比色法在爆炸物檢測中的研究進展

吳昊天，王廣發，竇新存*

(1.爆炸物安全科學自治區重點實驗室 中國科學院特殊環境功能材料與器件重點實驗室，中國科學院新疆理化技術研究所，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院大學 材料與光電研究中心，北京 100049)

爆炸恐怖襲擊是恐怖犯罪活動最常見的形式之一，嚴重威脅著國家及人民的生命財產安全。據全球恐怖襲擊數據庫(Global Terrorism Database,GTD)統計，僅在2015～2018年間全球就發生了25 000余次爆炸恐怖襲擊事件。因此，出于打擊恐怖主義，維護人民安全的迫切需要，爆炸物檢測技術的發展受到各國政府和科研人員的高度重視[1-4]。

為了遏制爆炸恐怖襲擊事件的發生，研究人員開發了多種爆炸物探測技術手段，包括拉曼光譜[5]、離子遷移譜(IMS)[6]、質譜[7]、電化學分析[8]、免疫測定法[9]、熒光傳感法[10]等。比色法具有操作簡便、檢測快速、完全不依賴于笨重的分析設備和電源供應，在檢測中不受樣品純度、環境濕度、灰塵干擾等優點，是適用于現場檢測的技術手段之一[11-13]。然而，隨著社會的發展，檢測環境復雜化，檢測對象也更多樣，傳統的比色法在多目標物的分析以及抗干擾性等方面遇到了極大挑戰[14]。科研人員長期致力于傳統比色法的改進和發展，以期實現復雜環境下爆炸物的快速、準確、靈敏檢測。

本文論述了比色法在爆炸物檢測領域的研究進展，重點討論了一種新型人工嗅覺系統——比色人工嗅覺系統及其在爆炸物檢測中的應用，并展望了其未來的發展方向和潛在機遇。

1 比色探針檢測爆炸物

傳統的比色探針多為小分子比色試劑，其通過與分析物間的化學反應，形成或者破壞例如偶氮染料[15]、席夫堿[16]、Lewis酸[17]、莫森海默復合物[18]等的分子結構而產生顏色變化。隨著納米科學和材料化學的發展，比色探針的種類和檢測原理得到了極大豐富，出現了基于納米顆粒表面等離子體共振(SPR)介導的比色探針[19]、基于酶和模擬酶催化反應的比色探針[20]、基于絡合物配體-受體結合作用的比色探針[21]等。比色探針一般具有較強的特異性，能實現一對一檢測，可以通過觀察顏色的變化實現定性分析，并通過顏色變化程度確定待測物含量。目前，比色法已經被廣泛應用于爆炸物檢測領域。

1.1 比色探針檢測制式爆炸物

爆炸物主要分為兩類：一類是以三硝基甲苯(TNT)、二硝基甲苯(DNT)、苦味酸(PA)等為代表的制式爆炸物；一類是以硝酸鹽、高氯酸鹽、尿素等為代表的氧化劑與硫、石油、碳粉等易燃物混合而成的非制式爆炸物。制式爆炸物含有多硝基的分子結構，具有相似的化學性質，可使用相似的方法檢測。以TNT為代表的硝基芳烴類爆炸物是制式爆炸物的重要種類之一，因其特殊的缺電子結構，常基于電子供體-受體作用和親核試劑進攻硝基芳環形成莫森海默復合物實現比色檢測。Mao課題組將半胱胺修飾在金納米顆粒上，由于半胱胺與TNT之間的供體-受體作用導致金納米顆粒聚集，使得金納米顆粒的表面等離子體共振(SPR)峰沿較長的波長方向移動，從而產生顏色變化(圖1A、B)[22]。He課題組在半胱氨酸修飾的二硫化鉬納米片上，利用3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺(TMB)與TNT形成的莫森海默復合物能夠在過氧化氫存在下削弱甚至阻止TMB被氧化成TMBox(TMB被氧化后的顏色產物)的特性，實現了TNT的比色檢測。該方法對其它硝基芳香化合物具有很好的抗干擾性，且檢測限達10 nmol/L[23]。

