신경작용제인 사린 가스 (GB), 수포작용제인 황 겨자 가스 (HD)와 같은 화학작용제는 매우 유독한 물질로서 화생방전, 테러 상황 등에 의하여 유출 시 인체에 치명적으로 작용할 수 있다. 따라서 유출된 화학물질을 빠르게 확인하여 화학작용제 여부를 판단 및 경보하는 것은 화학작용제 공격 시 인명을 보호하는데 매우 중요하다. 한편, 화학작용제는 공격 시 액체 상태로 지표면을 일차 오염 시킨 후 점차 공기 중으로 휘발하여 확산하는 특성을 갖는다. 현재 군사적으로 지표면 오염 화학작용제를 분석하는 방법으로는 ...
신경작용제인 사린 가스 (GB), 수포작용제인 황 겨자 가스 (HD)와 같은 화학작용제는 매우 유독한 물질로서 화생방전, 테러 상황 등에 의하여 유출 시 인체에 치명적으로 작용할 수 있다. 따라서 유출된 화학물질을 빠르게 확인하여 화학작용제 여부를 판단 및 경보하는 것은 화학작용제 공격 시 인명을 보호하는데 매우 중요하다. 한편, 화학작용제는 공격 시 액체 상태로 지표면을 일차 오염 시킨 후 점차 공기 중으로 휘발하여 확산하는 특성을 갖는다. 현재 군사적으로 지표면 오염 화학작용제를 분석하는 방법으로는 질량분석법에 기반한 방법이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 이 방법은 화생방정찰차에 탑재된 내부 질량분석기와 외부 휠 형태의 시료공급기를 연계하여 액체 시료를 직접 분석기로 도입해 주는 접촉식 분석 방법이다. 그러나 상기 방법에 의해서는 차량의 기동성 제한(10 km/h 이하에서 운용)이 있으며, 특히 고농도의 액체 시료가 질량분석기 내로 과량 도입될 경우 분석 장비의 심각한 오염을 야기할 수 있다. 따라서 지표면 오염 화학작용제를 차량의 고기동성(40 km/h 이상) 환경 하에서 비접촉식으로 분석할 수 있는 새로운 방법이 요구되고 있다. 라만 분광법은 시료와 직접 접촉이 없는 대표적인 비접촉식 분석 방법이며, 신속 분석이 가능하여 지표면 오염 화학작용제를 탐지 및 식별하는 방법으로 새롭게 주목 받고 있다. 라만 분광법은 광원에서 제공한 빛에 의하여 각 화학물질이 지문과 같은 고유한 라만 산란 특성을 나타내는 것을 분석에 이용한다. 현재는 적외선 및 가시광선 영역의 빛을 광원으로 이용하던 고전적 개념을 벗어나 자외선 영역의 빛을 광원으로 이용하는 개념으로 발전하고 있다. 특히 250-nm 이하의 단자외선을 라만 산란 유도광원으로 이용할 경우, 태양광과 지표면 생물물질의 형광에 의한 간섭 영향을 감소시킬 수 있어 지표면 유출 화학 오염물질을 정확히 확인하는데 매우 유용하다. 이러한 특징들을 이용할 경우 약 1 m의 지표면과의 거리에서 비접촉식 방법으로 미지의 오염물질을 분석할 수 있을 것이다. 본 연구는 250-nm 이하의 단자외선 라만 분광법을 이용하여 지표면 오염된 화학작용제를 비접촉식 및 실시간으로 분석하는 방법에 관한 것이다. 연구 내용은 다음과 같이 크게 네 개의 부분으로 이루어져 있다. 첫 번째는 248-nm의 자외선 라만 분광법에 기반한 미국의 joint contaminated surface detector (JCSD)를 이용하여 GB, HD 등 주요 화학작용제를 포함하는 18종 화학물질의 라만 스펙트럼 특성들을 분석하였다. 두 번째는 역시 248-nm 자외선 라만 분광법에 기반한 JCSD를 이용하여 콘크리트 등 다양한 지표면 환경에서 모의 화학작용제인 methyl salicylate 등에 대한 화학작용제 비접촉식 및 실시간 분석 특성에 대해서 기술하였다. 세 번째는 248-nm 자외선 라만 분광법을 적용한 새로운 라만 분광시스템인 Raman agent monitoring system (RAMS)를 설계 및 제작하였으며, 이것을 이용한 GB, HD 등 화학물질의 기본 라만 스펙트럼 분석 및 지표면에서의 화학작용제 비접촉식 및 실시간 분석 적용에 대해서 기술하였다. 마지막으로 248-nm 기체 엑시머 레이저의 야외 운용성 제한점으로 인하여, 213-nm 고체 Nd:YAG 레이저를 개발 및 적용한 213-nm 라만 분광 시스템을 설계, 제작하였다. 또한, 이 장비를 이용하여 GB, HD 등 화학물질의 라만 스펙트럼적 특성을 분석하여 기존 장비와의 대체 가능성을 확인하였으며, 그 결과로부터 시스템적인 보완사항을 제시하였다. 결론적으로 250-nm 이하의 단자외선 라만 분광법에 기반한 라만 분광시스템이 실제 지표면 오염된 화학작용제를 실시간으로 분석하는데 있어, 기존 질량분석법 기반의 방법을 대체하는 비접촉식, 고기동성의 방법으로 효과적으로 적용될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 독자적인 라만 분광시스템 설계 및 제작 기술을 확보하는데 있어, 제작된 장비를 이용한 연구 결과를 바탕으로 향후 보다 향상된 라만 분광시스템 설계를 위한 보완점을 함께 제시할 수 있었던 성과도 거두었다.
