照射されるときに、該蛍光スペクトルは、過酸化物ベースの爆発性標的物質の光解離によって作り出されたヒドロキシル基によって放射された蛍光と関連づけられ、そして決定することは、該蛍光スペクトルおよび該ラマンスペクトルに基づいて、前記表面上または前記空間内の該過酸化物ベースの爆発性標的物質の存在を決定することを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
分析することは、前記紫外線のビームによって照射されるときに、前記標的物質の光解離によって作り出されたヒドロキシル基によって放射された蛍光と関連づけられた前記蛍光スペクトルとともに該標的物質のラマンスペクトルを分析することを包含し、そして決定することは、該蛍光スペクトルおよび該ラマンスペクトルに基づいて、前記表面上または前記空間内の爆発性標的物質の存在を決定することを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
向けることは、前記紫外線のビームの単一パルスを前記表面または空間に向けることを包含し、そして捕獲すること、生成すること、および分析することは、該単一パルスによって誘起されたラマン散乱および蛍光に関して実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
向けることは、光解離を達成するために第一の波長の前記紫外線のビームのパルスを向け、前記蛍光を誘起するために第二の波長の該紫外線のビームのパルスを向けることを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
紫外線による励起に続いて蛍光を発するフォトフラグメント分子を作り出すために、関心のある標的物質の光解離を達成するように表面または空間に向けられる該紫外線のビームを作り出すように構成された光ソースと、
該紫外線のビームによって誘起され得る、該表面または空間からのラマン散乱および蛍光を捕獲するように構成された光学要素サブシステムと、
該ラマン散乱および該蛍光を分散させる少なくとも１つの分散要素と、
分散されたラマン散乱および蛍光からラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを生成する少なくとも１つの検出器と、
該表面上または該空間内の該関心のある標的物質の存在を決定するために、該フォトフラグメント分子と関連づけられた該蛍光スペクトルと、該標的物質の該ラマンスペクトルとを分析するように構成されたロジックと
を備える、システム。
【請求項９】
前記ラマン散乱を分散させるように構成された第一の分散要素と、前記蛍光を分散させるように構成された第二の分散要素とを備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ロジックは、前記紫外線のビームの単一パルスによって誘起された前記ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを分析するように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
少なくとも１つの検出器は、前記ラマンスペクトルの後のある期間か、または該ラマンスペクトルと同時に、前記蛍光スペクトルを生成する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ロジックは、前記ラマンスペクトルおよび前記蛍光スペクトルを分析するように構成され、該蛍光スペクトルは、前記紫外線のビームに応答して、一酸化窒素によって放射された蛍光と関連づけられ、該一酸化窒素は、該紫外線のビームによって照射されるときに、ニトロベースの爆発性物質の光解離によって作り出され、該ロジックは、該蛍光スペクトルおよびラマンスペクトルに基づいて、該ニトロベースの爆発性物質を標的物質として検出するようにさらに構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ロジックは、前記ラマンスペクトルおよび前記蛍光スペクトルを分析するように構成され、該蛍光スペクトルは、前記紫外線のビームに応答して、ヒドロキシル基によって放射された蛍光と関連づけられ、該ヒドロキシル基は、該紫外線のビームによって照射されるときに、過酸化物ベースの爆発性物質の光解離によって作り出され、該ロジックは、該蛍光スペクトルおよびラマンスペクトルに基づいて、該過酸化物ベースの爆発性物質を標的物質として検出するようにさらに構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
紫外線のビームによって表面または空間に問い合わせることと、
関心のある標的物質と関連づけられたラマン散乱と、該関心のある標的物質の光解離によって作り出された少なくとも１つの娘フォトフラグメント分子と関連づけられた蛍光とを捕獲することと、
