近年来,叙利亚化武危机,金正男遭毒剂袭杀、前俄罗斯双面间谍遇刺等恐怖事件,以及天津港大爆炸等化学事故,均一再表明化学威胁的严峻形势。而且随着科技的发展,化学品种类日益繁多,在带给人们便捷的同时,也存在着巨大的潜在威胁。目前,从剧毒化学战剂、易燃易爆化学品,到普通低毒化工品,有着数以百万计的种类,且其结构、性质各异,毒剂的状态有固体、液体、气体、气溶胶等多种,即便在侦检、鉴定仪器迅速发展的今天,要快速、准确地识别化学威胁也存在着相当大的难度。而基于化学传感等技术的侦检装备具有响应快、准确度高、智能便携等特点,得到越来越广泛的应用。

1、现场侦检装备在应对化学威胁中的作用

为了应对化学威胁、保障人民生命财产和环境安全,利用化学传感等装备进行监测预警、现场侦检排查和移动实验室确证是重要的威胁监控手段和应急处置方式(图1)。由图1可以看出,监测预警包括在某一地点或部门(如化学储运设施或仓库)预置化学传感器,以监测泄露等突发事件;利用远程遥测传感装备在较远距离对可能发生的突发化学事件进行及时预警;在重要区域(大型会议、赛事)建立化学传感器局域网络集成,以及时预警施毒等恐怖行为;实现在源头上7×24h监控化学事故的发生和发展,防患于未然或规划事故现场管制范围,从而控制或降低突发化学事故的危害。

现场侦检包括利用手持式、穿戴式化学传感器材,以及利用机器携带(如侦检机器人)、无人机载化学传感器(如侦检飞行器)进行现场侦检排查,以及时判明事故的类型、规模及化学威胁的种类和危害程度等。移动实验室包括样品前处理设备、手持式化学传感器、固定式化学传感器、车载气相色谱-质谱联用仪等,用以解决现场侦检不能解决或需要进一步确证的问题。由此可以看出,侦检装备在应对化学威胁中扮演着至关重要的角色。其中,基于化学传感等原理的现场快速侦检装备因具有响应快速、易小型化等特点,及较低的研发成本和市场价格等优势,愈来愈受到重视。

目前从原理上分,常用的现场快速化学侦检装备包括电化学传感器(Electrochemicalsensor)、质量敏感型传感器(Mass-sensitivesensor)、红外传感器(Infraredsensor)、拉曼传感器(Ramansensor)、离子迁移谱仪(Ionmobilityspectrometrydetector)、火焰光度检测器(Flamephotometricdetector,FPD)、光致电离检测器(Photoionizationdetector,PID)、中远红外量子级联激光器(Mid-andfar-infraredquantumcascadelaser)、差分吸收激光雷达(Differentialabsorptionlidar,DIAL)、高光谱成像(Hyperspectralimager,HIS)等,而在现场实际应用角度,化学侦检装备包括适用于近距离的便携式侦检装备(含手持、可穿戴等)和远程遥测传感装备等。

图1化学威胁现场监控流程图

2、便携式化学侦检装备

2.1 电化学传感器(Electrochemicalsensor)

电化学传感器是发展较为成熟和应用广泛的一类传感器,主要包括电导型、电位型和电流型。纳米材料(金属纳米材料、金属氧化物纳米材料、碳纳米材料、高分子纳米材料)、分子印迹聚合物、聚合物敏感膜、质子交换膜等具有良好的导电性、化学稳定性、较高的比表面积,为物质的吸附和电化学反应提供了丰富的活性位点,在电化学传感器中起着传感探头与信号放大的双重作用,基于其构建的电化学传感器广泛应用于化学战剂(CWAs)、有毒工业化学品(TICs)与挥发性有机化合物(Volatileorganiccompounds,VOCs)的检测[1]。但由于电化学反应速率受温度影响较大,所以当暴露在极端环境中时,某些电化学传感器的应用会受到限制。

