中国安全科学学报

样品名称	样品质量浓度/ (ng·μL ^-1)	平均报警响应时间/s	平均报警恢复时间/s
TNT	0.1	1.38	4.32
RDX	20	3.58	5.80
黑火药	10	2.36	4.79
膨化炸药	10	5.41	9.07
TATP	10	1.42	5.08
硝基苯	1	4.23	5.40
AN	5	1.16	5.05
硝基甲苯	5	1.52	4.82
奥克托金	100	2.38	4.93
8701炸药	10	1.43	5.87

样品名称	样品质量浓度/ (ng·μL ^-1)	平均报警响应时间/s	平均报警恢复时间/s
TNT	0.1	1.38	4.32
RDX	20	3.58	5.80
黑火药	10	2.36	4.79
膨化炸药	10	5.41	9.07
TATP	10	1.42	5.08
硝基苯	1	4.23	5.40
AN	5	1.16	5.05
硝基甲苯	5	1.52	4.82
奥克托金	100	2.38	4.93
8701炸药	10	1.43	5.87

样品名称	采样方式
TNT	报警响应时间	1.38	报警响应时间	1.71
报警恢复时间	4.32	报警恢复时间	4.90
TATP	报警响应时间	1.42	报警响应时间	1.07
报警恢复时间	5.08	报警恢复时间	7.15

样品名称	采样方式
TNT	报警响应时间	1.38	报警响应时间	1.71
报警恢复时间	4.32	报警恢复时间	4.90
TATP	报警响应时间	1.42	报警响应时间	1.07
报警恢复时间	5.08	报警恢复时间	7.15

样品名称	FQ仪器	IMS仪器
TNT	1.38	4.32	3.48	35.63
AN	1.16	5.05	3.57	35.33

样品名称	FQ仪器	IMS仪器
TNT	1.38	4.32	3.48	35.63
AN	1.16	5.05	3.57	35.33

基于FQ和IMS的痕量爆炸物探测分析

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郝凤龙 ¹ , 张庆胜 ² , 姜玲玲 ¹ , 金川 ¹ , 张涛 ¹ , 贾二惠 ²

中国安全科学学报 | 公共安全 2024,34(11): 179-184

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中国安全科学学报 | 公共安全 2024, 34(11): 179-184

基于FQ和IMS的痕量爆炸物探测分析

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郝凤龙¹, 张庆胜², 姜玲玲¹, 金川¹, 张涛¹, 贾二惠²

作者信息

¹ 公安部第一研究所，北京 100048

² 北京中盾安民分析技术有限公司，北京 102200

郝凤龙 (1985—)，男，黑龙江绥化人，博士，副研究员，主要从事反恐、禁毒理论与装备等方面的工作。E-mail：haofenglong110@126.com。

姜玲玲，副研究员

金川，研究员

张涛，研究员

贾二惠，研究员

Trace explosive detection analysis based on FQ and IMS

Fenglong HAO¹, Qingsheng ZHANG², Lingling JIANG¹, Chuan JIN¹, Tao ZHANG¹, Erhui JIA²

Affiliations

¹ First Research Institute of the Ministry of Public Security，Beijing 100048，China

² Beijing Zhongdun Anmin Analysis Technology Co.，Ltd.，Beijing 102200，China

出版时间: 2024-11-28 doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.11.0356

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摘要

收起

为及时有效地查出行李、包裹和人身中隐藏的爆炸物，利用荧光淬灭(FQ)和离子迁移谱(IMS)2种痕量爆炸物检测仪器，分别通过擦拭和吸气2种采样方式，检测三硝基甲苯(TNT)、黑索金(RDX)、三过氧化三丙酮(TATP)、硝酸铵(AN)等多种爆炸物，并主要从报警时间和恢复时间2个方面进行对比分析。结果表明：擦拭采样情况下，FQ的平均报警时间比IMS少约2 s，平均恢复时间比IMS少约30 s，具有更高的检测效率。吸气采样情况下，FQ仪器可检测TNT和TATP，IMS仪器难以检测爆炸物。

