美國(guó)海軍艦隊(duì)的生化毒劑探測(cè)技術(shù)及設(shè)備

劉二平，趙宴輝，韓洋洋，岳 強(qiáng)，于開錄

綜述

美國(guó)海軍艦隊(duì)的生化毒劑探測(cè)技術(shù)及設(shè)備

劉二平1，趙宴輝2，韓洋洋2，岳 強(qiáng)2，于開錄2

（1.海裝北京局駐邯鄲地區(qū)軍事代表室，河北邯鄲 056002；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所，河北邯鄲 056027）

首先簡(jiǎn)要介紹化學(xué)武器、生物武器的歷史及給人類帶來的災(zāi)難。然后詳細(xì)介紹美國(guó)M256試劑盒/M8試紙、離子遷移普（IMS）、MK26/0型和IPDS-LR等化學(xué)毒劑探測(cè)設(shè)備和聯(lián)合生物點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)（JBPDS）、聯(lián)合生物制劑識(shí)別和檢測(cè)系統(tǒng)（JBAIDS）和聯(lián)合化學(xué)、生物和放射性水監(jiān)測(cè)器（JCBRAWM）生物戰(zhàn)劑檢測(cè)系統(tǒng)。這些為我國(guó)的化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑的檢測(cè)提供參考。

化學(xué)武器 生物武器 檢測(cè)技術(shù) 美國(guó)海軍艦隊(duì)

0 引言

現(xiàn)代的作戰(zhàn)人員面臨著廣泛的威脅，這些威脅不僅有“力量對(duì)抗”戰(zhàn)場(chǎng)中的常規(guī)武器，也有“非對(duì)稱”型的恐怖主義襲擊和游擊戰(zhàn)。近年來，以生化武器為代表的大規(guī)模殺傷性武器引起了公眾和新聞媒體的注意。美蘇等國(guó)在冷戰(zhàn)期間囤積了大量生化武器，隨著蘇聯(lián)解體，部分武器流落到世界各地，給世界各國(guó)帶來的威脅仍然存在。

1 化學(xué)戰(zhàn)劑的發(fā)展及威脅

化學(xué)戰(zhàn)在遠(yuǎn)古時(shí)代就得到應(yīng)用，通過燃燒植被或硫磺以獲得有毒煙霧，可以迫使城內(nèi)士兵投降。第一次世界大戰(zhàn)時(shí)，氯氣和芥子氣等化學(xué)毒劑被大規(guī)模使用，造成數(shù)千人死亡和受傷[1]。圖1是在戰(zhàn)場(chǎng)上使用的萊文式毒劑放射器，包含外殼、藥劑及其推進(jìn)劑。

圖1 萊文式毒劑放射器

20世紀(jì)30年代，德國(guó)研制G系列神經(jīng)性化學(xué)毒劑，被認(rèn)為是潛在有效的武器。隨著冷戰(zhàn)開始，神經(jīng)毒劑、芥子氣以及VX等被美國(guó)、蘇聯(lián)及其各自的盟友作為標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)武器而存儲(chǔ)[2～3]。

除了化學(xué)毒劑，有毒工業(yè)化學(xué)品物質(zhì)（TICS）也能對(duì)人類社會(huì)造成威脅。雖然毒性比傳統(tǒng)的化學(xué)毒劑小得多，但是分布范圍非常廣，存在于所有化學(xué)工業(yè)場(chǎng)地，一旦泄露，勢(shì)必造成重大危害，例如1984年印度的博帕爾災(zāi)難。

和化學(xué)武器威脅一樣，生物武器的威脅同樣可以追溯到中世紀(jì)時(shí)期攻城戰(zhàn)爭(zhēng)。生物武器的威脅來自20世紀(jì)初，并在冷戰(zhàn)時(shí)期達(dá)到頂峰。日本在中國(guó)等地進(jìn)行了大規(guī)模的生物毒劑投放，美國(guó)也在朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)和越南戰(zhàn)爭(zhēng)，多次實(shí)施生物戰(zhàn)，并囤積了大量生物武器[4]。冷戰(zhàn)末期，隨著非對(duì)稱戰(zhàn)爭(zhēng)的上升，生物武器開始發(fā)展并形成新的威脅。

為了應(yīng)對(duì)生化武器的攻擊，有必要開展迅速而且有效的檢測(cè)，為人員和設(shè)施防護(hù)提供預(yù)警。美國(guó)海軍力量遍及全世界，受到的“非對(duì)稱”型威脅也更多一些，因此艦船上陸續(xù)配置多種檢測(cè)儀器，本文進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 化學(xué)武器威脅的檢測(cè)技術(shù)