电导型电化学传感器通过目标物引起的敏感材料电导率的变化进行定性定量检测。Lee等[2]以掺杂Al的纳米ZnO为气敏基体材料,构建了可在2s内检测到10ppm(Partspermillion,百万分率)CWAs模拟剂甲基磷酸二甲酯(DMMP)的半导体气敏传感器。Ishihara等[3]基于半导体合成的单壁碳纳米管(S-SWCNT),在5s内检测到ppm级的神经毒剂模拟物——氯磷酸二乙酯(DECP)蒸气。

电位型电化学传感器是最早研究和应用的电化学传感器,通过测定电极平衡时指示电极与参比电极的电位差值来确定物质的电化学活性。高保娇等[4]以农药抗蚜威分子印迹膜为敏感膜,构建了抗蚜威电位型电化学传感器,检出限(Limitofdetection,LOD)为2.5μmol/L。

电流型电化学传感器通过测量电极表面或其修饰层内氧化还原反应生成的电流对目标物质进行检测。Yang等[5]研究发现,基于质子交换膜材料(Nafion)和Pt-Rh/C电极,可在室温下灵敏检测H2S气体(LOD为0.1ppm)。Kim等[6]基于高分子纳米材料,采用聚多巴胺修饰的氧化铟锡电极检测了缓冲溶液中的肼(LOD为1μmol/L)。Liu等[7]用有序介孔碳修饰玻碳电极构建了用于检测溶液中对氧磷(LOD为1.9nmol/L)、对硫磷(LOD为3.4nmol/L)和甲基对硫磷(LOD为2.1nmol/L)的电化学传感器。

电化学传感器因低成本、便携、低功率要求等优势,在可穿戴装备的开发方面具有较大潜力[8]。Wang等[9]基于丝网印刷电极和微型化电子器件,研制了一种可向佩戴者发出安全警报的无线可穿戴戒指,用于检测溶液中的二硝基甲苯(DNT)、对氧磷、H2O2(三者的LOD分别为4mg/L、1mmol/L、200μmol/L)。Arduini等[10]将丝网印刷电极与纸色谱结合,构建了用于检测化学战剂芥子气(HD)液体和气溶胶的便携式纸基电化学传感器,其LOD分别为1mmol/L和0.019g/m3。

近年来,基于新技术及新材料的发展,电化学传感器的检测种类得到拓展,灵敏度和稳定性大幅提高,但其抗干扰能力仍有待进一步优化。在将实验室或在研传感器转换为现场侦检可穿戴小型化装备方面,需在化学威胁的特异性识别,多任务、多分析系统的快速检测方面进行优化,开发能够在复杂现场中以低成本对化学威胁进行快速检测,且具有高度重现性、稳定性、特异性、敏感性的可穿戴小型化装备。

2.2 质量敏感型传感器(Mass-sensitivesensor)

质量敏感型传感器基于质量敏感效应,通过敏感涂层与气体分子的吸附特性引起的质量变化,实现对有毒气体的检测,其灵敏度、选择性和稳定性取决于涂层的理化性质。质量敏感型传感器因结构紧凑、工艺成熟、成本低、适宜于批量生产等优点而广泛应用于有毒有害气体的检测。

2.2.1 体声波(Bulkacousticwave,BAW)传感器

BAW传感器因声波在晶体内部从一面传递到另一面而得名,常见的石英晶体微天平(Quartzcrystalmicrobalance,QCM)就属于此类传感器。Lal等[11]利用掺杂12.5%纳米粘土的聚环氧氯丙烷薄膜对压电晶体进行修饰,构建了可在60s内检测0.17ppmHD蒸气的QCM传感器。Xu等[12]以一种新型的金属络合物[Cu(DDS)2(Cl)2(MeOH)2]为传感材料构建了用于检测甲醛蒸气的高灵敏传感器,其LOD为50ppb(Partsperbillion,十亿分率)。葛巍巍等[13]以具有氢键酸性的氟化醇为敏感端基的超支化敏感聚合物作为材料,构建了用于检测三硝基甲苯(TNT)蒸气的高灵敏(LOD为0.22nmol/L)传感器。

2.2.2 表面声波(Surfaceacousticwave,SAW)传感器

表面声波是指声波在晶体表面上从一位置传递到另一位置,与多用于实验室检测的QCM传感器相比,在表面吸附侦检方面具有较高灵敏度的SAW传感器多用于现场侦检,但该类传感器在前次报警后的恢复时间较长,灵敏度随着测试的进行也会大幅降低,在现场侦检中已逐渐被其他装备所取代。

