荧光比色传感阵列结合计量学分析TNT、PA、Tetryl、RDX和PETN

郎宇博，李宏达，阎 石，刘春庆

（中国刑事警察学院，辽宁 沈阳 110035）

爆炸恐怖袭击事件严重威胁世界安全与社会稳定，研发快速准确的炸药检测方法是遏制爆炸恐怖袭击的重要措施之一。炸药的饱和蒸汽压较低，故其对传感器的检测灵敏度要求极高，因此开发高灵敏的炸药检测技术是国内外安全领域的研究热点之一。

荧光比色传感阵列是化学传感阵列的一种，广泛应用于各领域有关物质的快速检验，其原理是通过模拟哺乳动物的嗅觉系统，对不同的目标物产生不同的响应信号。荧光比色传感阵列可以基于目标物紫外光谱图或荧光光谱图强度的改变，使用化学计量法实现对目标物的快速分析和检测。在半定量分析方面，荧光比色传感阵列相较于光化学比色传感阵列更具优势［1］。

碳量子点亦称碳点，具有优异的荧光性能、水溶性和低毒性，且合成方法简单快捷，合成原料来源广，生物兼容性好，可作为化学传感阵列的敏感点，是炸药检测中化学比色传感阵列构建方面的重点研究内容之一［2］。碳量子点的合成方法一般分为自上而下法和自下而上法。后者因成本低、原料来源广泛、具有非晶体结构、发光效率高等优点，成为首选制备方法［3-11］。Ghasemi 等［9］将一种包含两个传感器元件的比率传感器阵列用于硝基芳香炸药（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））的视觉检测和识别，所采用的传感器元件可引起TNT 和PA 的荧光猝灭和光谱偏移，但对DNT 没有影响。因此，该传感器阵列能够区分5～200 µmol·L-1范围内不同浓度的硝基芳烃以及混合物形式的硝基芳烃。

目前，常见有机炸药的检测主要基于爆炸物的化学成分特性进行识别，包含离子迁移谱技术［10］、色谱分析技术［11］、质谱分析技术［12］、光谱分析技术［13］等。大型仪器检测虽然具有更加准确的分析结果，但仪器成本高、分析耗时长，需要专业的技术人员进行操作，在实际应用中受到限制。因此，开发智能化、便携化、精准化、低成本的检测方法具有重要的研究意义。本研究分别以白菜、乙二胺四乙酸二钠（EDTA）、盐酸氨基脲、邻苯二胺、三苯基溴化磷为碳源、氮源，合成了5个碳量子点，并以此为基础构建了荧光比色传感阵列。此阵列可以利用碳量子点与TNT、PA、特屈儿（Tetryl）、环三亚甲基三硝胺（RDX）、季戊四醇四硝酸酯（PETN）之间的相互作用，引起荧光信号的明显变化；使用酶标仪采集指纹图谱，通过主成分分析（PCA）［14-15］和Q 型层次聚类分析（Q-HCA）［16］即可实现对TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN的准确识别与定量分析。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

黑色96孔板（湖南比克曼生物科技有限公司），LB 943型多功能酶标仪（德国伯托科技有限公司），LC-KH 型高压反应釜（上海力辰仪器科技有限公司），DHG-9203A 型鼓风干燥箱（上海善志仪器设备有限公司），SN-TDL-40D 型离心机（上海尚仪仪器设备有限公司），BSA224S 型分析天平（赛多利斯公司），LS-55型荧光分光光度计（美国PerkinElmer公司）。

白菜采购于沈阳家乐福商业有限公司；柠檬酸、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、盐酸氨基脲、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）、邻苯二胺、三苯基溴化磷等均购于安徽泽升科技有限公司；所有试剂和药品均为分析纯，实验用水为去离子水。

1.2 碳量子点制备

为构建应用于TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 五种炸药检测的荧光比色传感阵列，根据炸药的结构和性质，分别合成了能够用于5种炸药检测的荧光碳量子点，其制备方法如下：

1-Cdots：充分研磨2 g 白菜，置于烧杯中，加入10 mL 去离子水，充分搅拌后移入高压反应釜中，置于高压、200 ℃条件下反应6 h，离心取上清液，经0.22 µm滤膜过滤后得到碳量子点水溶液。

2-Cdots：取1.52 g EDTA 和2 g盐酸氨基脲置于烧杯中，加入10 mL DMF，充分搅拌后移入高压反应釜中，置于高压、200 ℃条件下反应6 h，离心取上清液，经0.22 µm滤膜过滤后得到碳量子点溶液。