圖1 基于半胱胺和TNT間電子D-A相互作用的TNT比色檢測機理圖(A)，金納米顆粒檢測不同濃度TNT的顏色變化圖及不同TNT濃度下Au NPs的紫外/可見吸收光譜圖(B)[22]，4-ATP修飾的金納米顆粒與NED偶聯測定RDX或HMX的原理圖(C)，未修飾的金納米顆粒、4-ATP修飾后的金納米顆粒及體系加入不同濃度RDX水解產物后的光譜圖和在試管中的顏色對照圖(D)[25]Fig.1 Schematic illustration of the colorimetric visualization of TNT based on the electron D-A interaction between cysteamine and TNT(A),colorimetric visualization of TNT by using Au NPs and UV-Vis spectra of the Au NPs(B)[22],schematic presentation of RDX or HMX determination with 4-ATP modified Au NPs and NED coupling agent in the presence of different concentrations of TNT(C),spectra of underivatized Au NPs,Au NPs modified with 4-ATP,and end products,obtained from RDX hydrolysis at room temperature in the different concentration and the color images of their test tubes(D)[25]

不同于缺電子性質的硝基芳烴類爆炸物，三次甲基三硝基胺(RDX)、環四亞甲基四硝胺(HMX)、季戊四醇四硝酸酯(PETN)等硝胺或硝酸酯類含能軍用炸藥具有富電子性，這類爆炸物常需水解為亞硝酸鹽或硝酸鹽后再進行比色檢測。Apak課題組利用Zn+HCl可以將RDX還原出硝酸根的特性，進一步以經典的Berthelot反應間接地實現了對RDX的比色檢測[24]。此后，該課題組還利用亞硝酸鹽能誘導對氨基苯硫酚(4-ATP)與萘基乙二胺(NED)形成偶氮染料的反應開發了基于金納米顆粒的檢測平臺，分別實現了對RDX、HMX[25]和PETN[26]的比色檢測(圖1C、 D)。

1.2 比色探針檢測非制式爆炸物

相比于制式爆炸物，非制式爆炸物具有成分復雜、揮發性極低等特點，對其探測是一個世界難題。19世紀時，研究人員就嘗試開發用于非制式爆炸物組分定性分析的比色試劑，例如檢測硝酸鹽的Griess試劑[27]，檢測銨鹽的Nessler試劑[28]和Berthelot比色反應[29]。Mirkin課題組發展了基于Griess試劑的檢測方法，他們將Griess反應的主要成分(對氨基苯磺酸和1-萘胺)分別修飾在金納米顆粒上，對氨基苯磺酸和1-萘胺與亞硝酸鹽發生偶聯反應會改變金納米顆粒間的距離，從而引起顏色變化，實現亞硝酸鹽的比色檢測(圖2A、B)[30]。該方法不僅將裸眼比色識別硝酸鹽和亞硝酸鹽的檢測限降至21.7 μmol/L，而且還可以通過改變反應時間在22～30 μmol/L之間自由調節裸眼檢測限。Gozin課題組則選用Mo-Cu催化體系，利用硝酸鹽將硫醚氧化為亞砜結構而改變發色團顏色的特性，實現了對硝酸鹽的比色檢測[31]。由于次氯酸鹽容易氧化Berthelot試劑中的水楊酸鹽，從而導致試劑失效，因此使用時需現用現配，極大地限制了Berthelot試劑的應用。Kim課題組通過將靛酚藍試劑修飾在濾紙上成功制備出可以穩定保存的比色試紙，并且通過抽氣的方式成功實現了銨根溶液的高靈敏比色檢測，極大地提高了Berthelot方法的實用性[32]。Kim課題組利用次氯酸鹽可以氧化解離二氰基亞甲基-3-氰基-2,5-二氫呋喃(DCDHF)結合硼-二吡咯亞甲基(BODIPY)的染料，實現了次氯酸鹽的高靈敏比色檢測[33]。Roberts課題組基于對二甲氨基苯甲醛或4-二甲基氨基肉桂醛與硝酸脲發生特異性反應變色的特性，實現了硝酸脲的比色檢測(圖2C)[34]。Apak團隊將亞甲基藍(MB)附著在帶負電荷的金納米顆粒上，由于MB@AuNPs與高氯酸銨形成離子對使納米顆粒聚集，導致Au NPs表面等離子體共振帶紅移，實現了高氯酸鹽的比色檢測，檢測限達2.4×10-5mol/L[35]。

