化学毒剂探测技术发展现状

李 珂，刘友江，陈池来

(1.中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026)

1 背景介绍

化学武器的使用已有悠久的历史，我国春秋战国时代便有利用刺鼻浓烟作为防止地道攻城的方法记载，后世的《武经总要》[1]、《纪效新书》[2]等兵书中将毒药和火药进行了结合以大幅度提高杀伤力，在古希腊著名的伯罗奔尼撒战争中，斯巴达军队将硫磺和松枝混合燃烧来制造毒气对雅典城内的守军进行攻击。进入二十世纪后，随着化学工业体系的快速发展，化学武器真正登上了历史舞台。在两次世界大战、冷战、各类局部冲突以及恐怖战争的催化下，大量化学毒剂得到发现、制造和使用，造成了数十万人员伤亡[3-4]。

冷战结束后恐怖主义兴起，化学毒剂因具有大规模杀伤、易引发恐慌等特征，常被恐怖分子使用。1997年4月29日，《关于禁止发展、生产、储存和使用化学武器及销毁此种武器的公约》签署生效，其对维护世界和平和国际安全具有重要意义，但截至目前仍有一部分化学毒剂未被销毁[5]，留下了极大隐患，与此同时，新类型毒剂不断涌现。面对并不稳定的世界局势以及我国在国际事务中越来越多的力量展现，及时探测和识别化学毒剂的存在，显得十分关键。

化学毒剂种类繁多，根据毒理性质的不同，主要可以分为窒息剂、糜烂性毒剂(又称起疱剂)、神经性毒剂、血液性毒剂等[6]。窒息剂包括光气(CG)、双光气(DP)、氯(Cl2)等，这些毒剂会损害肺部，刺激眼睛和呼吸道；糜烂性毒剂包括芥子气(HD)和氮芥(HN)、路易氏剂(L)等，可对眼睛和皮肤产生刺激，导致水疱的形成；神经性毒剂包括塔崩(GA)、沙林(GB)、梭曼(GD)和维埃克斯(VX)等，可抑制胆碱酯酶活性，导致中枢及外周神经系统功能紊乱；血液性毒剂包括氰化氢(AC)和氯化氰(CK)等，可通过血液输送到所有身体组织，阻止细胞利用氧气，导致细胞缺氧，使身体失能致死。

为了应对潜在的化学毒剂威胁，以美国为主的世界各国数十年来制订了一系列化学毒剂探测的相关计划，其中较重要的包括上世纪90年代开始持续至今的CBD(Chemical and Biological Defense)计划[7]，以及近年来开展的SIGMA、SIGMA+计划等。CBD计划由美国国防部主导，是美国乃至全世界迄今为止的最大投入的生化防御计划，总投入达数十亿美元，其目标在于提升美军应对生化攻击的能力。期间发展了十余款化学毒剂检测仪，如改进型化学毒剂检测仪(ICAM)、联合化学毒剂检测仪(JCAD)、自动化学毒剂检测报警仪(ACADA)、核生化侦察系统(NBCRS)等。其研制的以离子迁移谱技术为主的检测仪在美军中已配备数万台[7-9]。自2014年起，美国国防高级研究计划局(DARPA)提出了极具颠覆性的SIGMA、SIGMA+计划[10-11]，旨在开发一个持续的、实时的探测系统，用于城市、城际范围内针对化学、生物、放射性、核爆炸等大规模杀伤性武器威胁的全方位立体式防御。

早在抗日战争时期，我国人民就饱受化学武器带来的痛苦，日本731部队专门从事细菌武器和化学武器的研究,并且残忍地进行活体试验。我国许多百姓惨死在这种试验中，这也提醒我国加强防御化学武器的必要性[12]。2005年国家正式颁布了《国家突发公共事件总体应急预案》,相关化学毒剂反恐技术研究列入国家科学技术研究的中长远期规划[13]。

