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(yīng)用。每種技術(shù)都有 其優(yōu)勢(shì)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(jù)主動(dòng)。

2 化學(xué)毒劑的偵檢技術(shù)

2.1 遠(yuǎn)程探測(cè)設(shè)備

該類設(shè)備探測(cè)距離在幾公里到幾十公里之間，可安裝在  體育場、廣場等區(qū)域的特定位置，實(shí)現(xiàn)大范圍地域內(nèi)化學(xué)威脅 的監(jiān)控。從技術(shù)路線上分，遠(yuǎn)程探測(cè)設(shè)備主要包括主動(dòng)式激光 差分雷達(dá)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(dá)技術(shù)

差分激光雷達(dá)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(shè)置的。其測(cè)量 原理是使用激光雷達(dá)發(fā)出2種波長不等的光，其中一個(gè)波長 調(diào)到待測(cè)物質(zhì)的吸收線，而另一波長調(diào)到線上吸收系數(shù)較小 的邊翼，然后以高重復(fù)頻率將這2種波長的光交替發(fā)射至大 氣中。此時(shí)由于激光雷達(dá)所測(cè)量到的這2種波長光信號(hào)衰減 差是待測(cè)對(duì)象的吸收所致，通過數(shù)據(jù)分析，便可得到待測(cè)對(duì)象 的濃度分布，從而達(dá)到測(cè)量之目的。由于差分吸收激光雷達(dá)光 源的選擇與被測(cè)氣體不同的吸收譜線有關(guān)，因此通常采用 YAG 激光泵浦波長可變的染料激光器。該類設(shè)備以美軍在研 的聯(lián)合預(yù)警識(shí)別激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)(JSCWILD) 為代表。此系 統(tǒng)可以探測(cè)到20 km 內(nèi)的化學(xué)毒劑擴(kuò)散與移動(dòng)情況，對(duì)化學(xué)毒劑進(jìn)行快速分類和鑒別，得出定量的結(jié)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(duì)大氣中污染物的輻射譜和背景譜進(jìn)行探 測(cè)而無需另外的人工紅外光源，因而更具有機(jī)動(dòng)、快速、靈活  的優(yōu)點(diǎn)，探測(cè)距離更長，操作更簡便。被動(dòng)FTIR 遙測(cè)技術(shù)用于  化學(xué)毒劑的測(cè)量，其探測(cè)靈敏度和精度決定于背景與測(cè)量層  的溫度差、測(cè)量光程內(nèi)的毒劑濃度、儀器噪聲等效溫差、測(cè)量  時(shí)間和毒劑分子的吸收系數(shù)。此類設(shè)備用于對(duì)機(jī)場、體育場、 廣場等目標(biāo)地域進(jìn)行大范圍遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。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(tǒng)為代表，它可 以在5 km 的距離上探測(cè)目前已知的化學(xué)毒劑和絕大多數(shù)工  業(yè)污染物。目前，美、德等已大量裝備該系統(tǒng)。

2.2 現(xiàn)場檢測(cè)設(shè)備

該類設(shè)備可手持或車載至目標(biāo)地域，布置靈活、使用方 便，能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)毒劑的現(xiàn)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(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強(qiáng)力抽氣泵抽入進(jìn)樣口，氣 體中痕量的周體或液體待測(cè)物撞擊在一個(gè)經(jīng)過加熱的汽化板 上，汽化后進(jìn)入電離區(qū)，通過離子分子反應(yīng)被電離成正離子和 負(fù)離子。離子門開啟時(shí)，離子加速進(jìn)入一個(gè)充滿均勻電場的漂 移區(qū)，在漂移區(qū)，其移動(dòng)速度為：v=KE, 其中，E 是電場強(qiáng)度，K  是遷移率常數(shù)。這樣，遷移率不同的離子在漂移區(qū)達(dá)到收集板 的時(shí)間也就不同。測(cè)量給定時(shí)間達(dá)到收集板形成的離子電流 的大小可以定量檢測(cè)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(jí) 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(xué)毒劑類別和實(shí)時(shí)監(jiān)控。該類設(shè)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(nèi)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場化學(xué)毒劑的高靈敏檢測(cè)。

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(gòu)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(jié)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(dǎo)致振蕩頻率發(fā)生 變化。通過檢測(cè)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(shè)備以美國BAE 系統(tǒng)公司的JCAD  為代表，其對(duì)神經(jīng)毒氣的檢測(cè)精度可達(dá)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(duì)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(cè)定混合物中各組分的含  量。質(zhì)譜是通過將樣品轉(zhuǎn)化為運(yùn)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(jù)質(zhì)譜圖提供 的信息可以進(jìn)行有機(jī)物及無機(jī)物的定性和定量分析、復(fù)雜化  合物的結(jié)構(gòu)分析、樣品中各種同位素比的測(cè)定及固體表面的  結(jié)構(gòu)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(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、色譜  柱及質(zhì)譜檢測(cè)等部分組成。氣路系統(tǒng)的作用是提供足夠純度、 壓力和流量穩(wěn)定的氣體，作為一相(載氣),經(jīng)過進(jìn)樣器氣化室  進(jìn)入色譜柱，推動(dòng)組分在色譜柱內(nèi)進(jìn)行分離，分離后的組分隨  載氣依次離開色譜柱，進(jìn)入質(zhì)譜檢測(cè)器，然后氣體放空。質(zhì)譜  檢測(cè)器的作用是將經(jīng)色譜柱分離后的各組分轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電  信號(hào)，記錄各組分相應(yīng)的質(zhì)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 MM2 系統(tǒng)為代表，它也是德  軍的制式裝備，可在15 min 內(nèi)高精度地完成目前已知絕大多 數(shù)化學(xué)毒劑的檢出和測(cè)定，內(nèi)置譜庫可隨時(shí)升級(jí)以擴(kuò)充檢測(cè)  對(duì)象范圍，并且具備組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的協(xié)同工作。