신경작용제인 사린 가스 (GB), 수포작용제인 황 겨자 가스 (HD)와 같은 화학작용제는 매우 유독한 물질로서 화생방전, 테러 상황 등에 의하여 유출 시 인체에 치명적으로 작용할 수 있다. 따라서 유출된 화학물질을 빠르게 확인하여 화학작용제 여부를 판단 및 경보하는 것은 화학작용제 공격 시 인명을 보호하는데 매우 중요하다. 한편, 화학작용제는 공격 시 액체 상태로 지표면을 일차 오염 시킨 후 점차 공기 중으로 휘발하여 확산하는 특성을 갖는다. 현재 군사적으로 지표면 오염 화학작용제를 분석하는 방법으로는 질량분석법에 기반한 방법이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 이 방법은 화생방정찰차에 탑재된 내부 질량분석기와 외부 휠 형태의 시료공급기를 연계하여 액체 시료를 직접 분석기로 도입해 주는 접촉식 분석 방법이다. 그러나 상기 방법에 의해서는 차량의 기동성 제한(10 km/h 이하에서 운용)이 있으며, 특히 고농도의 액체 시료가 질량분석기 내로 과량 도입될 경우 분석 장비의 심각한 오염을 야기할 수 있다. 따라서 지표면 오염 화학작용제를 차량의 고기동성(40 km/h 이상) 환경 하에서 비접촉식으로 분석할 수 있는 새로운 방법이 요구되고 있다. 라만 분광법은 시료와 직접 접촉이 없는 대표적인 비접촉식 분석 방법이며, 신속 분석이 가능하여 지표면 오염 화학작용제를 탐지 및 식별하는 방법으로 새롭게 주목 받고 있다. 라만 분광법은 광원에서 제공한 빛에 의하여 각 화학물질이 지문과 같은 고유한 라만 산란 특성을 나타내는 것을 분석에 이용한다. 현재는 적외선 및 가시광선 영역의 빛을 광원으로 이용하던 고전적 개념을 벗어나 자외선 영역의 빛을 광원으로 이용하는 개념으로 발전하고 있다. 특히 250-nm 이하의 단자외선을 라만 산란 유도광원으로 이용할 경우, 태양광과 지표면 생물물질의 형광에 의한 간섭 영향을 감소시킬 수 있어 지표면 유출 화학 오염물질을 정확히 확인하는데 매우 유용하다. 이러한 특징들을 이용할 경우 약 1 m의 지표면과의 거리에서 비접촉식 방법으로 미지의 오염물질을 분석할 수 있을 것이다. 본 연구는 250-nm 이하의 단자외선 라만 분광법을 이용하여 지표면 오염된 화학작용제를 비접촉식 및 실시간으로 분석하는 방법에 관한 것이다. 연구 내용은 다음과 같이 크게 네 개의 부분으로 이루어져 있다. 첫 번째는 248-nm의 자외선 라만 분광법에 기반한 미국의 joint contaminated surface detector (JCSD)를 이용하여 GB, HD 등 주요 화학작용제를 포함하는 18종 화학물질의 라만 스펙트럼 특성들을 분석하였다. 두 번째는 역시 248-nm 자외선 라만 분광법에 기반한 JCSD를 이용하여 콘크리트 등 다양한 지표면 환경에서 모의 화학작용제인 methyl salicylate 등에 대한 화학작용제 비접촉식 및 실시간 분석 특성에 대해서 기술하였다. 세 번째는 248-nm 자외선 라만 분광법을 적용한 새로운 라만 분광시스템인 Raman agent monitoring system (RAMS)를 설계 및 제작하였으며, 이것을 이용한 GB, HD 등 화학물질의 기본 라만 스펙트럼 분석 및 지표면에서의 화학작용제 비접촉식 및 실시간 분석 적용에 대해서 기술하였다. 마지막으로 248-nm 기체 엑시머 레이저의 야외 운용성 제한점으로 인하여, 213-nm 고체 Nd:YAG 레이저를 개발 및 적용한 213-nm 라만 분광 시스템을 설계, 제작하였다. 또한, 이 장비를 이용하여 GB, HD 등 화학물질의 라만 스펙트럼적 특성을 분석하여 기존 장비와의 대체 가능성을 확인하였으며, 그 결과로부터 시스템적인 보완사항을 제시하였다. 결론적으로 250-nm 이하의 단자외선 라만 분광법에 기반한 라만 분광시스템이 실제 지표면 오염된 화학작용제를 실시간으로 분석하는데 있어, 기존 질량분석법 기반의 방법을 대체하는 비접촉식, 고기동성의 방법으로 효과적으로 적용될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 독자적인 라만 분광시스템 설계 및 제작 기술을 확보하는데 있어, 제작된 장비를 이용한 연구 결과를 바탕으로 향후 보다 향상된 라만 분광시스템 설계를 위한 보완점을 함께 제시할 수 있었던 성과도 거두었다.
Chemical warfare agents (CWAs) such as a nerve agent GB (sarin) and a blister agent HD (sulfur mustard) are highly toxic materials that can be fatal to humans in the event of release due to chemical and biological warfare attacks or terrorist situations. Therefore, it is required to quickly identify...
Chemical warfare agents (CWAs) such as a nerve agent GB (sarin) and a blister agent HD (sulfur mustard) are highly toxic materials that can be fatal to humans in the event of release due to chemical and biological warfare attacks or terrorist situations. Therefore, it is required to quickly identify the released chemical agents and warn against the CWAs for protecting human life. Most CWAs contaminate the ground surface first upon dissemination, and then gradually evaporate and diffuse, secondarily polluting the air. Recently, many studies have been carried out to analyze contaminated samples directly in the field. In particular, the analytical method of taking contaminated samples using a tool such as wheels, and contacting them with an analytical equipment located inside the vehicle, is commonly used for the military purpose of CWA field analysis. The analytical