新爆炸物化学检测仪可嗅出隐藏的炸弹

一直以来，针对爆炸物的化学探测都是航空安全的基石。通过识别接触过爆炸物的人身上所携带的极其微量的残余物，这种被称作“痕量检测”的技术手段能够来让不法之徒无所遁形。在机场中，美国运输安全管理局（TSA）的工作人员扫描检测你的手以及笔记本电脑等等物品时所使用的技术正是“痕量检测”的一种形式——离子迁移谱（ion mobility spectroscopy）。在几秒钟之内，样品首先被汽化成了化学离子，然后探测器再通过其分子大小和形状来识别其是否为爆炸物，而如果确实是爆炸物就会触发警报。

但当待测对象较多时，这种手段就变得既费时又费力，而且其有效性很大程度上依赖于工作人员的取样水平。此外，这种技术还需要接触式取样，也就是说安检人员不得不接触到那些有可能存在残留物的物体表面。因此，当不法之徒不打算通过安检，他们的个人物品也没有机会被搜查时，这种技术就毫无用武之地了。

还有一些安检小队则依靠训练过的狗，利用它们灵敏的嗅觉来嗅出爆炸物。可是例行部署探测犬的背后意味着极为繁重的后勤和训练工作。与此同时，直接用狗近身检测也可能使某些特殊文化背景的旅客感到反感。

于是，研究人员长久以来都致力于开发一种新型的，可以像犬类一样“嗅”出爆炸物蒸汽的化学探测技术。不过这些年来很多尝试都由于灵敏度不够而失败了。针对这个问题，我们的研究小组已经从事了近20年的研究工作并且取得了很大的进展。

越来越灵敏

想要设计一种能与狗鼻子相匹敌的技术，其最大的难点在于绝大部分爆炸物的饱和蒸气压都非常非常的低。某个材料的“平衡蒸气压”从根本上说是在一个特定温度的理想条件下，空气中该材料的含量有多少（也就是可供探测的含量有多少）。

全世界的军队普遍使用的含氮有机炸药（如TNT，RDX和PETN）的平衡蒸汽压只有万亿分之一左右。换句话说，如果想要在实际的工作环境中（如机场中拥挤忙碌的登机区）可靠地嗅出这些爆炸物的蒸汽，探测器的灵敏度必须达到千万亿分之一（ppq）的水平。

可是这已经超过了痕量检测设备的能力范围。要知道，拥有325ppq的探测水平就相当于能够在整个地球的范围内找到一棵特定的树。

不过，近期的研究已经将探测水平推进到了千万亿分之一这样的范围。在2008年，一个国际小组使用一种称为二次电喷雾电离质谱分析的先进电离技术，达到了比探测TNT和PETN所需的万亿分之一更优的探测水平。

在2012年，我们在美国太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究组通过使用大气流管质谱分析(AFT-MS)成功对平衡蒸气压低于25ppq的RDX蒸汽进行了直接、实时的探测。

质谱仪的灵敏度取决于有多少目标分子能够被电离并转移进入质谱仪以供探测。这个过程进行的越充分，其灵敏度就会越高。我们的AFT-MS设计的特别之处就在于它利用时间来最大化爆炸物蒸汽分子与离子源产生的空气离子之间发生碰撞的几率。正是这些空气离子与爆炸物分子之间反应的程度决定了灵敏度的高低。AFT-MS的使用，让我们在今天有能力探测到一系列平衡蒸气压低于10ppq水平的爆炸物。

下一步：投入实际使用

因此，我们目前研发出来的爆炸物化学探测仪器已经不必再受制于接触式取样，而是可以和犬类一样去“嗅”出炸药的味道。

该仪器为安全检查提供了令人振奋的新的可能性：第一，它具有与犬类相似的爆炸物蒸汽探测的能力，第二，它可以连续不间断地工作。痕量探测的取样不再需要直接接触待测的可疑物品。而工程师则可以设计出一种非侵入的“穿行式”爆炸物探测装置，一如那些我们常见的金属探测器。

这项技术真正的创新之处在于其极高的灵敏度，这使得它可以对蒸汽羽流进行直接探测。因此我们不用再先收集爆炸物颗粒，然后再将其气化（比如在过去的痕量探测技术中，为了取出人们身上的颗粒而使用噪音非常大的空气喷嘴）。现在，更高的灵敏度意味着当旅客们穿行而过时，我们就能够对空气中的爆炸物分子进行连续不断的采样了。

该技术手段毫无疑问会让机场安检变得更轻松，同时还能大大提高安检口的吞吐能力，改善旅客们的体验。我们也可以将该类型的装置置于机场航站楼或者其他公共设施的入口处，炸药一旦进入这栋建筑就可以立刻被探测到（而不是仅仅当炸药通过安检口时才能探测），这显然将大大提高公共场所的安全性。

通过增加一个扫描器可用的信息独立模块，该蒸汽探测性能也可以加强安全性。目前，包括X射线和毫米波成像等在内的大多数安检技术都是基于对异常状况的观测，也就是说TSA的工作人员们会从影像中找出那些看起来形状可疑的物体。而蒸汽探测技术可以为他们提供一个能够识别特定化学品的全新工具。

两种技术的整合将为我们提供一种双管齐下的爆炸物探测手段：当检测一个人或者包裹时，我们既能够观察爆炸物的影像，又可以“闻”到它散发出的蒸汽羽流。就好比如果你想认出一个久未谋面的人，你很可能既需要看一看他的近照，同时还需要听一听他的声音，而不是只需要这两样信息中的一种。

受到了狗鼻子那强大探测能力的启发，我们已经在发展能与之比肩的探测技术的道路上取得了可喜的进展。这种以爆炸物为目标的蒸汽探测技术既可以有效提高公共场所的安全系数，又可以让安检环境变得不那么扰人。下一步的研究则是在继续优化这项技术的同时尽量降低其成本，最终目的是让这些探测器能够在你身边的每一座机场中大显身手。