美國海軍艦隊的生化毒劑探測技術及設備

劉二平，趙宴輝，韓洋洋，岳 強，于開錄

綜述

美國海軍艦隊的生化毒劑探測技術及設備

劉二平1，趙宴輝2，韓洋洋2，岳 強2，于開錄2

（1.海裝北京局駐邯鄲地區軍事代表室，河北邯鄲 056002；2.中國船舶集團有限公司第七一八研究所，河北邯鄲 056027）

首先簡要介紹化學武器、生物武器的歷史及給人類帶來的災難。然后詳細介紹美國M256試劑盒/M8試紙、離子遷移普（IMS）、MK26/0型和IPDS-LR等化學毒劑探測設備和聯合生物點檢測系統（JBPDS）、聯合生物制劑識別和檢測系統（JBAIDS）和聯合化學、生物和放射性水監測器（JCBRAWM）生物戰劑檢測系統。這些為我國的化學戰劑和生物戰劑的檢測提供參考。

化學武器 生物武器 檢測技術 美國海軍艦隊

0 引言

現代的作戰人員面臨著廣泛的威脅，這些威脅不僅有“力量對抗”戰場中的常規武器，也有“非對稱”型的恐怖主義襲擊和游擊戰。近年來，以生化武器為代表的大規模殺傷性武器引起了公眾和新聞媒體的注意。美蘇等國在冷戰期間囤積了大量生化武器，隨著蘇聯解體，部分武器流落到世界各地，給世界各國帶來的威脅仍然存在。

1 化學戰劑的發展及威脅

化學戰在遠古時代就得到應用，通過燃燒植被或硫磺以獲得有毒煙霧，可以迫使城內士兵投降。第一次世界大戰時，氯氣和芥子氣等化學毒劑被大規模使用，造成數千人死亡和受傷[1]。圖1是在戰場上使用的萊文式毒劑放射器，包含外殼、藥劑及其推進劑。

圖1 萊文式毒劑放射器

20世紀30年代，德國研制G系列神經性化學毒劑，被認為是潛在有效的武器。隨著冷戰開始，神經毒劑、芥子氣以及VX等被美國、蘇聯及其各自的盟友作為標準化學武器而存儲[2～3]。

除了化學毒劑，有毒工業化學品物質（TICS）也能對人類社會造成威脅。雖然毒性比傳統的化學毒劑小得多，但是分布范圍非常廣，存在于所有化學工業場地，一旦泄露，勢必造成重大危害，例如1984年印度的博帕爾災難。

和化學武器威脅一樣，生物武器的威脅同樣可以追溯到中世紀時期攻城戰爭。生物武器的威脅來自20世紀初，并在冷戰時期達到頂峰。日本在中國等地進行了大規模的生物毒劑投放，美國也在朝鮮戰爭和越南戰爭，多次實施生物戰，并囤積了大量生物武器[4]。冷戰末期，隨著非對稱戰爭的上升，生物武器開始發展并形成新的威脅。

為了應對生化武器的攻擊，有必要開展迅速而且有效的檢測，為人員和設施防護提供預警。美國海軍力量遍及全世界，受到的“非對稱”型威脅也更多一些，因此艦船上陸續配置多種檢測儀器，本文進行詳細介紹。

2 化學武器威脅的檢測技術

化學戰劑可以通過爆炸性彈藥，如炮彈、導彈或簡易爆炸裝置釋放，也能在空中通過噴霧方式釋放。水蒸汽、空氣中的氣溶膠、物體表面上的液體、土壤或水中的污染物都可以傳播化學戰劑[5]。為了應對化學戰劑傳播，美國海軍艦船上配置了點檢測器、遠程檢測器或隔離檢測檢測器。

2.1 M256試劑盒和M8/9試紙

M8（M9）試紙用于檢測液體化學戰劑的存在，或者被固定在物體表面上以檢測戰劑液滴的反應。該試紙上浸有的化學活性染料能產生特有的顏色變化，這種顏色變化是對應的毒劑樣品所特有的。例如，如果M8試紙變紅則表示存在芥子氣，試紙由橙色變淺黃色則表明存在G神經毒劑，而VX神經毒劑則會使其變為深綠色。M256試劑盒是一種雙組分檢測試劑盒，如圖2所示。