method used in this case is a mass spectrometry (MS), which can provide accurate analysis results of CWAs. However, the analysis of surface contaminants based on the aforementioned method using the wheel limits the mobility of the chemical, biological, and radiological (CBR) reconnaissance vehicle because of operating below 10 km/h from the military aspect, and it may cause severe internal contamination of the high-sensitive analytical equipment by directly supplying a high concentration of liquid agents to the analytical equipment. Therefore, a new non-contact type of analytical methods is required to analyze surface contaminated CWAs without sample contact under the high dynamic environment (≥ 40 km/h) of the vehicle. Raman spectroscopy has been intensively studied as a representative non-contact analysis method for rapid detection and identification. In this method, the spectrum of Raman scattered light from chemical by irradiated light, which is similar to the fingerprints of each chemical, is analyzed. While infrared (IR) and visible light sources have been usually used for Raman spectroscopy in the past, ultraviolet (UV) light sources are currently being employed. In particular, deep-UV light sources shorter than 250-nm are effective because interferences by sunlight and fluorescent substances can be decreased while increasing the intensity of scattering. These features allow the analysis of unknown contaminants on the ground surface by a stand-off manner at a distance near 1 m. In this research, the method of analyzing surface contaminated CWAs as the stand-off manner was studied using deep-UV Raman spectroscopy with the excitation light source shorter than 250-nm. The content of the research consists of four sections: First, Raman spectral characteristics of 18 types of chemicals, including GB, HD, and other major CWAs were analyzed by the U.S. joint contaminated surface detector (JCSD) based on 248-nm UV Raman spectroscopy. Second, stand-off and real-time analysis characteristics of chemicals in various surface environments, including the concrete and soil surfaces, were studied using JCSD also. Third, a Raman agent monitoring system (RAMS), new Raman spectroscopy system with 248-nm light source, was designed and manufactured. In addition, basic Raman spectral analysis of chemicals such as GB and HD using RAMS, and stand-off and real-time analysis applications of it on the ground surface were studied. Fourth, Raman spectroscopy system with the fifth harmonics (231-nm) of a solid Nd:YAG laser was designed to overcome the field operability limitation of 248-nm gas eximer laser. In addition, Raman spectral characteristics of chemicals such as GB and HD were analyzed by this equipment, and system complementary things were proposed for the development of improved equipment from the results. In conclusion, it has been confirmed that the analytical equipment based on the deep-UV Raman spectroscopy with the light source shorter than 250-nm can be effectively applied to the stand-off and real-time analysis of contaminated CWAs on the actual field. In addition, based on the results of this research, it was also presented that system complementary things needed for the design of an enhanced Raman spectroscopy system in the future.
