BFS-6800型人防化學(xué)毒劑監測儀

 引言

目前，生物和化學(xué)毒劑偵檢技術(shù)主要包括以各種光譜、質(zhì)  譜、離子遷移譜為代表的物理學(xué)手段和以免疫學(xué)、基因組學(xué)為 代表的生物化學(xué)手段等兩大技術(shù)流派，且隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn) 步，很多新的偵檢手段也逐漸成熟并投入應用。每種技術(shù)都有 其優(yōu)勢和適用的范圍，只有了解并掌握其特點(diǎn)，才能在毒劑偵 檢工作中占據主動(dòng)。

2 化學(xué)毒劑的偵檢技術(shù)

2.1 遠程探測設備

該類(lèi)設備探測距離在幾公里到幾十公里之間，可安裝在  體育場(chǎng)、廣場(chǎng)等區域的特定位置，實(shí)現大范圍地域內化學(xué)威脅 的監控。從技術(shù)路線(xiàn)上分，遠程探測設備主要包括主動(dòng)式激光 差分雷達和被動(dòng)式傅立葉變換光譜儀(FTIR)2 種技術(shù)。

2.1.1 主動(dòng)激光差分雷達技術(shù)

差分激光雷達是利用激光被氣體分子的吸收及被氣溶  膠、大氣分子的后向散射兩方面的作用效果而設置的。其測量 原理是使用激光雷達發(fā)出2種波長(cháng)不等的光，其中一個(gè)波長(cháng) 調到待測物質(zhì)的吸收線(xiàn)，而另一波長(cháng)調到線(xiàn)上吸收系數較小 的邊翼，然后以高重復頻率將這2種波長(cháng)的光交替發(fā)射至大 氣中。此時(shí)由于激光雷達所測量到的這2種波長(cháng)光信號衰減 差是待測對象的吸收所致，通過(guò)數據分析，便可得到待測對象 的濃度分布，從而達到測量之目的。由于差分吸收激光雷達光 源的選擇與被測氣體不同的吸收譜線(xiàn)有關(guān)，因此通常采用 YAG 激光泵浦波長(cháng)可變的染料激光器。該類(lèi)設備以美軍在研 的聯(lián)合預警識別激光雷達探測系統(JSCWILD) 為代表。此系 統可以探測到20 km 內的化學(xué)毒劑擴散與移動(dòng)情況，對化學(xué)毒劑進(jìn)行快速分類(lèi)和鑒別，得出定量的結果。

2.1.2 被動(dòng)式傅立葉變換紅外光譜技術(shù)

該技術(shù)是基于對大氣中污染物的輻射譜和背景譜進(jìn)行探 測而無(wú)需另外的人工紅外光源，因而更具有機動(dòng)、快速、靈活  的優(yōu)點(diǎn)，探測距離更長(cháng)，操作更簡(jiǎn)便。被動(dòng)FTIR 遙測技術(shù)用于  化學(xué)毒劑的測量，其探測靈敏度和精度決定于背景與測量層  的溫度差、測量光程內的毒劑濃度、儀器噪聲等效溫差、測量  時(shí)間和毒劑分子的吸收系數。此類(lèi)設備用于對機場(chǎng)、體育場(chǎng)、 廣場(chǎng)等目標地域進(jìn)行大范圍遠距離監測。被動(dòng)式傅里葉變換  紅外光譜偵檢裝備以Bruker公司的 RAPID 系統為代表，它可 以在5 km 的距離上探測目前已知的化學(xué)毒劑和絕大多數工  業(yè)污染物。目前，美、德等已大量裝備該系統。

2.2 現場(chǎng)檢測設備

該類(lèi)設備可手持或車(chē)載至目標地域，布置靈活、使用方 便，能夠實(shí)現化學(xué)毒劑的現場(chǎng)債檢。目前主要有離子遷移譜 (IMS)、聲表面波(SAW) 以及氣相色譜/質(zhì)譜(GS/MS) 聯(lián)用等技 術(shù)。

2.2.1 離子遷移譜技術(shù)

該技術(shù)原理是氣體樣品通過(guò)強力抽氣泵抽入進(jìn)樣口，氣 體中痕量的周體或液體待測物撞擊在一個(gè)經(jīng)過(guò)加熱的汽化板 上，汽化后進(jìn)入電離區，通過(guò)離子分子反應被電離成正離子和 負離子。離子門(mén)開(kāi)啟時(shí)，離子加速進(jìn)入一個(gè)充滿(mǎn)均勻電場(chǎng)的漂 移區，在漂移區，其移動(dòng)速度為：v=KE, 其中，E 是電場(chǎng)強度，K  是遷移率常數。這樣，遷移率不同的離子在漂移區達到收集板 的時(shí)間也就不同。測量給定時(shí)間達到收集板形成的離子電流 的大小可以定量檢測痕量物質(zhì)成分的含量。離子遷移譜技術(shù) 不需要龐大的真空泵和腔體，體積可以很小，在保證ppb 量級 的靈敏度下可以做到微型化，但其分辨率不是很高，主要用來(lái) 確定化學(xué)毒劑類(lèi)別和實(shí)時(shí)監控。該類(lèi)設備以德國Bruker公司 的RAID 系列和英國Smiths公司的 CAM 系列為代表，可在幾 十秒之內實(shí)現現場(chǎng)化學(xué)毒劑的高靈敏檢測。