該捕獲されたラマン散乱および蛍光からラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを生成することと、
該表面上または該空間内の該関心のある標的物質の存在を決定するために、該蛍光スペクトルと、該ラマンスペクトルとを分析することと
を包含する、方法。
【請求項１５】
前記蛍光を捕獲し、前記蛍光スペクトルを生成することは、前記ラマン散乱を捕獲し、前記ラマンスペクトルを生成した後のある期間か、または該ラマン散乱を捕獲し、該ラマンスペクトルを生成すると同時に実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
問い合わせることは、光解離を達成するために第一の波長の前記紫外線のビームのパルスを向け、前記蛍光を誘起するために第二の波長の該紫外線のビームのパルスを向けることを包含する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
問い合わせることは、前記紫外線のビームの単一パルスを前記表面または空間に向けることを包含し、そして捕獲すること、生成すること、および分析することは、該単一パルスによって誘起されたラマン散乱および蛍光に関して実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
分析することは、前記ラマンスペクトルおよび前記蛍光スペクトルを分析することを包含し、該蛍光スペクトルは、前記紫外線のビームによって照射されるときに、爆発性標的物質の光解離によって作り出された娘フォトフラグメント分子によって放射された蛍光と関連づけられる、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（背景）
爆発性物質などの危険物の存在を検出し得るシステムまたはセンサに対する強い要求がある。そして特に、高感度および特定性ならびに遠隔での検出の可能性を有するシステムに対する強い要求がある。一次、二次、および三次の爆発物が、爆薬物質の３つのクラスを作り、それぞれが、衝撃、摩擦、および熱に対して減少する感度を有する。過酸化物ベースの爆発物（例えば、アセトン過酸化物）は、起爆薬の主要な構成要素の１つであり、一方でニトロベースの爆発物は、二次の爆発物（例えば、トリニトロトルエン（ＴＮＴ）、シクロトリメチレントリニトラミン（ＲＤＸ）、ペントリット（ＰＥＴＮ））、および三次の爆発物（例えば、硝酸アンモニウム／重油（ＡＮＦＯ））の大多数を作り上げる。
【０００２】
ラマン分光技術が、化合物の識別において、高い特定性を提供するために現われた。しかしながら、特に、気相中（高い蒸気圧の過酸化物ベースの核種によって例示される）などの爆発性物質が低い濃度で存在するときには、ラマンベースのセンサを用いる選択的な爆薬物質の検出は、弱いラマン散乱に起因して感度が制限されてきた。一方で、蛍光検出技術は、非常に敏感であり、比較するとラマン技術よりも一般に、数桁の大きさで敏感である。
【０００３】
標的物質の固有の蛍光を用いる、爆発物の直接的な検出は、挑戦的である。なぜならば、蛍光スペクトルは、一般に幅が広く、構造がなく／特徴がないからである。爆発性物質の光解離からの選択的なフォトフラグメントは、構造化されたかまたは特徴が明らかなスペクトルを作り出す強い蛍光を有する。一酸化窒素（ＮＯ）は、紫外（ＵＶ）線によって照射されるときには、ニトロベースの爆発性物質に特有なフォトフラグメントである。特に、その異なったＡ−Ｘ（ν’，ν”）バンドを介するＮＯによる吸収（例えば、（０，０）、（１，１）、（２，２）、および（０，２）の２２６ｎｍ、２２４ｎｍ、２２２ｎｍ、および２４８ｎｍ近傍の遷移）は、個別のレーザ誘起蛍光（ＬＩＦ）放射をもたらす。
【０００４】
過酸化物ベースの物質の場合には、ヒドロキシル基（ＯＨ）は、究極のフォトフラグメントであり得る。同様に、その異なったＡ−Ｘ（ν’，ν”）バンドを介するＯＨによる吸収（例えば、（１，０）、（０，０）、（１，１）、（２，０）の２８２ｎｍ、３０９ｎｍ、３１５ｎｍ、２６２ｎｍ近傍の遷移）は、個別のＬＩＦ放射をもたらす。ＮＯまたはＯＨの一意の蛍光スペクトルのフィンガープリントは、それぞれの親標的分子（ｐａｒｅｎｔ  ｔａｒｇｅｔ  ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）のラマンサインよりも高い検出感度を有し、ニトロベースまたは過酸化物ベースの物質に対する高信頼のインジケータとしてそれぞれ役立ち得る。ＮＯおよびＯＨ分子のフィンガープリントにおける個別の構造は、二原子分子に特有であり、励起されたエネルギー準位の粒子分布に対するエネルギー処理の複数の経路を有する、より大きな分子の幅が広い蛍光プロフィールと対比すると、際立つ蛍光スペクトルをもたらす。
【０００５】
