毒剂毒物分析与检测技术

毒剂毒物分析与检测技术是随着化学武器的兴起和化学分析技术的进步而发展起来的。早在第一次世界大战期间，交战各国就开始训练作战人员依靠感官发现毒剂毒物，继而将一些简易方法作为检测手段。如用浸渍碘化钾的棉花识别氯气等。战后，随着对生色反应侦检方法的深入研究，一系列简易侦检器材问世。第二次世界大战末期，出现了具有高毒性和速杀性的神经性毒剂，酶法分析技术得到了发展。随着化学、物理学和材料科学的发展，毒剂毒物分析的灵敏度、检测手段的简便性和快速性得到了极大提高，推动了相关仪器设备的小型化和自动化。
长期以来，无论是防化装备研制，还是防化训练与教学，特别是对军事化学与烟火技术和环境工程两大学科研究生（博士、硕士）的培养，缺少一本系统、全面、基础、前沿的教材。尽管有几本内部使用的讲义，如中国人民解放军陆军防化学院(防化指挥工程学院)内部使用的《化学侦察技术》《毒剂侦检分析》以及军事科学院防化研究院编写的《防化基本知识教程》，但由于内容定位以化学原理为主，一些交叉学科、前沿学科的内容未涉及，不能满足防化装备信息化建设的需要及研究生对现代高新技术的渴求。基于这一原因，2007年笔者编著了《现代化学侦察技术》。2005年底美国公开出版了由Yin Sun和Kwok YOng编著的Detection Technolgies for Chemical Warfare Agents and Toxic Vapors一书。2010年郭成海等将其翻译为《化学战剂及有毒气体检测技术》。这两本书的出版满足了当时科研与教学急需，深受读者的好评，对军事化学的发展起到了良好的推动作用。
自2007年《现代化学侦察技术》出版以来，人们对化学侦察的认识、基本理解和运用都发生了很大变化。但该书难以满足当前研究生教育和防化科研发展的需要，迫切需要对其内容进行修改和重构，以便涵盖当今毒剂毒物分析与检测技术在多方面的发展和进步，如太赫兹光谱检测技术、拉曼光谱检测技术等。当前，国际形势正处于百年未有之大变局，国际力量对比正发生革命性变化。世界范围内的核生化威胁因素和手段日益增多，发生“类化学战”效应重大事故风险概率急剧增加，我国面临的防范化解核生化安全领域重大风险任务长期而艰巨。随着军事智能等高技术的发展，未来战争将由信息化时代迈向更高级的无人化、智能化时代，直接改变传统的战争制胜机理和作战模式，催生新的攻防手段。毒剂毒物分析与检测技术作为核生化防护的重要研究内容，必须严密跟踪外军军事技术的发展，开展关键技术攻关和前沿技术创新，防止强敌技术突袭，破解“卡脖子”技术。《毒剂毒物分析与检测技术》的出版正是适应了这一需求。
笔者认为，本书在融合各单一技术发展的基础上阐明了毒剂毒物分析与检测技术发展的总趋势，又着重在单一技术层次上论及当前及未来的发展，且对现场检测技术有所侧重，体现了基础性、前沿性、先进性和应用性，既能使读者获得相关学科比较系统的基础知识，又能引导读者进入当代科学的前沿，为有志于献身国防科研的同仁提供了解毒剂毒物分析与检测技术的指导内容。本书的出版，会在一定程度上缓解该领域研究生教材不足的问题，对提高研究生教育质量起着积极的推动作用。
本书由黄启斌等编著，参加本书撰写工作的人员还有丁学全正高工、曹树亚研究员、孔景临研究员、李翠萍正高工、杨柳研究员、潘勇研究员、丁志军博士、穆惠博士、张根伟博士、赵建军博士、徐建洁副研究员、郭腾霄副研究员、杨杰工程师。对曾参与《现代化学侦察技术》编写的郭成海研究员、张国胜博士、纪军博士、童朝阳博士一并表示感谢。本书的出版得到了军事科学院防化研究院领导的大力支持，在此一并表示感谢。
由于编著者水平有限，书中难免存在疏漏，敬请广大读者予以批评指正。