关键词

荧光淬灭(FQ) / 离子迁移谱(IMS) / 痕量 / 爆炸物探测 / 报警时间 / 恢复时间

Abstract

收起

In order to timely and effectively detect the explosives hidden in luggage，packages and individuals，multiple explosives such as trinitrotoluene(TNT)，hexahydro-1，3，5-trinitro-1，3，5-triazine(RDX)，triacetone triperoxide(TATP)，ammonium nitrate(AN)，etc. were detected by FQ and IMS instruments by wiping and aspiration sampling methods. The comparison was mainly made from two aspects: alarm time and recovery time. The experimental results show that under wiping sampling，the average alarm time of FQ is about 2 seconds less than that of IMS，and the average recovery time is about 30 seconds less than that of IMS，which has higher detection efficiency. In the case of aspirated sampling，FQ instruments can detect TNT and TATP，while it is difficult for IMS instruments to detect explosives.

Key words

fluorescence quenching (FQ) / ion mobility spectrometry (IMS) / trace / explosive detection / alarm time / recovery time

引用本文

郝凤龙, 张庆胜, 姜玲玲, 金川, 张涛, 贾二惠. 基于FQ和IMS的痕量爆炸物探测分析. 中国安全科学学报, 2024 , 34 (11) : 179 -184 . DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.11.0356

Fenglong HAO, Qingsheng ZHANG, Lingling JIANG, Chuan JIN, Tao ZHANG, Erhui JIA. Trace explosive detection analysis based on FQ and IMS[J]. China Safety Science Journal, 2024 , 34 (11) : 179 -184 . DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.11.0356

正文

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0 引言

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爆炸恐怖袭击是当今世界各恐怖组织实施恐怖活动最普遍的一种形式。这是因为实施恐怖袭击的炸药易于获取，不易追踪，便于携带；另外，爆炸现场易于对公众形成视觉和心理冲击，所造成的破坏性和政治影响都很大。恐怖分子利用爆炸手段摧毁工业或经济中心、象征性建筑物、地铁^[1]、飞机、桥梁、电信网络和水利系统等国家要害部位，以实现其政治诉求，这是其他恐怖活动形式难以做到的。进入21世纪以来，恐怖爆炸活动在全球范围内呈现出愈演愈烈之势，对人民生命和财产造成重大损失^[2]。仅以2013年为例，全球共发生9 707起恐怖袭击，数量较上年增加44%;造成逾17 800人死亡，较2012年增长61%。同时超过32 500人受伤，2 990余人被绑架或劫持为人质^[3]。从恐袭手段来看，爆炸和武装袭击是恐怖分子最常使用的手段，高达57%的恐袭通过爆炸实现，武装袭击占比为23%。我国的反爆炸恐怖形式也十分严峻，据统计，自1998年以来，我国的爆炸案件以12%的速度递增，甚至有多起爆炸事件发生在首都天安门，其目的在于制造和扩大政治影响^[4]。这些涉爆案件暴露出明显的恐怖主义倾向，已经引起国家相关部门的高度重视。

随着恐怖爆炸活动日趋猖獗，各国政府不断加强针对恐怖爆炸袭击的预防手段和措施，以及时有效查出行李、包裹和人身中隐藏的爆炸物。经过几十年的发展，爆炸物探测技术层出不穷，一般分为体探测技术和痕量探测技术2大类^[5]。体探测技术原理主要是成像技术和核技术。其中，成像技术主要包括X射线成像、毫米波成像、太赫兹成像^[6-7];核技术主要包括中子探测、核磁共振探测、核四极共振探测等^[8-9]。痕量探测技术则通过分析爆炸物挥发出的蒸气或残留在恐怖分子行李衣物表面和手部的爆炸物微粒的物性，获得物质的属性，以探测爆炸物，主要包括光谱分析^[10]、质谱分析^[11]、气相色谱、离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)、声表面波、比色^[12]、生物探测^[13]等技术。目前，痕量爆炸物探测的主流技术是IMS，但荧光淬灭(Fluorescence Quenching，FQ)技术也呈现出快速发展趋势，FQ是利用特殊高分子材料的荧光淬灭性来探测爆炸物^[14]，该技术在痕量爆炸物检测方面属于前沿技术，美国军方目前广泛使用的爆炸物探测仪就是基于该技术。当前研究FQ和IMS单一技术的文献比较多，并且大多仅采用擦拭采样方式，未针对2种技术进行对比分析。

