生物及化學(xué)毒劑偵檢技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

陳 峰，吳太虎，王運(yùn)斗，杜耀華，顧 彪，程 智，索再萍

生物及化學(xué)毒劑偵檢技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

陳 峰，吳太虎，王運(yùn)斗，杜耀華，顧 彪，程 智，索再萍

對(duì)化學(xué)毒劑和生物毒劑的偵檢技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述。其中化學(xué)毒劑的偵檢技術(shù)主要包括遠(yuǎn)程探測(cè)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備使用的技術(shù)，遠(yuǎn)程探測(cè)設(shè)備使用的技術(shù)分為主動(dòng)激光差分雷達(dá)技術(shù)和被動(dòng)式傅立葉變換紅外光譜技術(shù)，而現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備使用的技術(shù)分為離子遷移譜技術(shù)、聲表面波技術(shù)和氣相色譜/質(zhì)譜（GS/MS）聯(lián)用技術(shù)。生物毒劑偵檢技術(shù)主要分為生物毒劑報(bào)警技術(shù)和生物毒劑檢測(cè)技術(shù)，生物毒劑報(bào)警技術(shù)分為遠(yuǎn)距離遙測(cè)技術(shù)和在線分析技術(shù)，生物毒劑檢測(cè)技術(shù)分為實(shí)時(shí)PCR技術(shù)、免疫技術(shù)和生物質(zhì)譜。

化學(xué)毒劑；生物毒劑；偵檢；技術(shù)

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(chǎng)、廣場(chǎng)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(zhǎng)不等的光，其中一個(gè)波長(zhǎng)調(diào)到待測(cè)物質(zhì)的吸收線，而另一波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)，操作更簡(jiǎn)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(chǎng)、體育場(chǎng)、廣場(chǎng)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、德等國(guó)家已大量裝備該系統(tǒng)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)偵檢。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，氣體中痕量的固體或液體待測(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(chǎng)的漂移區(qū)，在漂移區(qū)，其移動(dòng)速度為：υ＝ΚΕ，其中，Ε是電場(chǎng)強(qiáng)度，Κ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(guó)Bruker公司的RAID系列和英國(guó)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(chǎng)化學(xué)毒劑的高靈敏檢測(cè)。

2.2.2 聲表面波技術(shù)

作者單位：300161 天津 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（陳 峰、吳太虎、王運(yùn)斗、杜耀華、顧 彪、程 智、索再萍）

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(guó)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)0.1 mg/m3，已于2003年裝備美國(guó)空軍[1]。

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(guó)Bruker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、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸和色氨酸等熒光分子，在光子能量很高的320～360 nm波長(zhǎng)段紫外激光的照射下，將產(chǎn)生生物熒光，其波長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(guó)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(chǎng)適應(yīng)性。

隨著技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求的日趨迫切，許多現(xiàn)場(chǎng)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 Green I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(jiǎn)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)需要有極高分辨力的方法。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(chǎng)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。

[1]劉衛(wèi)衛(wèi)，余建華，潘勇，等.SAW技術(shù)在有機(jī)硫化學(xué)戰(zhàn)劑檢測(cè)中的研究[J].壓電與聲光，2006，28（1）：14-17.

[2]黃留玉.PCR最新技術(shù)原理、方法及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)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

全軍后勤科研計(jì)劃“十一五”二批項(xiàng)目（08G-141）

陳峰（1978-），男，山東菏澤人，工程師，主要從事醫(yī)用電子技術(shù)與裝備的研究工作。

王運(yùn)斗，E－mail：wyd1965@126.com