化學(xué)戰(zhàn)劑可以通過爆炸性彈藥，如炮彈、導(dǎo)彈或簡(jiǎn)易爆炸裝置釋放，也能在空中通過噴霧方式釋放。水蒸汽、空氣中的氣溶膠、物體表面上的液體、土壤或水中的污染物都可以傳播化學(xué)戰(zhàn)劑[5]。為了應(yīng)對(duì)化學(xué)戰(zhàn)劑傳播，美國(guó)海軍艦船上配置了點(diǎn)檢測(cè)器、遠(yuǎn)程檢測(cè)器或隔離檢測(cè)檢測(cè)器。

2.1 M256試劑盒和M8/9試紙

M8（M9）試紙用于檢測(cè)液體化學(xué)戰(zhàn)劑的存在，或者被固定在物體表面上以檢測(cè)戰(zhàn)劑液滴的反應(yīng)。該試紙上浸有的化學(xué)活性染料能產(chǎn)生特有的顏色變化，這種顏色變化是對(duì)應(yīng)的毒劑樣品所特有的。例如，如果M8試紙變紅則表示存在芥子氣，試紙由橙色變淺黃色則表明存在G神經(jīng)毒劑，而VX神經(jīng)毒劑則會(huì)使其變?yōu)樯罹G色。M256試劑盒是一種雙組分檢測(cè)試劑盒，如圖2所示。

M8試紙和M256試劑盒用于艦船被攻擊后的檢測(cè)，以及被攻擊后預(yù)定安全路線的檢查。M8紙可以粘貼在船外部表面，并監(jiān)測(cè)顏色變化以指示氣溶膠的到達(dá)。對(duì)于氣體化學(xué)戰(zhàn)劑，如果M256樣品變成藍(lán)色則表示有神經(jīng)毒氣，變成藍(lán)紫色表示有芥子氣，變成橄欖色表示有糜爛性毒氣。

圖2 M256套裝

2.2 離子遷移譜（IMS）

IMS是一種通過電離吸入檢測(cè)器的空氣樣品檢測(cè)化學(xué)毒劑存在的技術(shù)。離子遷移普分析儀首先電離空氣組分，然后測(cè)量在電離區(qū)域中形成的離子簇穿過檢測(cè)器內(nèi)恒定電場(chǎng)的時(shí)間來分析樣品的，以便確定毒劑的種類。不同尺寸、極化率和電子親和力的離子簇穿過電場(chǎng)區(qū)域的時(shí)間也不同，因此它們產(chǎn)生的IMS特征不同。與其他分析技術(shù)相比，例如質(zhì)譜分析儀，IMS簡(jiǎn)單便宜并且可以安裝在輕質(zhì)傳感器中。因此，IMS探測(cè)器已被用于多種場(chǎng)合，包括在艦船上使用。圖3顯示了離子遷移普單元。

圖3 離子遷移普單元

圖4 聯(lián)合化學(xué)毒劑探測(cè)器

化學(xué)毒劑監(jiān)測(cè)器（CAM）、改進(jìn)的化學(xué)毒劑監(jiān)測(cè)器（ICAM）和自動(dòng)化學(xué)劑探測(cè)器警報(bào)器（ACADA）是美國(guó)軍方使用的首批IMS探測(cè)器。這些檢測(cè)器是為陸軍在陸基任務(wù)中使用而設(shè)計(jì)。聯(lián)合化學(xué)毒劑探測(cè)器（JCAD）應(yīng)用在海軍中，用于遠(yuǎn)征、爆炸性彈藥處理和醫(yī)療任務(wù)。它用于檢測(cè)空間內(nèi)部、表面、設(shè)備和人員沾染的毒劑，并為用戶提供自動(dòng)探測(cè)、識(shí)別、定位和警報(bào)功能。JCAD如圖4所示。

Mk 26/ 0型改進(jìn)點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)（IPDS）是一種IMS探測(cè)器，被用于監(jiān)測(cè)船舶的外圍情況，已經(jīng)為船隊(duì)服務(wù)超過10年。隨著Mk26/0達(dá)到其使用壽命的終點(diǎn)，選擇了系統(tǒng)生命周期替代型的改進(jìn)點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)（IPDS-LR）。該系統(tǒng)于2010年完成測(cè)試，并于2011年底開始在海軍艦船上列裝。IPDS旨在檢測(cè)船舶外圍空間是否存在化學(xué)戰(zhàn)劑， IPDS-LR將在不損失性能、可靠性和可維護(hù)性的情況下能夠完成同樣的任務(wù)。IPDS-LR系統(tǒng)的描述和功能描述如圖5所示。

圖5 IPDS-LR系統(tǒng)組成

3 生物武器的檢測(cè)技術(shù)