3-Cdots：取0.3 g 邻苯二胺置于试管中，加入10 mL DMF，超声振荡20 min，移入高压反应釜中，置于高压、160 ℃条件下反应6 h，离心取上清液，经0.22 µm滤膜过滤后得到碳量子点溶液。

4-Cdots：取0.1 g 盐酸氨基脲和0.1 g 邻苯二胺置于试管中，加入10 mL DMSO，超声振荡20 min，移入高压反应釜中，置于高压、160 ℃条件下反应6 h，离心取上清液，经0.22 µm 滤膜过滤后得到碳量子点溶液。

5-Cdots：取0.1 g 三苯基溴化磷和0.1 g 邻苯二胺置于试管中，加入10 mL DMSO，超声振荡20 min，移入高压反应釜中，置于高压、160 ℃条件下反应6 h，离心取上清液，经0.22 µm滤膜过滤后得到碳量子点溶液。

所制备的量子点均置于4 ℃保存。

1.3 溶液配制

将TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 分别溶于DMSO 中，配制成10 mL 3×10-3mol/L 的炸药溶液，置于4 ℃下保存，作为待测样品储备液。同时配制10 mL 3×10-3mol/L 的NaCl、NaNO3、NaClO3、NaClO4、KCl、NH4NO3溶液。

1.4 荧光比色传感阵列构筑

取上述5 种碳量子点溶液各0.2 mL，依次置于96 孔板中，构成的荧光比色传感阵列如图1 所示。将其置于酶标仪下，设置激发波长为420 nm，发射波长为527 nm，收集阵列加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 前后的荧光强度值，并将荧光强度与空白阵列进行差值分析，得到TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN的指纹图谱。

图1 荧光比色传感阵列Fig.1 Fluorescent colorimetric sensing array

1.5 数据分析

对荧光比色传感阵列加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 前后的荧光强度进行测定，收集5次平行实验的数据，使用SPSS对荧光强度数据进行主成分分析，考察阵列的重复性和识别能力。主成分分析是一种使用最广泛的数据降维算法，可以以较少的综合变量指标代替原来较多而复杂的变量指标，并使得新指标空间中不同类别数据的分布距离较远。本实验使用三维散点图考察不同种炸药之间的区分度以及重复实验之间的聚合和分离程度。

在荧光比色传感阵列中配制不同浓度的炸药体系，使用酶标仪进行测定，并将所得数据进行Q 型层次聚类分析。

1.6 实际样品测定

取尘土若干份，分别加入不同炸药，充分搅拌后得到爆炸模拟样品，待用；取制备好的模拟样品2 g，用5 mL DMSO 溶解，过滤后待测。将待检液加入阵列后，首先在酶标仪下进行检测，将生成的图谱与已知指纹图谱进行比对，确定炸药种类；随后进行主成分分析和Q 型层次聚类分析，考察阵列对实际样品的识别和区分性能。

2 结果与讨论

2.1 荧光比色传感阵列的选择性研究

在荧光比色传感阵列中分别加入6×10-4mol/L 的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 后，观察其在365 nm 紫外灯照射下的荧光颜色变化，结果如图2 所示。由图可见，不同种类的炸药之间存在明显差别。使用酶标仪对该阵列进行测定，每个样品均进行3 个平行，每个平行样品重复测定5 次，将得到的15 组数据取平均，并与空白阵列的图像进行差值处理，获得荧光比色传感阵列识别TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 的指纹图谱，结果如图3 所示。结果表明：TNT 对2-Cdots 传感单元产生荧光增强，而对1-Cdots、3-Cdots、4-Cdots、5-Cdots传感单元产生荧光猝灭，且3-Cdots 和5-Cdots 传感单元的猝灭现象最明显；Tetryl 对5-Cdots 传感单元产生荧光增强，对2-Cdots 传感单元的猝灭现象较弱，但对1-Cdots 和3-Cdots 传感单元的猝灭现象较强；PA 对所有的传感单元均产生了不同程度的猝灭现象；RDX 对2-Cdots 传感单元产生荧光增强，而对1-Cdots、3-Cdots、4-Cdots、5-Cdots 传感单元产生荧光猝灭，且对5-Cdots 传感单元的猝灭最明显；PETN 对2-Cdots传感单元也产生荧光增强的变化，而对3-Cdots传感单元几乎没有响应，对5-Cdots传感单元的猝灭最明显。因此，根据指纹图谱数据的变化，可以特异性识别不同种类的炸药。

图2 荧光比色传感阵列加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN后的颜色变化Fig.2 The color change of the fluorescent colorimetric sensing array after adding TNT，PA，Tetryl，RDX，PETN

