生物及化学毒剂侦检技术发展现状

陈 峰，吴太虎，王运斗，杜耀华，顾 彪，程 智，索再萍

生物及化学毒剂侦检技术发展现状

陈 峰，吴太虎，王运斗，杜耀华，顾 彪，程 智，索再萍

对化学毒剂和生物毒剂的侦检技术进行了详细描述。其中化学毒剂的侦检技术主要包括远程探测设备和现场检测设备使用的技术，远程探测设备使用的技术分为主动激光差分雷达技术和被动式傅立叶变换红外光谱技术，而现场检测设备使用的技术分为离子迁移谱技术、声表面波技术和气相色谱/质谱（GS/MS）联用技术。生物毒剂侦检技术主要分为生物毒剂报警技术和生物毒剂检测技术，生物毒剂报警技术分为远距离遥测技术和在线分析技术，生物毒剂检测技术分为实时PCR技术、免疫技术和生物质谱。

化学毒剂；生物毒剂；侦检；技术

AbstractThe detection technologies for biological and chemical agents are described in detail.The chemical detection technologies include those used in long-distance and scene detection,of which,the active laser difference radar technology and passive Fourier transform infrared spectroscopy are involved in the former,and the ion mobility spectrum technology,surface acoustic wave technology and gas chromatography/mass spectrometry involved in the latter.The biological agents detection technologies are composed of alarm technology and testing technology,which cover long-distance sensing technology,on-line analysis technology for alarm and real time PCR,immunity and mass spectrum technologies for testing.[Chinese Medical Equipment Journal，2011，32（1）：72-73]

Key wordschemical agent;biological agent;detection;technology

1 引言

目前，生物和化学毒剂侦检技术主要包括以各种光谱、质谱、离子迁移谱为代表的物理学手段和以免疫学、基因组学为代表的生物化学手段等两大技术流派，且随着科学技术的进步，很多新的侦检手段也逐渐成熟并投入应用。每种技术都有其优势和适用的范围，只有了解并掌握其特点，才能在毒剂侦检工作中占据主动。

2 化学毒剂的侦检技术

2.1 远程探测设备

该类设备探测距离在几公里到几十公里之间，可安装在体育场、广场等区域的特定位置，实现大范围地域内化学威胁的监控。从技术路线上分，远程探测设备主要包括主动式激光差分雷达和被动式傅立叶变换光谱仪（FTIR）2种技术。

2.1.1 主动激光差分雷达技术

差分激光雷达是利用激光被气体分子的吸收及被气溶胶、大气分子的后向散射两方面的作用效果而设置的。其测量原理是使用激光雷达发出2种波长不等的光，其中一个波长调到待测物质的吸收线，而另一波长调到线上吸收系数较小的边翼，然后以高重复频率将这2种波长的光交替发射至大气中。此时由于激光雷达所测量到的这2种波长光信号衰减差是待测对象的吸收所致，通过数据分析，便可得到待测对象的浓度分布，从而达到测量之目的。由于差分吸收激光雷达光源的选择与被测气体不同的吸收谱线有关，因此通常采用YAG激光泵浦波长可变的染料激光器。该类设备以美军在研的联合预警识别激光雷达探测系统（JSCWILD）为代表。此系统可以探测到20 km内的化学毒剂扩散与移动情况，对化学毒剂进行快速分类和鉴别，得出定量的结果。

2.1.2 被动式傅立叶变换红外光谱技术

该技术是基于对大气中污染物的辐射谱和背景谱进行探测而无需另外的人工红外光源，因而更具有机动、快速、灵活的优点，探测距离更长，操作更简便。被动FTIR遥测技术用于化学毒剂的测量，其探测灵敏度和精度决定于背景与测量层的温度差、测量光程内的毒剂浓度、仪器噪声等效温差、测量时间和毒剂分子的吸收系数。此类设备用于对机场、体育场、广场等目标地域进行大范围远距离监测。被动式傅里叶变换红外光谱侦检装备以Bruker公司的RAPID系统为代表，它可以在5 km的距离上探测目前已知的化学毒剂和绝大多数工业污染物。目前，美、德等国家已大量装备该系统。

2.2 现场检测设备

该类设备可手持或车载至目标地域，布置灵活、使用方便，能够实现化学毒剂的现场侦检。目前主要有离子迁移谱（IMS）、声表面波（SAW）以及气相色谱/质谱（GS/MS）联用等技术。

