美国海军舰队的生化毒剂探测技术及设备

刘二平，赵宴辉，韩洋洋，岳 强，于开录

综述

美国海军舰队的生化毒剂探测技术及设备

刘二平1，赵宴辉2，韩洋洋2，岳 强2，于开录2

（1.海装北京局驻邯郸地区军事代表室，河北邯郸 056002；2.中国船舶集团有限公司第七一八研究所，河北邯郸 056027）

首先简要介绍化学武器、生物武器的历史及给人类带来的灾难。然后详细介绍美国M256试剂盒/M8试纸、离子迁移普（IMS）、MK26/0型和IPDS-LR等化学毒剂探测设备和联合生物点检测系统（JBPDS）、联合生物制剂识别和检测系统（JBAIDS）和联合化学、生物和放射性水监测器（JCBRAWM）生物战剂检测系统。这些为我国的化学战剂和生物战剂的检测提供参考。

化学武器 生物武器 检测技术 美国海军舰队

0 引言

现代的作战人员面临着广泛的威胁，这些威胁不仅有“力量对抗”战场中的常规武器，也有“非对称”型的恐怖主义袭击和游击战。近年来，以生化武器为代表的大规模杀伤性武器引起了公众和新闻媒体的注意。美苏等国在冷战期间囤积了大量生化武器，随着苏联解体，部分武器流落到世界各地，给世界各国带来的威胁仍然存在。

1 化学战剂的发展及威胁

化学战在远古时代就得到应用，通过燃烧植被或硫磺以获得有毒烟雾，可以迫使城内士兵投降。第一次世界大战时，氯气和芥子气等化学毒剂被大规模使用，造成数千人死亡和受伤[1]。图1是在战场上使用的莱文式毒剂放射器，包含外壳、药剂及其推进剂。

图1 莱文式毒剂放射器

20世纪30年代，德国研制G系列神经性化学毒剂，被认为是潜在有效的武器。随着冷战开始，神经毒剂、芥子气以及VX等被美国、苏联及其各自的盟友作为标准化学武器而存储[2～3]。

除了化学毒剂，有毒工业化学品物质（TICS）也能对人类社会造成威胁。虽然毒性比传统的化学毒剂小得多，但是分布范围非常广，存在于所有化学工业场地，一旦泄露，势必造成重大危害，例如1984年印度的博帕尔灾难。

和化学武器威胁一样，生物武器的威胁同样可以追溯到中世纪时期攻城战争。生物武器的威胁来自20世纪初，并在冷战时期达到顶峰。日本在中国等地进行了大规模的生物毒剂投放，美国也在朝鲜战争和越南战争，多次实施生物战，并囤积了大量生物武器[4]。冷战末期，随着非对称战争的上升，生物武器开始发展并形成新的威胁。

为了应对生化武器的攻击，有必要开展迅速而且有效的检测，为人员和设施防护提供预警。美国海军力量遍及全世界，受到的“非对称”型威胁也更多一些，因此舰船上陆续配置多种检测仪器，本文进行详细介绍。

2 化学武器威胁的检测技术

化学战剂可以通过爆炸性弹药，如炮弹、导弹或简易爆炸装置释放，也能在空中通过喷雾方式释放。水蒸汽、空气中的气溶胶、物体表面上的液体、土壤或水中的污染物都可以传播化学战剂[5]。为了应对化学战剂传播，美国海军舰船上配置了点检测器、远程检测器或隔离检测检测器。

2.1 M256试剂盒和M8/9试纸

M8（M9）试纸用于检测液体化学战剂的存在，或者被固定在物体表面上以检测战剂液滴的反应。该试纸上浸有的化学活性染料能产生特有的颜色变化，这种颜色变化是对应的毒剂样品所特有的。例如，如果M8试纸变红则表示存在芥子气，试纸由橙色变浅黄色则表明存在G神经毒剂，而VX神经毒剂则会使其变为深绿色。M256试剂盒是一种双组分检测试剂盒，如图2所示。

M8试纸和M256试剂盒用于舰船被攻击后的检测，以及被攻击后预定安全路线的检查。M8纸可以粘贴在船外部表面，并监测颜色变化以指示气溶胶的到达。对于气体化学战剂，如果M256样品变成蓝色则表示有神经毒气，变成蓝紫色表示有芥子气，变成橄榄色表示有糜烂性毒气。

图2 M256套装

2.2 离子迁移谱（IMS）

IMS是一种通过电离吸入检测器的空气样品检测化学毒剂存在的技术。离子迁移普分析仪首先电离空气组分，然后测量在电离区域中形成的离子簇穿过检测器内恒定电场的时间来分析样品的，以便确定毒剂的种类。不同尺寸、极化率和电子亲和力的离子簇穿过电场区域的时间也不同，因此它们产生的IMS特征不同。与其他分析技术相比，例如质谱分析仪，IMS简单便宜并且可以安装在轻质传感器中。因此，IMS探测器已被用于多种场合，包括在舰船上使用。图3显示了离子迁移普单元。

