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引言

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

2 化學毒劑的偵檢技術

2.1 遠程探測設備

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

2.1.1 主動激光差分雷達技術

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出 2種波長不等的光，其中一個波長 調到待測物質的吸收線，而另一波長調到線上吸收系數 較小 的邊翼，然后以高重復頻率將這 2種波長的光交替發射至大 氣中。此時由于激光雷達所測量到的這 2種波長光信號衰減 差是待測對象的吸收所致，通過數據分析，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有關，因此通常采用 YAG 激光泵浦波長可變的染料激光器。該類設備以美軍在研 的聯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 內的化學毒劑擴散與移動情況，對 化學 毒劑進行快速分類和鑒別，得出定量的結果。

2.1.2 被動式傅立葉變換紅外光譜技術

該技術是基于對大氣中污染物的輻射譜和背景譜進行探 測而無需另外的人工紅外光源，因而更具有機動、快速、靈活 的優點，探測距離更長，操作更簡便。被動 FTIR 遙測技術用于 化學毒劑的測量，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 時間和毒劑分子的吸收系數。此類設備用于對機場、體育場、 廣場等目標地域進行大范圍遠距離監測。被動式傅里葉變換 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毒劑和絕大多數工 業污染物。目前，美、德等已大量裝備該系統。

2.2 現場檢測設備

該類設備可手持或車載至目標地域，布置靈活、使用方 便，能夠實現化學毒劑的現場債檢。目前主要有離子遷移譜 (IMS)、聲表面波(SAW) 以及氣相色譜 /質譜(GS/MS) 聯用等技 術。

2.2.1 離子遷移譜技術

該技術原理是氣體樣品通過強力抽氣泵抽入進樣 口，氣 體中痕量的周體或液體待測物撞擊在一個經過加熱的汽化板 上，汽化后進入電離區，通過離子分子反應被電離成正離子和 負離子。離子門開啟時，離子加速進入一個充滿均勻電場的漂 移區，在漂移區，其移動速度為： v=KE, 其中， E 是 電場強度， 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 的時間也就不同。測量給定時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成分的含量。離子遷移譜技術 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 確定化學毒劑類別和實時監控。 該類設備以德國 Bruker 公司 的 RAID 系列和英國 Smiths公司的 CAM 系列為代表，可在幾 十秒之內實現現場化學毒劑的高靈敏檢測。

2.2.2 聲表面波技術 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，會引起膜密度 和彈性等性質發生變化，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量而變化，導致振蕩頻率發生 變化。通過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。該類設備以美國 BAE 系統公司的 JCAD 為代表，其對神經毒氣的檢測精度可達 0.1 mg /m³, 已于 2003 年裝備美國空軍。

2.2.3 氣相色譜 /質譜 (GS/MS) 聯用技術

色譜是一種對多組分混合物的分離、分析工具，它主要利 用物質的理化性質不同進行分離并測定混合物中各組分的含 量。質譜是通過將樣品轉化為運動的氣態離子，按質荷比 (M/ Z) 大小進行分離并記錄其信息的分析方法。根據質譜圖提供 的信息可以進行有機物及無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 /質譜( GS / MS ) 聯用 是氣體為流 動相采用洗脫法的分析儀器，它由氣路系統、 進樣系統、色譜 柱及質譜檢測等部分組成。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 過進樣器氣化室 進入色譜柱，推動組分在色譜柱內進行分離，分離 后的組分隨 載氣依次離開色譜柱，進入質譜檢測器，然后 氣體放空。質譜 檢測器的作用是將經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譜圖，供定性定量分析用。目前該 類儀器主要以德國 Bnuker 公司的 MM 2 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 數化學毒劑的檢出和測定，內置譜庫可隨時升級以擴充檢測 對象范圍，并且具備組網功能，實現多臺設備的協 同工作。

