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國土安全相關分析測試技術的現(xiàn)狀與趨勢

文檔作者：陳煥文姜杰金欽漢文檔來源：吉林大學化學學院吉林省光譜分析儀器工程技術研究中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月12日
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現(xiàn)代科學儀器 2006 3 3
國土安全相關分析測試技術的現(xiàn)狀與趨勢
陳煥文 姜 杰 金欽漢*
吉林大學化學學院 吉林省光譜分析儀器工程技術研究中心 長 春 130023
E-mail:qhjin@jlu.edu.cn
摘 要 911事件以后與國土安全相關的技術迅速成了研究的熱點以美國為首的發(fā)達國家投入了大量的人力物力發(fā)
展與國土安全相關的分析測試技術使相關技術得到了空前的發(fā)展本文介紹了2005 年美國匹茲堡會議PITTCON 上以
及近年來相關文獻報導中國土安全相關分析測試方面的新方法新技術和新儀器
關鍵詞 國土安全; 匹茲堡會議
中圖分類號 O657
Some New Techniques and Methods for Homeland Security
Chen Huanwen, Jiang Jie, Jin Qinhan*
(College of Chemistry, Jilin University, Jilin Province Research Center for Engineering and Technology of Spectral Analytical Instruments,
Changchun 130023, China)
Abstract After the September 11 tragedies in 2001, more eyes focus on research and development of instruments for
homeland security use. This article reviews the major trends in this direction, and shows some new techniques and devices
for homeland security in PITTCON2005 and some literatures.
Key words Homeland security; PITTCON2005
1 引 言
國土安全Homeland Security 相關技術在美國911
襲擊事件之后迅速成為美國等發(fā)達國家的研究熱點從
PITTCON 的情況來看自2002 年到2005 年集中討論
國土安全相關分析測試技術的分會有了大幅度增加而
且還有一個WORKSHOP 在2004 年9 月美國橡樹嶺
國家實驗室和國土安全部還專門召開了一個國土安全
相關檢測器/ 傳感器的研究與技術的大會參加該會
議的人員主要來自軍方各研究室和與軍方合作的各個高
校的研究小組大約有500 人出席由于該會議的特殊
性非美國國籍的研究人員所占比例非常低其中中國
籍研究人員有3 名而實際提交報告的只有1 名從國
際上發(fā)表的文獻來看從2001 年起到2004 年止以國
土安全為標題的學術文章就有2 0 8 篇本文將以
PITTCON2005 為主要資料來源結(jié)合作者所參加的其
他相關會議所從事的相關研究及文獻報導簡要評述
與國土安全相關的分析測試技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
2 PITTCON2005 有關國土安全方面分析檢測
技術的信息
在新的形勢下國土安全要求儀器小型化的同時要
保持儀器的靈敏度這顯然將增加儀器的研制成本為
了降低成本和便于加工開發(fā)了導電玻璃Resistive
glass 并且已經(jīng)加工成了離子漂移管和離子光學系統(tǒng)
成功地應用到了離子淌度譜Ion Mobility Spectrometry,
IMS 和飛行時間質(zhì)譜Time of Flight Mass Spectrometry,
TOF-MS 中990-3 會上有人討論了DARPA R&amp;amp;D 在打擊
恐怖主義在生物和化學武器的檢測防護消除等方面
所起的作用和機制300-4 激光誘導放電光譜法(Laser-Induced
Breakdown Spectroscopy, LIBS)能夠區(qū)分含有生物