捕獲されたラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルに基づいて、標的物質の存在を検出するために、標的物質の特定の娘フォトフラグメント分子（ｄａｕｇｈｔｅｒ  ｐｈｏｔｏｆｒａｇｍｅｎｔ  ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）の一意の蛍光スペクトルを利用する機会がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（概要）
簡潔に言えば、システムおよび方法が、分光技術を用いて、表面上または空間内の関心のある物質の存在を検出するために提供される。紫外線のビームは、紫外線によって励起されるときに、蛍光を放射する娘フォトフラグメント分子を作り出すために、関心のある物質を光解離させるように表面または空間に向けられる。親標的分子のラマン散乱と娘フラグメントのレーザ誘起蛍光とは、紫外線のビームによって誘起され得る表面または空間から収集される。ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルは、捕獲されたラマン散乱および蛍光から生成される。娘フォトフラグメント分子と関連づけられた蛍光スペクトルと、親標的分子のラマンスペクトルとは、表面上または空間内の関心のある物質の存在を決定するために分析される。
【０００７】
例えば、本発明は、以下の項目を提供する。
（項目１）
紫外線によって励起されるときに、蛍光を発するフォトフラグメント分子を作り出すために、関心のある標的物質の光解離を達成するように該紫外線のビームを表面または空間に向けることと、
該表面または該空間からラマン散乱および蛍光を捕獲することと、
該捕獲されたラマン散乱および蛍光からラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを生成することと、
該表面上または該空間内の該関心のある標的物質の存在を決定するために、該フォトフラグメント分子と関連づけられた該蛍光スペクトルと、該標的物質の該ラマンスペクトルとを分析することと
を包含する、方法。
（項目２）
上記蛍光を捕獲し、上記蛍光スペクトルを生成することは、上記ラマン散乱を捕獲し、上記ラマンスペクトルを生成した後のある期間か、または該ラマン散乱を捕獲し、該ラマンスペクトルを生成すると同時に実行される、上記項目のうちの１項目に記載の方法。
（項目３）
分析することは、上記ラマンスペクトルおよび上記蛍光スペクトルを分析することを包含し、上記紫外線のビームによって照射されるときに、該蛍光スペクトルは、ニトロベースの爆発性標的物質の光解離によって作り出された一酸化窒素によって放射された蛍光と関連づけられ、そして決定することは、該蛍光スペクトルおよび該ラマンスペクトルに基づいて、該ニトロベースの爆発性標的物質が、上記表面上または上記空間内に存在することを決定することを包含する、上記項目のうちの１項目に記載の方法。
（項目４）
分析することは、上記ラマンスペクトルおよび上記蛍光スペクトルを分析することを包含し、上記紫外線のビームによって照射されるときに、該蛍光スペクトルは、過酸化物ベースの爆発性標的物質の光解離によって作り出されたヒドロキシル基によって放射された蛍光と関連づけられ、そして決定することは、該蛍光スペクトルおよび該ラマンスペクトルに基づいて、上記表面上または上記空間内の該過酸化物ベースの爆発性標的物質の存在を決定することを包含する、上記項目のうちの１項目に記載の方法。
（項目５）
分析することは、上記紫外線のビームによって照射されるときに、上記標的物質の光解離によって作り出されたヒドロキシル基によって放射された蛍光と関連づけられた上記蛍光スペクトルとともに該標的物質のラマンスペクトルを分析することを包含し、そして決定することは、該蛍光スペクトルおよび該ラマンスペクトルに基づいて、上記表面上または上記空間内の爆発性標的物質の存在を決定することを包含する、上記項目のうちの１項目に記載の方法。
（項目６）
向けることは、上記紫外線のビームの単一パルスを上記表面または空間に向けることを包含し、そして捕獲すること、生成すること、および分析することは、該単一パルスによって誘起されたラマン散乱および蛍光に関して実行される、上記項目のうちの１項目に記載の方法。
（項目７）
向けることは、光解離を達成するために第一の波長の上記紫外線のビームのパルスを向け、上記蛍光を誘起するために第二の波長の該紫外線のビームのパルスを向けることを包含する、上記項目のうちの１項目に記載の方法。
（項目８）
紫外線による励起に続いて蛍光を発するフォトフラグメント分子を作り出すために、関心のある標的物質の光解離を達成するように表面または空間に向けられる該紫外線のビームを作り出すように構成された光ソースと、
該紫外線のビームによって誘起され得る、該表面または空間からのラマン散乱および蛍光を捕獲するように構成された光学要素サブシステムと、
該ラマン散乱および該蛍光を分散させる少なくとも１つの分散要素と、
分散されたラマン散乱および蛍光からラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを生成する少なくとも１つの検出器と、