2 化学毒剂探测方法

化学毒剂探测是一个长久且需求强大的探测技术领域，吸引了几乎所有的检测手段。迄今为止，离子迁移谱、质谱、色谱、光谱等谱学分析技术，以及各类传感器技术均在其中大显身手，并不断有新技术加入。根据不同探测方法的特点和应用情况，可将化学毒剂探测方法分为离子迁移谱法、传感器检测法、光谱法以及质谱法等。

2.1 离子迁移谱法

离子迁移谱法(Ion mobility spectrometry,IMS)是现阶段化学毒剂探测中的主流手段，各类装备已广泛应用于世界各国军队相关部门。IMS的优点在于高灵敏、快速响应和易于微型化，在毒害物质判定上具有指纹识别功能，兼具传感器和分析技术特征[14-15]。现阶段用于CWAs探测的IMS仪主要分为3大类，即飞行时间离子迁移谱(DTIMS)、吸气式离子迁移谱(AIMS)以及高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)[16]，其工作方式如图1所示。

图1 3种类型离子迁移谱结构示意图[16]Fig.1 Schematic diagram of three types of ion mobility spectrometry[16]

飞行时间离子迁移谱(DTIMS)依据不同离子迁移率的离子飞行时间的差别实现离子分离识别，是研究时间最长、技术最成熟、现阶段化学毒剂探测应用最广泛的离子迁移谱[17]。近年来，除了Smith Detection、Bruker等大型公司外，华盛顿州立大学的Hill研究团队、墨西哥州立大学的Eiceman研究团队等均对该技术的应用做出了重要贡献。国内从事相关研究的单位除了同方威视、安天下等企业，也包括中科院大连化物所、中科院合肥物质科学研究院、清华大学等研究单位。

吸气式离子迁移谱(AIMS)是结构最简单、功耗最低的离子迁移谱[18]，仅由离子源和气流通道中的整列式电极组成，根据各电极上电流分布的差异获取待测物质的离子信息，典型产品为手持式ChemPro 100i检测仪[19]。但因缺乏离子初始约束和均匀分离电场，AIMS检测仪选择性过低，故现阶段其发展方向为与传感器技术配合使用，Bocos-Bintintan 等[20]基于AIMS仪与其他6个传感器阵列，利用不同菌群产生的气溶胶成分，成功实现了3种细菌菌群的区分。

高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)是一种新型离子迁移谱，也是唯一一种工作于高电场下的离子迁移谱[21]，其在微机电系统(MEMS)集成制造、谱图信息丰富程度等方面具有独特优势[22]。该技术最早由解体前夕的前苏联秘密研究，2000年后在墨西哥州立大学Eiceman、加拿大国家研究院Guevremont、西太平洋国家实验室Smith、剑桥大学Boyle等推动下迅速发展，十余年间吸引了英美国防部门数千万美元的支持，并成为美国NGCD子计划四的重点推进技术。现阶段，包括Thermofisher、安捷伦、岛津、AB等在内的大型仪器公司均开始了相关技术研究。

国内相关研究单位包括浙江大学汪晓知研究团队、清华大学王晓浩研究团队、中科院合肥物质科学研究院陈池来研究团队等。中科院合肥物质科学研究院陈池来研究团队在高频非对称电场产生的微型化电源、多参量影响下的谱图解析、载气掺杂对离子分离的影响、多功能结构的整体MEMS集成等关键技术上均有深入研究，发展了微型化检测仪，并给出了化学毒剂高分辨识别二维谱图的识别标准方法，以及基于人工智能的全谱快速扫描方式，实现了甲基膦酸二甲酯(DMMP)、磷酸三丁酯(TBP)和二甲基亚砜(DMSO)等多种化学毒剂模拟剂的高灵敏检测和二维高分辨识别(图2)[21]。