2.2.2 聲表面波技術(shù)聲表面波傳感器是以聲表面波元件為基底材料，在其上 形成氣體敏感膜并配以外部電路構成。在聲表面波傳播通道 上形成的敏感膜吸附氣體分子與氣體結合時(shí)，會(huì )引起膜密度 和彈性等性質(zhì)發(fā)生變化，從而使在壓電晶體表面上傳播的瑞 利波速度隨其表面所沉積的質(zhì)量而變化，導致振蕩頻率發(fā)生 變化。通過(guò)檢測振蕩頻率的變化，能獲知是否存在某種氣體和 被吸附氣體的濃度。該類(lèi)設備以美國BAE 系統公司的JCAD  為代表，其對神經(jīng)毒氣的檢測精度可達0.1mg/m3, 已于2003 年裝備美國空軍。

2.2.3 氣相色譜/質(zhì)譜 (GS/MS)  聯(lián)用技術(shù)

色譜是一種對多組分混合物的分離、分析工具，它主要利  用物質(zhì)的理化性質(zhì)不同進(jìn)行分離并測定混合物中各組分的含  量。質(zhì)譜是通過(guò)將樣品轉化為運動(dòng)的氣態(tài)離子，按質(zhì)荷比(M/  Z) 大小進(jìn)行分離并記錄其信息的分析方法。根據質(zhì)譜圖提供 的信息可以進(jìn)行有機物及無(wú)機物的定性和定量分析、復雜化  合物的結構分析、樣品中各種同位素比的測定及固體表面的  結構和組成分析等。氣相色譜/質(zhì)譜(GS/MS) 聯(lián)用是氣體為流  動(dòng)相采用洗脫法的分析儀器，它由氣路系統、進(jìn)樣系統、色譜  柱及質(zhì)譜檢測等部分組成。氣路系統的作用是提供足夠純度、 壓力和流量穩定的氣體，作為一相(載氣),經(jīng)過(guò)進(jìn)樣器氣化室  進(jìn)入色譜柱，推動(dòng)組分在色譜柱內進(jìn)行分離，分離后的組分隨  載氣依次離開(kāi)色譜柱，進(jìn)入質(zhì)譜檢測器，然后氣體放空。質(zhì)譜  檢測器的作用是將經(jīng)色譜柱分離后的各組分轉變成相應的電  信號，記錄各組分相應的質(zhì)譜圖，供定性定量分析用。目前該 類(lèi)儀器主要以德國Bnuker公司的 MM2 系統為代表，它也是德  軍的制式裝備，可在15 min 內高精度地完成目前已知絕大多 數化學(xué)毒劑的檢出和測定，內置譜庫可隨時(shí)升級以擴充檢測  對象范圍，并且具備組網(wǎng)功能，實(shí)現多臺設備的協(xié)同工作。

3  生物毒劑偵檢技術(shù)

3.1 生物毒劑報警技術(shù)

在生物粒子的細胞中含有核黃素、 腺嘌呤二核苷 酸磷酸和 等熒光分子，在光子能量很高的320~360 nm 波長(cháng)段紫外激光的照射下，將產(chǎn)生生物熒光，其波長(cháng)范圍為 390~600 nm。使用激光激發(fā)空氣中氣溶膠粒子的自發(fā)熒光，通 過(guò)比較其熒光光譜就可以對生物氣溶膠和非生物氣溶膠進(jìn)行 識別研究。使用激光激發(fā)生物熒光分析技術(shù)的設備分為遠距 離探測型和在線(xiàn)分析型2種。

3.1.1 遠距離遙測技術(shù)

遠距離探測的代表是激光生物氣溶膠雷達技術(shù)。該技術(shù) 將高能量紫外激光投射到遠方的氣溶膠云團上，如果云團中 生物粒子含量較高，就會(huì )在激光的激發(fā)下發(fā)出生物熒光，為氣 溶膠雷達上的大口徑熒光收集器所探測，從而達到判定氣溶 膠云團性質(zhì)的目的，該類(lèi)設備以美國Hybrid LIDAR 系統為代 表，聯(lián)用近紅外和紫外雙波段探測，探測距離較遠，但也存在 易受到太陽(yáng)紫外輻射干擾、誤報率較高等缺點(diǎn)。目前世界各國 的生物毒劑遙測裝備多處于研究發(fā)展階段。

3.1.2 在線(xiàn)分析技術(shù)