該表面上または該空間内の該関心のある標的物質の存在を決定するために、該フォトフラグメント分子と関連づけられた該蛍光スペクトルと、該標的物質の該ラマンスペクトルとを分析するように構成されたロジックと
を備える、システム。
（項目９）
上記ラマン散乱を分散させるように構成された第一の分散要素と、上記蛍光を分散させるように構成された第二の分散要素とを備える、上記項目のうちの１項目に記載のシステム。
（項目１０）
上記ロジックは、上記紫外線のビームの単一パルスによって誘起された上記ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを分析するように構成される、上記項目のうちの１項目に記載のシステム。
（項目１１）
少なくとも１つの検出器は、上記ラマンスペクトルの後のある期間か、または該ラマンスペクトルと同時に、上記蛍光スペクトルを生成する、上記項目のうちの１項目に記載のシステム。
（項目１２）
上記ロジックは、上記ラマンスペクトルおよび上記蛍光スペクトルを分析するように構成され、該蛍光スペクトルは、上記紫外線のビームに応答して、一酸化窒素によって放射された蛍光と関連づけられ、該一酸化窒素は、該紫外線のビームによって照射されるときに、ニトロベースの爆発性物質の光解離によって作り出され、該ロジックは、該蛍光スペクトルおよびラマンスペクトルに基づいて、該ニトロベースの爆発性物質を標的物質として検出するようにさらに構成される、上記項目のうちの１項目に記載のシステム。
（項目１３）
上記ロジックは、上記ラマンスペクトルおよび上記蛍光スペクトルを分析するように構成され、該蛍光スペクトルは、上記紫外線のビームに応答して、ヒドロキシル基によって放射された蛍光と関連づけられ、該ヒドロキシル基は、該紫外線のビームによって照射されるときに、過酸化物ベースの爆発性物質の光解離によって作り出され、該ロジックは、該蛍光スペクトルおよびラマンスペクトルに基づいて、該過酸化物ベースの爆発性物質を標的物質として検出するようにさらに構成される、上記項目のうちの１項目に記載のシステム。
（項目１４）
紫外線のビームによって表面または空間に問い合わせることと、
関心のある標的物質と関連づけられたラマン散乱と、該関心のある標的物質の光解離によって作り出された少なくとも１つの娘フォトフラグメント分子と関連づけられた蛍光とを捕獲することと、
該捕獲されたラマン散乱および蛍光からラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを生成することと、
該表面上または該空間内の該関心のある標的物質の存在を決定するために、該蛍光スペクトルと、該ラマンスペクトルとを分析することと
を包含する、方法。
（項目１５）
上記蛍光を捕獲し、上記蛍光スペクトルを生成することは、上記ラマン散乱を捕獲し、上記ラマンスペクトルを生成した後のある期間か、または該ラマン散乱を捕獲し、該ラマンスペクトルを生成すると同時に実行される、上記項目のうちの１項目に記載の方法。
（項目１６）
問い合わせることは、光解離を達成するために第一の波長の上記紫外線のビームのパルスを向け、上記蛍光を誘起するために第二の波長の該紫外線のビームのパルスを向けることを包含する、上記項目のうちの１項目に記載の方法。
（項目１７）
問い合わせることは、上記紫外線のビームの単一パルスを上記表面または空間に向けることを包含し、そして捕獲すること、生成すること、および分析することは、該単一パルスによって誘起されたラマン散乱および蛍光に関して実行される、上記項目のうちの１項目に記載の方法。
（項目１８）
分析することは、上記ラマンスペクトルおよび上記蛍光スペクトルを分析することを包含し、該蛍光スペクトルは、上記紫外線のビームによって照射されるときに、爆発性標的物質の光解離によって作り出された娘フォトフラグメント分子によって放射された蛍光と関連づけられる、上記項目のうちの１項目に記載の方法。
【０００８】
（摘要）
システムおよび方法が、分光技術を用いて、表面上または空間内の関心のある物質の存在を検出するために提供される。紫外線のビームは、紫外線によって励起されるときに、蛍光を発するフォトフラグメント分子を作り出すために、関心のある物質の光解離を達成するように表面または空間に向けられる。親標的物質のラマン散乱と、娘フォトフラグメントのレーザ誘起蛍光とは、紫外線のビームによって誘起され得る表面または空間から収集される。ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルは、捕獲されたラマン散乱および蛍光から生成される。娘フォトフラグメント分子と関連づけられた蛍光スペクトルと、親標的物質のラマンスペクトルとは、表面上または空間内の関心のある物質の存在を決定するために分析される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、ラマン散乱と、フォトフラグメンテーションのレーザ誘起蛍光とを用いて、関心のある物質の存在を検出するためのシステムのブロック図の一例である。
