高繼剛　王霞

摘 要 生物氣溶膠會(huì)對(duì)人類健康和動(dòng)植物構(gòu)成嚴(yán)重威脅，尤其是極端恐怖主義若使用生化武器，將產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。因此如何識(shí)別檢測(cè)生物氣溶膠是一個(gè)全世界都關(guān)心的問題。目前在識(shí)別生物氣溶膠的潛在方法中，光譜分析技術(shù)由于有檢測(cè)時(shí)間短、樣品用量少、可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的潛力和價(jià)值。本文主要介紹了目前國內(nèi)外利用光譜分析法檢測(cè)生物氣溶膠的發(fā)展概況。

關(guān)鍵詞 氣溶膠；光譜分析；熒光

中圖分類號(hào)：O657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）16-0074-01

氣溶膠是指懸浮在大氣中的多種固體微粒和液體微小顆粒。平常所見到的一些現(xiàn)象，如灰塵、熏煙、霧等都屬于氣溶膠的范疇，而具有生命的氣溶膠粒子和活性粒子被統(tǒng)稱為生物氣

溶膠。

雖然生物氣溶膠在大氣氣溶膠中所占比例極小，但它對(duì)人類健康和動(dòng)植物的生長(zhǎng)會(huì)造成巨大危害。眾所周知：微生物是導(dǎo)致感染和傳染病的根源，其主要是通過大氣進(jìn)行傳播。絕大多數(shù)生物戰(zhàn)劑是通過氣溶膠方式傳播的，如將攜帶有細(xì)菌或病毒的生物戰(zhàn)劑噴撒到空中后，會(huì)形成很細(xì)微的微粒，長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中，這種微粒與空氣的混合體便形成生物氣溶膠，最終經(jīng)過呼吸道進(jìn)入體內(nèi)[1]。因此需要建立一個(gè)檢測(cè)大氣生物氣溶膠組分的系統(tǒng)，對(duì)大氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 檢測(cè)分析方法

目前針對(duì)生物氣溶膠的檢測(cè)分析方法主要有：電子顯微鏡法；微生物遺傳型的鑒定法；細(xì)胞化學(xué)成分鑒定法；散射信號(hào)法；氣相色譜法；然而這些檢測(cè)方法往往都需要較長(zhǎng)的時(shí)間，無法達(dá)到快速檢測(cè)的目的[2]。因此，如何快速、準(zhǔn)確檢測(cè)大氣中生物氣溶膠的成分越來越受到關(guān)注。

光譜分析是研究物質(zhì)組分的一種有效方法，它能提供物質(zhì)的多種物理參數(shù)，通過對(duì)這些參數(shù)的測(cè)定，可以做定量分析，還可以推斷物質(zhì)在各種環(huán)境下的構(gòu)象變化。其中，激光誘導(dǎo)熒光光譜分析法具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)、用樣量少、方法簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是目前靈敏度最高的檢測(cè)技術(shù)之一[3]。光譜分析技術(shù)作為高靈敏度的檢測(cè)技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)發(fā)展情況

國內(nèi)關(guān)于生物氣溶膠的研究工作開展于80年代，主要集中于空氣中微生物種類、數(shù)量的調(diào)查，但是目前對(duì)生物氣溶膠性質(zhì)、環(huán)境效應(yīng)、分布和傳輸?shù)确矫娴难芯肯鄬?duì)缺乏，相對(duì)于美國和歐洲各國家，我國的研究起步較晚，相關(guān)研究較少。2006年吉林大學(xué)的裴松皓等人針對(duì)大氣污染物之一的二氧化硫氣體，根據(jù)其吸收特性，利用激光誘導(dǎo)技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬測(cè)量了污染氣體二氧化硫的激光誘導(dǎo)熒光光譜，分析計(jì)算了大氣污染成分二氧化硫濃度，研究表明，激光誘導(dǎo)熒光方法可以用于大氣中二氧化硫濃度的測(cè)量[4]；2010年，安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所提出了應(yīng)用被動(dòng)傅立葉變換紅外光譜分析技術(shù)探測(cè)生物氣溶膠，從紅外遙感傳輸輻射理論出發(fā)，建立了包含散射影響的生物氣溶膠被動(dòng)紅外探測(cè)模型，以某生物孢子氣溶膠為對(duì)象，研究了其紅外光譜特性并給出了初步結(jié)果[5]。