编著者
2021年6月于北京

《毒剂毒物分析与检测技术》论述了现代分析技术在毒剂毒物分析与检测技术中的应用，重点介绍了国内外12种检测技术的原理、方法、性能、应用及发展趋势，包括比色、荧光、电化学、火焰光度、离子迁移谱、声表面波、质谱、红外光谱、激光、拉曼光谱、太赫兹、生物传感等检测技术。本书紧密对接军事实践，突出理论技术融合，适应国防科技创新发展，力求兼顾学术性与技术性，内容翔实，观点鲜明。
《毒剂毒物分析与检测技术》不仅可供国防军工领域的研究人员、教学人员和研究生阅读，也可供国家安全、反恐维稳、重大活动安保等领域的科研及管理人员参考。

第1章绪论1
1.1基本概念1
1.1.1化学观察1
1.1.2化学监测2
1.1.3化学警报2
1.1.4化学估算2
1.1.5侦毒2
1.1.6野战化验2
1.1.7信息感知2
1.1.8灵敏度、检测限、分辨率3
1.1.8.1灵敏度3
1.1.8.2检测限4
1.1.8.3分辨率4
1.1.9误报和漏报4
1.2化学侦察技术的发展历程4
1.3化学侦察装备与技术的发展趋势6
1.3.1自动化7
1.3.2早期报警7
1.3.3小型化8
1.3.4集成化8
1.3.5网络化8
思考题9
参考文献9

第2章化学毒剂与有毒工业化学品10
2.1化学毒剂10
2.1.1神经性毒剂11
2.1.2糜烂性毒剂12
2.1.3窒息性毒剂12
2.1.4全身中毒性毒剂12
2.1.5失能性毒剂13
2.1.6刺激性毒剂13
2.1.7生物毒素14
2.1.8毒剂划代15
2.2有毒工业化学品16
2.2.1美军对TICs等级划分16
2.2.2我国对TICs类型划分17
2.2.3国际公约中的有毒化学品及前体17
2.2.4典型事件18
思考题18
参考文献18

第3章比色法检测技术19
3.1发展历程19
3.2基本概念20
3.2.1侦检灵敏度20
3.2.2侦毒响应时间20
3.2.3侦毒显色20
3.2.4侦毒比色20
3.2.5侦毒误判21
3.3侦毒方法21
3.3.1基本侦检法21
3.3.2应用侦检法21
3.4侦毒原理及典型比色体系22
3.4.1侦毒原理22
3.4.2典型显色体系22
3.5侦毒器材24
3.5.1侦毒纸24
3.5.2侦毒包24
3.5.3侦毒盒25
3.5.4侦毒器25
3.5.5野战化验箱26
3.6技术展望26
思考题26
参考文献26

第4章荧光法检测技术27
4.1概述27
4.1.1荧光的产生27
4.1.2荧光量子产率28
4.1.3荧光与分子结构的关系28
4.2荧光分析法的基本原理30
4.2.1荧光强度与溶液中分析物浓度的关系30
4.2.2荧光定性、定量分析30
4.2.3荧光分析法的灵敏度31
4.3荧光分光光度计的结构与工作原理32
4.3.1荧光分光光度计的结构原理32
4.3.2荧光分光光度计的工作原理33
4.4荧光检测技术33
4.4.1荧光偏振及各向异性检测33
4.4.2时间分辨荧光光谱33
4.4.3同步扫描技术33
4.4.4三维荧光光谱技术34
4.4.5荧光免疫测定技术34
4.4.6固体表面荧光测定技术34
4.4.7荧光动力学分析技术35
4.4.8低温荧光测定技术35
4.5荧光检测技术的应用35
4.5.1有机磷化合物的荧光检测35
4.5.2氰化物的荧光分析36
4.5.3硫化物的荧光分析36
4.5.4毒素的荧光检测37
4.5.5病毒及微生物的荧光免疫测定37
4.6发展趋势38
思考题39
参考文献39

第5章电化学分析与检测技术40
5.1概述40
5.2电化学分析方法简介41
5.2.1电导分析法41
5.2.2电位分析法43
5.2.3电解分析法和库仑分析法44
5.2.4极谱法和伏安法45
5.3电化学气体传感器48
5.3.1电化学气体传感器的组成和结构48
5.3.2电化学气体传感器的分类和工作原理49
5.3.3电化学气体传感器的应用52
5.3.3.1工业有毒有害气体的检测52
5.3.3.2毒剂的检测53
5.4发展趋势55
思考题56
参考文献56