【図２】図２は、標的物質のラマン散乱と、娘フォトフラグメント分子のレーザ誘起蛍光との捕獲を示すタイムチャートの一例である。
【図３】図３は、ラマンスペクトルと、フォトフラグメンテーションのレーザ誘起蛍光スペクトルとが波長において、どのようにオーバーラップし得るかを示すプロットの一例である。
【図４】図４は、ラマンスペクトルと、フォトフラグメンテーションのレーザ誘起蛍光スペクトルとが波長において、オーバーラップし得ないことを示すプロットの別の例である。
【図５】図５は、関心のある物質がニトロベースの爆発性物質であり、図１で示された検出器構成に類似する構成が用いられる例に従った、フォトフラグメンテーションのレーザ誘起蛍光スペクトルとラマンスペクトルとに対するプロットの例を図示する。
【図６】図６は、ラマン散乱と、フォトフラグメンテーションのレーザ誘起蛍光とを用いて、関心のある物質の存在を検出するためのシステムのブロック図の別の例である。
【図７】図７は、関心のある物質がニトロベースの爆発性物質であり、図６で示された検出器構成に類似する構成が用いられる別の例に従った、フォトフラグメントのレーザ誘起蛍光スペクトルとラマンスペクトルとに対するプロットの例を図示する。
【図８】図８は、ラマン散乱と、フォトフラグメンテーションのレーザ誘起蛍光とに基づいて、関心のある物質を検出するためのプロセスを描くフローチャートの例を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（詳細な説明）
標的核種の識別において感度と特定性との両方を達成するために、娘フォトフラグメント分子のレーザ誘起蛍光（ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ；ＬＩＦ）スペクトルと、それら分子のそれぞれの親標的のラマンサイン（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）とから得られる組み合わされた情報を利用するための技術が、本明細書中に提供される。従って、該技術は、２つの物理的現象の同時の問い合わせを含んでおり、１）標的核種のラマン散乱と、２）標的核種の光解離によって生成された娘フォトフラグメント（ｐｈｏｔｏｆｒａｇｍｅｎｔ；ＰＦ）核種のＬＩＦとである。ＬＩＦ信号の強度と、問い合わせソースに要求される比較的低いレーザフルエンスとは、現在利用可能な他の検出技術と比較して、離れた距離での早い段階の検出の可能性を高める。
【００１１】
まず図１を参照すると、検出システム１０の一例のブロック図が示される。システム１０は、レーザソース２０と、フィルタ３２を含む収集光学素子サブシステム３０と、第一の光分散要素４０および第二の光分散要素５０と、検出器６０と、コンピュータ７０とを備える。コンピュータ７０は、メモリ８０と、スペクトルデータのライブラリを含むデータストレージユニット９０とを別個に含むかまたは別々にアクセスし得る。システム１０は、参照数字５で示された表面上または空間内の関心のある物質の存在を検出するために用いられ得る。一例として、以下で詳述されるように、システムは、爆発性物質を検出するように構成され得る。しかしながら、システム１０はまた、爆発性物質ではない他のタイプの物質を検出するように構成され得る。
【００１２】
レーザソース２０は、ラマン散乱および特定の分子のフォトフラグメンテーションを誘起する波長で紫外（ＵＶ）線のビーム２２を作り出すように構成されるか、または適合される。例えば、レーザソース２０は、２２２ｎｍ、２２４ｎｍ、２２６ｎｍ、または２４８ｎｍで、ＵＶ線のレーザビームを作り出すタイプであり得る。光学要素２４は、ビーム２２を表面または空間５に向けるために提供され得る。
【００１３】
収集光学素子サブシステム３０は、表面または空間５からの参照数字２６で示される誘起されたラマン散乱および蛍光の放射を捕獲する。フィルタ３２は、レーザソース２０からのビームと関連づけられる任意のエネルギーを、捕獲されたラマン散乱および蛍光の放射から取り除く。図１は、レーザソース２０が、収集光学素子サブシステムからオフセットして配置されることを示すけれども、一方でレーザソース２０が、収集光学素子サブシステム３０のすぐ前に配置されることもまた可能である。
【００１４】
収集光学素子サブシステム３０は、捕獲されたラマン散乱およびＬＩＦ放射２６を、光ファイバ３４を介して光分散要素４０および５０のそれぞれに連結する。図１は、フィルタ３２が、収集光学素子サブシステム３０内に配置されることを示すが、フィルタ３２はまた、収集光学素子サブシステム３０の下流の光ファイバ３４の遠位の端部に配置され得る。収集され、フィルタをかけられた散乱および放射２６’を、第一の時間瞬間Ｔ１で一方の分散要素に（例えば、分散要素５０に）向け、そしてその後、時刻Ｔ２で他方の分散要素に（例えば、分散要素４０に）向けるように構成される光学要素４５が存在する。従って、光分散要素４０および５０の一方は、ラマン散乱を分散させるために用いられ、他方は、蛍光を分散させるために用いられる。例えば、分散要素４０が蛍光を分散させ、分散要素５０がラマン散乱を分散させる。この場合に、分散要素４０は、約４０ｎｍの範囲に及ぶ回折格子を備え得、分散要素５０は、約２０ｎｍに及ぶ回折格子を備え得る。