2.2.1 离子迁移谱技术

该技术原理是气体样品通过强力抽气泵抽入进样口，气体中痕量的固体或液体待测物撞击在一个经过加热的汽化板上，汽化后进入电离区，通过离子分子反应被电离成正离子和负离子。离子门开启时，离子加速进入一个充满均匀电场的漂移区，在漂移区，其移动速度为：υ＝ΚΕ，其中，Ε是电场强度，Κ是迁移率常数。这样，迁移率不同的离子在漂移区达到收集板的时间也就不同。测量给定时间达到收集板形成的离子电流的大小可以定量检测痕量物质成分的含量。离子迁移谱技术不需要庞大的真空泵和腔体，体积可以很小，在保证ppb量级的灵敏度下可以做到微型化，但其分辨率不是很高，主要用来确定化学毒剂类别和实时监控。该类设备以德国Bruker公司的RAID系列和英国Smiths公司的CAM系列为代表，可在几十秒之内实现现场化学毒剂的高灵敏检测。

2.2.2 声表面波技术

作者单位：300161 天津 军事医学科学院卫生装备研究所（陈 峰、吴太虎、王运斗、杜耀华、顾 彪、程 智、索再萍）

声表面波传感器是以声表面波元件为基底材料，在其上形成气体敏感膜并配以外部电路构成。在声表面波传播通道上形成的敏感膜吸附气体分子与气体结合时，会引起膜密度和弹性等性质发生变化，从而使在压电晶体表面上传播的瑞利波速度随其表面所沉积的质量而变化，导致振荡频率发生变化。通过检测振荡频率的变化，能获知是否存在某种气体和被吸附气体的浓度。该类设备以美国BAE系统公司的JCAD为代表，其对神经毒气的检测精度可达0.1 mg/m3，已于2003年装备美国空军[1]。

2.2.3 气相色谱/质谱（GS/MS）联用技术

色谱是一种对多组分混合物的分离、分析工具，它主要利用物质的理化性质不同进行分离并测定混合物中各组分的含量。质谱是通过将样品转化为运动的气态离子，按质荷比（M/Z）大小进行分离并记录其信息的分析方法。根据质谱图提供的信息可以进行有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。气相色谱/质谱（GS/MS）联用是气体为流动相采用洗脱法的分析仪器，它由气路系统、进样系统、色谱柱及质谱检测等部分组成。气路系统的作用是提供足够纯度、压力和流量稳定的气体，作为一相（载气），经过进样器气化室进入色谱柱，推动组分在色谱柱内进行分离，分离后的组分随载气依次离开色谱柱，进入质谱检测器，然后气体放空。质谱检测器的作用是将经色谱柱分离后的各组分转变成相应的电信号，记录各组分相应的质谱图，供定性定量分析用。目前该类仪器主要以德国Bruker公司的MM2系统为代表，它也是德军的制式装备，可在15 min内高精度地完成目前已知绝大多数化学毒剂的检出和测定，内置谱库可随时升级以扩充检测对象范围，并且具备组网功能，实现多台设备的协同工作。

3 生物毒剂侦检技术

3.1 生物毒剂报警技术

在生物粒子的细胞中含有核黄素、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸和色氨酸等荧光分子，在光子能量很高的320～360 nm波长段紫外激光的照射下，将产生生物荧光，其波长范围为390～600 nm。使用激光激发空气中气溶胶粒子的自发荧光，通过比较其荧光光谱就可以对生物气溶胶和非生物气溶胶进行识别研究。使用激光激发生物荧光分析技术的设备分为远距离探测型和在线分析型2种。

3.1.1 远距离遥测技术

远距离探测的代表是激光生物气溶胶雷达技术。该技术将高能量紫外激光投射到远方的气溶胶云团上，如果云团中生物粒子含量较高，就会在激光的激发下发出生物荧光，为气溶胶雷达上的大口径荧光收集器所探测，从而达到判定气溶胶云团性质的目的，该类设备以美国Hybrid LIDAR系统为代表，联用近红外和紫外双波段探测，探测距离较远，但也存在易受到太阳紫外辐射干扰、误报率较高等缺点。目前世界各国的生物毒剂遥测装备多处于研究发展阶段。

