李 珂，劉友江，陳池來

(1.中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學研究生院科學島分院，安徽 合肥 230026)

1 背景介紹

化學武器的使用已有悠久的歷史，我國春秋戰(zhàn)國時代便有利用刺鼻濃煙作為防止地道攻城的方法記載，后世的《武經總要》[1]、《紀效新書》[2]等兵書中將毒藥和火藥進行了結合以大幅度提高殺傷力，在古希臘著名的伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭中，斯巴達軍隊將硫磺和松枝混合燃燒來制造毒氣對雅典城內的守軍進行攻擊。進入二十世紀后，隨著化學工業(yè)體系的快速發(fā)展，化學武器真正登上了歷史舞臺。在兩次世界大戰(zhàn)、冷戰(zhàn)、各類局部沖突以及恐怖戰(zhàn)爭的催化下，大量化學毒劑得到發(fā)現、制造和使用，造成了數十萬人員傷亡[3-4]。

冷戰(zhàn)結束后恐怖主義興起，化學毒劑因具有大規(guī)模殺傷、易引發(fā)恐慌等特征，常被恐怖分子使用。1997年4月29日，《關于禁止發(fā)展、生產、儲存和使用化學武器及銷毀此種武器的公約》簽署生效，其對維護世界和平和國際安全具有重要意義，但截至目前仍有一部分化學毒劑未被銷毀[5]，留下了極大隱患，與此同時，新類型毒劑不斷涌現。面對并不穩(wěn)定的世界局勢以及我國在國際事務中越來越多的力量展現，及時探測和識別化學毒劑的存在，顯得十分關鍵。

化學毒劑種類繁多，根據毒理性質的不同，主要可以分為窒息劑、糜爛性毒劑(又稱起皰劑)、神經性毒劑、血液性毒劑等[6]。窒息劑包括光氣(CG)、雙光氣(DP)、氯(Cl2)等，這些毒劑會損害肺部，刺激眼睛和呼吸道；糜爛性毒劑包括芥子氣(HD)和氮芥(HN)、路易氏劑(L)等，可對眼睛和皮膚產生刺激，導致水皰的形成；神經性毒劑包括塔崩(GA)、沙林(GB)、梭曼(GD)和維埃克斯(VX)等，可抑制膽堿酯酶活性，導致中樞及外周神經系統功能紊亂；血液性毒劑包括氰化氫(AC)和氯化氰(CK)等，可通過血液輸送到所有身體組織，阻止細胞利用氧氣，導致細胞缺氧，使身體失能致死。

為了應對潛在的化學毒劑威脅，以美國為主的世界各國數十年來制訂了一系列化學毒劑探測的相關計劃，其中較重要的包括上世紀90年代開始持續(xù)至今的CBD(Chemical and Biological Defense)計劃[7]，以及近年來開展的SIGMA、SIGMA+計劃等。CBD計劃由美國國防部主導，是美國乃至全世界迄今為止的最大投入的生化防御計劃，總投入達數十億美元，其目標在于提升美軍應對生化攻擊的能力。期間發(fā)展了十余款化學毒劑檢測儀，如改進型化學毒劑檢測儀(ICAM)、聯合化學毒劑檢測儀(JCAD)、自動化學毒劑檢測報警儀(ACADA)、核生化偵察系統(NBCRS)等。其研制的以離子遷移譜技術為主的檢測儀在美軍中已配備數萬臺[7-9]。自2014年起，美國國防高級研究計劃局(DARPA)提出了極具顛覆性的SIGMA、SIGMA+計劃[10-11]，旨在開發(fā)一個持續(xù)的、實時的探測系統，用于城市、城際范圍內針對化學、生物、放射性、核爆炸等大規(guī)模殺傷性武器威脅的全方位立體式防御。

早在抗日戰(zhàn)爭時期，我國人民就飽受化學武器帶來的痛苦，日本731部隊專門從事細菌武器和化學武器的研究,并且殘忍地進行活體試驗。我國許多百姓慘死在這種試驗中，這也提醒我國加強防御化學武器的必要性[12]。2005年國家正式頒布了《國家突發(fā)公共事件總體應急預案》,相關化學毒劑反恐技術研究列入國家科學技術研究的中長遠期規(guī)劃[13]。