鉴于此，笔者在分析系统组成和工作原理基础上，利用FQ和IMS这2类仪器，分别通过擦拭和吸气2种采样方式检测常见爆炸物，并对比分析检测结果，探索2种仪器在反恐和安检领域实战应用的可能性，以期为基层一线提供有益参考。

1 痕量爆炸物探测系统

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1.1 FQ仪器

基于FQ技术的爆炸物探测仪器，主要工作原理是机器内部的荧光材料接触到爆炸物分子后，其荧光强度、峰位发生变化，这种变化被设备内部的高灵敏度探测器记录，通过分析即可得出被测物上是否有爆炸物^[15]。仪器主要由热解析器、吸气头、气路、荧光探测系统、气泵、流量计和过滤器等组成，其中，荧光探测系统主要包括激发光源、荧光传感器、光电转换器等，具体组成如图1所示。

擦拭采样时，热解析器可将采样试纸上的痕量物质气化，吸气采样时可将该解析器拆下，露出吸气头进行吸气采样。气泵将气化的物质抽过荧光探测系统。激发光源为365nm紫外窄波长光源，光源照射到荧光镀膜后产生荧光，该荧光被光电转换器转变为电流，由模数转换器转换后送到上位机；气化物质的分子在经过荧光传感器时，物质分子和荧光镀膜接触，荧光镀膜的荧光强度会发生急剧变化，根据荧光强度数据变化进行物质判定。

1.2 IMS仪器

IMS检测技术是20世纪60年代末发展起来的一种痕量化学物质分析检测技术。该技术基于气相中不同的气相离子在电场中迁移速度的差异来表征化学离子物质^[16]。IMS检测仪一般由进样系统、电离源、漂移管、微电流放大器、信号采集和处理及显示等^[17]系统组成。组成结构如图2所示。

漂移管是IMS检测仪的核心部件，其性能的好坏直接决定着IMS检测仪的灵敏度和分辨率。漂移管一般由电离区、反应区、离子栅门、漂移区和检测极等组成。在检测分析时，被测气体样品从前端气路入口进入漂移管中的电离反应区，经过电离源放射生成产物离子，生成的产物离子群在环境气压和电场E(V/cm)作用下通过漂移区中的常压气体(通常为空气)并获得一定的速度，称为漂移速度υ_d(cm/s)^[18]:

(1)

υ d = d / t d

式中：

d

为离子栅门与检测器之间的距离，cm;

t d

为离子群经该距离所需的时间，称为漂移时间，ms。漂移速度对

E

的归一化产生了迁移率系数K(cm²/(V·s))，即单位场强的离子群速度：

(2)

K = υ d / E

漂移管中的漂移速度受温度

T

和气压

p

影响，

K

值可以归一到273.15 K和101 324.72 Pa，产生了约化迁移率K₀:

(3)

K 0 = K · 273.15 T · p 760

通常情况下，用

K 0

值来描述离子迁移率。一般而言，在同一电场中不同气相离子的迁移率是不同的。因此，不同种类的离子会在不同的迁移时间到达检测极并产生电流信号，电流信号经过放大器放大及信号采集与处理后便会得到随时间变化的信号谱图，也就是在谱图上不同的迁移时间处会出现不同离子的信号峰，从而实现离子的分离，这就是IMS检测仪实现不同检测样品定性鉴定的工作原理。

2 爆炸物探测试验和结果分析

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2.1 FQ仪器检测爆炸物

2.1.1 擦拭采样试验

试验中，选择三硝基甲苯(Trinitrotoluene，TNT)、黑索金(Hexahydro-1，3，5-Trinitro-1，3，5-Triazine，RDX)和三过氧化三丙酮(Triacetone Triperoxide，TATP)和硝酸铵(Ammonium nitrate，AN)等10种比较典型的爆炸物作为检测样品。根据荧光分子和爆炸物分子能级之差以及FQ效应的强弱，以丙酮作为溶剂，配制10种合适质量浓度的样品。通过擦拭采样方式对这10种不同质量浓度的爆炸物样品分别进行10次的检测，记录每次试验的报警响应时间和报警恢复时间，将每种样品的10次测试数据取平均值，形成的爆炸物擦拭采样测试数据见表1。

