李 珂，劉友江，陳池來

(1.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院，安徽 合肥 230026)

1 背景介紹

化學(xué)武器的使用已有悠久的歷史，我國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代便有利用刺鼻濃煙作為防止地道攻城的方法記載，后世的《武經(jīng)總要》[1]、《紀(jì)效新書》[2]等兵書中將毒藥和火藥進(jìn)行了結(jié)合以大幅度提高殺傷力，在古希臘著名的伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭(zhēng)中，斯巴達(dá)軍隊(duì)將硫磺和松枝混合燃燒來制造毒氣對(duì)雅典城內(nèi)的守軍進(jìn)行攻擊。進(jìn)入二十世紀(jì)后，隨著化學(xué)工業(yè)體系的快速發(fā)展，化學(xué)武器真正登上了歷史舞臺(tái)。在兩次世界大戰(zhàn)、冷戰(zhàn)、各類局部沖突以及恐怖戰(zhàn)爭(zhēng)的催化下，大量化學(xué)毒劑得到發(fā)現(xiàn)、制造和使用，造成了數(shù)十萬人員傷亡[3-4]。

冷戰(zhàn)結(jié)束后恐怖主義興起，化學(xué)毒劑因具有大規(guī)模殺傷、易引發(fā)恐慌等特征，常被恐怖分子使用。1997年4月29日，《關(guān)于禁止發(fā)展、生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用化學(xué)武器及銷毀此種武器的公約》簽署生效，其對(duì)維護(hù)世界和平和國(guó)際安全具有重要意義，但截至目前仍有一部分化學(xué)毒劑未被銷毀[5]，留下了極大隱患，與此同時(shí)，新類型毒劑不斷涌現(xiàn)。面對(duì)并不穩(wěn)定的世界局勢(shì)以及我國(guó)在國(guó)際事務(wù)中越來越多的力量展現(xiàn)，及時(shí)探測(cè)和識(shí)別化學(xué)毒劑的存在，顯得十分關(guān)鍵。

化學(xué)毒劑種類繁多，根據(jù)毒理性質(zhì)的不同，主要可以分為窒息劑、糜爛性毒劑(又稱起皰劑)、神經(jīng)性毒劑、血液性毒劑等[6]。窒息劑包括光氣(CG)、雙光氣(DP)、氯(Cl2)等，這些毒劑會(huì)損害肺部，刺激眼睛和呼吸道；糜爛性毒劑包括芥子氣(HD)和氮芥(HN)、路易氏劑(L)等，可對(duì)眼睛和皮膚產(chǎn)生刺激，導(dǎo)致水皰的形成；神經(jīng)性毒劑包括塔崩(GA)、沙林(GB)、梭曼(GD)和維?？怂?VX)等，可抑制膽堿酯酶活性，導(dǎo)致中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂；血液性毒劑包括氰化氫(AC)和氯化氰(CK)等，可通過血液輸送到所有身體組織，阻止細(xì)胞利用氧氣，導(dǎo)致細(xì)胞缺氧，使身體失能致死。

為了應(yīng)對(duì)潛在的化學(xué)毒劑威脅，以美國(guó)為主的世界各國(guó)數(shù)十年來制訂了一系列化學(xué)毒劑探測(cè)的相關(guān)計(jì)劃，其中較重要的包括上世紀(jì)90年代開始持續(xù)至今的CBD(Chemical and Biological Defense)計(jì)劃[7]，以及近年來開展的SIGMA、SIGMA+計(jì)劃等。CBD計(jì)劃由美國(guó)國(guó)防部主導(dǎo)，是美國(guó)乃至全世界迄今為止的最大投入的生化防御計(jì)劃，總投入達(dá)數(shù)十億美元，其目標(biāo)在于提升美軍應(yīng)對(duì)生化攻擊的能力。期間發(fā)展了十余款化學(xué)毒劑檢測(cè)儀，如改進(jìn)型化學(xué)毒劑檢測(cè)儀(ICAM)、聯(lián)合化學(xué)毒劑檢測(cè)儀(JCAD)、自動(dòng)化學(xué)毒劑檢測(cè)報(bào)警儀(ACADA)、核生化偵察系統(tǒng)(NBCRS)等。其研制的以離子遷移譜技術(shù)為主的檢測(cè)儀在美軍中已配備數(shù)萬臺(tái)[7-9]。自2014年起，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)提出了極具顛覆性的SIGMA、SIGMA+計(jì)劃[10-11]，旨在開發(fā)一個(gè)持續(xù)的、實(shí)時(shí)的探測(cè)系統(tǒng)，用于城市、城際范圍內(nèi)針對(duì)化學(xué)、生物、放射性、核爆炸等大規(guī)模殺傷性武器威脅的全方位立體式防御。