2 化學毒劑探測方法

化學毒劑探測是一個長久且需求強大的探測技術領域，吸引了幾乎所有的檢測手段。迄今為止，離子遷移譜、質譜、色譜、光譜等譜學分析技術，以及各類傳感器技術均在其中大顯身手，并不斷有新技術加入。根據不同探測方法的特點和應用情況，可將化學毒劑探測方法分為離子遷移譜法、傳感器檢測法、光譜法以及質譜法等。

2.1 離子遷移譜法

離子遷移譜法(Ion mobility spectrometry,IMS)是現階段化學毒劑探測中的主流手段，各類裝備已廣泛應用于世界各國軍隊相關部門。IMS的優(yōu)點在于高靈敏、快速響應和易于微型化，在毒害物質判定上具有指紋識別功能，兼具傳感器和分析技術特征[14-15]?，F階段用于CWAs探測的IMS儀主要分為3大類，即飛行時間離子遷移譜(DTIMS)、吸氣式離子遷移譜(AIMS)以及高場不對稱波形離子遷移譜(FAIMS)[16]，其工作方式如圖1所示。

圖1 3種類型離子遷移譜結構示意圖[16]Fig.1 Schematic diagram of three types of ion mobility spectrometry[16]

飛行時間離子遷移譜(DTIMS)依據不同離子遷移率的離子飛行時間的差別實現離子分離識別，是研究時間最長、技術最成熟、現階段化學毒劑探測應用最廣泛的離子遷移譜[17]。近年來，除了Smith Detection、Bruker等大型公司外，華盛頓州立大學的Hill研究團隊、墨西哥州立大學的Eiceman研究團隊等均對該技術的應用做出了重要貢獻。國內從事相關研究的單位除了同方威視、安天下等企業(yè)，也包括中科院大連化物所、中科院合肥物質科學研究院、清華大學等研究單位。

吸氣式離子遷移譜(AIMS)是結構最簡單、功耗最低的離子遷移譜[18]，僅由離子源和氣流通道中的整列式電極組成，根據各電極上電流分布的差異獲取待測物質的離子信息，典型產品為手持式ChemPro 100i檢測儀[19]。但因缺乏離子初始約束和均勻分離電場，AIMS檢測儀選擇性過低，故現階段其發(fā)展方向為與傳感器技術配合使用，Bocos-Bintintan 等[20]基于AIMS儀與其他6個傳感器陣列，利用不同菌群產生的氣溶膠成分，成功實現了3種細菌菌群的區(qū)分。

高場不對稱波形離子遷移譜(FAIMS)是一種新型離子遷移譜，也是唯一一種工作于高電場下的離子遷移譜[21]，其在微機電系統(MEMS)集成制造、譜圖信息豐富程度等方面具有獨特優(yōu)勢[22]。該技術最早由解體前夕的前蘇聯秘密研究，2000年后在墨西哥州立大學Eiceman、加拿大國家研究院Guevremont、西太平洋國家實驗室Smith、劍橋大學Boyle等推動下迅速發(fā)展，十余年間吸引了英美國防部門數千萬美元的支持，并成為美國NGCD子計劃四的重點推進技術。現階段，包括Thermofisher、安捷倫、島津、AB等在內的大型儀器公司均開始了相關技術研究。

國內相關研究單位包括浙江大學汪曉知研究團隊、清華大學王曉浩研究團隊、中科院合肥物質科學研究院陳池來研究團隊等。中科院合肥物質科學研究院陳池來研究團隊在高頻非對稱電場產生的微型化電源、多參量影響下的譜圖解析、載氣摻雜對離子分離的影響、多功能結構的整體MEMS集成等關鍵技術上均有深入研究，發(fā)展了微型化檢測儀，并給出了化學毒劑高分辨識別二維譜圖的識別標準方法，以及基于人工智能的全譜快速掃描方式，實現了甲基膦酸二甲酯(DMMP)、磷酸三丁酯(TBP)和二甲基亞砜(DMSO)等多種化學毒劑模擬劑的高靈敏檢測和二維高分辨識別(圖2)[21]。