3  生物毒劑偵檢技術(shù)

3.1 生物毒劑報(bào)警技術(shù)

在生物粒子的細(xì)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(chǎn)生生物熒光，其波長范圍為 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 過比較其熒光光譜就可以對(duì)生物氣溶膠和非生物氣溶膠進(jìn)行 識(shí)別研究。使用激光激發(fā)生物熒光分析技術(shù)的設(shè)備分為遠(yuǎn)距 離探測(cè)型和在線分析型2種。

3.1.1 遠(yuǎn)距離遙測(cè)技術(shù)

遠(yuǎn)距離探測(cè)的代表是激光生物氣溶膠雷達(dá)技術(shù)。該技術(shù) 將高能量紫外激光投射到遠(yuǎn)方的氣溶膠云團(tuán)上，如果云團(tuán)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(dá)上的大口徑熒光收集器所探測(cè)，從而達(dá)到判定氣溶 膠云團(tuán)性質(zhì)的目的，該類設(shè)備以美國Hybrid LIDAR 系統(tǒng)為代 表，聯(lián)用近紅外和紫外雙波段探測(cè)，探測(cè)距離較遠(yuǎn)，但也存在 易受到太陽紫外輻射干擾、誤報(bào)率較高等缺點(diǎn)。目前世界各國 的生物毒劑遙測(cè)裝備多處于研究發(fā)展階段。

3.1.2 在線分析技術(shù)

在線分析型技術(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 的形式快速通過紫外激光照射激發(fā)區(qū)，同時(shí)使用光電探測(cè)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(shè)備以美國TSI 公司的 UVAPS   為代表。

以上2類技術(shù)只能分辨生物氣溶膠和非生物氣溶膠，均 無法對(duì)生物毒劑的種類進(jìn)行區(qū)分。而發(fā)現(xiàn)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(dǎo) 下一步處置工作的正確進(jìn)行。傳統(tǒng)生物病原體檢測(cè)主要依靠 培養(yǎng)-檢測(cè)的流程來完成，該過程雖然結(jié)果準(zhǔn)確，但是耗時(shí)數(shù) 以日計(jì)，而且整個(gè)過程必須在實(shí)驗(yàn)室條件下完成，這就極大限 制了該技術(shù)的現(xiàn)場適應(yīng)性。

隨著技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)場檢測(cè)需求的日趨迫切，許多現(xiàn)場 快速生物病原體檢測(cè)裝備和技術(shù)紛紛涌現(xiàn)，但對(duì)其加以分析 與分類，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(cè)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(kuò)增檢測(cè)方面最為成熟的 技術(shù)，可以用于檢測(cè)細(xì)菌和病毒的 DNA, 通過反轉(zhuǎn)錄也可檢測(cè) RNA 病毒。隨著各種探針(如Taqman,Beacon) 及新型熒光報(bào) 告染料(如SYBR  GreenI等)的應(yīng)用，實(shí)時(shí)PCR 檢測(cè)技術(shù)特異 性更好、操作更為簡便，同時(shí)速度更快，配合特殊設(shè)計(jì)的儀器在 不到30 min 內(nèi)便可完成整個(gè)過程，得到檢測(cè)結(jié)果。PCR 無論用 于檢測(cè)培養(yǎng)分離的病原體、感染個(gè)體的體液，還是直接檢測(cè)高 濃度的生物戰(zhàn)劑都比較成熟。但檢測(cè)環(huán)境樣本中的病原體卻復(fù) 雜得多，因?yàn)榄h(huán)境中本身都有許多自然存在的細(xì)菌和其他微生 物，在這樣的背景下要準(zhǔn)確檢測(cè)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(yīng)的抑制物，此時(shí)常需要自動(dòng) 化的分離系統(tǒng)來分離純化核酸以供PCR 檢測(cè)。

3.2.2  免 疫 技 術(shù)

基于免疫學(xué)的方法利用抗體檢測(cè)病原的特異蛋白，可以 做到廣譜的生物毒劑檢測(cè)，速度快且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。免疫層 析快速檢測(cè)是目前應(yīng)用較為廣泛的一類技術(shù)，檢測(cè)所需的試 劑全部固化在試紙條上，非常方便，結(jié)果易于判斷，可以實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化的半定量檢測(cè)，但缺點(diǎn)是靈敏度和特異性不高；隨著納 米技術(shù)、微流體技術(shù)和微型機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，生物-物理傳感 技術(shù)日見成熟，在生物毒劑的偵檢中發(fā)揮著越來越重要的作 用，該類技術(shù)通過生物反應(yīng)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(xiàn)樣本的檢測(cè)，所 形成的傳感器將會(huì)更適于小型化，且靈敏度更高，檢測(cè)速度更 快。

3.2.3 生物質(zhì)譜

該技術(shù)常用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中的痕量分析，也可用于生物毒 劑的檢測(cè)。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(biāo)志性生物大分子被電子束轟擊帶 電，在電場下加速，并根據(jù)荷/質(zhì)比進(jìn)行分類。生物質(zhì)譜技術(shù)可 區(qū)分非常相近的生物毒劑。隨著計(jì)算機(jī)和圖形匹配算法的引 入，系統(tǒng)可以達(dá)到很高的分析速度，有望實(shí)現(xiàn)在線的定性定量 檢測(cè)。

4  結(jié)語

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