3 生物毒劑偵檢技術

3.1 生物毒劑報警技術

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 波長段紫外激光的照射下，將產生生物熒光，其波長范圍為 390~600 nm。使用激光激發空氣中氣溶膠粒子的自發熒光，通 過比較其熒光光譜就可以對生物氣溶膠和非生物氣溶膠進行 識別研究。使用激光激發生物熒光分析技術的設備分為遠距 離探測型和在線分析型 2種。

3.1.1 遠距離遙測技術

遠距離探測的代表是激光生物氣溶膠雷達技術。該技術 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，就會在激光的激發下發出生物熒光 ，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 膠云團性質的目的，該類設備以美國 Hybrid LIDAR 系統為代 表，聯用近紅外和紫外雙波段探測，探測距離較遠 ，但也存在 易受到太陽紫外輻射干擾、誤報率較高等缺點。目前世界各國 的生物毒劑遙測裝備多處于研究發展階段。

3.1.2 在線分析技術

在線分析型技術以激光激發熒光粒子分析技術為代表。 該技術主要原理是采集并加速空氣中的微粒，使之以單微粒 的形式快速通過紫外激光照射激發區，同時使用光電探測器 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，該類設備以美國 TSI 公司的 UVAPS 為代表。

以上 2類技術只能分辨生物氣溶膠和非生物氣溶膠，均 無法對生物毒劑的種類進行區分。而發現可疑生物樣本后， 必 須確定其種類和濃度才能給決策部門提供可靠支持，并指導 下一步處置工作的正確進行。傳統生物病原體檢測主要依靠 培養 -檢測的流程來完成，該過程雖然結果準確，但是耗時數 以日計，而且整個過程必須在實驗室條件下完成，這就極大限 制了該技術的現場適應性。

隨著技術的發展和現場檢測需求的日趨迫切，許多現場 快速生物病原體檢測裝備和技術紛紛涌現，但對其加以分析 與分類，總體尚不能超越核酸、免疫、生物傳感、質譜等范 疇。

3.2 生物毒劑檢測技術

3.2.1 實時 PCR 技術

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，可以用于檢測細菌和病毒的 DNA , 通過反轉錄也可檢測 RNA 病毒。隨著各種探針 (如 Taqman , Beacon ) 及新型熒光報 告染料 (如 SYBR GreenI 等 )的應用，實時 PCR 檢測技術特異 性更好、操作更為簡便，同時速度更快，配合特殊設計的儀器在 不到 30 min 內便可完成整個過程，得到檢測結果。 PCR 無論用 于檢測培養分離的病原體、感染個體的體液，還是直接檢測高 濃度的生物戰劑都比較成熟。但檢測環境樣本中的病原體卻復 雜得多，因為環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，環境樣本中含有一些 PCR 反應的抑制物，此時常需要自動 化的分離系統來分離純化核酸以供 PCR 檢測。

3.2.2 免 疫 技 術

基于免疫學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，速度快且易于實現自動化。免疫層 析快速檢測是目前應用較為廣泛的一類技術，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，可以實現 自動化的半定量檢測，但缺點是靈敏度和特異性 不高；隨著納 米技術、微流體技術和微型機電技術的發展，生物 -物理傳感 技術日見成熟，在生物毒劑的偵檢中發揮著越來越重要的作 用，該類技術通過生物反應后引發的熒光、電化學發光、電位 變化或膠乳顆粒凝集后的光散射變化等實現樣本的檢 測，所 形成的傳感器將會更適于小型化，且靈敏度更高，檢測速度更 快。

3.2.3 生物質譜

該技術常用于環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，在電場下加速，并根據荷 /質比進行分類。生物質譜技術可 區分非常相近的生物毒劑。隨著計算機和圖形匹 配算法的引 入，系統可以達到很高的分析速度，有望實現在線的定性定量 檢測。

4 結語

本文僅就化學和生物毒劑偵檢技術的現狀進行了系統分 析與評價，但在生化毒劑的偵檢工作中，沒有一種技術可以 “包打天下"。如何綜合利用現有先進技術，發展各類先進裝 備，做到早期發現、及時控制與迅速處理將是該類裝備能否快 速發展的關鍵要素。