郎宇博，李宏達(dá)，閻 石，劉春慶

（中國(guó)刑事警察學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110035）

爆炸恐怖襲擊事件嚴(yán)重威脅世界安全與社會(huì)穩(wěn)定，研發(fā)快速準(zhǔn)確的炸藥檢測(cè)方法是遏制爆炸恐怖襲擊的重要措施之一。炸藥的飽和蒸汽壓較低，故其對(duì)傳感器的檢測(cè)靈敏度要求極高，因此開(kāi)發(fā)高靈敏的炸藥檢測(cè)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

熒光比色傳感陣列是化學(xué)傳感陣列的一種，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域有關(guān)物質(zhì)的快速檢驗(yàn)，其原理是通過(guò)模擬哺乳動(dòng)物的嗅覺(jué)系統(tǒng)，對(duì)不同的目標(biāo)物產(chǎn)生不同的響應(yīng)信號(hào)。熒光比色傳感陣列可以基于目標(biāo)物紫外光譜圖或熒光光譜圖強(qiáng)度的改變，使用化學(xué)計(jì)量法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的快速分析和檢測(cè)。在半定量分析方面，熒光比色傳感陣列相較于光化學(xué)比色傳感陣列更具優(yōu)勢(shì)［1］。

碳量子點(diǎn)亦稱碳點(diǎn)，具有優(yōu)異的熒光性能、水溶性和低毒性，且合成方法簡(jiǎn)單快捷，合成原料來(lái)源廣，生物兼容性好，可作為化學(xué)傳感陣列的敏感點(diǎn)，是炸藥檢測(cè)中化學(xué)比色傳感陣列構(gòu)建方面的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一［2］。碳量子點(diǎn)的合成方法一般分為自上而下法和自下而上法。后者因成本低、原料來(lái)源廣泛、具有非晶體結(jié)構(gòu)、發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為首選制備方法［3-11］。Ghasemi 等［9］將一種包含兩個(gè)傳感器元件的比率傳感器陣列用于硝基芳香炸藥（2，4，6-三硝基甲苯（TNT）、2，4-二硝基甲苯（DNT）和2，4，6-三硝基苯酚（PA））的視覺(jué)檢測(cè)和識(shí)別，所采用的傳感器元件可引起TNT 和PA 的熒光猝滅和光譜偏移，但對(duì)DNT 沒(méi)有影響。因此，該傳感器陣列能夠區(qū)分5～200 μmol·L-1范圍內(nèi)不同濃度的硝基芳烴以及混合物形式的硝基芳烴。

目前，常見(jiàn)有機(jī)炸藥的檢測(cè)主要基于爆炸物的化學(xué)成分特性進(jìn)行識(shí)別，包含離子遷移譜技術(shù)［10］、色譜分析技術(shù)［11］、質(zhì)譜分析技術(shù)［12］、光譜分析技術(shù)［13］等。大型儀器檢測(cè)雖然具有更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果，但儀器成本高、分析耗時(shí)長(zhǎng)，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。因此，開(kāi)發(fā)智能化、便攜化、精準(zhǔn)化、低成本的檢測(cè)方法具有重要的研究意義。本研究分別以白菜、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）、鹽酸氨基脲、鄰苯二胺、三苯基溴化磷為碳源、氮源，合成了5個(gè)碳量子點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了熒光比色傳感陣列。此陣列可以利用碳量子點(diǎn)與TNT、PA、特屈兒（Tetryl）、環(huán)三亞甲基三硝胺（RDX）、季戊四醇四硝酸酯（PETN）之間的相互作用，引起熒光信號(hào)的明顯變化；使用酶標(biāo)儀采集指紋圖譜，通過(guò)主成分分析（PCA）［14-15］和Q 型層次聚類分析（Q-HCA）［16］即可實(shí)現(xiàn)對(duì)TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN的準(zhǔn)確識(shí)別與定量分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

黑色96孔板（湖南比克曼生物科技有限公司），LB 943型多功能酶標(biāo)儀（德國(guó)伯托科技有限公司），LC-KH 型高壓反應(yīng)釜（上海力辰儀器科技有限公司），DHG-9203A 型鼓風(fēng)干燥箱（上海善志儀器設(shè)備有限公司），SN-TDL-40D 型離心機(jī)（上海尚儀儀器設(shè)備有限公司），BSA224S 型分析天平（賽多利斯公司），LS-55型熒光分光光度計(jì)（美國(guó)PerkinElmer公司）。