Love波传感器是由支持传播水平剪切型表面波的压电晶体及沉积于其上的声波导层构成的一种SAW传感器,与普通SAW传感器相比,Love波传感器灵敏度更高、性能更优[14]。Sayago等[15]以氧化石墨烯为敏感膜构建了用于检测CWAs模拟剂二丙二醇甲醚(DPGME,LOD为40ppb)及DMMP气体(LOD为9ppb)的Love波传感器,灵敏度及重现性良好。

2.2.3 微悬臂梁传感器(Microcantileversensor)

基于微机电系统(Micro-electro-mechanicalsystem,MEMS)的微悬臂梁传感器表面涂有的敏感层,可在与待测物质发生理化反应后引起悬臂梁的质量变化,从而使悬臂梁谐振频率发生变化,基于此原理可对待测物质进行定量分析。Holthoff等[16]用分子印迹聚合物功能化微悬臂梁上表面,构建了用于检测ppt(Partspertrillion,万亿分率)级TNT降解产物2,4-二硝基甲苯与DMMP的微悬臂梁气体传感器。于海涛等[17]设计了用于检测二甲苯(LOD为30ppm)的集成谐振式微悬臂梁便携式气体检测仪。

质量敏感型传感器具有响应快、灵敏度高、制造成本低、易于小型化等优势,但因其敏感涂层存在易受温度、湿度影响,易被高浓度的蒸气及气溶胶污染、难恢复等不足,其现场装备的开发和使用稳定性仍受到一定的限制。

2.3 红外传感器(Infraredsensor)

红外传感器是基于检测特征红外吸收来鉴定目标化学物质的一类传感装置。2000年,美国ThermoFisherScientific公司研发出了便携式单光束红外传感器—MIRANSapphIRePortableAmbientAirAnalyser,但其存在抗干扰和定性能力差的缺点,已逐渐被后续装备所取代[18]。近年来,傅立叶变换红外(Fouriertransforminfrared,FT-IR)传感器得到了更为广泛的应用,该传感器基于对干涉后的红外光谱进行傅立叶变换,并通过与仪器中储存的光谱进行比对来检测CWAs与TICs等。红外传感器具有灵敏度高、所需样品量少、瞬时无损检测等优点,但该类型传感器存在造价高、不适宜检测复杂基质样品等问题。

2.4 拉曼传感器(Ramansensor)

拉曼传感器是基于拉曼散射效应,通过比对数据库中存储的分子振动、转动信息进行检测鉴定的设备。该类设备可以对透明玻璃或容器中的液体、气体、固体及气溶胶样品进行检测,具有特异性高、非接触式分析等优点,但亦存在易误报、可能造成侦检人员眼部或皮肤损伤等问题。英国SmithsDetection公司研制的手持式拉曼传感器ACE-ID(图2A)能在短时间内检测液体或粉末状的TICs。在对不透明包装内的未知样品进行侦检时,表面材料会产生荧光背景并衰减光束,导致材料本身信号大于样品信号,干扰侦检的正常进行;而美国ThermoFisherScientific公司成功将785nm和1064nm激光集成到一台拉曼传感器中,克服了785nm拉曼光谱下深色或有色样品的强荧光干扰及1064nm拉曼光谱单独使用效率低的缺点[19,20]。

空间偏移拉曼光谱(SpatiallyoffsetRamanspectroscopy,SORS)是拉曼光谱的衍生技术,该技术通过对不同位置的多次测量将样品亚层产生的特征拉曼光谱从表面光谱中分离出来,可穿透厚度为几毫米的非金属密封容器对样品进行测定,提高了侦检工作的效率及安全性。2013年,英国Cobalt公司基于SORS技术研发了Insight100(图2B),因其误报率低、灵敏度高、对非透明材料具有良好的穿透能力而被部署在欧洲部分机场,缩减了机场安检时间[21,22,23]。