图3 TNT（A）、Tetryl（B）、PA（C）、RDX（D）和PETN（E）的指纹图谱Fig.3 Fingerprint profiles of TNT（A），Tetryl（B），PA（C），RDX（D） and PETN（E）

考察了常见无机炸药离子Na+、K+、NH4+、Cl-、ClO4-、ClO3-、NO3（-6×10-3mol/L）对荧光比色传感阵列（6×10-4mol/L 的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN）测定的影响，结果如图4A 所示。可以看出，传感单元仅对TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN有不同程度的响应，对干扰离子几乎没有响应。

图4 荧光比色传感阵列的选择性（A）和抗干扰性（B）三维柱状图Fig.4 Three-dimensional histograms of the selectivity（A） and interference resistance（B） for the fluorescent colorimetric sensing array

2.2 荧光比色传感阵列的抗干扰性研究

为确定荧光比色传感阵列的抗干扰性和稳定性，考察了6×10-3mol/L的Na+、K+、NH4+、Cl-、ClO4-、NO3-无机炸药离子的混合溶液对6×10-4mol/L TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 测定的影响，如图4B 所示。结果显示，常见无机炸药离子混合溶液对传感阵列的干扰不大。因此，该荧光比色传感阵列可用于实际案件现场进行TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN的快速筛查，且不受常见无机炸药离子的干扰。

2.3 主成分分析

为了更好地量化区分常见有机炸药，使用酶标仪采集传感阵列分别加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 后的数据，将获得的25组实验数据进行主成分分析，结果如图5所示。前3种主成分反映了总信息量的99.90%，能够真实还原原变量信息，故选取前3 种主成分对TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 进行识别区分。由图5可知RDX和PETN的距离接近且距离其余3种炸药较远，可能是由于两者均不含苯环，对碳量子点的吸电子能力较弱，使得其总体的猝灭程度偏弱所致；分析PCA1和PCA2可知，PA距离TNT较远，距离Tetryl较近，结合酶标仪生成的数据可知，PA和Tetryl在结构上更易受到酸碱作用的影响，而TNT因含有甲基不易受影响，且选取的碳量子点中有部分更容易和PA形成氢键，影响电子能量转移，因而PA距离TNT最远，距离Tertyl较近。

图5 5种不同炸药前3种主成分的分析散点图Fig.5 Scatter plot of the first three principal components analysis for five different explosives

2.4 Q型层次聚类分析

为实现荧光比色传感阵列对TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 的定量分析，采用Q 型层次聚类分析对不同炸药浓度下的响应数据进行区分。配制等梯度浓度（3×10-4、6×10-4、9×10-4、1.2×10-3、1.5×10-3mol/L）的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN标准样品溶液，分别测定其与荧光比色传感阵列作用的荧光强度，并使用SPSS 进行Q 型层次聚类分析。结果如图6 所示，不同浓度的炸药按照浓度顺序优先聚成一类，实现了对样品浓度的正确排序。该阵列能够很好地区分5种炸药，且5个平行样得到很好的聚集，说明5个平行样之间的重现性较好，同时证明该阵列具有较好的稳定性。

2.5 实际样品测定

为验证本阵列在爆炸现场的实践效果，将制备的爆炸模拟尘土样品（炸药含量约为1 mg/g）配制成待检样品溶液，加入传感阵列后使用酶标仪进行检测，将生成的图谱与已有指纹图谱进行对比，并进行主成分分析和Q型层次聚类分析。

指纹谱图比对结果（图7）显示，两样本分别符合PA和PETN的荧光变化趋势（图3），荧光强度差值的不同由浓度不同所致，因此确定样本1 中含有PA，样本2 中含有PETN。通过Q 型层次聚类分析（图8）进一步验证得到样本1 中含有PA，浓度为9×10-4～1.2×10-3mol/L；样本2 中含有PETN，浓度为3×10-4～ 9×10-4mol/L。以上结果说明本方法可以快速、定量分析爆炸案件现场的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN，且具有较好的稳定性。

图7 真实样本1（A）和2（B）的荧光强度差谱图Fig.7 Fluorescence intensity difference spectra of real sample 1（A） and real sample 2（B）

图8 两种真实样本Q型层次聚类分析检测结果Fig.8 Detection results of Q-type cluster analysis for two real samples

3 结 论

本文以碳量子点为传感单元构筑荧光比色传感阵列用于TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 检测，成功实现了对该5 种炸药的准确区分和定量分析。所构建的荧光比色传感阵列具有较好的选择性和抗干扰性，且稳定性良好。此外，对爆炸模拟物的测定结果证明本阵列具有良好的可操作性，可准确快速地判别爆炸现场炸药种类。