此外，對于三過氧化三丙酮(TATP)、六亞甲基三過氧化二胺(HMTD)這類過氧化物類爆炸物的比色檢測，常將其酸解或光解為過氧化氫后，基于過氧化物酶的酶催化反應，以能產生顏色變化的還原性基質為底物，將還原性底物氧化從而產生顏色變化。這類還原性底物包括鄰苯二胺(OPD)、二氨基聯苯胺(DAB)、TMB等。Bagheri等利用納米酶Ag@ZnMOF的良好催化活性，有效提高了過氧化氫與TMB的親和力，實現了TATP的比色檢測(圖2D)，最適pH值條件下的檢測限為0.06 mg·L-1[36]。

圖2 功能化的金納米顆粒比色檢測亞硝酸鹽的機理(A)及裸眼比色檢測不同濃度亞硝酸鹽的對比圖(B)[30]，對二甲胺基苯甲醛和4-二甲基氨基肉桂醛比色檢測硝酸脲的反應機理及反應前后顏色變化圖(C)[34]，模擬酶Ag@ZnMOF比色檢測TATP的示意圖(D)[36]Fig.2 Colorimetric detection of nitrite with functionalized Au NPs based on Griess reaction(A),photograph of colorimetric and visual detection of various concentrations of nitrite(B)[30],the reaction mechanism of p-dimethylaminobenzaldehyde or p-dimethylaminocinnamaldehyde with urea nitrate and the photograph images of corresponding reactions(C)[34],schematic illustration of colorimetric and visual determination of TATP by mimetic activity of Ag@ZnMOF(D)[36]

盡管比色探針制備簡單、檢測速度快，靈敏度和選擇性也很高，在爆炸物檢測領域展示了巨大潛力，但也有必要在以下方面進一步研究，以推動比色檢測法的發展。(1)將比色檢測法與傳感器相結合能制備出便于實際應用的比色傳感器，因而，要重點考慮選擇經濟簡便且與比色探針結合力強的傳感器基底。隨著科學技術的發展，許多新型材料例如水凝膠、光致變色材料、納米材料等有望取代紙基或普通塑料膜，用于提高比色傳感器的靈敏度和穩定性。(2)傳統的比色探針往往只能實現一對一的特異性檢測，若能將單色傳感的比色探針發展成多色傳感的比色探針，通過構建多識別位點的比色探針分子，使其對不同分析物有不同的紫外/可見吸收光波長變化，有利于擴展單一比色探針的檢測范圍。(3)比色探針檢測需要信號放大的策略以提高靈敏度和降低檢測限。例如對于已經廣泛應用于TNT檢測的金屬納米顆粒比色探針，考慮開發基于生長/刻蝕的新型納米結構尺寸控制和形狀控制的方法將是一個具有潛力的方向。(4)不同人對顏色的識別能力具有一定的差異性，且周圍環境的顏色也會產生干擾，因此還需要結合其他分析手段，例如熒光、拉曼等實現多通道檢測。

2 比色陣列檢測爆炸物

隨著社會的發展，檢測對象更加多樣化，檢測環境更加復雜化，同時也對檢測技術提出了更高的要求，如操作簡單化、檢測快速化、成本更低等。單一比色探針只能檢測一種目標物，無法滿足龐雜的爆炸物檢測需求，且單一比色探針的抗干擾性也受到了極大挑戰[37]。比色陣列采用成像或光譜兩種方式收集比色信號，克服了比色探針的上述缺點。為簡化數據分析，通常只分析幾個離散波長的光譜(例如使用RGB顏色成像或選擇UV-Vis光譜中的最高峰值)。不同的待測物會引起陣列中多個傳感單元的顏色變化，這些變化組合形成了待測物特有的“指紋圖譜”。進一步，可通過對不同“指紋圖譜”進行高維數據處理，例如主成分分析(PCA)、分層聚類分析(HCA)、線性判別分析(LDA)等，從而實現對不同物質的鑒別和區分[38]。因此，不同于單一比色探針對分析物“鎖-孔”模式的一對一識別，比色陣列可將多個比色反應集成為陣列，利用交叉反應、綜合判斷，實現復雜檢測環境下多種爆炸物識別和提高抗干擾性的目的。