和化學武器的氣溶膠來自加州大學的Steven G. Buckley
教授討論了這一方法在環(huán)境保護和國土安全等方面的重
要應用前景2160-2 美國軍方研究實驗室US Army Research
Laboratory 則已經(jīng)開發(fā)出便攜式的LIBS系統(tǒng)并
且詳細研究了實驗條件如激光強度脈沖時間入射
角和收集角度等對信號的影響還對高能材料地雷
生化武器等的檢測進行了初步實驗2160-1 這一技術在對
粉末狀樣品的檢測中顯示了比較強的競爭力660-8 2130-2
差示淌度譜(Differential Mobility Spectrometry,
DMS) 是在IMS 的基礎上發(fā)展起來的新技術在DMS
中其主要任務是辨別樣品之間的差別而對其個別的
具體差異不作深入的探究1710-1
拉曼和熒光一直是非常靈敏的檢測手段但由于其
儀器的復雜性還沒有在現(xiàn)場分析中得到廣泛應用
收稿日期2005-11-10
作者簡介陳煥文1973- 博士主要從事質(zhì)譜相關技術的研究 *聯(lián)系人金欽漢教授博士生導師
綜述與評論
萬方數(shù)據(jù)
4 Modern Scientific Instruments 2006 3
Hach 國土安全技術實驗室(Hach Homeland Security
Technologies)已將熒光和粒子計數(shù)技術結(jié)合起來探討
了熒光和拉曼光譜在國土安全現(xiàn)場檢測中的應用1360-5
熒光和拉曼的結(jié)合可能用于生物樣品的檢測具有非接
觸非破壞無需試劑等優(yōu)點文獻730-4 10-32P 分
別介紹了拉曼和熒光光譜進行化學成像的技術雖然成
像技術要求有很高的數(shù)據(jù)處理能力100M/s 10-40P 也
有望在國土安全領域得到重要應用730-1 可以對指紋紙
張等表面上的違禁藥品進行鑒定1880-8P 而這樣的檢測
如指紋中痕量可卡因的檢測通常都需要用GC/LC 進行
分離
美國國土安全部Department of Homeland Security
的Charles McQueary則強調(diào)了生物武器的危害和防護300-1
美國農(nóng)業(yè)部U.S. Department of Agriculture, USDA
重點進行了動植物檢疫與安全防護等方面的研究300-5
將納米粒子沿著50 to 130- m 寬50- m 深的
管道移動的電動遷移Electrokinetic Migration 技術已
被成功地應用于國土安全相關的免疫分析中作待測物的
分離富集150-8
IMS 一直以它的高靈敏度低能耗小體積輕重
量以及合理的價格而在現(xiàn)場爆炸物檢測生物武器化
學武器探查方面有廣泛的應用1340-11P 實際上IMS 還可
以用作在大氣壓下進行采樣和分離的工具與TSQ1340-
10P TOF1880-25P 等質(zhì)譜儀聯(lián)用后則是檢測爆炸物化學武
器等的強有力工具只是目前還難以便攜化但是有
人已經(jīng)提出了采用集成電路技術來簡化IMS 的構(gòu)造730-7
尤其是漂移管部分可望在將來使IMS 大大簡化
電子鼻對揮發(fā)性化學物質(zhì)的檢測一直是小型化儀器
現(xiàn)場應用的一個典型例子但是由于爆炸物的難揮發(fā)
性使得其難以在TNT 等爆炸物的檢測中得到很好的應
用30-1 也有將核酸增鏈與雜交反應與陣列式檢測器結(jié)
合制備了對細菌和病毒等生物武器非常敏感的便攜式
檢測器30-5
一次性的空氣取樣器在400 L/min 的采樣速率下
對粒徑為1~10 m 的粒子的收集率為80% 能夠同時
收集生物武器和化學武器樣品克服了以往的采樣器只
能夠收集單種樣品難以攜帶價格昂貴等缺點1880-17P
1080-19P 為了便于對水體樣品中VOCs 的檢測還報道了
一種能夠自動暴氣和俘獲VOCs 的采樣器可以對水樣
進行連續(xù)監(jiān)測10-28P 為了進行表面吸附物質(zhì)的靈敏檢
測需要對表面吸附物質(zhì)進行解吸已經(jīng)報道的方法為
采用IR輻射加熱器對表面加熱后釋放其吸附的物質(zhì)然
后用IMS 等進行檢測10-14P
為了進一步降低能耗提高分離富集倍率與速度
可以將常規(guī)的分離富集器圖1a 進行集成圖1 b
由此得到的分離富集器件對T N T 的富集效果可提高
1000 倍1880-23P 類似的分離富集裝置還可將細菌病毒
等加以富集10-30P
圖1 常規(guī)分離富集器件與微集成器件對TNT 的分離富集效果比較
對未知樣品的成分鑒定一般需要使用IR GC/LCMS