早在抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，我國(guó)人民就飽受化學(xué)武器帶來的痛苦，日本731部隊(duì)專門從事細(xì)菌武器和化學(xué)武器的研究,并且殘忍地進(jìn)行活體試驗(yàn)。我國(guó)許多百姓慘死在這種試驗(yàn)中，這也提醒我國(guó)加強(qiáng)防御化學(xué)武器的必要性[12]。2005年國(guó)家正式頒布了《國(guó)家突發(fā)公共事件總體應(yīng)急預(yù)案》,相關(guān)化學(xué)毒劑反恐技術(shù)研究列入國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究的中長(zhǎng)遠(yuǎn)期規(guī)劃[13]。

2 化學(xué)毒劑探測(cè)方法

化學(xué)毒劑探測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)久且需求強(qiáng)大的探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，吸引了幾乎所有的檢測(cè)手段。迄今為止，離子遷移譜、質(zhì)譜、色譜、光譜等譜學(xué)分析技術(shù)，以及各類傳感器技術(shù)均在其中大顯身手，并不斷有新技術(shù)加入。根據(jù)不同探測(cè)方法的特點(diǎn)和應(yīng)用情況，可將化學(xué)毒劑探測(cè)方法分為離子遷移譜法、傳感器檢測(cè)法、光譜法以及質(zhì)譜法等。

2.1 離子遷移譜法

離子遷移譜法(Ion mobility spectrometry,IMS)是現(xiàn)階段化學(xué)毒劑探測(cè)中的主流手段，各類裝備已廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)軍隊(duì)相關(guān)部門。IMS的優(yōu)點(diǎn)在于高靈敏、快速響應(yīng)和易于微型化，在毒害物質(zhì)判定上具有指紋識(shí)別功能，兼具傳感器和分析技術(shù)特征[14-15]?，F(xiàn)階段用于CWAs探測(cè)的IMS儀主要分為3大類，即飛行時(shí)間離子遷移譜(DTIMS)、吸氣式離子遷移譜(AIMS)以及高場(chǎng)不對(duì)稱波形離子遷移譜(FAIMS)[16]，其工作方式如圖1所示。

圖1 3種類型離子遷移譜結(jié)構(gòu)示意圖[16]Fig.1 Schematic diagram of three types of ion mobility spectrometry[16]

飛行時(shí)間離子遷移譜(DTIMS)依據(jù)不同離子遷移率的離子飛行時(shí)間的差別實(shí)現(xiàn)離子分離識(shí)別，是研究時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最成熟、現(xiàn)階段化學(xué)毒劑探測(cè)應(yīng)用最廣泛的離子遷移譜[17]。近年來，除了Smith Detection、Bruker等大型公司外，華盛頓州立大學(xué)的Hill研究團(tuán)隊(duì)、墨西哥州立大學(xué)的Eiceman研究團(tuán)隊(duì)等均對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)從事相關(guān)研究的單位除了同方威視、安天下等企業(yè)，也包括中科院大連化物所、中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、清華大學(xué)等研究單位。

吸氣式離子遷移譜(AIMS)是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、功耗最低的離子遷移譜[18]，僅由離子源和氣流通道中的整列式電極組成，根據(jù)各電極上電流分布的差異獲取待測(cè)物質(zhì)的離子信息，典型產(chǎn)品為手持式ChemPro 100i檢測(cè)儀[19]。但因缺乏離子初始約束和均勻分離電場(chǎng)，AIMS檢測(cè)儀選擇性過低，故現(xiàn)階段其發(fā)展方向?yàn)榕c傳感器技術(shù)配合使用，Bocos-Bintintan 等[20]基于AIMS儀與其他6個(gè)傳感器陣列，利用不同菌群產(chǎn)生的氣溶膠成分，成功實(shí)現(xiàn)了3種細(xì)菌菌群的區(qū)分。