白菜采購(gòu)于沈陽(yáng)家樂(lè)福商業(yè)有限公司；檸檬酸、聚乙烯醇、4-氯苯胺、4-氨基苯硫酚、4-氨基吡啶、乙酰苯胺、氨三乙酸、2-氨基苯酚、EDTA、鹽酸氨基脲、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亞砜（DMSO）、鄰苯二胺、三苯基溴化磷等均購(gòu)于安徽澤升科技有限公司；所有試劑和藥品均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 碳量子點(diǎn)制備

為構(gòu)建應(yīng)用于TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 五種炸藥檢測(cè)的熒光比色傳感陣列，根據(jù)炸藥的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，分別合成了能夠用于5種炸藥檢測(cè)的熒光碳量子點(diǎn)，其制備方法如下：

1-Cdots：充分研磨2 g 白菜，置于燒杯中，加入10 mL 去離子水，充分?jǐn)嚢韬笠迫敫邏悍磻?yīng)釜中，置于高壓、200 ℃條件下反應(yīng)6 h，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾后得到碳量子點(diǎn)水溶液。

2-Cdots：取1.52 g EDTA 和2 g鹽酸氨基脲置于燒杯中，加入10 mL DMF，充分?jǐn)嚢韬笠迫敫邏悍磻?yīng)釜中，置于高壓、200 ℃條件下反應(yīng)6 h，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾后得到碳量子點(diǎn)溶液。

3-Cdots：取0.3 g 鄰苯二胺置于試管中，加入10 mL DMF，超聲振蕩20 min，移入高壓反應(yīng)釜中，置于高壓、160 ℃條件下反應(yīng)6 h，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾后得到碳量子點(diǎn)溶液。

4-Cdots：取0.1 g 鹽酸氨基脲和0.1 g 鄰苯二胺置于試管中，加入10 mL DMSO，超聲振蕩20 min，移入高壓反應(yīng)釜中，置于高壓、160 ℃條件下反應(yīng)6 h，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm 濾膜過(guò)濾后得到碳量子點(diǎn)溶液。

5-Cdots：取0.1 g 三苯基溴化磷和0.1 g 鄰苯二胺置于試管中，加入10 mL DMSO，超聲振蕩20 min，移入高壓反應(yīng)釜中，置于高壓、160 ℃條件下反應(yīng)6 h，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾后得到碳量子點(diǎn)溶液。

所制備的量子點(diǎn)均置于4 ℃保存。

1.3 溶液配制

將TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 分別溶于DMSO 中，配制成10 mL 3×10-3mol/L 的炸藥溶液，置于4 ℃下保存，作為待測(cè)樣品儲(chǔ)備液。同時(shí)配制10 mL 3×10-3mol/L 的NaCl、NaNO3、NaClO3、NaClO4、KCl、NH4NO3溶液。

1.4 熒光比色傳感陣列構(gòu)筑

取上述5 種碳量子點(diǎn)溶液各0.2 mL，依次置于96 孔板中，構(gòu)成的熒光比色傳感陣列如圖1 所示。將其置于酶標(biāo)儀下，設(shè)置激發(fā)波長(zhǎng)為420 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為527 nm，收集陣列加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 前后的熒光強(qiáng)度值，并將熒光強(qiáng)度與空白陣列進(jìn)行差值分析，得到TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN的指紋圖譜。

圖1 熒光比色傳感陣列Fig.1 Fluorescent colorimetric sensing array

1.5 數(shù)據(jù)分析

對(duì)熒光比色傳感陣列加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 前后的熒光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，收集5次平行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，使用SPSS對(duì)熒光強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，考察陣列的重復(fù)性和識(shí)別能力。主成分分析是一種使用最廣泛的數(shù)據(jù)降維算法，可以以較少的綜合變量指標(biāo)代替原來(lái)較多而復(fù)雜的變量指標(biāo)，并使得新指標(biāo)空間中不同類別數(shù)據(jù)的分布距離較遠(yuǎn)。本實(shí)驗(yàn)使用三維散點(diǎn)圖考察不同種炸藥之間的區(qū)分度以及重復(fù)實(shí)驗(yàn)之間的聚合和分離程度。

在熒光比色傳感陣列中配制不同濃度的炸藥體系，使用酶標(biāo)儀進(jìn)行測(cè)定，并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行Q 型層次聚類分析。