圖2 基于FAIMS技術的微型化化學毒劑檢測儀及二維識別方法[21]Fig.2 Miniaturized chemical agent detector based on FAIMS technique and its two dimensional identification method[21]

基于IMS技術的檢測儀是化學毒劑探測中最常用的儀器，市面上可見的基于IMS技術的化學毒劑檢測儀高達十余款，根據檢測儀體積、重量的不同，可分為固定式現場檢測儀、手持移動式檢測儀以及可單兵佩戴的小型化檢測儀等，如圖3所示。這些化學毒劑檢測儀廣泛配備于歐美軍方及國土安全部門[23]?；贗MS技術的固定式現場檢測儀是美國國防部首選的化學毒劑檢測儀，不僅如此，該儀器在整個北約中也得到了廣泛的使用，全球總計部署40 000多臺[24]。

圖3 基于IMS技術的化學毒劑檢測儀[23-24]Fig.3 Chemical warfare agent detector based on IMS technique[23-24]

近年來，基于氣體放電的非輻射離子源技術[25]、基于MEMS的遷移管分析器微型化制造技術[26]、基于電場設計的高通量離子門技術等均有顯著進步，賦予了離子遷移譜更安全、更靈敏、更加微型化的優(yōu)勢。然而，離子遷移譜在化學毒劑檢測領域并非完美，容易受到環(huán)境氣體物質的污染，同時，溫度、壓力和濕度也會對基于IMS技術的檢測儀性能產生顯著影響，這些直接反映為譜圖峰漂移、畸變，情況嚴重時檢測儀可能無法識別目標化學物質[27-29]。

新原理和新工作方式、高集成制造手段、人工智能技術等的引入，將為離子遷移譜化學毒劑探測領域帶來新的驅動，而如何面向具體需求，在保持高靈敏、快速、易微型化等優(yōu)勢前提下，大幅度減少假陽性是離子遷移譜最重要的目標牽引，也是化學毒劑現場探測技術所面臨的最長久問題。

2.2 傳感器檢測法

傳感器檢測法現階段主要包括比色法、聲表面波和熒光檢測法等，其中比色法的應用最為廣泛。比色法檢測技術的原理是當樣本試劑與溶液中底物接觸時，產生的化學反應會引起顏色的變化，從而檢測化學毒劑的存在[30-31]。比色法檢測儀已被美國軍方使用多年，是野外使用的最快、最便宜、最輕和最容易使用的檢測方法。最常見的比色法檢測儀以檢測管、試紙的形式出現，可對神經性毒劑、血液性毒劑和糜爛性毒劑進行檢測，被民事應急處理單位廣泛使用。常見的比色試紙主要包括M8、M9檢測試紙以及M256A1檢測儀套件等[31-32](圖4)。

圖4 基于比色法的化學毒劑檢測儀[31-32]Fig.4 Chemical warfare agent detector based on colorimetric method[31-32]

為了克服選擇性單一造成的難以同時檢測多種目標物質問題，比色法傳感器陣列技術近年來得到了關注。2020年，Davidson等[33]提出了一種利用比色傳感器陣列(CSA)以及第一近鄰算法(1-NN)的方案進行化學毒劑的檢測，暴露后30 min，CSA可提供78%的正確化學物質識別，86%的正確類別識別和96%的毒劑與非毒劑檢測。在174個獨立毒劑測試中，其正確識別率達94%。

聲表面波檢測技術(SAW)的原理在于選擇性吸附膜吸附目標化學毒劑后表面聲波傳播特性的變化，具有靈敏度高、響應快、制造成本低、易于小型化等優(yōu)點[34-35]。聲表面波化學毒劑檢測儀主要有手持式檢測儀和臺式檢測儀兩種(圖5)。其中手持式化學毒劑檢測儀在軍事領域應用廣泛，美國政府資助的公益事業(yè)組織FFRDCs在聯合化學劑檢測儀JCAD的測評報告中提到，美國國防部曾計劃采購257135臺JCAD手持式檢測儀。

圖5 基于SAW技術的化學毒劑檢測儀Fig.5 Chemical warfare agent detector based on SAW technique

理論上，由于聲表面波傳感器的聚合物涂層通常會吸附其他類型試劑，因此選擇性吸附涂層是該技術近年來的研究重點[36]。此外，聚合物涂層對環(huán)境條件敏感，在工作溫度和濕度等環(huán)境因素變化較大時使用的響應不穩(wěn)定[37]。