图2 基于FAIMS技术的微型化化学毒剂检测仪及二维识别方法[21]Fig.2 Miniaturized chemical agent detector based on FAIMS technique and its two dimensional identification method[21]

基于IMS技术的检测仪是化学毒剂探测中最常用的仪器，市面上可见的基于IMS技术的化学毒剂检测仪高达十余款，根据检测仪体积、重量的不同，可分为固定式现场检测仪、手持移动式检测仪以及可单兵佩戴的小型化检测仪等，如图3所示。这些化学毒剂检测仪广泛配备于欧美军方及国土安全部门[23]。基于IMS技术的固定式现场检测仪是美国国防部首选的化学毒剂检测仪，不仅如此，该仪器在整个北约中也得到了广泛的使用，全球总计部署40 000多台[24]。

图3 基于IMS技术的化学毒剂检测仪[23-24]Fig.3 Chemical warfare agent detector based on IMS technique[23-24]

近年来，基于气体放电的非辐射离子源技术[25]、基于MEMS的迁移管分析器微型化制造技术[26]、基于电场设计的高通量离子门技术等均有显著进步，赋予了离子迁移谱更安全、更灵敏、更加微型化的优势。然而，离子迁移谱在化学毒剂检测领域并非完美，容易受到环境气体物质的污染，同时，温度、压力和湿度也会对基于IMS技术的检测仪性能产生显著影响，这些直接反映为谱图峰漂移、畸变，情况严重时检测仪可能无法识别目标化学物质[27-29]。

新原理和新工作方式、高集成制造手段、人工智能技术等的引入，将为离子迁移谱化学毒剂探测领域带来新的驱动，而如何面向具体需求，在保持高灵敏、快速、易微型化等优势前提下，大幅度减少假阳性是离子迁移谱最重要的目标牵引，也是化学毒剂现场探测技术所面临的最长久问题。

2.2 传感器检测法

传感器检测法现阶段主要包括比色法、声表面波和荧光检测法等，其中比色法的应用最为广泛。比色法检测技术的原理是当样本试剂与溶液中底物接触时，产生的化学反应会引起颜色的变化，从而检测化学毒剂的存在[30-31]。比色法检测仪已被美国军方使用多年，是野外使用的最快、最便宜、最轻和最容易使用的检测方法。最常见的比色法检测仪以检测管、试纸的形式出现，可对神经性毒剂、血液性毒剂和糜烂性毒剂进行检测，被民事应急处理单位广泛使用。常见的比色试纸主要包括M8、M9检测试纸以及M256A1检测仪套件等[31-32](图4)。

图4 基于比色法的化学毒剂检测仪[31-32]Fig.4 Chemical warfare agent detector based on colorimetric method[31-32]

为了克服选择性单一造成的难以同时检测多种目标物质问题，比色法传感器阵列技术近年来得到了关注。2020年，Davidson等[33]提出了一种利用比色传感器阵列(CSA)以及第一近邻算法(1-NN)的方案进行化学毒剂的检测，暴露后30 min，CSA可提供78%的正确化学物质识别，86%的正确类别识别和96%的毒剂与非毒剂检测。在174个独立毒剂测试中，其正确识别率达94%。

声表面波检测技术(SAW)的原理在于选择性吸附膜吸附目标化学毒剂后表面声波传播特性的变化，具有灵敏度高、响应快、制造成本低、易于小型化等优点[34-35]。声表面波化学毒剂检测仪主要有手持式检测仪和台式检测仪两种(图5)。其中手持式化学毒剂检测仪在军事领域应用广泛，美国政府资助的公益事业组织FFRDCs在联合化学剂检测仪JCAD的测评报告中提到，美国国防部曾计划采购257135台JCAD手持式检测仪。

图5 基于SAW技术的化学毒剂检测仪Fig.5 Chemical warfare agent detector based on SAW technique

理论上，由于声表面波传感器的聚合物涂层通常会吸附其他类型试剂，因此选择性吸附涂层是该技术近年来的研究重点[36]。此外，聚合物涂层对环境条件敏感，在工作温度和湿度等环境因素变化较大时使用的响应不稳定[37]。

