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Detection of high energetics using Raman Spectroscopy and MIR quantum cascade laser at the grazing angle of incidence: A sensor fusion modality
Colon Mercado, Annette M.
Colon Mercado, Annette M.
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Abstract
Terrorist attacks including chemicals agents as weapons represents a threat to the security of civilians and first responders. The challenge lies in the development of techniques that allow an accurate detection of chemical and biological threats. In this work, a sensor fusion modality is presented to detect high energetics by an optical arrangement between two modalities: mid-infrared laser reflectance and Raman Spectroscopy technologies. The fusion between these techniques allows to accurate identify the vibrational signatures of the species. The MIR spectroscopy was carried using a Quantum Cascade Laser optically mounted to produce a Reflection Absorption Infrared Spectroscopy effect that enhances the signal obtained of the analytes when deposited on highly reflective substrates. Stainless steel substrates were used to deposit the high energetics: triacetone peroxide, pentaerythritol tetranitrate and the amino acid L-tryptophan at a concentration range of 10 – 1000 ppm using a ChemCal printer. The results from the characterization were used to perform the Multivariate Analysis and develop models that explained the behavior of the vibrational signatures using the sensor fusion. Principal component analysis and Partial Least Squares Regression models showed a separation of the classes and confirmed the QCL-GAP collected data as being more effective than the models generated using the RS. The PLS models were highly efficient in predicting the surface loadings of the analytes when using QCL-GAP showing R-Square results above 0.94 with the lowest being 0.68 for the predicted loadings of L-tryptophan. The prediction models for the data obtained using RS provided results with low R-Square that confirm the limitation when handling low concentrations.
Los ataques terroristas que incluyen agentes químicos como armas representan una amenaza para la seguridad de los civiles. El desafío radica en el desarrollo de técnicas para la detección de amenazas químicas y biológicas. En este trabajo, se presenta una modalidad de fusión de sensores para detectar materiales energéticos con un arreglo óptico entre dos modalidades: reflectancia láser de infrarrojo medio y espectroscopía Raman. La fusión entre estas técnicas permite identificar las señales vibracionales de las especies. La espectroscopia MIR se realizó con un láser de cascada cuántica montado ópticamente para obtener el efecto de espectroscopia infrarroja de absorción de reflexión que mejora la señal obtenida de los analitos al ser depositados sobre sustratos reflectantes. Se utilizaron sustratos de acero inoxidable para depositar los compuestos: peróxido de triacetona, tetranitrato de pentaeritritol y el aminoácido L-triptófano en un rango de concentración de 10 a 1000 ppm usando una impresora ChemCal. Los resultados de la caracterización se utilizaron para realizar el Análisis Multivariado y desarrollar modelos que explicaran el comportamiento de las señales vibratorias utilizando la fusión de sensores. El análisis de componentes principales y los modelos de regresión de mínimos cuadrados parciales mostraron una separación de las clases y confirmaron que los datos recopilados por QCL-GAP eran más efectivos que los modelos generados utilizando el RS. Los modelos PLS fueron eficientes en predecir la concentración de los analitos cuando se utilizó QCL-GAP, mostrando resultados de RSquare superiores a 0.94, siendo el más bajo 0.68 para las concentraciones de Ltriptófano. Los modelos de predicción de los datos obtenidos mediante RS proporcionaron resultados con R-Cuadrado bajo que confirman la limitación al manejar concentraciones bajas.
Los ataques terroristas que incluyen agentes químicos como armas representan una amenaza para la seguridad de los civiles. El desafío radica en el desarrollo de técnicas para la detección de amenazas químicas y biológicas. En este trabajo, se presenta una modalidad de fusión de sensores para detectar materiales energéticos con un arreglo óptico entre dos modalidades: reflectancia láser de infrarrojo medio y espectroscopía Raman. La fusión entre estas técnicas permite identificar las señales vibracionales de las especies. La espectroscopia MIR se realizó con un láser de cascada cuántica montado ópticamente para obtener el efecto de espectroscopia infrarroja de absorción de reflexión que mejora la señal obtenida de los analitos al ser depositados sobre sustratos reflectantes. Se utilizaron sustratos de acero inoxidable para depositar los compuestos: peróxido de triacetona, tetranitrato de pentaeritritol y el aminoácido L-triptófano en un rango de concentración de 10 a 1000 ppm usando una impresora ChemCal. Los resultados de la caracterización se utilizaron para realizar el Análisis Multivariado y desarrollar modelos que explicaran el comportamiento de las señales vibratorias utilizando la fusión de sensores. El análisis de componentes principales y los modelos de regresión de mínimos cuadrados parciales mostraron una separación de las clases y confirmaron que los datos recopilados por QCL-GAP eran más efectivos que los modelos generados utilizando el RS. Los modelos PLS fueron eficientes en predecir la concentración de los analitos cuando se utilizó QCL-GAP, mostrando resultados de RSquare superiores a 0.94, siendo el más bajo 0.68 para las concentraciones de Ltriptófano. Los modelos de predicción de los datos obtenidos mediante RS proporcionaron resultados con R-Cuadrado bajo que confirman la limitación al manejar concentraciones bajas.
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Date
2024-05-10
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High energetics, QCL, Raman, Spectroscopy, Detection