此外，熒光法也在化學毒劑檢測研究領域被寄予厚望。Rogers等[38]利用酶生物熒光傳感檢測有機化學毒劑中的對氧磷，Che等[39]合成了一種端基含有羥基的苝酰亞胺分子，在光激發(fā)后可實現神經性毒劑模擬劑氯磷酸二乙酯(Diethyl chlorophos-phate，DCP)的高靈敏度(0.116 μg/L)和快速(3 s)檢測，Kumar等[40]設計了一種新的熒光分子，通過與親電的芥子氣發(fā)生反應直接產生熒光信號，從而實現了芥子氣的簡潔、快速檢測。熒光傳感器使用簡單、檢測快速、便攜性和選擇性均較好，與比色法相似，其近年來的研究重點在于陣列化設計集成，未來在技術突破的基礎上有望在化學毒劑檢測中占領一席之地[41-42]。

2.3 光譜法

光譜檢測法包含紅外光譜(IR spectroscopy)、拉曼光譜(Raman spectroscopy)、激光光譜(Laser spectroscopy)、太赫茲光譜(Terahertz spectroscopy)等眾多方法，其中紅外光譜技術是遠程化學毒劑探測中常用的分析技術。紅外光譜包括光聲紅外光譜、傅里葉變換紅外光譜、前視紅外光譜和基于濾波器的紅外光譜等[43-46]，具有檢測范圍廣、響應快的優(yōu)點，在遙測領域具有獨特優(yōu)勢[46-47]。

在美國軍方支持下，多種類型的紅外光譜化學毒劑檢測技術得到應用。M21是第一個得到使用的遠程遙感化學毒劑報警器，可探測5公里外的神經性毒劑和起皰毒劑云團[47]；AN/KAS-1/1A是美國海軍使用的前視紅外系統，在低能見度或夜間監(jiān)視時效果突出[48]。加拿大國防研究與開發(fā)部(DRDC)研發(fā)出CATSI系統，并在二十余年時間中不斷改進。CATSI系統融合了傅里葉紅外吸收光譜和先進的模式識別算法，旨在實現對周圍大氣環(huán)境的快速感知，對區(qū)域化學毒劑進行快速檢測和分類[49]。

紅外光譜的遙測前景，吸引了各國軍方和科研部門，2019年美國國防高級研究局(DARPA)啟動的SIGMA+計劃重點之一便是基于MEMS工藝的紅外光譜技術。然而，這些檢測儀一直難以解決環(huán)境背景干擾帶來的復雜譜圖解析困難問題，除環(huán)境背景中大量有機分子譜圖與化學毒劑譜圖混疊以外，相對濕度的變也可能會產生強烈的假陽性響應和干擾[50-51]。因此，得到真正應用的反而是非遙測的現場化學毒劑檢測技術，如曾應用在美國陸軍的便攜式傅里葉紅外吸收光譜檢測儀HazMatID 360，如圖6所示[47]。

圖6 基于IR光譜技術的化學毒劑檢測儀[47-49]Fig.6 Chemical warfare agent detector based on IR spectroscopy technique[47-49]

除紅外光譜以外，近年來拉曼光譜、激光光譜、激光誘導擊穿光譜、量子級聯激光器等技術同樣在化學毒劑探測領域得到研究[52-56]。拉曼光譜是一種基于光散射原理的探測技術[57]，目前已被用于化學毒劑、爆炸物以及毒品的快速識別[58]。美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊使用基于拉曼光譜技術的檢測儀JCSD檢測地面上的化學毒劑，檢測原理如圖7所示。Choi等[59]利用波長248 nm的深紫外光源拉曼光譜系統檢測了包括CWAs在內的18種化學物質的拉曼光譜，結果表明，拉曼光譜能夠有效地應用于CWAs在內的表面化學污染物的檢測。

圖7 Raman光譜檢測原理示意圖[59]Fig.7 Schematic diagram of Raman spectroscopy technique[59]

