用Block量子级联激光器(QCL)来检测化学药物

Block Engineering公司为检测化学药物开发了一种开路化学检测系统，其利用了Block量子级联激光器 (Quantum Cascade Laser ，QCL) 的新型光源,，并结合了连续采样和被动式傅里叶变换红外光谱仪的特点。利用LaserTune量子级联激光器检测化学药物，可在数百米以外的远距离检测并快速完成，其中化学药物有化学战剂(CWA)、有毒工业化学品和材料(TIC/TIM)以及新型和新兴非传统制剂(NTA)等。此文简单讲述CWA、TIC/TIM和NTA化学物品以及Block LaserTune量子级联激光器QCL开路系统。

1、什么是CWA、TIC/TIM和NTA化学制剂？

对人类生命构成危害的化学品主要分为三类：

- 化学战剂Chemical Warfare Agents (CWAs)

- 有毒工业化学品和材料 Toxic Industrial Chemicals and Materials (TICs/TIMs)

- 新型和新兴非传统药物Novel and emerging Non-Traditional Agents (NTAs)

每一类化学品都有着不同类型的伤害与威胁，下面简要介绍这三种化学品的历史和说明。

 

化学战剂Chemical Warfare Agents (CWAs)：

化学战剂，传统上称为"化学武器"或"化学武器制剂"，在第一次世界大战期间被广泛使用。

化学战剂通常被归为导致皮肤起泡、影响神经系统、损害血液以及导致窒息的化学品子类。最近发明的一类名为"诺维乔克"（Novichoks）的神经毒剂被视为第四代毒剂（FGAs）。值得庆幸的是，部分由于国际《化学武器公约》协议的签署，99%以上的化学战剂已被销毁。目前，世界上98%的人口生活在承诺消除使用化学武器的国家。但是，在恐怖袭击（沙林毒气）、政治性投毒（液态诺维乔克）和战场冲突（氯气）中，仍有一些使用化学武器的情况，禁止化学武器组织（OPCW）作为一个国际组织，继续致力于消除化学武器。

 

有毒工业化学品和材料 Toxic Industrial Chemicals and Materials (TICs/TIMs):

更常见的一类危险化学品是有毒工业化学品和材料(TICs/TIMs)。与CWA不同的是，这些化学品在商业应用中具有实际用途，不会被禁用。与化学战剂相比，大多数安全专业人员更关注TIC/TIMs的化学危害，个人获取有毒工业化学品要比获取传统化学战剂容易得多。CWA组和TIC/TIM组之间存在一些重叠，例如，光气是一种用于工业塑料生产的化学品。这些类型的化学品受到职业安全与健康管理局（OSHA）、美国环保署（EPA）和许多其他机构的严格监控、监管和控制。另外，一些风险最高的TICs/TIMs是极为常见的化学品，包括氨，在适当的情况下，小浓度的氨是安全的，但大量的氨是有伤害性的，可能会在恐怖袭击中被制成武器。

 

新型和新兴非传统制剂 Novel and emerging Non-Traditional Agents (Novel and NTAs):

尽管美国政府将98种化学物质归类为TIC，并按照危害指数对它们进行了排名，但还有无数其他化学物质会对人类生命造成危害。新出现的危险化学品通常被归类为"新型"或"非传统制剂"，其中一些非传统制剂是现成化学品的组合；另一些则是在实验室中制造的新化学品。

芬太尼和其他阿片类药物等医药化学品的气溶胶形式也是一种危险的存在，这些以气溶胶或气体形式存在的化学品可以迅速填充封闭空间，使人群丧失行动能力，国土安全部和其他政府机构一直在努力识别和减少这类新型和非传统的化学威胁。

Block Engineering在帮助检测CWA、TIC/TIM和NTA方面拥有 60 年的经验，而且 LaserWarn 开放路径化学检测系统可在数秒内从数百米外识别出这些类型的化学品。

 

2、量子级联激光器(QCL)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对化学药物检测方法有什么不同？

傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)是20世纪中期发展起来的一种化学检测与鉴定技术。Block工程公司的创始人迈伦-布洛克（Myron Block）博士和他的同事们在这方面取得了一些重要进展，从而形成了今天的傅里叶变换红外系统。在过去二十年里，出现了更新的化学检测技术，这些技术包括基于激光的光谱技术，可实现更快的速度和更大面积的检测。傅里叶变换红外光谱和激光化学检测方法有哪些优势？接下来，先看看两种常见的傅里叶变换红外光谱仪。