高場(chǎng)不對(duì)稱波形離子遷移譜(FAIMS)是一種新型離子遷移譜，也是唯一一種工作于高電場(chǎng)下的離子遷移譜[21]，其在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)集成制造、譜圖信息豐富程度等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[22]。該技術(shù)最早由解體前夕的前蘇聯(lián)秘密研究，2000年后在墨西哥州立大學(xué)Eiceman、加拿大國(guó)家研究院Guevremont、西太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Smith、劍橋大學(xué)Boyle等推動(dòng)下迅速發(fā)展，十余年間吸引了英美國(guó)防部門數(shù)千萬美元的支持，并成為美國(guó)NGCD子計(jì)劃四的重點(diǎn)推進(jìn)技術(shù)?，F(xiàn)階段，包括Thermofisher、安捷倫、島津、AB等在內(nèi)的大型儀器公司均開始了相關(guān)技術(shù)研究。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位包括浙江大學(xué)汪曉知研究團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)王曉浩研究團(tuán)隊(duì)、中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院陳池來研究團(tuán)隊(duì)等。中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院陳池來研究團(tuán)隊(duì)在高頻非對(duì)稱電場(chǎng)產(chǎn)生的微型化電源、多參量影響下的譜圖解析、載氣摻雜對(duì)離子分離的影響、多功能結(jié)構(gòu)的整體MEMS集成等關(guān)鍵技術(shù)上均有深入研究，發(fā)展了微型化檢測(cè)儀，并給出了化學(xué)毒劑高分辨識(shí)別二維譜圖的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)方法，以及基于人工智能的全譜快速掃描方式，實(shí)現(xiàn)了甲基膦酸二甲酯(DMMP)、磷酸三丁酯(TBP)和二甲基亞砜(DMSO)等多種化學(xué)毒劑模擬劑的高靈敏檢測(cè)和二維高分辨識(shí)別(圖2)[21]。

圖2 基于FAIMS技術(shù)的微型化化學(xué)毒劑檢測(cè)儀及二維識(shí)別方法[21]Fig.2 Miniaturized chemical agent detector based on FAIMS technique and its two dimensional identification method[21]

基于IMS技術(shù)的檢測(cè)儀是化學(xué)毒劑探測(cè)中最常用的儀器，市面上可見的基于IMS技術(shù)的化學(xué)毒劑檢測(cè)儀高達(dá)十余款，根據(jù)檢測(cè)儀體積、重量的不同，可分為固定式現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀、手持移動(dòng)式檢測(cè)儀以及可單兵佩戴的小型化檢測(cè)儀等，如圖3所示。這些化學(xué)毒劑檢測(cè)儀廣泛配備于歐美軍方及國(guó)土安全部門[23]?；贗MS技術(shù)的固定式現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀是美國(guó)國(guó)防部首選的化學(xué)毒劑檢測(cè)儀，不僅如此，該儀器在整個(gè)北約中也得到了廣泛的使用，全球總計(jì)部署40 000多臺(tái)[24]。

圖3 基于IMS技術(shù)的化學(xué)毒劑檢測(cè)儀[23-24]Fig.3 Chemical warfare agent detector based on IMS technique[23-24]

近年來，基于氣體放電的非輻射離子源技術(shù)[25]、基于MEMS的遷移管分析器微型化制造技術(shù)[26]、基于電場(chǎng)設(shè)計(jì)的高通量離子門技術(shù)等均有顯著進(jìn)步，賦予了離子遷移譜更安全、更靈敏、更加微型化的優(yōu)勢(shì)。然而，離子遷移譜在化學(xué)毒劑檢測(cè)領(lǐng)域并非完美，容易受到環(huán)境氣體物質(zhì)的污染，同時(shí)，溫度、壓力和濕度也會(huì)對(duì)基于IMS技術(shù)的檢測(cè)儀性能產(chǎn)生顯著影響，這些直接反映為譜圖峰漂移、畸變，情況嚴(yán)重時(shí)檢測(cè)儀可能無法識(shí)別目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)[27-29]。

新原理和新工作方式、高集成制造手段、人工智能技術(shù)等的引入，將為離子遷移譜化學(xué)毒劑探測(cè)領(lǐng)域帶來新的驅(qū)動(dòng)，而如何面向具體需求，在保持高靈敏、快速、易微型化等優(yōu)勢(shì)前提下，大幅度減少假陽性是離子遷移譜最重要的目標(biāo)牽引，也是化學(xué)毒劑現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)所面臨的最長(zhǎng)久問題。