NMR UV-Vis 等多種手段往往需要比較多的樣
品預處理一般情況下經(jīng)過了某一儀器檢測的樣品就
難以用于后續(xù)儀器的檢測所以導致樣品的耗量較大
如果使用V 型VSphere 取樣裝置則可以對mg 級的
樣品進行準確的紅外光譜測量測量后的樣品還可供后
續(xù)儀器分析時繼續(xù)使用10-31P
來自日本國家警用科學研究院的Yasuo Seto 詳細報
道了日本政府在沙林毒氣等化學武器的防護及其檢測技
術等方面的政策與現(xiàn)狀在國際上宣示了日本政府在反
對恐怖主義方面的技術實力與決心30-4
磁性玻璃小球也被用來進行RNA 的分離可以對
基因武器等進行快速高通量的特異性檢測2130-10
加州大學圣迭哥分校的Michael J. Sailor 報道了用
小孔進行編碼的納米硅器件通過測量反射光的強度和
波長就可以知道被測物質(zhì)的折射率從而可以測定細
菌病毒等生物和化學武器30-2
根據(jù)需要美國等發(fā)達國家已成立應急毒物學實驗
室Emergency Toxicology Laboratory 集結(jié)專門的人
員來協(xié)助醫(yī)生對中毒人員進行確診以便最大限度地快
速搶救1520-4
復雜樣品的分析一般需要進行分離比如采用
LC/CE 與MS 聯(lián)用則可以非常有效地測定各種爆炸物
1520-1 1880-3P 10-29P
偏振光譜與FTIR 的結(jié)合將可對粉末狀樣品中的細
菌病毒等生物武器進行高準確率的鑒定大大降低了
假陽性提高了準確度730-4
微懸臂Microcantilever 在爆炸物的檢測方面曾
經(jīng)表現(xiàn)出非常明顯的優(yōu)點在美國為主的國家中這一
技術已經(jīng)在很多研究小組中深入進行在2 0 0 5 年的
PITTCON 上則有報道將微懸臂應用于化學戰(zhàn)劑的檢
測在DMMP 的濃度為 40 ppb (0.2 mg/m3)時表現(xiàn)出
良好的可逆性2130-6
水質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測在國土安全中顯得尤為重要美國
萬方數(shù)據(jù)
現(xiàn)代科學儀器 2006 3 5
辛辛那提州的EPA 實驗室已經(jīng)開發(fā)出來能夠連續(xù)監(jiān)測水
體pH 值電導率溫度鹽堿度余氯等指標的裝置
390-9 也有用GC/MS 和LC-ESI-MS 來進行水質(zhì)檢測的報
道10-38P
甲基磷化合物可以用CE 分離后用UV 檢測器進行
檢測可以測定土壤水樣等復雜樣品中的微量待測物
1540-3P
還有LC-ESI-MS 進行病毒和細菌的分離檢測的報
道2000-1 單片集成的液相色譜分離柱可以和ESI-MS 聯(lián)
用方便地實現(xiàn)快速分離和靈敏檢測因而可用于現(xiàn)場
的細菌病毒等的快速鑒定280-16P
Ramsey研制的離子阱半徑為0.25 mm的柱形離子阱
質(zhì)譜儀80-4 重量為10 kg 功耗為75 W Cooks 實驗室
研制的基于矩形離子阱的小型質(zhì)譜儀的重量為8 kg 功
耗為50 W 而其性能如靈敏度質(zhì)量范圍等則比
相應的CIT 要好的多使用這種小型的儀器可以實現(xiàn)
分子/ 離子反應更加確保了檢測結(jié)果的可靠性排除
了假陽性的可能如果使用陣列式質(zhì)量分析器則可以
大大提高樣品分析的通量提高分析速度
3 近年來文獻報導的關于國土安全方面分析
檢測的新方法和新技術
爆炸物的檢測是國土安全技術的一個重要方面爆
炸物是危害公共安全最重要因素之一因此對爆炸物檢
測的新方法新技術不斷涌現(xiàn)并且向著高靈敏度現(xiàn)
場實時快速便攜等方向發(fā)展
質(zhì)譜法是檢測無機元素有機化合物和生命物質(zhì)的
最有力的方法之一在爆炸物檢測方面也顯示出其特有的
優(yōu)勢以質(zhì)譜為檢測方法的相關研究和文獻報導也最多
C. Sanchez 等建立了用C-18 膜在線固相微萃取
(SPME)技術進樣LC-MS 檢測空氣中的硝基芳香烴化合
物的方法[1] 通過如圖2所示的萃取裝置對三硝基甲苯
TNT 和二硝基甲苯DNT 等爆炸物的檢出限可達到
飛克級富集后的樣品直接進入色譜的流動相分離后
由裝配有大氣壓化學電離源APCI 的三級四極桿質(zhì)譜
儀檢測該方法可以準確分析復雜的混合氣體樣品中的
痕量爆炸物具有準確度高快速檢出限低等優(yōu)點
圖2 萃取裝置圖1. 聚四氟乙烯墊環(huán) 2. C-18膜 3. 不銹鋼網(wǎng)
美國橡樹嶺國家實驗室的Barshick S. A.和W. H.