2.2 國外發(fā)展情況

為了適應(yīng)未來不可預(yù)見的生化威脅，美、法等多個(gè)國家都在致力于研究和搭建高靈敏性、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、快速響應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，并已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。

美國對(duì)生物氣溶膠的檢測(cè)研究的最早，在該領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位，從20世紀(jì)五六十年代開始，美國就宣布研制成功一臺(tái)針對(duì)含磷毒劑的主動(dòng)式毒劑遙測(cè)儀；1994年，美國軍隊(duì)愛德華實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展工程中心，研究了一臺(tái)紫外熒光雷達(dá)系統(tǒng)，可用于生物氣溶膠的遙感探測(cè)，利用這臺(tái)紫外熒光雷達(dá)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)波長(zhǎng)為266 nm激光的彈性散射光、波長(zhǎng)為300-400 nm的未經(jīng)散射的熒光[6]；1996年，美國陸軍化學(xué)和生物防御指揮部與弗吉尼亞州郝恩登光纖技術(shù)公司研制了一種激光雷達(dá)系統(tǒng)，該激光雷達(dá)也可用于生物氣溶膠云的探測(cè)和跟蹤，用于區(qū)分生物氣溶膠粒子和非生物氣溶膠粒子[7]。2008年，由耶魯大學(xué)應(yīng)用物理系的Yong-Le Pan和美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的StevenC.Hill等人介紹了他們所設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)氣溶膠探測(cè)系統(tǒng)[8]，如圖所示，其實(shí)現(xiàn)了幾種不同生物氣溶膠替代品的辨別。

2005年，由以法國為主要國家的六國開始了為期四年的用于生物氣溶膠檢測(cè)的熒光技術(shù)的課題[9]，他們提出了利用多激發(fā)源來辨別生物氣溶膠的觀點(diǎn)，并驗(yàn)證了單激發(fā)源的不可行性，采取了1064 nm波長(zhǎng)的三倍頻四倍頻輸出波長(zhǎng)為266 nm和355 nm的激光作為激發(fā)光源。

2006年，由瑞典防務(wù)研究局、瑞典國防研究機(jī)構(gòu)核生化武器防御中心和挪威科技大學(xué)物理系等機(jī)構(gòu)共同設(shè)計(jì)了用于測(cè)量生物氣溶膠熒光光譜的系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)包括激發(fā)光源、觸發(fā)裝置、樣品池、熒光收集器及氣溶膠發(fā)生器，紫外光源，可發(fā)射波長(zhǎng)為290 nm和337 nm的激光用于產(chǎn)生熒光，利用PMT來接受散射信號(hào)，根據(jù)散射信號(hào)判斷是否存在氣溶膠，從而確定是否需要紫外光源發(fā)射激光。若判斷存在，則在焦點(diǎn)處，熒光物質(zhì)被激發(fā)，產(chǎn)生熒光光譜，在獲得光譜后，將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)做進(jìn)一步分析。

3 展望

與傳統(tǒng)分析生物氣溶膠的方法相比，光譜分析法具有檢測(cè)時(shí)間短、樣品用量少、可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)成為該領(lǐng)域的主要發(fā)展研究方向。針對(duì)生物氣溶膠來源的多樣性、生物氣溶膠含量少、體積小、信號(hào)弱等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)新的檢測(cè)系統(tǒng)和光譜處理算法以提高精度將是我們今后進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[3]林忠華.激光分析法在生物化學(xué)中的應(yīng)用[D].山東：山東大學(xué)，2007.

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[10]P.Jonsson， F.Kullander， M.Nordstand， T. Tjarnhage， P. Wasterby， M.Lindgren， Development of fluorescence-based point detector for biological sensing， Proc. SPIE， Vol. 5617， 60-74 （2004）.

作者簡(jiǎn)介

高繼剛，光學(xué)工程專業(yè)，碩士研究生，工作于國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心。

王霞，北京理工大學(xué)，副教授，研究方向：光電檢測(cè)技術(shù)、微光與紅外熱成像技術(shù)。endprint