1.6 實(shí)際樣品測(cè)定

取塵土若干份，分別加入不同炸藥，充分?jǐn)嚢韬蟮玫奖M樣品，待用；取制備好的模擬樣品2 g，用5 mL DMSO 溶解，過(guò)濾后待測(cè)。將待檢液加入陣列后，首先在酶標(biāo)儀下進(jìn)行檢測(cè)，將生成的圖譜與已知指紋圖譜進(jìn)行比對(duì)，確定炸藥種類；隨后進(jìn)行主成分分析和Q 型層次聚類分析，考察陣列對(duì)實(shí)際樣品的識(shí)別和區(qū)分性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光比色傳感陣列的選擇性研究

在熒光比色傳感陣列中分別加入6×10-4mol/L 的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 后，觀察其在365 nm 紫外燈照射下的熒光顏色變化，結(jié)果如圖2 所示。由圖可見(jiàn)，不同種類的炸藥之間存在明顯差別。使用酶標(biāo)儀對(duì)該陣列進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品均進(jìn)行3 個(gè)平行，每個(gè)平行樣品重復(fù)測(cè)定5 次，將得到的15 組數(shù)據(jù)取平均，并與空白陣列的圖像進(jìn)行差值處理，獲得熒光比色傳感陣列識(shí)別TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 的指紋圖譜，結(jié)果如圖3 所示。結(jié)果表明：TNT 對(duì)2-Cdots 傳感單元產(chǎn)生熒光增強(qiáng)，而對(duì)1-Cdots、3-Cdots、4-Cdots、5-Cdots傳感單元產(chǎn)生熒光猝滅，且3-Cdots 和5-Cdots 傳感單元的猝滅現(xiàn)象最明顯；Tetryl 對(duì)5-Cdots 傳感單元產(chǎn)生熒光增強(qiáng)，對(duì)2-Cdots 傳感單元的猝滅現(xiàn)象較弱，但對(duì)1-Cdots 和3-Cdots 傳感單元的猝滅現(xiàn)象較強(qiáng)；PA 對(duì)所有的傳感單元均產(chǎn)生了不同程度的猝滅現(xiàn)象；RDX 對(duì)2-Cdots 傳感單元產(chǎn)生熒光增強(qiáng)，而對(duì)1-Cdots、3-Cdots、4-Cdots、5-Cdots 傳感單元產(chǎn)生熒光猝滅，且對(duì)5-Cdots 傳感單元的猝滅最明顯；PETN 對(duì)2-Cdots傳感單元也產(chǎn)生熒光增強(qiáng)的變化，而對(duì)3-Cdots傳感單元幾乎沒(méi)有響應(yīng)，對(duì)5-Cdots傳感單元的猝滅最明顯。因此，根據(jù)指紋圖譜數(shù)據(jù)的變化，可以特異性識(shí)別不同種類的炸藥。

圖2 熒光比色傳感陣列加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN后的顏色變化Fig.2 The color change of the fluorescent colorimetric sensing array after adding TNT，PA，Tetryl，RDX，PETN

圖3 TNT（A）、Tetryl（B）、PA（C）、RDX（D）和PETN（E）的指紋圖譜Fig.3 Fingerprint profiles of TNT（A），Tetryl（B），PA（C），RDX（D） and PETN（E）

考察了常見(jiàn)無(wú)機(jī)炸藥離子Na+、K+、NH4+、Cl-、ClO4-、ClO3-、NO3（-6×10-3mol/L）對(duì)熒光比色傳感陣列（6×10-4mol/L 的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN）測(cè)定的影響，結(jié)果如圖4A 所示?？梢钥闯?，傳感單元僅對(duì)TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN有不同程度的響應(yīng)，對(duì)干擾離子幾乎沒(méi)有響應(yīng)。

圖4 熒光比色傳感陣列的選擇性（A）和抗干擾性（B）三維柱狀圖Fig.4 Three-dimensional histograms of the selectivity（A） and interference resistance（B） for the fluorescent colorimetric sensing array

2.2 熒光比色傳感陣列的抗干擾性研究

為確定熒光比色傳感陣列的抗干擾性和穩(wěn)定性，考察了6×10-3mol/L的Na+、K+、NH4+、Cl-、ClO4-、NO3-無(wú)機(jī)炸藥離子的混合溶液對(duì)6×10-4mol/L TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 測(cè)定的影響，如圖4B 所示。結(jié)果顯示，常見(jiàn)無(wú)機(jī)炸藥離子混合溶液對(duì)傳感陣列的干擾不大。因此，該熒光比色傳感陣列可用于實(shí)際案件現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN的快速篩查，且不受常見(jiàn)無(wú)機(jī)炸藥離子的干擾。