Griest也建立了采用固相微萃取技術對海水中的痕量爆
炸物進行檢測的方法[2] SPME 由涂有極性吸附劑聚
乙二醇- 二乙烯基苯的石英纖維組成采用Finnigan
MAT 的氣相色譜離子阱質(zhì)譜儀進行檢測由于離子
阱質(zhì)譜可以做MSn 增加了分析的準確性該方法能精確
的分析海水中TNT 和黑索金RDX 的氨基代謝產(chǎn)物
從而判斷出此類爆炸物的存在及其濃度
各種形式的質(zhì)譜儀在爆炸物的檢測中都得到了應
用如電噴霧傅立葉變換離子回旋共振ESI-FTICR
質(zhì)譜儀對各種爆炸物的檢測[3] 通過APCI-LC-MS 對硝
基芳香族化合物分解產(chǎn)物的檢測實現(xiàn)對TNT 等爆炸物
的鑒別[4] 飛秒激光解析飛行時間質(zhì)譜儀對硝基芳香烴
類爆炸物的檢測[ 5 ] 等離子體解析質(zhì)譜對奧克托今
HMX RDX CL-20 硝化甘油NG 肽胺PETN
TNT 等爆炸物的檢測[6] 利用ESI 離子阱質(zhì)譜的碰撞
誘導碎裂CID 對一些硝基爆炸物的鑒別[7]等分子離
子反應[8-10]也在質(zhì)譜檢測爆炸物方面有廣泛的應用
離子淌度譜被譽為窮人的質(zhì)譜因不需要在高
真空下操作所以儀器結(jié)構(gòu)簡單價格便宜利于小型
化便攜化而且其性能也可以達到對爆炸物的檢測要
求因此離子淌度譜在爆炸物的檢測方面也有廣泛的應
用
Tam M.和H. H. Hill 采用二級電噴霧離子化源[11]
Secondary Electrospray Ionization, SESI 的IMS直接檢
測氣相和液相中的RDX NG 和PETN [12] 儀器結(jié)構(gòu)如
圖3 所示由SESI 分別形成的RDX NO2
- NG NO3
-
和PETN NO3
- 使其可在檢測器產(chǎn)生較強的信號提高
了靈敏度I M S 也經(jīng)常和質(zhì)譜聯(lián)用作為分離的手段
Asbury G. R.等[13]采用ESI-IMS-MS聯(lián)用儀器在負離子模
式下實現(xiàn)了對多種爆炸物的檢測固相微萃取[14 15] 電
暈電離[16]等技術也在IMS 檢測爆炸物中有較好的應用
此外用IMS 對爆炸物檢測的商品化儀器也不斷的涌現(xiàn)
美國GE Ion Track 公司推出的ITEMISER3 炸藥/ 毒品探
測器的靈敏度可達10-12 g 分析時間只有幾秒鐘重量
12 Kg 而其推出的便攜式炸藥/毒品探測器只有3.2 Kg
圖 3 SESI-IMS裝置圖
萬方數(shù)據(jù)
6 Modern Scientific Instruments 2006 3
此外免疫學的方法[17-20] 生物傳感器[21, 22] 毛細
管電泳[23] 微懸臂技術[24, 25] 化學發(fā)光[26]等方法在爆炸
物的檢測中也都得到了成功的應用
生化武器問世以來一直遭到全世界愛好和平人士
的反對國際社會為禁止生化武器作了不懈的努力但
大批的生化武器仍然存在而且恐怖分子使用生化戰(zhàn)劑
進行恐怖襲擊的可能性始終存在因此對生化戰(zhàn)劑的
檢測方法也在不斷的發(fā)展可靠快速方便的新技術
和新方法不斷涌現(xiàn)
鳥槍Shotgun 蛋白質(zhì)組技術已經(jīng)成為快速分析復
雜背景下蛋白質(zhì)的可靠方法VerBerkmoes N. C.等將其