在線(xiàn)分析型技術(shù)以激光激發(fā)熒光粒子分析技術(shù)為代表。 該技術(shù)主要原理是采集并加速空氣中的微粒，使之以單微粒 的形式快速通過(guò)紫外激光照射激發(fā)區，同時(shí)使用光電探測器 收集生物熒光及粒子散射信息，從而得出單位體積空氣中生 物粒子粒徑及濃度信息，該類(lèi)設備以美國TSI 公司的 UVAPS   為代表。

以上2類(lèi)技術(shù)只能分辨生物氣溶膠和非生物氣溶膠，均 無(wú)法對生物毒劑的種類(lèi)進(jìn)行區分。而發(fā)現可疑生物樣本后，必須確定其種類(lèi)和濃度才能給決策部門(mén)提供可靠支持，并指導 下一步處置工作的正確進(jìn)行。傳統生物病原體檢測主要依靠 培養-檢測的流程來(lái)完成，該過(guò)程雖然結果準確，但是耗時(shí)數 以日計，而且整個(gè)過(guò)程必須在實(shí)驗室條件下完成，這就極大限 制了該技術(shù)的現場(chǎng)適應性。

隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和現場(chǎng)檢測需求的日趨迫切，許多現場(chǎng) 快速生物病原體檢測裝備和技術(shù)紛紛涌現，但對其加以分析 與分類(lèi)，總體尚不能超越核酸、免疫、生物傳感、質(zhì)譜等范疇。

3.2 生物毒劑檢測技術(shù)

3.2.1  實(shí)時(shí) PCR 技術(shù)

它是到目前為止在病原體核酸擴增檢測方面最為成熟的 技術(shù)，可以用于檢測細菌和病毒的 DNA, 通過(guò)反轉錄也可檢測 RNA 病毒。隨著(zhù)各種探針(如Taqman,Beacon) 及新型熒光報 告染料(如SYBR  GreenI等)的應用，實(shí)時(shí)PCR 檢測技術(shù)特異 性更好、操作更為簡(jiǎn)便，同時(shí)速度更快，配合特殊設計的儀器在 不到30 min 內便可完成整個(gè)過(guò)程，得到檢測結果。PCR 無(wú)論用 于檢測培養分離的病原體、感染個(gè)體的體液，還是直接檢測高 濃度的生物戰劑都比較成熟。但檢測環(huán)境樣本中的病原體卻復 雜得多，因為環(huán)境中本身都有許多自然存在的細菌和其他微生 物，在這樣的背景下要準確檢測需要有JG分辨力的方法。另 外，環(huán)境樣本中含有一些PCR 反應的抑制物，此時(shí)常需要自動(dòng) 化的分離系統來(lái)分離純化核酸以供PCR 檢測。

3.2.2  免 疫 技 術(shù)

基于免疫學(xué)的方法利用抗體檢測病原的特異蛋白，可以 做到廣譜的生物毒劑檢測，速度快且易于實(shí)現自動(dòng)化。免疫層 析快速檢測是目前應用較為廣泛的一類(lèi)技術(shù)，檢測所需的試 劑全部固化在試紙條上，非常方便，結果易于判斷，可以實(shí)現 自動(dòng)化的半定量檢測，但缺點(diǎn)是靈敏度和特異性不高；隨著(zhù)納 米技術(shù)、微流體技術(shù)和微型機電技術(shù)的發(fā)展，生物-物理傳感 技術(shù)日見(jiàn)成熟，在生物毒劑的偵檢中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作 用，該類(lèi)技術(shù)通過(guò)生物反應后引發(fā)的熒光、電化學(xué)發(fā)光、電位 變化或膠乳顆粒凝集后的光散射變化等實(shí)現樣本的檢測，所 形成的傳感器將會(huì )更適于小型化，且靈敏度更高，檢測速度更 快。

3.2.3 生物質(zhì)譜

該技術(shù)常用于環(huán)境監測中的痕量分析，也可用于生物毒 劑的檢測。它將含有生物毒劑的樣品在150~250 ℃之間加熱， 樣本氣化后，其中特定的標志性生物大分子被電子束轟擊帶 電，在電場(chǎng)下加速，并根據荷/質(zhì)比進(jìn)行分類(lèi)。生物質(zhì)譜技術(shù)可 區分非常相近的生物毒劑。隨著(zhù)計算機和圖形匹配算法的引 入，系統可以達到很高的分析速度，有望實(shí)現在線(xiàn)的定性定量 檢測。

4  結語(yǔ)

本文僅就化學(xué)和生物毒劑偵檢技術(shù)的現狀進(jìn)行了系統分 析與評價(jià)，但在生化毒劑的偵檢工作中，沒(méi)有一種技術(shù)可以 “包打天下"。如何綜合利用現有先進(jìn)技術(shù)，發(fā)展各類(lèi)先進(jìn)裝 備，做到早期發(fā)現、及時(shí)控制與迅速處理將是該類(lèi)裝備能否快 速發(fā)展的關(guān)鍵要素。