光譜分析技術(shù)在生物氣溶膠檢測上的研究進(jìn)展

高繼剛　王霞

摘 要 生物氣溶膠會(huì)對(duì)人類健康和動(dòng)植物構(gòu)成嚴(yán)重威脅，尤其是極端恐怖主義若使用生化武器，將產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。因此如何識(shí)別檢測生物氣溶膠是一個(gè)全世界都關(guān)心的問題。目前在識(shí)別生物氣溶膠的潛在方法中，光譜分析技術(shù)由于有檢測時(shí)間短、樣品用量少、可實(shí)現(xiàn)在線檢測等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的潛力和價(jià)值。本文主要介紹了目前國內(nèi)外利用光譜分析法檢測生物氣溶膠的發(fā)展概況。

關(guān)鍵詞 氣溶膠；光譜分析；熒光

中圖分類號(hào)：O657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）16-0074-01

氣溶膠是指懸浮在大氣中的多種固體微粒和液體微小顆粒。平常所見到的一些現(xiàn)象，如灰塵、熏煙、霧等都屬于氣溶膠的范疇，而具有生命的氣溶膠粒子和活性粒子被統(tǒng)稱為生物氣

溶膠。

雖然生物氣溶膠在大氣氣溶膠中所占比例極小，但它對(duì)人類健康和動(dòng)植物的生長會(huì)造成巨大危害。眾所周知：微生物是導(dǎo)致感染和傳染病的根源，其主要是通過大氣進(jìn)行傳播。絕大多數(shù)生物戰(zhàn)劑是通過氣溶膠方式傳播的，如將攜帶有細(xì)菌或病毒的生物戰(zhàn)劑噴撒到空中后，會(huì)形成很細(xì)微的微粒，長時(shí)間懸浮于空氣中，這種微粒與空氣的混合體便形成生物氣溶膠，最終經(jīng)過呼吸道進(jìn)入體內(nèi)[1]。因此需要建立一個(gè)檢測大氣生物氣溶膠組分的系統(tǒng)，對(duì)大氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 檢測分析方法

目前針對(duì)生物氣溶膠的檢測分析方法主要有：電子顯微鏡法；微生物遺傳型的鑒定法；細(xì)胞化學(xué)成分鑒定法；散射信號(hào)法；氣相色譜法；然而這些檢測方法往往都需要較長的時(shí)間，無法達(dá)到快速檢測的目的[2]。因此，如何快速、準(zhǔn)確檢測大氣中生物氣溶膠的成分越來越受到關(guān)注。

光譜分析是研究物質(zhì)組分的一種有效方法，它能提供物質(zhì)的多種物理參數(shù)，通過對(duì)這些參數(shù)的測定，可以做定量分析，還可以推斷物質(zhì)在各種環(huán)境下的構(gòu)象變化。其中，激光誘導(dǎo)熒光光譜分析法具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)、用樣量少、方法簡便等優(yōu)點(diǎn)，是目前靈敏度最高的檢測技術(shù)之一[3]。光譜分析技術(shù)作為高靈敏度的檢測技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)發(fā)展情況

國內(nèi)關(guān)于生物氣溶膠的研究工作開展于80年代，主要集中于空氣中微生物種類、數(shù)量的調(diào)查，但是目前對(duì)生物氣溶膠性質(zhì)、環(huán)境效應(yīng)、分布和傳輸?shù)确矫娴难芯肯鄬?duì)缺乏，相對(duì)于美國和歐洲各國家，我國的研究起步較晚，相關(guān)研究較少。2006年吉林大學(xué)的裴松皓等人針對(duì)大氣污染物之一的二氧化硫氣體，根據(jù)其吸收特性，利用激光誘導(dǎo)技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬測量了污染氣體二氧化硫的激光誘導(dǎo)熒光光譜，分析計(jì)算了大氣污染成分二氧化硫濃度，研究表明，激光誘導(dǎo)熒光方法可以用于大氣中二氧化硫濃度的測量[4]；2010年，安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所提出了應(yīng)用被動(dòng)傅立葉變換紅外光譜分析技術(shù)探測生物氣溶膠，從紅外遙感傳輸輻射理論出發(fā)，建立了包含散射影響的生物氣溶膠被動(dòng)紅外探測模型，以某生物孢子氣溶膠為對(duì)象，研究了其紅外光譜特性并給出了初步結(jié)果[5]。