3.1.2 在线分析技术

在线分析型技术以激光激发荧光粒子分析技术为代表。该技术主要原理是采集并加速空气中的微粒，使之以单微粒的形式快速通过紫外激光照射激发区，同时使用光电探测器收集生物荧光及粒子散射信息，从而得出单位体积空气中生物粒子粒径及浓度信息，该类设备以美国TSI公司的UVAPS为代表。

以上2类技术只能分辨生物气溶胶和非生物气溶胶，均无法对生物毒剂的种类进行区分。而发现可疑生物样本后，必须确定其种类和浓度才能给决策部门提供可靠支持，并指导下一步处置工作的正确进行。传统生物病原体检测主要依靠培养-检测的流程来完成，该过程虽然结果准确，但是耗时数以日计，而且整个过程必须在实验室条件下完成，这就极大限制了该技术的现场适应性。

随着技术的发展和现场检测需求的日趋迫切，许多现场快速生物病原体检测装备和技术纷纷涌现，但对其加以分析与分类，总体尚不能超越核酸、免疫、生物传感、质谱等范畴。

3.2 生物毒剂检测技术

3.2.1 实时PCR技术

它是到目前为止在病原体核酸扩增检测方面最为成熟的技术，可以用于检测细菌和病毒的DNA，通过反转录也可检测RNA病毒。随着各种探针（如Taqman，Beacon）及新型荧光报告染料（如SYBR Green I等）的应用，实时PCR检测技术特异性更好、操作更为简便，同时速度更快，配合特殊设计的仪器在不到30 min内便可完成整个过程，得到检测结果。PCR无论用于检测培养分离的病原体、感染个体的体液，还是直接检测高浓度的生物战剂都比较成熟。但检测环境样本中的病原体却复杂得多，因为环境中本身都有许多自然存在的细菌和其他微生物，在这样的背景下要准确检测需要有极高分辨力的方法。另外，环境样本中含有一些PCR反应的抑制物，此时常需要自动化的分离系统来分离纯化核酸以供PCR检测。

3.2.2 免疫技术

基于免疫学的方法利用抗体检测病原的特异蛋白，可以做到广谱的生物毒剂检测，速度快且易于实现自动化。免疫层析快速检测是目前应用较为广泛的一类技术，检测所需的试剂全部固化在试纸条上，非常方便，结果易于判断，可以实现自动化的半定量检测，但缺点是灵敏度和特异性不高；随着纳米技术、微流体技术和微型机电技术的发展，生物-物理传感技术日见成熟，在生物毒剂的侦检中发挥着越来越重要的作用，该类技术通过生物反应后引发的荧光、电化学发光、电位变化或胶乳颗粒凝集后的光散射变化等实现样本的检测，所形成的传感器将会更适于小型化，且灵敏度更高，检测速度更快。

3.2.3 生物质谱

该技术常用于环境监测中的痕量分析，也可用于生物毒剂的检测。它将含有生物毒剂的样品在150～250℃之间加热，样本气化后，其中特定的标志性生物大分子被电子束轰击带电，在电场下加速，并根据荷/质比进行分类。生物质谱技术可区分非常相近的生物毒剂。随着计算机和图形匹配算法的引入，系统可以达到很高的分析速度，有望实现在线的定性定量检测。

4 结语

本文仅就化学和生物毒剂侦检技术的现状进行了系统分析与评价，但在生化毒剂的侦检工作中，没有一种技术可以“包打天下”。如何综合利用现有先进技术，发展各类先进装备，做到早期发现、及时控制与迅速处理将是该类装备能否快速发展的关键要素。

[1]刘卫卫，余建华，潘勇，等.SAW技术在有机硫化学战剂检测中的研究[J].压电与声光，2006，28（1）：14-17.

[2]黄留玉.PCR最新技术原理、方法及应用[M].北京：化学工业出版社，2005.

（收稿：2010-11-10 修回：2010-12-10）

Development Situation of Detection Technologies for Biological and Chemical Agents

CHEN Feng,WU Tai-hu,WANG Yun-dou,DU Yao-hua,GU Biao,CHENG Zhi,SUO Zai-ping
(Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China)

R149.5；TJ9

A

1003-8868（2011）01-0072-02

全军后勤科研计划“十一五”二批项目（08G-141）

陈峰（1978-），男，山东菏泽人，工程师，主要从事医用电子技术与装备的研究工作。

王运斗，E－mail：wyd1965@126.com