从表1中可以看出，报警响应时间在2s以内的爆炸物有5种，分别是TNT、TATP、AN、硝基甲苯以及8701炸药。报警响应时间最长的是膨化炸药，响应时间为5.41s，其他的炸药报警响应时间均在5s以内。报警恢复时间最高的也是膨化炸药，达到9.07s，其他9种爆炸物的报警恢复时间均在6s以内。综上所述，除膨化炸药外，其他样品的测试效果是非常理想的。

2.1.2 吸气采样试验

在常温下爆炸物通常是固态，而吸气采样的检测对象一般是气体。对于固体而言，在常温下会挥发出很少量的气体，这些少量的气体可以称为该爆炸物在常温下的饱和蒸气压。

吸气采样是通过定性的方式进行的，通过控制试验环境的温度，测试对照饱和蒸气压。吸气采样试验表1中的10种爆炸物，只有TNT和TATP能够通过吸气采样方式检测到，其余8种爆炸物均未检测到。

吸气采样和擦拭采样的报警响应时间、报警恢复时间接近，具体的数据对比见表2。

通过吸气采样方式检测到样品需要同时满足2个条件：①荧光材料对样品的检测灵敏度要高；②样品的饱和蒸气压高。荧光材料对TNT的检测灵敏度在10种样品中是最高的，在20℃的温度下，TNT在空气中的饱和蒸气压为6×10^-9，能够通过吸气采样方式检测到。而在常温下，TATP的饱和蒸气压是TNT的10~20倍，因此，虽然荧光材料对TATP的检测灵敏度没有TNT高，但它的饱和蒸气压足够高，也能通过吸气采样方式检测到。

虽然在吸气采样试验中能够实现TNT和TATP的检测，但是在非饱和状态下(在一些开放环境中)爆炸物的蒸气压约为其饱和蒸气压的10^-6~10^-2^[19]。以最常见的炸药TNT为例，TNT的饱和蒸气压为6×10^-9(20℃)，要通过吸气采样方式探测开放环境炸药装置中的TNT，需要使探测装置能够探测0.1~0.000 01×10^-9的TNT分子。而且，大部分的非芳香类爆炸物的饱和蒸气压比较低，如RDX为5×10^-12，太安为7×10^-12 t，而奥克托今更是低至0.1×10^-12，且其热稳定性更高，使得这类炸药的探测更为困难^[20-21]，通过吸气采样方式检测开放环境中的爆炸物，现阶段还难以实现，今后需要进一步提高荧光探测装置的灵敏度。

2.2 IMS仪器检测爆炸物

利用IMS爆炸物探测仪，分别通过擦拭和吸气采样方式检测常温常压下的TNT、AN、黑火药、RDX、太安、硝化甘油、吉纳、复合炸药、TATP、塞姆丁和铵梯等11种爆炸物样品，每种样品检测10次，并详细记录检测谱图、报警时间和恢复时间等信息，其中，擦拭采样结果是11种爆炸物均报警，吸气采样结果是均未报警。为便于对比分析，仅列出TNT和AN的检测结果，见表3。

从表3中可以看出，TNT和AN的检测谱图，在擦拭采样时特征峰清晰可辨，在吸气采样时仅有背景峰，未有样品特征峰，由此验证现阶段IMS技术难以通过吸气方式检测固态爆炸物。

3 痕量爆炸物探测对比分析

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对比分析2种技术在擦拭采样情况下检测的TNT、RDX、黑火药、TATP 和AN等5种相同样品的数据。分析发现，FQ的报警响应时间均在2~3s，恢复时间均在4~5s，IMS的报警响应时间均在4~5s，恢复时间均在35~36s。5组数据对比结果一致，表明FQ的爆炸物检测时间更快，检测效率更高。文中仅列出有代表性的TNT和AN这2种物质的实测数据，见表4。