自2000年Suslick課題組首次報道比色陣列以來，比色陣列在檢測領域得到了快速發展(圖3A)[39]。目前，比色陣列主要分為兩種：液體比色陣列和固體比色陣列。Holmes課題組制備的DETECHIP?液體比色陣列，通過建立緩沖體系和控制待測溶液量，避免了酸堿度對檢測的干擾，只用8個傳感單元就實現了裸眼區分包括爆炸物、毒品、殺蟲劑、食物腐爛物在內的200多種分析物(圖3B)[40]。但液體比色陣列對檢測試劑的保護和存儲能力要求高，不方便攜帶，尤其是在檢測痕量固體時，還需要開發新的采樣技術，這就限制了液體比色陣列的實際應用。

圖3 金屬卟啉固體比色陣列檢測常見氣體分子顏色變化圖(A)[39]，8傳感單元組成的DETECHIP?比色陣列檢測分析物的顏色變化圖(B)[40]，40種元素組成的比色陣列檢測16種爆炸物反應前后的顏色相減圖(C)[41]，用于檢測多種爆炸物的單通道、五通道紙基微流控設備裝置圖(D)[44]Fig.3 Color change profiles of a metalloporphyrin sensor array(A)[39],photograph images of the 8 sensor DETECHIP?producing color changes in the presence of many analytes(B)[40],difference maps of the 40-element colorimetric sensor array showing signal-to-noise of 16 explosives(C)[41],testing set up for the single lane μPADs and five lane μPADs for multiple explosive analysis(D)[44]

傳統的紙基基底雖然被視為一種二維材料，但比色試劑在垂直方向的滲透仍會導致信號源的減少，信號的擴散和滲透使得可識別信號減弱，從而靈敏度受限。本課題組提出了全新的降維限域策略，開發出一種可顯著增強爆炸物比色檢測信號的基底材料。通過該策略設計并制備了具有斯坦納網絡結構、微米級多層結構、微納孔結構和多羥基成分的層狀聚乙烯醇紙。通過檢測非制式爆炸物氯酸鹽溶液，直接驗證了其可以將信號強度增強3.3倍，檢測時間從42 s縮至1.7 s，對氯酸鹽固體微粒的信號強度增強了5.6倍，為固體比色陣列檢測爆炸物提供了一種從本質上提高靈敏度的新方法[45]。

本團隊基于比色傳感陣列原理，開發出了手持式痕量爆炸物智能比色檢測儀，設備可用于公安部門入戶排查、戰地搜爆、卡口安檢以及重要場所、大型活動場所內排查安檢等場景，在公共安全分析領域發揮了實際價值(圖4)。該智能比色檢測儀可在10 s內實現20余種常用的制式和非制式爆炸物及其原料成分的具體名稱識別。同時還具有GPS定位功能及數據上傳處理功能，可將檢測結果實時上傳至云端。該檢測儀前期已在公安機關、機場安檢、大型活動安保中進行了為期兩年的應用驗證，并獲得了公安部安全防范報警系統產品質量監督檢驗測試中心的檢驗報告。

圖4 手持式痕量爆炸物智能比色檢測儀的裝置圖(A)及其示范應用(B)Fig.4 Equipment drawing of hand-hold intelligent colorimetric detector for trace explosives(A) and its demonstration application(B)

目前，比色陣列遇到的問題是：(1)液體比色陣列的儲存和運輸都極其危險、對檢測人員和環境不友好；固體比色陣列則只能對液相和氣相待測物進行檢測，對固體物質檢測時需要先將其溶解，檢測步驟不夠簡便。(2)為解決實際應用中存在的一些問題，如復雜樣本分析中個體差異的校正等，數理統計與數據分析的深入應用仍值得探索。(3)由于陣列中不同化學試劑的耐酸堿性、抗離子干擾性等的差異，盡管研究人員通過加入緩沖體系、引入pH指示劑作為傳感單元、限定分析物濃度范圍提取光學信號等策略解決了一部分實際應用問題，但比色陣列的穩定性、重復性和安全性還需要進一步研究。(4)比色陣列對分析物的采樣和試劑的負載缺乏統一的采樣材料，不利于簡便操作。

