便携式激光生化探测仪

　　1　引　言

　　随着中国对外开放步伐的加快,和国际局势的不断变化,中国面临的反恐任务越来越艰巨。如何在人流量大、环境复杂的现场进行快速、在线实时检测、辨别各种气/液/固体有害生化物(如炭疽杆菌病毒,沙林毒气等)就显得更重要了。反恐新技术———用便携式激光生化探测仪来进行该项工作就是一种极为可靠的高科技方法,目前,美国、英国、法国等在军方大力支持下于2006年研制出小型原理样机,并迅速得到了发展。

　　便携式激光生化探测仪采用LIBS(Laser Induced Break-down Spectroscopy)———激光诱导击穿光谱分析技术,是基于物质等离子体发光来探测物质成分的分析方法。用一束短脉冲激光聚焦到被测样品上,产生局部等离子体,样品物质的电子跃迁至高能态,返回初始能态时会发出特定光谱辐射,每一种物质都对应各自的特征光谱,再用高分辨率光谱仪对该光谱进行实时在线快速分析,在1-3分钟甚至几秒钟内就可以得到被测物质的成分与浓度;LIBS为全光学方法,无需事先准备样品,从而可在人流量大、环境复杂的现场(如机场、重要场合如奥运会安检处),近距离地进行快速、在线实时检测、辨别各种液体气体以及固体等有害生化物;另一个优点是作用区域可以非常小,激光光斑大小只有几十微米,取样仅在百万分之一,探测极限可低至万亿分之一,采样质量可低到皮克甚至纳克,因此该分析方法不会破坏被检测物质,更不会导致易燃爆物的引爆,对不同点的局域分析还可以获得其结构图;由于它具有如此微小的可探测取样量,再加上高灵敏度的光谱仪,因此,它具有超高灵敏度的探测性能。LIBS还是目前唯一的一种适合固体(可以探测直径20nm-1000nm的粒子)、液体与气体样品的分析方法,因此,可在现场对各种不明固体(炭疽杆菌等有害生化物质)、液体(如有毒饮料)、气体(如各种挥发物—神经毒气弹等)进行在线快速分析辨别,探测距离从0.01M到30M(气体),从而达到反恐作用;另外,应用该设备还可以检测出开枪后的皮肤上驻留的微量化学元素,可鉴别出枪手。

　　该仪器系统可做到手提箱般的大小,单兵携带,具有优良的抗震性,良好的温度稳定性以及电池供电选项,使整套系统非常方便于机场、各种重要场合安检处以及野外探雷、辨别地雷作业。联合国对伊拉克武器调查也使用了该仪器。

　　2　国内外相关研究情况

　　2.1　国外研究情况

　　近年来,西方各国都对各种军用激光探测鉴别仪(LIBS)进行了大量研究,1,2,3)也有部分民用产品推向市场,在反恐需求的大力推动下,美国在该方面进行了大量研究,美军士兵生物化学控制处(US Army solider and biological chemical com-mand)用该系统探测在农药、土壤、动物中的炭疽杆菌(见下图),美国军事研究办公室(U. S. Army Research Office(USA)),美国军事研究实验室(Army Research Lab.(USA)),美国CECOM夜视电子探测器部(CECOM NightVision and Electronic and Sensors Directorate (USA))于2006年5月联合报道了该系统用于探测地雷的便携式原理样机,并与Florid大学合作于2007年4月正式交付使用,美国军方利用LIBS系统进行地下土壤分类,井下重金属污染的测量,美国新墨西哥州的Los Alamos(LANL)国家实验室为火星表面探测专门研制开发了便携式LIBS系统,并在最近几次火星探测任务中用其代替了先前使用的X射线荧光测试系统;法国Thales Laser公司的DIVA脉冲DPSS激光器采用全空气冷却结构,体积小,用作便携式LIBS系统的激光发射源,将于2009年用于探测火星土壤成分;澳大利亚XRF科技公司生产的台式LIBS仪器,美国LIBS-ELITE可与OceanOptics LIBS2000+光谱仪一起使用以提供不同材料的实时、高分辨率的定性分析,这些材料包括金属、生物组织、土壤、半导体、宝石和其它地质、生物和环境样本,美国的StellarNet的PO-TRA-LIBS-2000系统可在野外对环境污染进行实时在线分析,测定样品中有害物质及元素的存在,并且对POTRA-LIBS-2000提供的定量数据的可靠性进行分析;英国AppliedPhotonics Limited从最开始的便携式Model 0117型,已经发展到现在的MODEL 0131型,可在野外、现场使用,其功能更加强大,分辨率更高。如图1所示。下面列出该系统在美国及西方各国的一些军事应用的样机图片(图2~图7)。