Chemical warfare agents (CWAs) such as a nerve agent GB (sarin) and a blister agent HD (sulfur mustard) are highly toxic materials that can be fatal to humans in the event of release due to chemical and biological warfare attacks or terrorist situations. Therefore, it is required to quickly identify the released chemical agents and warn against the CWAs for protecting human life. Most CWAs contaminate the ground surface first upon dissemination, and then gradually evaporate and diffuse, secondarily polluting the air. Recently, many studies have been carried out to analyze contaminated samples directly in the field. In particular, the analytical method of taking contaminated samples using a tool such as wheels, and contacting them with an analytical equipment located inside the vehicle, is commonly used for the military purpose of CWA field analysis. The analytical method used in this case is a mass spectrometry (MS), which can provide accurate analysis results of CWAs. However, the analysis of surface contaminants based on the aforementioned method using the wheel limits the mobility of the chemical, biological, and radiological (CBR) reconnaissance vehicle because of operating below 10 km/h from the military aspect, and it may cause severe internal contamination of the high-sensitive analytical equipment by directly supplying a high concentration of liquid agents to the analytical equipment. Therefore, a new non-contact type of analytical methods is required to analyze surface contaminated CWAs without sample contact under the high dynamic environment (≥ 40 km/h) of the vehicle. Raman spectroscopy has been intensively studied as a representative non-contact analysis method for rapid detection and identification. In this method, the spectrum of Raman scattered light from chemical by irradiated light, which is similar to the fingerprints of each chemical, is analyzed. While infrared (IR) and visible light sources have been usually used for Raman spectroscopy in the past, ultraviolet (UV) light sources are currently being employed. In particular, deep-UV light sources shorter than 250-nm are effective because interferences by sunlight and fluorescent substances can be decreased while increasing the intensity of scattering. These features allow the analysis of unknown contaminants on the ground surface by a stand-off manner at a distance near 1 m. In this research, the method of analyzing surface contaminated CWAs as the stand-off manner was studied using deep-UV Raman spectroscopy with the excitation light source shorter than 250-nm. The content of the research consists of four sections: First, Raman spectral characteristics of 18 types of chemicals, including GB, HD, and other major CWAs were analyzed by the U.S. joint contaminated surface detector (JCSD) based on 248-nm UV Raman spectroscopy. Second, stand-off and real-time analysis characteristics of chemicals in various surface environments, including the concrete and soil surfaces, were studied using JCSD also. Third, a Raman agent monitoring system (RAMS), new Raman spectroscopy system with 248-nm light source, was designed and manufactured. In addition, basic Raman spectral analysis of chemicals such as GB and HD using RAMS, and stand-off and real-time analysis applications of it on the ground surface were studied. Fourth, Raman spectroscopy system with the fifth harmonics (231-nm) of a solid Nd:YAG laser was designed to overcome the field operability limitation of 248-nm gas eximer laser. In addition, Raman spectral characteristics of chemicals such as GB and HD were analyzed by this equipment, and system complementary things were proposed for the development of improved equipment from the results. In conclusion, it has been confirmed that the analytical equipment based on the deep-UV Raman spectroscopy with the light source shorter than 250-nm can be effectively applied to the stand-off and real-time analysis of contaminated CWAs on the actual field. In addition, based on the results of this research, it was also presented that system complementary things needed for the design of an enhanced Raman spectroscopy system in the future.
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