3 比色人工嗅覺系統

3.1 人工嗅覺系統的發展

隨著人們對自然界生物嗅覺系統更加深入的認識和對隱藏危險物檢測的迫切需要，近幾十年人工嗅覺系統技術取得了飛速發展，主要發展出電子鼻、生電鼻和光學鼻3類人工嗅覺系統。

Persaud嗅覺研究團隊通過集成多個無特異性的氣敏傳感器成功開發出了第一個人工嗅覺系統——電子鼻，并通過進一步的陣列傳感器指紋識別技術實現了對多種氣味的區分識別[46]。為了縮短檢測時間，本課題組采取表面態調控策略，即通過在ZnO納米顆粒內摻雜過渡態金屬誘導其氧空位分布在內核外表面以降低與爆炸物分子電荷轉移距離，實現了對爆炸物氣氛的快速超靈敏檢測。并利用不同過渡態金屬摻雜ZnO納米顆粒對氣體分子響應的差異性，制備出對5種制式爆炸物和兩種非制式爆炸物快速識別的電子鼻(圖5A)[8]。金屬與半導體界面形成的肖特基結傳感器具有整流效應，吸附分子對勢壘高度的極其微小影響即可引起輸出電流的很大變化。基于肖特基結構優異的氣敏檢測性能，本課題組進一步利用SiNWs(硅納米線)陣列增加待測分子與傳感器的接觸面積，并引入TiO2插層調節肖特基結勢壘高度，構建出SiNWs/TiO2/rGO肖特基結傳感器，成功實現了對HMX的nL/L級別檢測(圖5B)[47]。然而，由于電子鼻在本質上是依靠傳感單元與待測分子間較為微弱的物理相互作用而不是化學作用實現檢測，導致其很容易受到如濕度、溫度、大氣污染物等環境因素的干擾，特異性較低。

隨著1991年Buck和Axel解碼了嗅覺受體這一劃時代的發現，生電鼻獲得了極大地發展[48]。相對于電子鼻技術，生電鼻直接利用不同氣味與嗅覺受體蛋白的相互作用，克服了電子鼻選擇性差和信號處理困難的問題。生電鼻主要由一級傳感器(生物檢測單元)和二級傳感器(硬件支撐平臺)兩部分組成(圖5C)[49]。二級傳感器根據一級傳感器檢測目標分子時產生的不同變化，如顏色、發光、質量等，將其轉化為電學、光學等可以輸出的信號[50]。近些年，生電鼻雖然得到了極大的發展，但是其完全依賴于有限的生物嗅覺受體蛋白，導致不能對環境中無味道的分子進行檢測，且其生物部分需要復雜的異質表達和非常適宜的環境，限制了其廣泛應用。

光學鼻主要是基于待測分子與傳感單元反應引起光學信號的變化實現檢測。Walt課題組于1996年制備出了世界第一個光學鼻[51]，其通過將染料尼羅紅與不同極性、疏水性、孔尺寸、柔性和溶脹特性的高聚物復合，并將尼羅紅與高聚物的復合物固定在光纖團簇頂端制備而成。由于不同氣體分子可對這些復合物的極性、尺寸及形狀產生不同的變化，因此可以得到不同的熒光圖案。Suslick課題組則在2000年率先利用金屬卟啉染料制備出比色鼻[39]。為了實現比色鼻子的實際應用，Suslick課題組還將可以與三甲胺發生顏色變化的從弱物理鍵到化學鍵的20個傳感單元組成了比色鼻(圖5D)[52]，不僅實現了采用平板掃描或智能手機拍照對目標分子的檢測，還開發出手持比色鼻設備完成了對魚臭癥的氣味檢測。由于比色鼻主要由目標分子與其形成的從最弱的范德瓦爾斯鍵到最強的共價鍵或離子鍵等一系列弱強不同的比色陣列組成，因此具有極其優異的靈敏度和選擇性。然而，無論是熒光鼻還是比色鼻，均需要氣體分子與傳感單元之間產生物理或化學相互作用從而產生光譜變化，這需要設計復雜的傳感單元陣列并結合復雜的數據處理方式以實現對目標分子的特異性識別。此外，光學鼻只能實現揮發性物質的檢測，限制了其在揮發性極低甚至無揮發性物質檢測領域的應用。