表面增强拉曼光谱(Surface-enhancedRamanspectroscopy,SERS)是基于分子所在表面对非弹性散射光子数量的影响,通过制备和优化表面来显著增强拉曼信号而开发的一项技术。Wang等[24]将表面修饰了对氨基苯乙硫醇的AgNPs沉积在硅衬底上所构建的SERS基板实现了TNT的高灵敏度检测(LOD为1pmol/L);谢剑炜等[25,26]基于壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法,成功检测了神经性毒剂和氰化物等化学战剂;李剑锋等[27]以金纳米溶胶作为SERS的增强基底实现了倍硫磷与对硫磷(LOD分别为36、86nmol/L)两种有机磷农药的快速检测。该方法可排除实际果蔬样品中其它物质的干扰,适用于果蔬样品中痕量农药残留的现场快速检测,为SERS在现场快检领域的推广应用奠定了基础。

相干反斯托克斯拉曼散射(Coherentanti-StokesRamanspectroscopy,CARS)是由一个泵浦光子、一个探测光子和一个斯托克斯光子同时与物质相互作用产生一个高能量反斯托克斯光子的过程。该技术用较弱的探测激光提供了比传统拉曼传感器更强的检测信号,在实验室条件下可检测到1m外μg级的DNT粉末,在100ms内可检测距离30cm远ng级的爆炸品粉末[22,28]。多相干反斯托克斯拉曼散射(Multiplexcoherentanti-StokesRamanscattering,MCARS)由飞秒激光源产生,通过组合使多个分子同时振动的超连续脉冲和窄带探针脉冲,可获得完整的拉曼光谱;Pilkington等[28]利用该技术在10ms内检测到痕量的液体CWAs模拟剂(LOD为0.1nL)与爆炸品粉末(LOD为0.2ng)。相比于CARS,MCARS耗时更短,在痕量化学侦检方面具有更广阔的应用前景,但目前昂贵的技术成本限制了二者的发展。

深紫外拉曼光谱(DeepultravioletRaman,DUVRaman)以深紫外激光作为激发光源,具有短波长激发增加光强、光谱耦合增强共振、较低的荧光干扰等优点。美国AlakaiDefenseSystems公司基于248nm的激光,研制了对现场侦检人员眼部和皮肤无损伤的便携式检测器PortableRamanImprovisedExplosiveDetector(PRIED)(图2C),美国ChemImage公司研制了可固定于无人车辆(机器人)上移动检测爆炸品和CWAs的移动探测传感器Shortwave-TargetedAgileRamanRobot(STARR)(图2D)等[29,30,31]。

图2部分手持式、车载式拉曼传感器

2.5 离子迁移谱仪(Ionmobilityspectrometrydetector)

离子迁移谱仪是利用电离源(如镍-63、镅-241等)将样品蒸气电离为离子,并基于离子电荷、大小不同,在一定电场强度下的迁移速率不同而进行检测的设备,特别适合于一些如CWAs、TICs、VOCs等挥发性有机化合物的痕量探测。离子迁移谱仪多使用弱放射性电离源提供电离能,从而利于仪器小型化以用于现场检测。其主要优点是操作简便、灵敏度高、响应快速、准确度高。但同大多现场传感装备类似,在高浓度化学品饱和后,浓度的进一步增加不会使离子迁移谱仪产生更强的信号,传感器也会受到污染,需要一定的清除净化时间并需定期更换过滤器[32,33,34]。为解决此类问题,德国Bruker公司的RAID-M配备了“自动反冲洗”功能,芬兰EnvironicsOy公司的ChemPro系列则采用了开放式离子迁移谱技术。

非对称场离子迁移谱(Fieldasymmetricionmobilityspectrometer,FAIMS)主要利用高场强下离子迁移率随电场强度变化的特性来区分不同种类的化合物,相比传统离子迁移谱在灵敏度和分辨率方面均有明显的提升[35]。朱德泉[36]、陈池来[37]等研制的UV-FAIMS仪可对环境中的苯、二氯苯蒸气进行高灵敏度检测(LOD分别为0.011、0.05mg/m3)。

2.6 火焰光度检测器(Flamephotometricdetector,FPD)