从报警响应时间看，利用IMS技术检测时，需经历气化、渗透、电离、漂移等环节，还需要一定样品量的积累，报警响应时间较长；而FQ技术检测时没有电离和漂移环节，响应时间较短。从报警恢复时间看，IMS仪器内残留的样品较多，特别是漂移管和渗透膜中的残留需要高温等方式进行清洁处理，恢复时间较长；而FQ仪器内部是相对简单的开放气路，样品检测后直接排出，基本无残留，恢复时间较短。

4 结论

收起

1) 利用FQ和IMS这2类仪器，分别通过擦拭和吸气采样方式检测多种爆炸物。在擦拭采样情况下，2类仪器均可实现爆炸物检测，并对比分析TNT、RDX、黑火药、TATP 和AN等5种相同样品的检测数据，结果表明：FQ的报警响应时间比IMS的约少2s，而恢复时间比IMS的约少30s，具有更高的检测效率。

2) 在吸气采样情况下，FQ仪器可检测出饱和蒸气压下的TNT和TATP，2种爆炸物的报警响应时间均小于2s，恢复时间均小于8s，而IMS仪器难以实现爆炸物检测。

3) 文中仅从采样方式、报警响应时间和恢复时间等方面对比分析FQ和IMS技术，后续可从爆炸物检出限、误报率、稳定性和耗材成本等多方面进行深入研究。

基金

收起

国家重点研发计划项目(2022YFF0708203)
中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(B21607)

参考文献

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文献

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2024年第34卷第11期

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744

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doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.11.0356

接收时间：2024-05-10
首发时间：2025-07-09
出版时间：2024-11-28

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收稿日期：2024-05-10
修回日期：2024-08-11

基金

国家重点研发计划项目(2022YFF0708203)

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(B21607)

作者信息

¹ 公安部第一研究所，北京 100048

² 北京中盾安民分析技术有限公司，北京 102200

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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样品名称	样品质量浓度/ (ng·μL ^-1)	平均报警响应时间/s	平均报警恢复时间/s
TNT	0.1	1.38	4.32
RDX	20	3.58	5.80
黑火药	10	2.36	4.79
膨化炸药	10	5.41	9.07
TATP	10	1.42	5.08
硝基苯	1	4.23	5.40
AN	5	1.16	5.05
硝基甲苯	5	1.52	4.82
奥克托金	100	2.38	4.93
8701炸药	10	1.43	5.87

样品名称

样品质量浓度/
(ng·μL ^-1)

平均报警响应
时间/s

平均报警恢复
时间/s

TNT

0.1

1.38

4.32

RDX

3.58

5.80

黑火药

2.36

4.79

膨化炸药

5.41

9.07

TATP

1.42

5.08

硝基苯

4.23

5.40

1.16

5.05

硝基甲苯

1.52

4.82

奥克托金

100

2.38

4.93

8701炸药

1.43

5.87

样品名称	采样方式
TNT	报警响应时间	1.38	报警响应时间	1.71
报警恢复时间	4.32	报警恢复时间	4.90
TATP	报警响应时间	1.42	报警响应时间	1.07
报警恢复时间	5.08	报警恢复时间	7.15

样品
名称

采样方式

擦拭采样

吸气采样

TNT

报警响应时间

1.38

报警响应时间

1.71

报警恢复时间

4.32

报警恢复时间

4.90

TATP

报警响应时间

1.42

报警响应时间

1.07

报警恢复时间

5.08

报警恢复时间

7.15

样品名称

擦拭采样图谱

吸气采样图谱

TNT

样品名称	FQ仪器	IMS仪器
TNT	1.38	4.32	3.48	35.63
AN	1.16	5.05	3.57	35.33

样品
名称

FQ仪器

IMS仪器

平均报警
时间

平均恢复
时间

平均报警
时间

平均恢复
时间

TNT

1.38

4.32

3.48

35.63

1.16

5.05

3.57

35.33