圖5 摻雜過渡金屬的ZnO氣體傳感器陣列原理圖(A)[8]，基于肖特基結的納米傳感器構建示意圖(B)[47]，生電鼻的設計原理圖(C)[49]，利用手機相機或手持光電設備檢測三甲胺蒸氣的便攜傳感系統(D)[52]Fig.5 Schematic diagram of gas sensory arrays composed of transition-metal-doped ZnO sensors(A)[8],schematic illustration of the Schottky heterojunction fabrication-based nanosensor process(B)[47],schematic presentation of sensors design of bioelectronic nose(C)[49],portable sensing of trimethylamine vapors is described using a cell phone camera or a hand-held optoelectronic(D)[52]

3.2 比色人工嗅覺系統的提出及其應用

為了將電子鼻的可重復使用性、生電鼻的特異性和比色鼻完全不依賴生物組織的優點結合在一起，并克服它們都無法實現揮發性極低甚至完全不揮發物質檢測的難題，研究人員不斷嘗試開發新的策略和方法。

經深入分析嗅覺系統的作用機理，基于仿生學原理，本課題組開發出一種全新的人工嗅覺系統——基于水凝膠的比色人工嗅覺系統(圖6)[53]。其主要基于3個方面的仿生效果：(1)利用水凝膠既具有微液環境又具有固體機械性能的特點，模擬嗅覺粘膜，實現空氣中懸浮微粒的吸附、溶解及檢測；(2)將能特異性識別待測物的比色探針加載到水凝膠中以模擬氣味結合蛋白；(3)利用反應產物特定顏色傳導出的光學信號，模擬嗅覺受體發生形狀變化傳輸信號。該比色人工嗅覺系統成功識別檢測了5種空氣中懸浮的非制式爆炸物微粒，檢測限低至39.4 pg，對KClO3、NaClO4、KNO3和尿素的檢測時間小于1 s，且具有優異的選擇性和可重復使用性。

圖6 自然嗅覺系統識別氣味的過程機理圖(A)，比色人工嗅覺系統設計圖及其檢測過程示意圖(B)，完整的比色人工嗅覺系統分解示意圖及其基于比色水凝膠的制備圖(C)[53]Fig.6 Schematic illustrations of:a natural olfactory system for discriminating odorants(A),the constructed colorimetric artificial olfactory system and its detection process based on specific colorimetric reactions with analytes(B),fabrication process based on anchoring and encapsulating colorimetric hydrogels(C)[53]

基于比色人工嗅覺系統的作用原理，本團隊研制出爆炸物氣氛探測儀，該探測儀主要由比色傳感材料和用于空氣采樣的陣列化高分子基底材料構成，結合陣列設計加工工藝、微區顏色識別技術等的研發與優化，實現了對多種非制式爆炸物及相關制爆原料的集氣式采樣及快速識別探測，檢測時間小于10 s，檢測限低于50 μg(圖7)。

圖7 爆炸物氣氛探測儀的裝置圖(A)及其示范應用(B)Fig.7 Equipment drawing of explosive atmosphere detector(A)and its demonstration application(B)

3.3 改進比色人工嗅覺系統的潛在策略與技術

比色人工嗅覺系統通過將水凝膠陣列與比色試劑溶液相結合精確模擬嗅覺粘膜和特定的氣味結合蛋白，從而檢測和識別空氣中的待測物顆粒。其優化主要依賴于3個方面：多目標物比色試劑的開發、抗環境干擾性強的水凝膠基底的制備、比色邏輯門的建立和應用。