2.2 傳感器檢測(cè)法

傳感器檢測(cè)法現(xiàn)階段主要包括比色法、聲表面波和熒光檢測(cè)法等，其中比色法的應(yīng)用最為廣泛。比色法檢測(cè)技術(shù)的原理是當(dāng)樣本試劑與溶液中底物接觸時(shí)，產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)引起顏色的變化，從而檢測(cè)化學(xué)毒劑的存在[30-31]。比色法檢測(cè)儀已被美國(guó)軍方使用多年，是野外使用的最快、最便宜、最輕和最容易使用的檢測(cè)方法。最常見的比色法檢測(cè)儀以檢測(cè)管、試紙的形式出現(xiàn)，可對(duì)神經(jīng)性毒劑、血液性毒劑和糜爛性毒劑進(jìn)行檢測(cè)，被民事應(yīng)急處理單位廣泛使用。常見的比色試紙主要包括M8、M9檢測(cè)試紙以及M256A1檢測(cè)儀套件等[31-32](圖4)。

圖4 基于比色法的化學(xué)毒劑檢測(cè)儀[31-32]Fig.4 Chemical warfare agent detector based on colorimetric method[31-32]

為了克服選擇性單一造成的難以同時(shí)檢測(cè)多種目標(biāo)物質(zhì)問題，比色法傳感器陣列技術(shù)近年來得到了關(guān)注。2020年，Davidson等[33]提出了一種利用比色傳感器陣列(CSA)以及第一近鄰算法(1-NN)的方案進(jìn)行化學(xué)毒劑的檢測(cè)，暴露后30 min，CSA可提供78%的正確化學(xué)物質(zhì)識(shí)別，86%的正確類別識(shí)別和96%的毒劑與非毒劑檢測(cè)。在174個(gè)獨(dú)立毒劑測(cè)試中，其正確識(shí)別率達(dá)94%。

聲表面波檢測(cè)技術(shù)(SAW)的原理在于選擇性吸附膜吸附目標(biāo)化學(xué)毒劑后表面聲波傳播特性的變化，具有靈敏度高、響應(yīng)快、制造成本低、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)[34-35]。聲表面波化學(xué)毒劑檢測(cè)儀主要有手持式檢測(cè)儀和臺(tái)式檢測(cè)儀兩種(圖5)。其中手持式化學(xué)毒劑檢測(cè)儀在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，美國(guó)政府資助的公益事業(yè)組織FFRDCs在聯(lián)合化學(xué)劑檢測(cè)儀JCAD的測(cè)評(píng)報(bào)告中提到，美國(guó)國(guó)防部曾計(jì)劃采購(gòu)257135臺(tái)JCAD手持式檢測(cè)儀。

圖5 基于SAW技術(shù)的化學(xué)毒劑檢測(cè)儀Fig.5 Chemical warfare agent detector based on SAW technique

理論上，由于聲表面波傳感器的聚合物涂層通常會(huì)吸附其他類型試劑，因此選擇性吸附涂層是該技術(shù)近年來的研究重點(diǎn)[36]。此外，聚合物涂層對(duì)環(huán)境條件敏感，在工作溫度和濕度等環(huán)境因素變化較大時(shí)使用的響應(yīng)不穩(wěn)定[37]。

此外，熒光法也在化學(xué)毒劑檢測(cè)研究領(lǐng)域被寄予厚望。Rogers等[38]利用酶生物熒光傳感檢測(cè)有機(jī)化學(xué)毒劑中的對(duì)氧磷，Che等[39]合成了一種端基含有羥基的苝酰亞胺分子，在光激發(fā)后可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)性毒劑模擬劑氯磷酸二乙酯(Diethyl chlorophos-phate，DCP)的高靈敏度(0.116 μg/L)和快速(3 s)檢測(cè)，Kumar等[40]設(shè)計(jì)了一種新的熒光分子，通過與親電的芥子氣發(fā)生反應(yīng)直接產(chǎn)生熒光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了芥子氣的簡(jiǎn)潔、快速檢測(cè)。熒光傳感器使用簡(jiǎn)單、檢測(cè)快速、便攜性和選擇性均較好，與比色法相似，其近年來的研究重點(diǎn)在于陣列化設(shè)計(jì)集成，未來在技術(shù)突破的基礎(chǔ)上有望在化學(xué)毒劑檢測(cè)中占領(lǐng)一席之地[41-42]。

2.3 光譜法

光譜檢測(cè)法包含紅外光譜(IR spectroscopy)、拉曼光譜(Raman spectroscopy)、激光光譜(Laser spectroscopy)、太赫茲光譜(Terahertz spectroscopy)等眾多方法，其中紅外光譜技術(shù)是遠(yuǎn)程化學(xué)毒劑探測(cè)中常用的分析技術(shù)。紅外光譜包括光聲紅外光譜、傅里葉變換紅外光譜、前視紅外光譜和基于濾波器的紅外光譜等[43-46]，具有檢測(cè)范圍廣、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，在遙測(cè)領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[46-47]。