连续采样傅里叶变换红外光谱仪(Continuous Sampling FTIR)：

"连续采样"傅里叶变换红外光谱仪通常使用泵将空气抽入一个称为气室的腔体，傅里叶变换红外光谱仪对气室中的空气进行化学分析，并识别出具有伤害性的物品。这类连续采样系统通常安装在建筑物的供暖和空调(HVAC)系统上，或用于化工生产设施的战略部分。它们有时被称为"环境空气监测仪"，因为只对环境（周围）空气进行检测。由于化学气体需要穿过开放空间并与系统本身接触，连续采样傅立叶变换红外系统可能在化学气体释放几分钟后才能识别出化学药物。如果在建筑物的暖通空调系统中检测到危险化学品，那么在进行化学鉴定时，该化学品很可能已经扩散到整个建筑物，此时，对人体的不利影响可能已经开始。之所以会出现这种延迟报警的情况，是因为不是远距离检测。

此外，傅里叶变换红外系统通常涉及泵、过滤器和其他可能需要更换的元件。对于连续采样的傅里叶变换红外系统来说，湿度可能是一个大问题。维护成本可能很高。对于需要在数百米以外快速检测化学药物的应用，第二种傅里叶变换光谱仪更具有优势。

被动式傅里叶变换红外光谱仪(Passive Standoff FTIR):

被动式傅里叶变换红外光谱仪采用的方法与连续采样傅里叶变换红外光谱仪是不一样的，被动式傅里叶变换红外系统不是将空气吸入气室，而是更像照相机。被动式傅里叶变换红外系统直接（通常是手动）对准远处的某个位置，利用热辐射和本底辐射的差异来识别数百米外的化学物质，而且被动式傅里叶变换红外光谱仪相当昂贵，每套的价格大概是30万至60万美元。

被动式傅里叶变换红外系统虽然在蓝天白云下可以轻松识别化学物质，但传感器在地面复杂的热环境中往往会受到干扰，被动式傅里叶变换红外系统在室内环境中通常不起作用。被动式远距离傅里叶变换红外系统需要视距，对于晴空万里的室外应用（例如，识别战场上空的气体云），被动式远距离傅里叶变换红外系统可能非常出色，但是，在高干扰的地面环境中，其探测能力可能会大大降低。

这两种类型的傅里叶变换红外系统都涉及精密且经常易碎的光学元件，包括快速移动的内部反射镜。在安全、固定的实验室环境中，元件的易碎性并不令人担忧。但在现场，傅里叶变换红外系统很容易受到冲击、振动、粗暴操作以及其他环境的影响。

Block量子级联激光器开路检测(Quantum Cascade Laser Open Path Detection)：

Block Engineering将其技术重点从被动式傅里叶变换红外系统转向基于激光的现代系统，并利用了一种称为量子级联激光器 (QCL) 的新型光源，开发了一套开路化学检测系统。Block LaserTune量子级联激光"开路"系统结合了连续采样系统的低成本和被动式系统的远距离探测能力，但与傅里叶变换红外系统不同，QCL开放式路径系统沿着一条路径照射一束看不见的、对眼睛安全的红外激光束，这束激光可作为一种"化学绊网(chemical trip-wire)"延伸到需要保护的空间，量子级联激光器检测化学药物的系统能够在几秒钟内检测并识别穿过光束路径的化学物质。

即使是在极其复杂和热挑战性极高的环境中，QCL开放式路径系统可以检测数百米以外的化学物质。该系统需要视线，但可以通过镜面将激光路径"弯曲"到拐角或物体周围，从而保护复杂的几何结构。与傅立叶变换红外系统不同，该系统没有泵、过滤器或消耗品，成本远远低于大多数被动式系统，系统内的易碎和易坏元件减少，远距离灵敏度极高，可在释放后四秒内完成检测。

Block量子级联激光器还可以瞄准到7-12um波长范围，在这一红外光谱区域，有毒和有害化学物质很容易被检测到。对于机场、交通枢纽、音乐会场馆、企业或研究园区等大型区域的保护，量子级联激光器(QCL)可提供全天候(24/7)的化学物品监测。