图3 离子迁移普单元

图4 联合化学毒剂探测器

化学毒剂监测器（CAM）、改进的化学毒剂监测器（ICAM）和自动化学剂探测器警报器（ACADA）是美国军方使用的首批IMS探测器。这些检测器是为陆军在陆基任务中使用而设计。联合化学毒剂探测器（JCAD）应用在海军中，用于远征、爆炸性弹药处理和医疗任务。它用于检测空间内部、表面、设备和人员沾染的毒剂，并为用户提供自动探测、识别、定位和警报功能。JCAD如图4所示。

Mk 26/ 0型改进点检测系统（IPDS）是一种IMS探测器，被用于监测船舶的外围情况，已经为船队服务超过10年。随着Mk26/0达到其使用寿命的终点，选择了系统生命周期替代型的改进点检测系统（IPDS-LR）。该系统于2010年完成测试，并于2011年底开始在海军舰船上列装。IPDS旨在检测船舶外围空间是否存在化学战剂， IPDS-LR将在不损失性能、可靠性和可维护性的情况下能够完成同样的任务。IPDS-LR系统的描述和功能描述如图5所示。

图5 IPDS-LR系统组成

3 生物武器的检测技术

目前可以被检测的生物战剂既可以是可吸入的气溶胶，也可以是其他形式，如饮用水，它们可以通过人体接触传播。为检测这些生物战剂威胁需要综合各种技术，每种技术都需要根据被检测的样本类型和使用环境进行定制[6]。

目前部署到美国舰队的三个检测系统是联合生物点检测系统（JBPDS）、联合生物制剂识别和检测系统（JBAIDS）和联合化学、生物和放射性水监测器（JCBRAWM），分别覆盖了空中、医疗和水面等领域。

与JBPDS一样，正在研发的联合生物战术检测系统（JBTDS）也可以检测空气中的生物气溶胶。目前JBTDS与干燥过滤装置单元一并部署在美国的舰队和一些陆基设施中。JBAIDS和JCBRAWM探测器并不专门针对空气中药剂的检测。 JBAIDS采用聚合酶链反应扩增和鉴定靶因子的遗传物质，是一种确认性检测和标定系统，主要针对医学样本。JCBRAWM是一种通过分析手持式抗体检测卡的水样来检测两种生物制剂（蓖麻毒素和葡萄球菌肠毒素），及通过提取在热金属板上的水样读取辐射值来检测大剂量的α和β放射性污染的指示和计算设备（RADIAC）。其中JCBRAWM和手持式检测卡如图6所示。

虽然化学战剂检测允许通过化学或物理的相互作用原理直接检测目标物种，但生物物种的复杂性和大尺寸性为生物检测带来额外困难。每个生物战剂检测系统都要求首先收集样本，然后依靠抗体捕获抗原或重组DNA，再进行分离检测和标定等步骤才能推断或确认被检测目标的物种。

图6 联合生物点检测系统及手持式检测卡

正如化学检测一样，有必要采用远程或隔离检测方式获得空气中生物的物种，光学技术是解决该问题的首选方法。例如光探测和测距（LIDAR）来检测可疑的气溶胶云团。生物检测与化学检测不同的是通过电磁辐射直接标定目标物种是不允许的，而现有技术可以做到的最好结果是确定目标物种的来源。

4 未来发展

美国海军舰队虽然已经配备了众多生化武器检测仪器，美国海军水面作战中心仍然在开发和部署一系列新型检测系统，从对手的意图情报开始，并通过远程检测，以及船内外点检测的多层措施，以应对各种化学和生物威胁。通过多方参与联合计划，美国海军能够利用其他服务的开发工作，与研究，开发和系统工程一起，为船队提供一套满足这些要求的探测器，未来的努力将增强这套检测功能。

[1] Dayton T. American Poetry and the first World War[M]. 2018.

[2] 熊飞, 谢京京. 大规模杀伤性武器之一: 化学武器[J]. 生命与灾害, 2012(9): 30-33.

[3] 何民, 全球化学战剂介绍[J]. 化工之友, 2011. 8: 40-42.

[4] 闵芳. 生物武器全解析[J]. 生命与灾害, 2019(4): 4-5.

[5] 孙茂盛, 姜蔚. 化学武器探测技术的现状[J]. 国外防化科技动态, 2004(8): 16-20.

[6] 包剑, 罗雯军, 王吉. 美国海军水面舰艇核生化防护新发展[J]. 船海工程, 2013.8, Vol.42(4): 81-83.

Biochemical Detection Technology and Equipment for US Navy Fleet

Liu Erping1, Zhao Yanhui2, Han Yangyang2, Yue Qiang2, Yu Kailu2

(1. Navy Representative of Beijing Bureau Office of in Handan, Handan 056002, Hebei, China; 2 .The 18th Research Institute of CSSC, Handan 056027, Hebei, China)

TJ92

A

1003-4862（2021）09-0044-03

2020-11-30

刘二平（1977-）硕士，工程师。研究方向：自控。Email：yukailu@aliyun.com