目前可以被檢測(cè)的生物戰(zhàn)劑既可以是可吸入的氣溶膠，也可以是其他形式，如飲用水，它們可以通過人體接觸傳播。為檢測(cè)這些生物戰(zhàn)劑威脅需要綜合各種技術(shù)，每種技術(shù)都需要根據(jù)被檢測(cè)的樣本類型和使用環(huán)境進(jìn)行定制[6]。

目前部署到美國(guó)艦隊(duì)的三個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)是聯(lián)合生物點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)（JBPDS）、聯(lián)合生物制劑識(shí)別和檢測(cè)系統(tǒng)（JBAIDS）和聯(lián)合化學(xué)、生物和放射性水監(jiān)測(cè)器（JCBRAWM），分別覆蓋了空中、醫(yī)療和水面等領(lǐng)域。

與JBPDS一樣，正在研發(fā)的聯(lián)合生物戰(zhàn)術(shù)檢測(cè)系統(tǒng)（JBTDS）也可以檢測(cè)空氣中的生物氣溶膠。目前JBTDS與干燥過濾裝置單元一并部署在美國(guó)的艦隊(duì)和一些陸基設(shè)施中。JBAIDS和JCBRAWM探測(cè)器并不專門針對(duì)空氣中藥劑的檢測(cè)。 JBAIDS采用聚合酶鏈反應(yīng)擴(kuò)增和鑒定靶因子的遺傳物質(zhì)，是一種確認(rèn)性檢測(cè)和標(biāo)定系統(tǒng)，主要針對(duì)醫(yī)學(xué)樣本。JCBRAWM是一種通過分析手持式抗體檢測(cè)卡的水樣來檢測(cè)兩種生物制劑（蓖麻毒素和葡萄球菌腸毒素），及通過提取在熱金屬板上的水樣讀取輻射值來檢測(cè)大劑量的α和β放射性污染的指示和計(jì)算設(shè)備（RADIAC）。其中JCBRAWM和手持式檢測(cè)卡如圖6所示。

雖然化學(xué)戰(zhàn)劑檢測(cè)允許通過化學(xué)或物理的相互作用原理直接檢測(cè)目標(biāo)物種，但生物物種的復(fù)雜性和大尺寸性為生物檢測(cè)帶來額外困難。每個(gè)生物戰(zhàn)劑檢測(cè)系統(tǒng)都要求首先收集樣本，然后依靠抗體捕獲抗原或重組DNA，再進(jìn)行分離檢測(cè)和標(biāo)定等步驟才能推斷或確認(rèn)被檢測(cè)目標(biāo)的物種。

圖6 聯(lián)合生物點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)及手持式檢測(cè)卡

正如化學(xué)檢測(cè)一樣，有必要采用遠(yuǎn)程或隔離檢測(cè)方式獲得空氣中生物的物種，光學(xué)技術(shù)是解決該問題的首選方法。例如光探測(cè)和測(cè)距（LIDAR）來檢測(cè)可疑的氣溶膠云團(tuán)。生物檢測(cè)與化學(xué)檢測(cè)不同的是通過電磁輻射直接標(biāo)定目標(biāo)物種是不允許的，而現(xiàn)有技術(shù)可以做到的最好結(jié)果是確定目標(biāo)物種的來源。

4 未來發(fā)展

美國(guó)海軍艦隊(duì)雖然已經(jīng)配備了眾多生化武器檢測(cè)儀器，美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心仍然在開發(fā)和部署一系列新型檢測(cè)系統(tǒng)，從對(duì)手的意圖情報(bào)開始，并通過遠(yuǎn)程檢測(cè)，以及船內(nèi)外點(diǎn)檢測(cè)的多層措施，以應(yīng)對(duì)各種化學(xué)和生物威脅。通過多方參與聯(lián)合計(jì)劃，美國(guó)海軍能夠利用其他服務(wù)的開發(fā)工作，與研究，開發(fā)和系統(tǒng)工程一起，為船隊(duì)提供一套滿足這些要求的探測(cè)器，未來的努力將增強(qiáng)這套檢測(cè)功能。

[1] Dayton T. American Poetry and the first World War[M]. 2018.

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Biochemical Detection Technology and Equipment for US Navy Fleet

Liu Erping1, Zhao Yanhui2, Han Yangyang2, Yue Qiang2, Yu Kailu2

(1. Navy Representative of Beijing Bureau Office of in Handan, Handan 056002, Hebei, China; 2 .The 18th Research Institute of CSSC, Handan 056027, Hebei, China)

TJ92

A

1003-4862（2021）09-0044-03

2020-11-30

劉二平（1977-）碩士，工程師。研究方向：自控。Email：yukailu@aliyun.com