2.3 主成分分析

為了更好地量化區(qū)分常見(jiàn)有機(jī)炸藥，使用酶標(biāo)儀采集傳感陣列分別加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 后的數(shù)據(jù)，將獲得的25組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如圖5所示。前3種主成分反映了總信息量的99.90%，能夠真實(shí)還原原變量信息，故選取前3 種主成分對(duì)TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 進(jìn)行識(shí)別區(qū)分。由圖5可知RDX和PETN的距離接近且距離其余3種炸藥較遠(yuǎn)，可能是由于兩者均不含苯環(huán)，對(duì)碳量子點(diǎn)的吸電子能力較弱，使得其總體的猝滅程度偏弱所致；分析PCA1和PCA2可知，PA距離TNT較遠(yuǎn)，距離Tetryl較近，結(jié)合酶標(biāo)儀生成的數(shù)據(jù)可知，PA和Tetryl在結(jié)構(gòu)上更易受到酸堿作用的影響，而TNT因含有甲基不易受影響，且選取的碳量子點(diǎn)中有部分更容易和PA形成氫鍵，影響電子能量轉(zhuǎn)移，因而PA距離TNT最遠(yuǎn)，距離Tertyl較近。

圖5 5種不同炸藥前3種主成分的分析散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plot of the first three principal components analysis for five different explosives

2.4 Q型層次聚類分析

為實(shí)現(xiàn)熒光比色傳感陣列對(duì)TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 的定量分析，采用Q 型層次聚類分析對(duì)不同炸藥濃度下的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。配制等梯度濃度（3×10-4、6×10-4、9×10-4、1.2×10-3、1.5×10-3mol/L）的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN標(biāo)準(zhǔn)樣品溶液，分別測(cè)定其與熒光比色傳感陣列作用的熒光強(qiáng)度，并使用SPSS 進(jìn)行Q 型層次聚類分析。結(jié)果如圖6 所示，不同濃度的炸藥按照濃度順序優(yōu)先聚成一類，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品濃度的正確排序。該陣列能夠很好地區(qū)分5種炸藥，且5個(gè)平行樣得到很好的聚集，說(shuō)明5個(gè)平行樣之間的重現(xiàn)性較好，同時(shí)證明該陣列具有較好的穩(wěn)定性。

2.5 實(shí)際樣品測(cè)定

為驗(yàn)證本陣列在爆炸現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐效果，將制備的爆炸模擬塵土樣品（炸藥含量約為1 mg/g）配制成待檢樣品溶液，加入傳感陣列后使用酶標(biāo)儀進(jìn)行檢測(cè)，將生成的圖譜與已有指紋圖譜進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行主成分分析和Q型層次聚類分析。

指紋譜圖比對(duì)結(jié)果（圖7）顯示，兩樣本分別符合PA和PETN的熒光變化趨勢(shì)（圖3），熒光強(qiáng)度差值的不同由濃度不同所致，因此確定樣本1 中含有PA，樣本2 中含有PETN。通過(guò)Q 型層次聚類分析（圖8）進(jìn)一步驗(yàn)證得到樣本1 中含有PA，濃度為9×10-4～1.2×10-3mol/L；樣本2 中含有PETN，濃度為3×10-4～ 9×10-4mol/L。以上結(jié)果說(shuō)明本方法可以快速、定量分析爆炸案件現(xiàn)場(chǎng)的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN，且具有較好的穩(wěn)定性。

圖7 真實(shí)樣本1（A）和2（B）的熒光強(qiáng)度差譜圖Fig.7 Fluorescence intensity difference spectra of real sample 1（A） and real sample 2（B）

圖8 兩種真實(shí)樣本Q型層次聚類分析檢測(cè)結(jié)果Fig.8 Detection results of Q-type cluster analysis for two real samples

3 結(jié) 論

本文以碳量子點(diǎn)為傳感單元構(gòu)筑熒光比色傳感陣列用于TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 檢測(cè)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)該5 種炸藥的準(zhǔn)確區(qū)分和定量分析。所構(gòu)建的熒光比色傳感陣列具有較好的選擇性和抗干擾性，且穩(wěn)定性良好。此外，對(duì)爆炸模擬物的測(cè)定結(jié)果證明本陣列具有良好的可操作性，可準(zhǔn)確快速地判別爆炸現(xiàn)場(chǎng)炸藥種類。