此外，荧光法也在化学毒剂检测研究领域被寄予厚望。Rogers等[38]利用酶生物荧光传感检测有机化学毒剂中的对氧磷，Che等[39]合成了一种端基含有羟基的苝酰亚胺分子，在光激发后可实现神经性毒剂模拟剂氯磷酸二乙酯(Diethyl chlorophos-phate，DCP)的高灵敏度(0.116 μg/L)和快速(3 s)检测，Kumar等[40]设计了一种新的荧光分子，通过与亲电的芥子气发生反应直接产生荧光信号，从而实现了芥子气的简洁、快速检测。荧光传感器使用简单、检测快速、便携性和选择性均较好，与比色法相似，其近年来的研究重点在于阵列化设计集成，未来在技术突破的基础上有望在化学毒剂检测中占领一席之地[41-42]。

2.3 光谱法

光谱检测法包含红外光谱(IR spectroscopy)、拉曼光谱(Raman spectroscopy)、激光光谱(Laser spectroscopy)、太赫兹光谱(Terahertz spectroscopy)等众多方法，其中红外光谱技术是远程化学毒剂探测中常用的分析技术。红外光谱包括光声红外光谱、傅里叶变换红外光谱、前视红外光谱和基于滤波器的红外光谱等[43-46]，具有检测范围广、响应快的优点，在遥测领域具有独特优势[46-47]。

在美国军方支持下，多种类型的红外光谱化学毒剂检测技术得到应用。M21是第一个得到使用的远程遥感化学毒剂报警器，可探测5公里外的神经性毒剂和起疱毒剂云团[47]；AN/KAS-1/1A是美国海军使用的前视红外系统，在低能见度或夜间监视时效果突出[48]。加拿大国防研究与开发部(DRDC)研发出CATSI系统，并在二十余年时间中不断改进。CATSI系统融合了傅里叶红外吸收光谱和先进的模式识别算法，旨在实现对周围大气环境的快速感知，对区域化学毒剂进行快速检测和分类[49]。

红外光谱的遥测前景，吸引了各国军方和科研部门，2019年美国国防高级研究局(DARPA)启动的SIGMA+计划重点之一便是基于MEMS工艺的红外光谱技术。然而，这些检测仪一直难以解决环境背景干扰带来的复杂谱图解析困难问题，除环境背景中大量有机分子谱图与化学毒剂谱图混叠以外，相对湿度的变也可能会产生强烈的假阳性响应和干扰[50-51]。因此，得到真正应用的反而是非遥测的现场化学毒剂检测技术，如曾应用在美国陆军的便携式傅里叶红外吸收光谱检测仪HazMatID 360，如图6所示[47]。

图6 基于IR光谱技术的化学毒剂检测仪[47-49]Fig.6 Chemical warfare agent detector based on IR spectroscopy technique[47-49]

除红外光谱以外，近年来拉曼光谱、激光光谱、激光诱导击穿光谱、量子级联激光器等技术同样在化学毒剂探测领域得到研究[52-56]。拉曼光谱是一种基于光散射原理的探测技术[57]，目前已被用于化学毒剂、爆炸物以及毒品的快速识别[58]。美国陆军和海军陆战队使用基于拉曼光谱技术的检测仪JCSD检测地面上的化学毒剂，检测原理如图7所示。Choi等[59]利用波长248 nm的深紫外光源拉曼光谱系统检测了包括CWAs在内的18种化学物质的拉曼光谱，结果表明，拉曼光谱能够有效地应用于CWAs在内的表面化学污染物的检测。

图7 Raman光谱检测原理示意图[59]Fig.7 Schematic diagram of Raman spectroscopy technique[59]