第6章火焰光度检测技术57
6.1基本原理及技术特点57
6.1.1基本原理57
6.1.2技术特点58
6.2通用型FPD结构原理59
6.2.1双火焰型60
6.2.2脉冲火焰型60
6.3国内外发展现状62
6.4发展趋势63
思考题63
参考文献64

第7章离子迁移谱检测技术65
7.1基本原理66
7.1.1进样系统67
7.1.2电离源69
7.1.3漂移管69
7.1.3.1漂移时间漂移管69
7.1.3.2非对称场漂移管72
7.1.4信号处理77
7.2离子迁移谱技术的应用80
7.2.1化学毒剂的检测80
7.2.2爆炸物的检测81
7.2.3毒品的检测81
7.2.4生物分子的检测82
7.3技术展望82
思考题82
参考文献83

第8章声表面波检测技术84
8.1概述84
8.2声表面波化学传感器基本原理85
8.2.1化学传感器简介85
8.2.2声表面波的产生过程87
8.2.3理论计算87
8.2.4声表面波化学传感器及其技术特点89
8.3研究和应用90
8.3.1在化学毒剂检测中的应用90
8.3.1.1检测化学毒剂敏感功能材料90
8.3.1.2敏感膜材料的应用92
8.3.2典型装备和器材97
8.4发展趋势100
思考题101
参考文献101

第9章质谱检测技术103
9.1概述103
9.2基本原理104
9.2.1组成105
9.2.2主要技术指标105
9.3技术系统106
9.3.1真空系统106
9.3.2进样系统107
9.3.3离子源108
9.3.3.1电子轰击电离源109
9.3.3.2化学电离源110
9.3.3.3快速原子轰击电离源和离子轰击电离源110
9.3.3.4大气压化学电离源111
9.3.3.5电喷雾电离源111
9.3.3.6基质辅助激光解吸电离源112
9.3.3.7常压敞开式离子源113
9.3.3.8电感耦合等离子体离子源115
9.3.4质量分析器115
9.3.4.1磁质量分析器116
9.3.4.2四极杆质量分析器116
9.3.4.3离子阱质量分析器117
9.3.4.4飞行时间质量分析器118
9.3.5检测器118
9.3.6计算机系统119
9.3.7质谱图解析120
9.3.7.1质谱中常见的几种离子121
9.3.7.2分子离子的确认122
9.3.7.3质谱图解析的一般程序125
9.3.8谱库检索127
9.4联用技术128
9.4.1气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）128
9.4.1.1GC-MS系统的组成128
9.4.1.2GC-MS工作过程128
9.4.1.3GC-MS分析方法129
9.4.2质谱-质谱联用技术（MS-MS）130
9.4.3液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）130
9.5应用131
9.5.1质谱仪在化学侦察中的应用132
9.5.2几种移动式现场检测质谱仪的介绍132
9.5.2.1MM-1军用车载质谱仪132
9.5.2.2MM-2车载质谱仪133
9.5.2.3BLOCK Ⅱ（CBMS Ⅱ）车载化生质谱仪134
9.5.2.4HAPSITE野外气相色谱-质谱联用仪136
9.6发展趋势137
思考题139
参考文献139

第10章红外光谱检测技术141
10.1概述141
10.2基本概念及原理142
10.2.1红外辐射142
10.2.2红外辐射的传播142
10.2.3红外辐射的发射与吸收143
10.2.4Beer定律145
10.3红外探测器145
10.3.1原理与分类145
10.3.2热探测器146
10.3.3红外光子探测器147
10.3.4红外探测器组件150
10.4红外吸收光谱检测技术153
10.4.1色散型（滤波型）红外光谱技术153
10.4.2傅里叶红外光谱技术156
10.5红外光谱检测技术的现场应用158
10.5.1远距离监测158
10.5.2便携式红外光谱检测160
10.6发展趋势161
10.6.1系统设计微型化、集成化161
10.6.2使用方式遥测化、分析结果定量化162
思考题162
参考文献162

第11章激光探测技术164
11.1概述164
11.2基本原理165
11.2.1激光与大气分子的相互作用165
11.2.2激光侦毒雷达的主要类型166
11.2.3差分吸收激光雷达（DIAL）的基本原理167
11.2.4拉曼激光雷达的基本原理168
11.3激光大气传输及光雷达方程169
11.3.1大气传输的基本理论169
11.3.1.1Beer-Lambert定律169
11.3.1.2大气窗口170
11.3.1.3大气湍流效应170
11.3.2DIAL系统的LIDAR方程170
11.4激光侦毒雷达的基本构成173
11.4.1系统总体结构173
11.4.2发射系统174
11.4.3接收系统175
11.4.4控制与信号处理单元176
11.5研究现状及典型装备介绍177
11.6发展趋势179
11.6.1系统整体180
11.6.2光源180
11.6.3信号处理181
思考题181
参考文献181