火焰光度法是一种原子光谱技术,基于激发态的原子或原子团回到较低能级时产生的发光现象,对激发态的硫、磷等原子发出的特征光谱进行检测。FPD可高灵敏、快速地判定ppb或ppm级待测目标物中是否含硫、磷、砷等元素或基团,但不能实现对具体化合物的定性检测,现场侦检一般和离子迁移谱仪配合使用[32,38]。

2.7 光致电离检测器(Photoionizationdetector,PID)

PID是利用电离源电离分子,使被电离的分子沿电场梯度到达离子检测器而开发的设备。PID具有很高的灵敏度和较大的动态响应范围,是一种无损的检测方法。但因任何具有较低电离电位的分子都可以被电离,所以PID几乎无选择性,无法在现场侦检中有效地检测高毒性化合物,主要用于VOCs的检测。

3、远程遥测传感装备

远程遥测传感装备可通过红外、激光等远距离感应探测技术,对目标区域毒剂毒物进行快速鉴定和报警。目前,远程遥测传感器得到了开发和广泛应用,可迅速在较大范围区域内获取化学威胁信息,从而减少伤亡和保障战斗效能,部分远程遥测传感器还可实现7×24h监测预警[39]。

3.1 傅立叶变换红外(FT-IR)远程遥测传感器(FT-IRremotetelemetrysensor)

FT-IR远程遥测传感器分主动式和被动式两种,其中主动式基于空气背景和待测物红外辐射、特征吸收光谱的不同,通过远距离扫描分析实现遥测,具有多通道、高精度、高信噪比、宽光谱范围等优点,如德国Bruker公司的RAPIDplus(图3A)能检测半径5公里内ppm级的TICs和CWAs蒸气。被动式是将光源发射至特定目标区,再监测反射回感知器的红外光图谱讯号,从而分析目标区域的化学物质,如美国Midac公司的AM-OP等[29,39]。

3.2 中远红外量子级联激光器(Mid-andfar-infraredquantumcascadelaser)

该类设备实现了中远红外波段的激光输出,一旦化学威胁云团穿过激光束网络,基于化学物质在中远红外波段的“指纹”吸收峰,将测量得到的光谱与光谱库进行对比即可得出准确的结果,在痕量有毒气体的检测中具有灵敏度高、响应速度快等优势。美国BlockEngineering公司基于该技术研制了可以7×24h无人值守工作、远距离识别和检测化学威胁的LaserWarn检测器(图3B)[40,41]。

3.3 差分吸收激光雷达(Differentialabsorptionlidar,DIAL)

基于红外或紫外波段的DIAL利用待测气体吸收峰与吸收谷所在波长的回波信号强度进行反演来确定待测气体的浓度[42]。胡顺星等[43]研制了一套基于紫外波段的车载DIAL系统,可检测3公里内低层大气中的二氧化硫。英国国家物理实验室开发了基于近红外与紫外可见光双波段激光的车载DIAL系统(NPLDIALSystem)(图3C),可在3公里内检测ppb级的VOCs[29]。

图3部分单机或车载远程遥测传感装备

3.4 高光谱成像(Hyperspectralimager,HIS)

该类设备融合了光谱技术和机器视觉技术,采集到的三维高光谱图像中包括两个空间维度和一个光谱维度,可凭借包含大量化学信息的独特光谱特征对未知化合物进行检测,在一定程度上解决了部分传感器因激光点过小需要多次扫描的问题;因其不需要使用高能激光,降低了侦检人员眼部和皮肤损伤的风险[31]。2016年,郑为建等[44]设计了长波红外时空调制高光谱成像实验装置CHIPED-1,该装置可对低空的乙醚、DMMP、NH3和SF6蒸气进行高灵敏度检测,且具有较强的抗干扰能力。美国ChemImage公司基于短波红外HIS技术研制了可用于检测爆炸品和CWAs的LightGuard(图3D),该传感器曾在边境过境点成功侦查和拦截自制爆炸品的贩运[31]。

4、传感器阵列与集成

单一传感器往往不能在复杂情况下对多种未知化学威胁进行同时检测,而传感器阵列或集成可以同时分析复杂混合物中的多个目标组分。为了对大量分析物进行差异响应,传感器阵列应以具有高化学多样性交叉反应的方式进行设计,通过机器学习算法对收集到的数据进行分析从而得出结论[45,46]。