激光光谱通过吸收CWAs分子产生的激光辐射进行检测，并可以利用差分散射技术(DISC)确定气溶胶颗粒的大小，具有检测速度快、距离远等优势，但截至目前，其在军事、反恐领域的应用仍然较少。激光诱导击穿光谱是一种用于化学多元素定性和定量分析的原子发射光谱，具有多元素同步分析的能力，适用于固态、液态和气态样品的检测，采用紫外或近红外激光光源的激光诱导击穿光谱已应用于爆炸物检测、生物和化学毒剂检测等军事用途[54]。

量子级联激光器(Quantum cascade laser,QCL)是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件，其在气体探测领域具有灵敏度高、检测速度快且精度高等优点[60-61]。2019年美国国防高级研究局(DARPA)与其他公司合作研究基于量子级联激光光谱的化学毒剂检测仪，并将其作为SIGMA+计划的一部分[62]。

2.4 气相色谱-质谱(GC-MS)联用法

质谱(MS)依据物质离子质荷比反映的分子量信息实现对物质成分的反演，是一种精准的分析技术[63]。气相色谱(GC)依赖于检测物质成分与色谱柱固定相亲和力的差异，对多组分物质进行分离[64]。GC-MS联合二者的优势，可以明确地鉴定混合物的每种组分，对于未知混合物，可根据色谱图上的时间信息以及质谱图进行匹配，从而确定样本成分。但气相色谱-质谱联用技术的主要缺点是，具有高灵敏度、高分辨的GC-MS仪器体积都相对较大，检测速度较慢，而且维修服务成本很高，应用门槛较高。

便携式GC-MS系统是当前研究的主要方向之一，Leary等[65]认为将便携式GC-MS系统部署到军队中有着重要的意义，且GC-MS系统是一种非常可靠的检测方法，故其提出了一些方法，致力于将GC-MS系统成功部署到常规部队中。

3 化学毒剂探测技术所面临的困难及未来发展趋势

虽然化学毒剂探测吸引了几乎所有的化学量检测技术，但至今仍然不尽如人意，关键问题在于其特殊又苛刻的应用特征和需求。首先，化学毒剂检测强调现场性，即检测技术必须满足小、快、准、稳要求，而这些要求之间相互制约，迄今难以有一种技术完全满足；其次，化学毒剂探测属于典型的小概率事件问题，按照贝叶斯概率理论，探测手段即便准确率达到很高的水平，其探测结果仍然受限于不可忽视的假阳性。以简单的贝叶斯分析说明该问题的严重性，假定化学毒剂事件(A)发生的几率为P(A)，没有发生(B)的几率为P(B)，仪器探测认为事件发生(C)为P(C)，认为事件没发生(D)为P(D)，则阳性准确度为P(C|A)，阴性准确度为P(D|B)。因此探测结果为阳性中，准确报警与虚警的比例可表示为：

因化学毒剂事件发生几率极小，则P(B)约为1，而P(C|A)和P(D|B)分别反映了阳性和阴性的仪器探测准确度。从该公式可以看出，因P(A)极小，即便仪器精度达到了很高的水平，其报警条件下虚警依然占据主要部分。假定探测技术阴性阳性探测精度均达到很高的程度，如99%，而化学毒剂发生事件的几率为百万分之一，则：

也就是说，即便仪器准确性很高，在大量的报警事件中，多数为虚警。这种困难给微型化检测技术造成了极大困扰，单一的检测技术根本无法满足如此苛刻的精度要求，这促使了各种检测技术联用的发展趋势。同时，近年来MEMS等精密加工手段、人工智能技术的突破性进展，也为化学毒剂探测技术带来了发展契机。随着MEMS质谱、MEMS色谱、MEMS光谱以及基于阵列化MEMS气体传感器的发展，未来基于MEMS集成的多种谱分析及传感技术的联用，基于人工智能的结果判断，必将成为化学毒剂探测技术的重要发展方向。