【００１５】
分散要素４０は、分散された蛍光を検出器６０に向け、分散要素５０は、分散されたラマン散乱を検出器６０に向ける。検出器６０は、分散されたラマン散乱からのラマンスペクトルと、分散された蛍光からの蛍光スペクトルとを生成する。
【００１６】
コンピュータ７０は、データストレージユニット９０内に格納されたスペクトルデータのライブラリに対してラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを比較するために、メモリ８０に格納された１つ以上のソフトウェアプログラムを実行することによって、ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを分析する。より一般に、ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルを分析するコンピュータ７０の機能は、１つ以上の有形の媒体（例えば、プロセッサによって実行される特定用途向け集積回路、デジタル信号プロセッサのファームウェア命令、ソフトウェアなどの埋め込まれたロジック）において符号化されたロジックによって実装され得る。
【００１７】
図１への参照を続けるとともに、ここで図２への参照がなされる。一実施形態において、コンピュータ７０は、ラマン散乱の捕獲と蛍光の捕獲との間に時間遅延が存在するように、分散要素４０および５０、光学要素４５、および検出器６０を制御するように構成される。これは、捕獲されたラマン散乱と捕獲された蛍光との間で干渉を避ける一技術の実施例である。時刻Ｔ０に示されたＵＶビームパルスの終結の後、コンピュータ７０は、ラマン散乱が、時刻Ｔ１から捕獲され始めるように、光学要素４５を制御する。時刻Ｔ１は、Ｔ０の後の一定の時間間隔があるように示されるけれども、それが時刻Ｔ０のパルスの終結と略同時であり得ることは理解されるべきである。Ｔ１の後の一定の期間、コンピュータ７０は、蛍光スペクトルが、時刻Ｔ２から捕獲され始めるように、光学要素４５を制御する。ラマンスペクトルの産生と蛍光スペクトルとの間に十分な遅延がない、本明細書に記述された技術の他のアプリケーションおよび実施例があり、それらの実施例は下記される。それらの場合において、ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルは、実質的に同時に作り出される。さらなる技術が本明細書中に記述され、そこでは、ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルの「ウィンドウ」全体のそれぞれの（波長または波数空間の）非オーバーラップ部分が、関心のある標的物質を検出するために分析される。
【００１８】
図３は、ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルが、ある程度オーバーラップし、特に、蛍光スペクトルが、ラマンスペクトルよりもかなり大きな波長領域を占めることを示す。さらに、親標的分子からの最小の蛍光干渉が、ニトロベースの爆発性物質からの低い蛍光信号の所定の特性を予期されている。
【００１９】
図４は、ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルがオーバーラップしない別の実施例を示す。
【００２０】
本明細書中に記述された、組み合わされたラマンスペクトルおよびフォトフラグメンテーションレーザ誘起蛍光（ＰＦ−ＬＩＦ）技術は、関心のある物質と関連づけられた親標的分子の（直接的）蛍光検出とは対照的に、娘フォトフラグメント分子の蛍光を検出することにおける利点を利用する。親分子の固有の蛍光を用いる、爆発性物質の直接的な検出は挑戦的である。なぜならば、サインが一般的に広く、特徴がないからである。ニトロベースの爆発性物質の場合には、ＵＶレーザビーム内の光子は、標的分子を光解離させ、二酸化窒素（ＮＯ２）および他のフラグメントを生成する。ＮＯ２による同じ色の光子のその後の吸収は、分子の事前の解離をもたらし、一酸化窒素（ＮＯ）と酸素原子を生成する。ＮＯフラグメントは、ＬＩＦを介して探測され得、そこでは、ＮＯによるＵＶレーザビームパルス内の（二次またはその他の）光子の吸収が、共鳴遷移を誘起し、基底状態のＮＯ粒子分布を励起されたエネルギー状態に増進させる。ＮＯが基底状態まで緩和する際に、蛍光が放射され、一意のスペクトルのフィンガープリントを提供する。ＮＯ分子のＰＦ−ＬＩＦの検出は、ニトロベースの爆発物の強いＵＶ吸収特性と、所望のフォトフラグメントから強い蛍光信号を達成するための、最小のＵＶ光子エネルギー入力（ｍＪまたはμＪまでも）の要件とから利益を得ている。ＬＩＦ信号の強度は、離れた検出プラットホームにおいて有用性を提供する。正確に焦点が合ったレーザ（ビームのカバーエリアを制限する）の必要性が軽減され、それによって、広い面積にわたって速い走査を可能にする。検出された爆発性物質の量および／または濃度はまた、フォトフラグメントの蛍光の強さから推断され得る。