在美國(guó)軍方支持下，多種類型的紅外光譜化學(xué)毒劑檢測(cè)技術(shù)得到應(yīng)用。M21是第一個(gè)得到使用的遠(yuǎn)程遙感化學(xué)毒劑報(bào)警器，可探測(cè)5公里外的神經(jīng)性毒劑和起皰毒劑云團(tuán)[47]；AN/KAS-1/1A是美國(guó)海軍使用的前視紅外系統(tǒng)，在低能見度或夜間監(jiān)視時(shí)效果突出[48]。加拿大國(guó)防研究與開發(fā)部(DRDC)研發(fā)出CATSI系統(tǒng)，并在二十余年時(shí)間中不斷改進(jìn)。CATSI系統(tǒng)融合了傅里葉紅外吸收光譜和先進(jìn)的模式識(shí)別算法，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍大氣環(huán)境的快速感知，對(duì)區(qū)域化學(xué)毒劑進(jìn)行快速檢測(cè)和分類[49]。

紅外光譜的遙測(cè)前景，吸引了各國(guó)軍方和科研部門，2019年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究局(DARPA)啟動(dòng)的SIGMA+計(jì)劃重點(diǎn)之一便是基于MEMS工藝的紅外光譜技術(shù)。然而，這些檢測(cè)儀一直難以解決環(huán)境背景干擾帶來的復(fù)雜譜圖解析困難問題，除環(huán)境背景中大量有機(jī)分子譜圖與化學(xué)毒劑譜圖混疊以外，相對(duì)濕度的變也可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的假陽性響應(yīng)和干擾[50-51]。因此，得到真正應(yīng)用的反而是非遙測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)毒劑檢測(cè)技術(shù)，如曾應(yīng)用在美國(guó)陸軍的便攜式傅里葉紅外吸收光譜檢測(cè)儀HazMatID 360，如圖6所示[47]。

圖6 基于IR光譜技術(shù)的化學(xué)毒劑檢測(cè)儀[47-49]Fig.6 Chemical warfare agent detector based on IR spectroscopy technique[47-49]

除紅外光譜以外，近年來拉曼光譜、激光光譜、激光誘導(dǎo)擊穿光譜、量子級(jí)聯(lián)激光器等技術(shù)同樣在化學(xué)毒劑探測(cè)領(lǐng)域得到研究[52-56]。拉曼光譜是一種基于光散射原理的探測(cè)技術(shù)[57]，目前已被用于化學(xué)毒劑、爆炸物以及毒品的快速識(shí)別[58]。美國(guó)陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)使用基于拉曼光譜技術(shù)的檢測(cè)儀JCSD檢測(cè)地面上的化學(xué)毒劑，檢測(cè)原理如圖7所示。Choi等[59]利用波長(zhǎng)248 nm的深紫外光源拉曼光譜系統(tǒng)檢測(cè)了包括CWAs在內(nèi)的18種化學(xué)物質(zhì)的拉曼光譜，結(jié)果表明，拉曼光譜能夠有效地應(yīng)用于CWAs在內(nèi)的表面化學(xué)污染物的檢測(cè)。

圖7 Raman光譜檢測(cè)原理示意圖[59]Fig.7 Schematic diagram of Raman spectroscopy technique[59]

激光光譜通過吸收CWAs分子產(chǎn)生的激光輻射進(jìn)行檢測(cè)，并可以利用差分散射技術(shù)(DISC)確定氣溶膠顆粒的大小，具有檢測(cè)速度快、距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，但截至目前，其在軍事、反恐領(lǐng)域的應(yīng)用仍然較少。激光誘導(dǎo)擊穿光譜是一種用于化學(xué)多元素定性和定量分析的原子發(fā)射光譜，具有多元素同步分析的能力，適用于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)樣品的檢測(cè)，采用紫外或近紅外激光光源的激光誘導(dǎo)擊穿光譜已應(yīng)用于爆炸物檢測(cè)、生物和化學(xué)毒劑檢測(cè)等軍事用途[54]。

量子級(jí)聯(lián)激光器(Quantum cascade laser,QCL)是基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導(dǎo)體器件，其在氣體探測(cè)領(lǐng)域具有靈敏度高、檢測(cè)速度快且精度高等優(yōu)點(diǎn)[60-61]。2019年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究局(DARPA)與其他公司合作研究基于量子級(jí)聯(lián)激光光譜的化學(xué)毒劑檢測(cè)儀，并將其作為SIGMA+計(jì)劃的一部分[62]。