應用于生物戰(zhàn)劑的檢測[27] 與質(zhì)譜聯(lián)用的鳥槍技術可以
準確快速的辨別復雜環(huán)境中的生物戰(zhàn)劑通過郵件傳
播的炭疽熱曾讓美國人恐慌Farquharson, S.等采用
Raman 光譜對郵件進行監(jiān)測[28] 通過真空抽氣和過濾設
備收集0.5-3 m 的顆粒以波長785 nm 功率400 mW
的激光為激發(fā)源對炭疽病毒的檢出限為4.5 mg 納米
技術在分離和檢測生化戰(zhàn)劑中也有非常重要的作用
Lawrence Livermore國家實驗室開發(fā)出多種以納米硅為
基質(zhì)的檢測生化武器的方法[29] 基于整個細胞的檢測組
胺的生物傳感器也已經(jīng)被開發(fā)成功[30] 傳感器中采用吸
附在有離子選擇性作用的三乙酸纖維素膜上的單層人臍
靜脈內(nèi)皮細胞被檢測物可很容易地通過擴散透過單層
膜到達離子選擇電極繼而被檢測該傳感器對組胺有
高度的選擇性能在復雜的環(huán)境中直接檢測組胺的濃
度
放射性物質(zhì)的檢測也是國土安全的一個重要方面
可以通過檢測來判斷放射性物質(zhì)源乃至核武器的威脅
手持式或便攜式的可以連續(xù)監(jiān)測放射性物質(zhì)的儀器已有
文獻報導[31-33]
9.11事件以后大批的科學家參與到國土安全方面
技術和方法的研究各國尤其美國政府也投入了大
量資金從而使國土安全方面新的檢測技術方法儀
器裝置得到了空前的發(fā)展總的來看國土安全相關技
術涉及的領域遍布分析科學的幾乎所有分支但是主要
還是以光譜質(zhì)譜色譜電化學等為主相關儀器的
發(fā)展趨勢是更小更輕更節(jié)能更簡單更便宜并
且向著實時監(jiān)測方向發(fā)展
參考文獻
第一部分的數(shù)字上角標為PITTCON2005 論文摘要編號
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萬方數(shù)據(jù)
國土安全相關分析測試技術的現(xiàn)狀與趨勢
作者： 陳煥文， 姜杰， 金欽漢， Chen Huanwen， Jiang Jie， Jin Qinhan
作者單位： 吉林大學化學學院,吉林省光譜分析儀器工程技術研究中心,長春,130023
刊名：
現(xiàn)代科學儀器
英文刊名： MODERN SCIENTIFIC INSTRUMENTS
年，卷(期)： 2006，(3)
引用次數(shù)： 1次
參考文獻(33條)
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相似文獻(0條)
引證文獻(1條)
1.陳煥文.姜杰.李明.費強.金欽漢.羅明標.王志暢.張燮在小型質(zhì)譜儀上利用質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應測定甲基磷酸二甲酯的質(zhì)子親和勢[期刊論文
]-分析儀器 2007(02)
本文鏈接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xdkxyq200603001.aspx
下載時間：2010年2月27日

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