【００２１】
レーザソース２０は、光解離と、フォトフラグメントのＬＩＦ誘起との両方を容易にするために、光（光子）の同じ色（波長）を用いるように制御され得る。異なる色／波長が、フォトフラグメンテーションのために用いられるよりも、ＬＩＦのために用いられる（すなわち、光解離を達成する第一の波長の光のパルスおよび蛍光を誘起する第二の波長の光のパルス）アプリケーションがまた存在する。
【００２２】
図５は、ニトロベースの爆発性物質が存在する表面または空間の問い合わせからもたらされる可能性のある、蛍光スペクトルとラマン散乱スペクトルとに対するプロットの例を示す。特に、図５は、ラマンとＬＩＦとに対して別個の分散要素と検出器とを用いる図１の検出器構成から予期されるプロットを例示する。左のプロットは、標的物質のラマン散乱スペクトルのプロットであり、右のプロットは、ＰＦ−ＬＩＦからもたらされる一酸化窒素（ＮＯ）の蛍光スペクトルのプロットである。蛍光スペクトルのプロットは、ＮＯに対する蛍光スペクトルにおいて際立つ特徴があることを示す。標的分子を暗示するラマンスペクトル内の他の際立つ特徴とともに、蛍光スペクトル内のこれらの際立つ特徴を認識することは、関心のある特定の物質の正確な検出を可能にする。この検出例において、フォトフラグメント核種は、親標的分子の「メモリ」を有しない。ＰＦ−ＬＩＦスペクトルは、これらのフォトフラグメントの基点にかかわらず同じに見える。従って、ＰＦ−ＬＩＦだけを検出することは、必ずしも親分子の識別を明らかにしない。そのことは、親標的分子が、そのようなフォトフラグメントを含むことを示すだけである。しかしながら、ラマンスペクトルは、親標的分子の明確な識別を与える。そのような理由で、本明細書に記述される構成において、ＰＦ−ＬＩＦは、ラマンに対して相補的であり、標的物質の存在のインジケータ／トリガとして用いられ得る。
【００２３】
ニトロベースの物質（例えば、二次および三次の爆発物）に加えて、本明細書中に記述されるラマン／ＰＦ−ＬＩＦ技術は、爆発性物質のデトネーションにおいて用いられる他のブースタ硝酸塩に適用され得る。その技術はまた、高い蒸気圧の過酸化物ベースの物質（例えば、過酸化水素（ＨＯＯＨ））の検出に適用され得る。過酸化物ベースの物質は、ボンディング酸素原子間の弱い結合強度のために不安定である。ＵＶ光子（一般に、波長＜３００ｎｍ）の吸収は、ＨＯＯＨの解離を引き起こし、ＯＨフラグメントを生成する。その後、結果もたらされるＯＨフラグメントは、２８２ｎｍ、３０９ｎｍ、３１５ｎｍ、２６２ｎｍ近傍の、そのＡ−Ｘ（１，０）、（０，０）、（１，１）、（２，０）遷移を介する共鳴遷移をうけ得、異なるエネルギー準位と関連づけられた、そのＬＩＦが収集され得、従って、特徴豊かな蛍光放射スペクトルを与え得る。ＯＨ娘フラグメントのこのＬＩＦフィンガープリントは、ＯＨが生成された分子の存在、この場合には、ＨＯＯＨに対するインジケータとして役立ち得る。同じ波長が、親ＨＯＯＮ分子の解離のために用いられる場合には、単一色の光子（または単一のレーザ線）は、ニトロベースの物質の場合に類似して、ＰＦとＬＩＦステップとの両方に対して用いられ得る。しかしながら、フォトフラグメンテーションに対する最適の波長は、そのようなわけで、ＯＨフォトフラグメントのＬＩＦ誘起に必要とされる波長と異なり得る。従って、複数の波長が、ＰＦ−ＬＩＦプロセスを達成するために用いられ得、複数の波長において得られたラマンスペクトルはそのうえ、親分子についての追加情報をも提供する。
【００２４】
本明細書中に記述されるラマン／ＰＦ−ＬＩＦ技術は、分子構造のバックボーンとして過酸化物結合を有するいくつかの起爆薬（例えば、アセトン過酸化物）などの、より高い構造的複雑性を有する他の過酸化物ベースの物質に適用され得る。場合によっては、ＯＨフラグメントは、ＵＶ光解離（各標的物質に特有の光子エネルギーで）の直接的な結果として生成され得る。他の場合には、標的物質の光分解に続くフォトフラグメントのその後の分解は、陽子リッチな核種（例えば、水、酸）が存在すると、中間反応生成物としてのＨＯＯＨ分子を作り出す必要があり得、それからＯＨフラグメントが次いで生成され、上記されたような、そのＬＩＦが検出された可能性がある。
【００２５】
さらに、本明細書中に記述されたラマン／ＰＦ−ＬＩＦ技術は、硝酸（ＨＮＯ３）などの化学的に安定な核種に適用され得る。ＨＮＯ３は、ＯＨ基の先駆体として広く用いられる。過酸化物結合は、ＨＮＯ３の分子構造内に存在しないけれども、ＯＨ基は、ＨＮＯ３のＵＶ光分解（一般に、波長＜３５０ｎｍで）の際に容易に生成される。さらに、二酸化窒素（ＮＯ２）が生成され、ＯＨ基に対して相補的な光分解生成物である。ＮＯ２および／またはそれのその後のフォトフラグメント、ＮＯは、本明細書中に記述される技術を用いて、探測され得る。