第12章拉曼光谱检测技术182
12.1概述182
12.2拉曼光谱分析的原理及相关概念183
12.2.1拉曼光谱的原理183
12.2.2与拉曼光谱有关的概念184
12.2.3拉曼光谱与红外、荧光光谱的区别184
12.3拉曼光谱仪结构185
12.3.1激光光源185
12.3.2采集系统与光谱器件186
12.4拉曼光谱检测技术187
12.4.1共振拉曼光谱技术188
12.4.2表面增强拉曼光谱技术188
12.4.2.1表面增强拉曼光谱的原理188
12.4.2.2SERS研究的要点189
12.4.2.3高活性SERS基底的制备189
12.4.3空间偏移拉曼光谱技术190
12.5拉曼光谱在检测毒剂毒素中的应用191
12.5.1拉曼光谱检测化学毒剂的研究191
12.5.2检测有毒工业化学品等危险化学品194
12.5.3检测生物毒素197
12.5.3.1蓖麻凝集素RCA侧链及主链的拉曼光谱197
12.5.3.2多肽类毒素和生物调节剂的拉曼光谱研究199
12.5.3.3生物碱的拉曼光谱研究202
12.5.4拉曼光谱数据库204
12.5.5代表性的拉曼光谱检测装备204
12.6发展趋势205
12.6.1拉曼光谱高灵敏检测方法的发展205
12.6.2拉曼光谱成像技术205
12.6.3拉曼光谱与其他技术联用206
思考题206
参考文献206

第13章太赫兹光谱检测技术208
13.1基本概念及原理208
13.1.1太赫兹波208
13.1.2太赫兹波传播209
13.1.3太赫兹辐射与吸收210
13.2太赫兹辐射源211
13.2.1太赫兹辐射源的发展211
13.2.2太赫兹辐射源分类与原理212
13.3太赫兹光谱检测技术214
13.3.1太赫兹时域光谱检测技术214
13.3.2太赫兹频域光谱检测技术215
13.3.3太赫兹频域光谱与时域光谱的对比216
13.4太赫兹光谱检测技术的应用217
13.4.1气体检测领域的应用217
13.4.2农药及抗生素检测领域的应用217
13.4.3违禁药物和爆炸物检测领域的应用218
13.5发展趋势218
思考题218
参考文献219

第14章生物传感器检测技术220
14.1生物传感器及其分类220
14.1.1生物传感器的传感原理220
14.1.1.1生物敏感膜与分子识别221
14.1.1.2信号转换222
14.1.2生物传感器的分类226
14.2生物敏感材料的固定化技术227
14.2.1吸附法227
14.2.2包埋法227
14.2.3共价键固定法229
14.2.4LB膜法231
14.2.5半导体工艺固定化法231
14.3典型生物传感器231
14.3.1酶传感器231
14.3.2微生物传感器234
14.3.2.1电化学微生物传感器235
14.3.2.2压电高频阻抗型微生物传感器236
14.3.2.3燃料电池型微生物传感器236
14.3.2.4其他类型的微生物传感器237
14.3.3免疫传感器237
14.3.3.1电化学免疫传感器238
14.3.3.2光学免疫传感器239
14.3.3.3压电晶体免疫传感器241
14.3.3.4表面等离子体共振型免疫传感器241
14.3.3.5压阻微悬臂梁免疫传感器242
14.3.3.6磁敏免疫传感器242
14.3.4半导体生物传感器242
14.3.4.1分离型半导体生物传感器243
14.3.4.2结合型半导体生物传感器243
14.3.4.3酶光敏二极管244
14.3.5多功能生物传感器245
14.3.6基因传感器与基因芯片245
14.3.6.1基因传感器245
14.3.6.2基因芯片249
14.3.7纳米生物传感器249
14.4生物传感器的军事应用252
14.4.1酶法报警技术253
14.4.2免疫传感检测技术253
14.4.3生物远程检测技术253
14.5发展趋势254
思考题255
参考文献256

附录257
附录A常用缩略语257
附录B《禁止化学武器公约》化学品附件258