以分子印迹聚合物颗粒或聚合物膜作为识别元件,组合多个具有交互灵敏性的传感器单元,通过分析不同传感器单元对同一样品产生的不同的响应信号,可对复杂体系进行定性定量分析[47]。Uzarski等[45]构建了包含12种特殊聚合物-石墨烯片状纳米颗粒涂层的传感器阵列,将该传感器暴露于5种CWAs模拟剂及8种常见干扰化合物蒸气中共1300次,经一系列的数据处理后采用4种不同的机器学习算法进行分析,对5种结构相似的CWAs模拟剂的分类精度达100%,对所有被测物的分类精度达99%。

将多种化学传感技术集成于一台便携式传感器上,以弥补单一传感器的技术缺陷是未来化学传感器发展的一大趋势。Kostyukevich等[48]将用于检测爆炸品的FAIMS(俄罗斯Lavanda-U有限公司)和半导体气体传感器阵列(上海DFRobot公司)集成在一台大疆matrice-100无人机上,并通过智能手机远距离遥控检测VOCs及TNT蒸气(LOD约为0.1μg/m3)。美国ThermoFisherScientific公司研制了集成拉曼传感器和傅立叶变换红外传感器的手持检测器Gemini,提高了检测的准确性。

随着化学传感技术的发展与现代仪器分析技术的革新,现场侦检装备在向着小型便携、智能、集成化方向发展。表1列出了多种侦检装备的名称、检测对象、代表性产品及主要特点等[39]。为了实现便携、快速响应的优势,在装备开发时会尽量压缩元器件、分析空间等,但其准确性也有所降低(相对于实验室同类装备)。所以,进行现场侦检任务时,要熟悉各种侦检装备的原理,以准确解读和辨别报警数据,避免误报。

电化学传感器(EC)VOCs、TICs、生物战剂、生物毒素等的气体或气溶胶美军的M8、ICAD、XM85/86,英军的NAIDA,加拿大PDS,美国华瑞公司的RAE系列等一般不如IMS灵敏,且受温度影响较大,但在可穿戴传感检测装备开发方面具有较大优势

表面声波(SAW)传感器CWAs和环境污染物等的气体或气溶胶英国BAESystems公司的ChemSentry,美国MSA公司的SAWMiniCADMKⅡ、HazmatCAD等灵敏度高、体积小、便于携带、易集成化,可实现长时间的连续监测

傅立叶变换红外(FT-IR)传感器CWAs、TICs、VOCs、爆炸品等的固体、液体、气体及气溶胶等英国SmithsDetection公司的HazMatIDElite,芬兰GASMET公司的Dx4045无损检测,可在极端环境下使用,并可同时检测多种化学威胁

拉曼(Raman)传感器CWAs、TICs、VOCs、爆炸品等的固体、液体、气体及气溶胶等英国SmithsDetection公司的ACE-ID,美国ThermoFisherScientific公司的FirstDefenderRM,美国AgilentTechnologies公司的Resolve,英国Cobalt公司的Insight100(SORS),苏州普拉瑞思科学仪器有限公司的Polaris-R910(SERS),美国AlakaiDefenseSystems公司的PRIED、CPEDS(DUVRaman),美国ChemImage公司的STARR(RamanHIS)响应时间短、非接触式分析;SORS激光能量密度低、可穿透非透明材料;SERS可用于微痕量样品的快速无损检测

(续表1)

(IMS)仪CWAs、TICs、VOCs、爆炸品等的气体或气溶胶德国Bruker公司的RAID系列(RAID-M、RAID-S2plus),英国SmithsDetection公司的CAM、Sabre5000,芬兰EnvironicsOy公司的ChemPro系列(ChemPro100i、ChemProDM)等技术较成熟、灵敏度高,常与FPD仪联用以避免误报,有手持、车载、局域联网等多种检测方式

火焰光度检测器(FPD)含硫、磷、砷等元素或基团化合物的气体或气溶胶法国Proengin公司的系列产品,其中AP2C可检测含硫、磷化合物,AP4C增加了含As、HNO等的化合物,即增加了检测L、HN、AC等化学战剂、毒剂的功能响应快速、灵敏度高,常与IMS仪联用以避免误报