2.2 國外發(fā)展情況

為了適應(yīng)未來不可預(yù)見的生化威脅，美、法等多個(gè)國家都在致力于研究和搭建高靈敏性、實(shí)時(shí)監(jiān)測、快速響應(yīng)的檢測設(shè)備，并已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。

美國對(duì)生物氣溶膠的檢測研究的最早，在該領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位，從20世紀(jì)五六十年代開始，美國就宣布研制成功一臺(tái)針對(duì)含磷毒劑的主動(dòng)式毒劑遙測儀；1994年，美國軍隊(duì)愛德華實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展工程中心，研究了一臺(tái)紫外熒光雷達(dá)系統(tǒng)，可用于生物氣溶膠的遙感探測，利用這臺(tái)紫外熒光雷達(dá)可以實(shí)時(shí)檢測波長為266 nm激光的彈性散射光、波長為300-400 nm的未經(jīng)散射的熒光[6]；1996年，美國陸軍化學(xué)和生物防御指揮部與弗吉尼亞州郝恩登光纖技術(shù)公司研制了一種激光雷達(dá)系統(tǒng)，該激光雷達(dá)也可用于生物氣溶膠云的探測和跟蹤，用于區(qū)分生物氣溶膠粒子和非生物氣溶膠粒子[7]。2008年，由耶魯大學(xué)應(yīng)用物理系的Yong-Le Pan和美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的StevenC.Hill等人介紹了他們所設(shè)計(jì)的現(xiàn)場氣溶膠探測系統(tǒng)[8]，如圖所示，其實(shí)現(xiàn)了幾種不同生物氣溶膠替代品的辨別。

2005年，由以法國為主要國家的六國開始了為期四年的用于生物氣溶膠檢測的熒光技術(shù)的課題[9]，他們提出了利用多激發(fā)源來辨別生物氣溶膠的觀點(diǎn)，并驗(yàn)證了單激發(fā)源的不可行性，采取了1064 nm波長的三倍頻四倍頻輸出波長為266 nm和355 nm的激光作為激發(fā)光源。

2006年，由瑞典防務(wù)研究局、瑞典國防研究機(jī)構(gòu)核生化武器防御中心和挪威科技大學(xué)物理系等機(jī)構(gòu)共同設(shè)計(jì)了用于測量生物氣溶膠熒光光譜的系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)包括激發(fā)光源、觸發(fā)裝置、樣品池、熒光收集器及氣溶膠發(fā)生器，紫外光源，可發(fā)射波長為290 nm和337 nm的激光用于產(chǎn)生熒光，利用PMT來接受散射信號(hào)，根據(jù)散射信號(hào)判斷是否存在氣溶膠，從而確定是否需要紫外光源發(fā)射激光。若判斷存在，則在焦點(diǎn)處，熒光物質(zhì)被激發(fā)，產(chǎn)生熒光光譜，在獲得光譜后，將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)做進(jìn)一步分析。

3 展望

與傳統(tǒng)分析生物氣溶膠的方法相比，光譜分析法具有檢測時(shí)間短、樣品用量少、可實(shí)現(xiàn)在線檢測等優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為該領(lǐng)域的主要發(fā)展研究方向。針對(duì)生物氣溶膠來源的多樣性、生物氣溶膠含量少、體積小、信號(hào)弱等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)新的檢測系統(tǒng)和光譜處理算法以提高精度將是我們今后進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[4]裴松皓，孫紅梅.光誘導(dǎo)熒光方法測量二氧化硫[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，44（3）：473-475.

[5]蘭天鴿，熊偉，等.應(yīng)用被動(dòng)傅立葉變換紅外光譜技術(shù)探測生物氣溶膠研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（6）：1657-1660.

[6]Steven D.Christesen. UV-fluorescence lidar detection of bioacrosols. SPIE， 1994， 2222： 228.

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[10]P.Jonsson， F.Kullander， M.Nordstand， T. Tjarnhage， P. Wasterby， M.Lindgren， Development of fluorescence-based point detector for biological sensing， Proc. SPIE， Vol. 5617， 60-74 （2004）.

作者簡介

高繼剛，光學(xué)工程專業(yè)，碩士研究生，工作于國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心。

王霞，北京理工大學(xué)，副教授，研究方向：光電檢測技術(shù)、微光與紅外熱成像技術(shù)。endprint