2.4 氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用法

質(zhì)譜(MS)依據(jù)物質(zhì)離子質(zhì)荷比反映的分子量信息實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)成分的反演，是一種精準(zhǔn)的分析技術(shù)[63]。氣相色譜(GC)依賴于檢測(cè)物質(zhì)成分與色譜柱固定相親和力的差異，對(duì)多組分物質(zhì)進(jìn)行分離[64]。GC-MS聯(lián)合二者的優(yōu)勢(shì)，可以明確地鑒定混合物的每種組分，對(duì)于未知混合物，可根據(jù)色譜圖上的時(shí)間信息以及質(zhì)譜圖進(jìn)行匹配，從而確定樣本成分。但氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的主要缺點(diǎn)是，具有高靈敏度、高分辨的GC-MS儀器體積都相對(duì)較大，檢測(cè)速度較慢，而且維修服務(wù)成本很高，應(yīng)用門檻較高。

便攜式GC-MS系統(tǒng)是當(dāng)前研究的主要方向之一，Leary等[65]認(rèn)為將便攜式GC-MS系統(tǒng)部署到軍隊(duì)中有著重要的意義，且GC-MS系統(tǒng)是一種非常可靠的檢測(cè)方法，故其提出了一些方法，致力于將GC-MS系統(tǒng)成功部署到常規(guī)部隊(duì)中。

3 化學(xué)毒劑探測(cè)技術(shù)所面臨的困難及未來發(fā)展趨勢(shì)

雖然化學(xué)毒劑探測(cè)吸引了幾乎所有的化學(xué)量檢測(cè)技術(shù)，但至今仍然不盡如人意，關(guān)鍵問題在于其特殊又苛刻的應(yīng)用特征和需求。首先，化學(xué)毒劑檢測(cè)強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)性，即檢測(cè)技術(shù)必須滿足小、快、準(zhǔn)、穩(wěn)要求，而這些要求之間相互制約，迄今難以有一種技術(shù)完全滿足；其次，化學(xué)毒劑探測(cè)屬于典型的小概率事件問題，按照貝葉斯概率理論，探測(cè)手段即便準(zhǔn)確率達(dá)到很高的水平，其探測(cè)結(jié)果仍然受限于不可忽視的假陽性。以簡(jiǎn)單的貝葉斯分析說明該問題的嚴(yán)重性，假定化學(xué)毒劑事件(A)發(fā)生的幾率為P(A)，沒有發(fā)生(B)的幾率為P(B)，儀器探測(cè)認(rèn)為事件發(fā)生(C)為P(C)，認(rèn)為事件沒發(fā)生(D)為P(D)，則陽性準(zhǔn)確度為P(C|A)，陰性準(zhǔn)確度為P(D|B)。因此探測(cè)結(jié)果為陽性中，準(zhǔn)確報(bào)警與虛警的比例可表示為：

因化學(xué)毒劑事件發(fā)生幾率極小，則P(B)約為1，而P(C|A)和P(D|B)分別反映了陽性和陰性的儀器探測(cè)準(zhǔn)確度。從該公式可以看出，因P(A)極小，即便儀器精度達(dá)到了很高的水平，其報(bào)警條件下虛警依然占據(jù)主要部分。假定探測(cè)技術(shù)陰性陽性探測(cè)精度均達(dá)到很高的程度，如99%，而化學(xué)毒劑發(fā)生事件的幾率為百萬分之一，則：

也就是說，即便儀器準(zhǔn)確性很高，在大量的報(bào)警事件中，多數(shù)為虛警。這種困難給微型化檢測(cè)技術(shù)造成了極大困擾，單一的檢測(cè)技術(shù)根本無法滿足如此苛刻的精度要求，這促使了各種檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，近年來MEMS等精密加工手段、人工智能技術(shù)的突破性進(jìn)展，也為化學(xué)毒劑探測(cè)技術(shù)帶來了發(fā)展契機(jī)。隨著MEMS質(zhì)譜、MEMS色譜、MEMS光譜以及基于陣列化MEMS氣體傳感器的發(fā)展，未來基于MEMS集成的多種譜分析及傳感技術(shù)的聯(lián)用，基于人工智能的結(jié)果判斷，必將成為化學(xué)毒劑探測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向。