光致电离检测器(PID)几乎所有的含碳挥发性有机化合物和部分无机物美国MSA公司的天鹰5X,美国华瑞公司的MiniRAE3000、Photovac2020,英国IonScience公司的PhoCheckTiger对VOCs响应灵敏、线性范围宽、可连续测量;也可作为IMS仪的补充

远程遥测传感装备CWAs、TICs、VOCs、爆炸品等的气体或气溶胶德国Bruker公司的RAPIDplus,上海昌睦环境科技有限公司的卫天盾Ⅰ(FT-IR),美国BlockEngineering公司的LaserWarn检测器(中远红外量子级联激光器),美国ChemImage公司的LightGuard(短波红外HIS)可构建7×24h无人值守隐形网络,对化学威胁实时监测、协助定位源头、预测扩散趋势

传感器阵列与集成CWAs、TICs、VOCs、爆炸品等的气体或气溶胶美国ENMET公司的HAZMAT-CADPlus(集成SAW与ECD),德国AIRSENSEAnalytics公司的GDA-FR(集成IMS、PID、ECD、金属氧化膜传感器),美国华瑞公司的AreaR-AESteel(集成PID、ECD、催化燃烧传感器)集多种传感技术于一体,增加了准确性,可同时检测多种化学威胁、操作简便、响应快速

5、结语与展望

综上所述,现场侦检装备在应对化学威胁的检测中起着至关重要的作用。基于纳米材料及膜材料的发展,电化学传感器与质量敏感型传感器的检测种类得到拓展,灵敏度明显提高;电化学传感器因低成本、便携性、低功率要求等优势,近年来在柔性可穿戴传感器方面发展迅速,但其抗干扰能力仍有待进一步优化。小型便携式离子迁移谱仪因操作简便、响应快速,广泛应用于现场侦检中,多与用于检测含硫或磷化合物的FPD配合使用;部分离子迁移谱仪还与远程遥测传感器共同搭建了大区域、全天候、智能化的化学威胁监控预警网络。红外传感器与拉曼传感器具有灵敏度高、瞬时无损、检测种类多的优点,在现场侦检中愈来愈扮演着不可或缺的角色,但这两者均不适合复杂基质样品的检测鉴定,如何通过富集浓缩、机器学习等技术进一步提高其对复杂样品的检测能力是这两类传感器亟待解决的难题。PID因其非选择性,多用于VOCs的检测,与此类似,目前许多侦检装备只适用于特定种类化合物的检测,未来现场便携式化学侦检装备的发展仍需克服不易携带、误报率高、操作繁琐等问题,向柔性可穿戴、智能组网等方向发展。

车载或舰载传感装备的发展为各类侦检装备的互联与集成提供了很好的移动平台,通过WiFi或以太网无线通信系统部署传感器网络,可实现检测数据的实时传输、远程无人值守检测、手持式侦检装备与穿戴式传感器之间的双向通信。混合传感器的阵列与集成是当下传感器研究的一大热点,研究人员正试图整合现有的传感器检测技术,开发集高化学多样性的交叉反应于一体,集多种化学传感技术于一体,集化学传感器、生物传感器、辐射传感器于一体,并通过编程、计量分析扩展数据库、提高准确性,满足在复杂情况下可同时检测化学、生物、放射性和核(CBRN)的高精度侦检装备。

纵观国内外在现场侦检装备方面的研究,国内的相关研究起步晚、缺少核心国际竞争性产品;与国外产品比,市场占有率低。但就国内发展趋势而言,目前已在基础理论研究方面能够紧跟国际发展趋势,部分领域已赶超国际先进水平;在产品、装备方面,已有成型、成熟装备不断投放市场,并逐渐赢得口碑。相信在不久的将来,随着国家对自主研发装备的不断支持和投入,以及科研工作者们的深入研究,加快成果转化,国内自主化化学威胁现场侦检装备将逐步缩短与国际同类先进装备的差距,部分领域实现赶超,达到国际领先水平,从而摆脱在应对化学威胁时对国外侦检装备的依赖。

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