【００２６】
一般に、本明細書中に記述されるラマン／ＰＦ−ＬＩＦ技術は、一意で、際立つ蛍光放射スペクトルを有する特徴のあるフォトフラグメントを生成し得る（爆発性物質または任意の物質の）分子／化合物を検出するために利用され得る。例えば、二原子分子は、特徴豊かな（際立つ）蛍光放射スペクトルを有する。
【００２７】
ここで図６を参照すると、検出システムの別の実施例が示される。図６に示されたシステム１０’は、２つの光分散要素の代わりに単一の光分散要素２１０を用いることを除いて、図１に示されたシステムに類似する。光分散要素２１０は、組み合わされたラマン散乱および蛍光を検出器２２０に分散させる。検出器２２０は次いで、コンピュータ７０に供給されるスペクトルを作り出すために、分散された光を変換する。作り出されたスペクトルは、ラマンおよびＬＩＦスペクトルウィンドウの完全な範囲か、または、ラマンスペクトルからの、そしてＬＩＦスペクトルからの部分的なスペクトルの特徴だけを含み得る。ラマン散乱およびＬＩＦ放射の完全な範囲のスペクトルウィンドウが、収集され得るけれども、解析においてオーバーラップされなかった領域を用いることは望ましくあり得る。図２および図３に関連して上記された技術は、ラマン散乱および蛍光を捕獲するときに、干渉を最小化するためにシステム１００’において利用され得る。
【００２８】
図７は、図６の検出器システム構成から予期されるデータのプロットの例を図示する。そこでは、単一の分散要素および単一の検出器が、ラマンおよびＬＩＦに対する専用の分散要素／検出器の代わりに用いられる。
【００２９】
ここで、ラマン散乱とＰＦ−ＬＩＦ技術との両方を利用する検出プロセス３００の説明のために、図８への参照がなされる。３１０において、ＵＶレーザソースが、ＵＶビームの少なくとも１つのパルスを問い合わされる表面または空間に向けるために起動される。一実施形態において、単一のパルスだけが表面または空間に向けられるけれども、他の実施形態において、第一の波長のＵＶ線のパルスが、光解離を達成するために放射され、第二の波長のＵＶ線のパルスが、蛍光を誘起するために放射される。
【００３０】
３２０において、あらゆる誘起されたラマン散乱および蛍光が、表面または空間から捕獲される。３３０において、誘起されたラマン散乱および蛍光が収集され、ＵＶレーザと関連づけられるあらゆる光がフィルタで取り除かれる。３４０において、ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルは、収集された光が、（図１の実施例におけるような）別個の検出器への別個の分散要素か、または（図６の実施例におけるような）単一の検出器への単一の分散要素のいずれかを通過した後、生成される。３５０において、ラマンスペクトルおよび蛍光スペクトルは、表面上または空間内の関心のある物質の存在を検出するために分析される。
【００３１】
本明細書中に記述された技術の多くのアプリケーションが、（制限ではなく）、一般市民の環境（空港、メールなど）または戦場の環境を含む、任意の環境における固相、液相、または気相の爆発性物質の検出を含んで存在し、そのなかには、ハンドヘルドまたは車両搭載型の検出器による離れた距離でのニトロベースまたは過酸化物ベースの爆発性物質のポイント検出、除染プロジェクトにおける（爆発前または爆発後）の爆発性物質の検出、フォトフラグメントの蛍光の強さから爆発性物質の量または濃度を定量化することを含む。ＣＨ、ＣＣ、ＣＦ、ＣＮ、ＮＨ、またはＮＮなどの他の娘フラグメントが、標的物質の光解離の際に生成される場合には、それぞれの親標的核種を識別するためにも用いられ得る。また、蛍光を発する複数の（関心のある標的物質の）娘フラグメントが存在するけれども、その１つが、より際立つ蛍光スペクトルまたはより分析しやすい（ラマンスペクトルとオーバーラップしない）領域のスペクトルを有し得るアプリケーションがあり得る。
【００３２】
装置、システム、および方法が、１つ以上の特定の実施例において具現化されるとして本明細書中に例示され、記述されたけれども、それにもかかわらず、様々な修正および構造的な変更が、装置、システム、および方法の範囲を逸脱することなく、そして特許請求の範囲およびその均等物の範囲内でなされ得るので、示された詳細に制限されることを意図しない。従って、添付の特許請求の範囲が広く、そして添付の特許請求の範囲に記述されるような、装置、システム、および方法の範囲と矛盾しない方法において解釈されることは適切である。
【符号の説明】
【００３３】
５  表面または空間
１０  検出システム
２０  レーザソース（ＵＶ）
３０  収集光学素子サブシステム
４０、５０  光分散要素
６０  検出器
７０  コンピュータ
８０  メモリ
９０  データストレージユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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