本課題組提出了一種多目標爆炸物比色檢測試劑設計策略，基于異丙醇鉀(C3H7KO)和二甲基亞砜(DMSO)體系對待測物的親核加成反應和堿催化氧化誘導的電子轉移原理，以非離子型表面活性劑Tween-20限域顏色信號，開發出可同時比色識別TNT、DNT、硫和高錳酸鉀的多目標爆炸物比色檢測試劑，常見的面粉、鹽、味精等生活用品，硝基苯、三乙胺等含氮物質，磷單質、硫化鈉、硫酸鈉等含硫化合物和強氧化劑高氯酸鈉等20余種物質均對其檢測無干擾[54]。針對水凝膠基底的改進，本課題組利用親疏交替網絡鎖水的設計策略，成功開發出一種高保濕、高信號保真度的比色檢測水凝膠基底材料，有效抑制了微小比色信號在基底中的擴散，增強了檢測微米級尿素顆粒的顏色信號，有望成為一種用于各種比色試劑負載的理想水凝膠材料[55]。

將比色水凝膠陣列平臺運用于比色人工嗅覺系統可構建多個比色傳感單元，充分發揮其對多目標物識別的能力。然而，傳統的陣列數據分析方法過于繁瑣復雜且準確度低，不適用于未知物的現場檢測。因此，亟需針對比色人工嗅覺系統開發一種快速、準確的數據處理方式。本課題組針對所集成特異性傳感單元建立了比色邏輯門的數據處理方式，即首先采用YES/NO邏輯門實現對非制式爆炸物硝酸鉀、硫、氯化銨和尿素的快速篩選。再通過引入分子解碼技術實現對非制式爆炸物混合物的直接檢測識別，極大地提高了混合物檢測的準確性[56](圖8)。

圖8 比色邏輯門的構建及其判別過程示意圖[56]Fig.8 Schematic illustration of colorimetric logic design[56]

4 結論與展望

比色法因具有操作簡單、反應快速，能通過裸眼觀察顏色的變化實現待測物定性分析的優勢，是適用于現場檢測爆炸物的技術手段之一。面對檢測環境復雜化，檢測對象多樣化的現狀，比色陣列被成功開發。最近，比色法更是在比色陣列基礎上發展出了比色人工嗅覺系統，不僅能實現多目標物的同時識別，還能實現對難揮發非制式爆炸物的非接觸比色識別檢測。

隨著社會的發展和科技的進步，比色人工嗅覺系統在未來的實際應用中還存在很大的發展空間。

(1)比色人工嗅覺系統的構造將更加精細。未來，若能將不同的比色探針分子直接化學交聯在同一種水凝膠網絡上，即可僅依靠一個比色水凝膠傳感器實現比色陣列檢測的效果。并且，由于真正的生物嗅覺系統的多個氣味結合蛋白和嗅覺受體存在于整體嗅覺粘膜和嗅覺表皮，故一條分子鏈上連有多個探針分子的比色人工嗅覺系統會更逼近生物嗅覺系統。

(2)比色人工嗅覺系統將更具有環境適應性。比色人工嗅覺系統的核心構成是比色水凝膠傳感單元，在復雜環境下，水凝膠骨架的穩定性和水凝膠提供的微液環境對于比色人工嗅覺系統的檢測至關重要。可以考慮通過以下策略提高水凝膠的保濕性：在水凝膠網絡中引入保濕成分，例如冷凍保護劑和高水化鹽[57]；調控聚合物網絡的交聯密度和作用形式[58]；構建有機/無機雜化凝膠體系，使無機組分作為支撐基底并提供一定的吸水性，從而同時提高水凝膠的保水能力并保持骨架不塌陷[59]。

(3)比色人工嗅覺系統的應用將更加廣泛。目前，比色人工嗅覺系統已成功應用于空氣中懸浮非制式爆炸物顆粒的檢測，基于其仿生原理，通過負載不同的比色試劑，針對不同目標物產生比色反應，并依據一定的數據分析方法進行目標物篩選是完全可行的。未來，比色人工嗅覺系統更可被應用于毒品、危險化學品、易揮發有機物的檢測，有助于解決公共安全問題。