激光光譜通過吸收CWAs分子產生的激光輻射進行檢測，并可以利用差分散射技術(DISC)確定氣溶膠顆粒的大小，具有檢測速度快、距離遠等優(yōu)勢，但截至目前，其在軍事、反恐領域的應用仍然較少。激光誘導擊穿光譜是一種用于化學多元素定性和定量分析的原子發(fā)射光譜，具有多元素同步分析的能力，適用于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)樣品的檢測，采用紫外或近紅外激光光源的激光誘導擊穿光譜已應用于爆炸物檢測、生物和化學毒劑檢測等軍事用途[54]。

量子級聯激光器(Quantum cascade laser,QCL)是基于電子在半導體量子阱中導帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導體器件，其在氣體探測領域具有靈敏度高、檢測速度快且精度高等優(yōu)點[60-61]。2019年美國國防高級研究局(DARPA)與其他公司合作研究基于量子級聯激光光譜的化學毒劑檢測儀，并將其作為SIGMA+計劃的一部分[62]。

2.4 氣相色譜-質譜(GC-MS)聯用法

質譜(MS)依據物質離子質荷比反映的分子量信息實現對物質成分的反演，是一種精準的分析技術[63]。氣相色譜(GC)依賴于檢測物質成分與色譜柱固定相親和力的差異，對多組分物質進行分離[64]。GC-MS聯合二者的優(yōu)勢，可以明確地鑒定混合物的每種組分，對于未知混合物，可根據色譜圖上的時間信息以及質譜圖進行匹配，從而確定樣本成分。但氣相色譜-質譜聯用技術的主要缺點是，具有高靈敏度、高分辨的GC-MS儀器體積都相對較大，檢測速度較慢，而且維修服務成本很高，應用門檻較高。

便攜式GC-MS系統是當前研究的主要方向之一，Leary等[65]認為將便攜式GC-MS系統部署到軍隊中有著重要的意義，且GC-MS系統是一種非常可靠的檢測方法，故其提出了一些方法，致力于將GC-MS系統成功部署到常規(guī)部隊中。

3 化學毒劑探測技術所面臨的困難及未來發(fā)展趨勢

雖然化學毒劑探測吸引了幾乎所有的化學量檢測技術，但至今仍然不盡如人意，關鍵問題在于其特殊又苛刻的應用特征和需求。首先，化學毒劑檢測強調現場性，即檢測技術必須滿足小、快、準、穩(wěn)要求，而這些要求之間相互制約，迄今難以有一種技術完全滿足；其次，化學毒劑探測屬于典型的小概率事件問題，按照貝葉斯概率理論，探測手段即便準確率達到很高的水平，其探測結果仍然受限于不可忽視的假陽性。以簡單的貝葉斯分析說明該問題的嚴重性，假定化學毒劑事件(A)發(fā)生的幾率為P(A)，沒有發(fā)生(B)的幾率為P(B)，儀器探測認為事件發(fā)生(C)為P(C)，認為事件沒發(fā)生(D)為P(D)，則陽性準確度為P(C|A)，陰性準確度為P(D|B)。因此探測結果為陽性中，準確報警與虛警的比例可表示為：

因化學毒劑事件發(fā)生幾率極小，則P(B)約為1，而P(C|A)和P(D|B)分別反映了陽性和陰性的儀器探測準確度。從該公式可以看出，因P(A)極小，即便儀器精度達到了很高的水平，其報警條件下虛警依然占據主要部分。假定探測技術陰性陽性探測精度均達到很高的程度，如99%，而化學毒劑發(fā)生事件的幾率為百萬分之一，則：

也就是說，即便儀器準確性很高，在大量的報警事件中，多數為虛警。這種困難給微型化檢測技術造成了極大困擾，單一的檢測技術根本無法滿足如此苛刻的精度要求，這促使了各種檢測技術聯用的發(fā)展趨勢。同時，近年來MEMS等精密加工手段、人工智能技術的突破性進展，也為化學毒劑探測技術帶來了發(fā)展契機。隨著MEMS質譜、MEMS色譜、MEMS光譜以及基于陣列化MEMS氣體傳感器的發(fā)展，未來基于MEMS集成的多種譜分析及傳感技術的聯用，基于人工智能的結果判斷，必將成為化學毒劑探測技術的重要發(fā)展方向。