M8試紙和M256試劑盒用于艦船被攻擊后的檢測，以及被攻擊后預定安全路線的檢查。M8紙可以粘貼在船外部表面，并監測顏色變化以指示氣溶膠的到達。對于氣體化學戰劑，如果M256樣品變成藍色則表示有神經毒氣，變成藍紫色表示有芥子氣，變成橄欖色表示有糜爛性毒氣。

圖2 M256套裝

2.2 離子遷移譜（IMS）

IMS是一種通過電離吸入檢測器的空氣樣品檢測化學毒劑存在的技術。離子遷移普分析儀首先電離空氣組分，然后測量在電離區域中形成的離子簇穿過檢測器內恒定電場的時間來分析樣品的，以便確定毒劑的種類。不同尺寸、極化率和電子親和力的離子簇穿過電場區域的時間也不同，因此它們產生的IMS特征不同。與其他分析技術相比，例如質譜分析儀，IMS簡單便宜并且可以安裝在輕質傳感器中。因此，IMS探測器已被用于多種場合，包括在艦船上使用。圖3顯示了離子遷移普單元。

圖3 離子遷移普單元

圖4 聯合化學毒劑探測器

化學毒劑監測器（CAM）、改進的化學毒劑監測器（ICAM）和自動化學劑探測器警報器（ACADA）是美國軍方使用的首批IMS探測器。這些檢測器是為陸軍在陸基任務中使用而設計。聯合化學毒劑探測器（JCAD）應用在海軍中，用于遠征、爆炸性彈藥處理和醫療任務。它用于檢測空間內部、表面、設備和人員沾染的毒劑，并為用戶提供自動探測、識別、定位和警報功能。JCAD如圖4所示。

Mk 26/ 0型改進點檢測系統（IPDS）是一種IMS探測器，被用于監測船舶的外圍情況，已經為船隊服務超過10年。隨著Mk26/0達到其使用壽命的終點，選擇了系統生命周期替代型的改進點檢測系統（IPDS-LR）。該系統于2010年完成測試，并于2011年底開始在海軍艦船上列裝。IPDS旨在檢測船舶外圍空間是否存在化學戰劑， IPDS-LR將在不損失性能、可靠性和可維護性的情況下能夠完成同樣的任務。IPDS-LR系統的描述和功能描述如圖5所示。

圖5 IPDS-LR系統組成

3 生物武器的檢測技術

目前可以被檢測的生物戰劑既可以是可吸入的氣溶膠，也可以是其他形式，如飲用水，它們可以通過人體接觸傳播。為檢測這些生物戰劑威脅需要綜合各種技術，每種技術都需要根據被檢測的樣本類型和使用環境進行定制[6]。

目前部署到美國艦隊的三個檢測系統是聯合生物點檢測系統（JBPDS）、聯合生物制劑識別和檢測系統（JBAIDS）和聯合化學、生物和放射性水監測器（JCBRAWM），分別覆蓋了空中、醫療和水面等領域。

與JBPDS一樣，正在研發的聯合生物戰術檢測系統（JBTDS）也可以檢測空氣中的生物氣溶膠。目前JBTDS與干燥過濾裝置單元一并部署在美國的艦隊和一些陸基設施中。JBAIDS和JCBRAWM探測器并不專門針對空氣中藥劑的檢測。 JBAIDS采用聚合酶鏈反應擴增和鑒定靶因子的遺傳物質，是一種確認性檢測和標定系統，主要針對醫學樣本。JCBRAWM是一種通過分析手持式抗體檢測卡的水樣來檢測兩種生物制劑（蓖麻毒素和葡萄球菌腸毒素），及通過提取在熱金屬板上的水樣讀取輻射值來檢測大劑量的α和β放射性污染的指示和計算設備（RADIAC）。其中JCBRAWM和手持式檢測卡如圖6所示。

雖然化學戰劑檢測允許通過化學或物理的相互作用原理直接檢測目標物種，但生物物種的復雜性和大尺寸性為生物檢測帶來額外困難。每個生物戰劑檢測系統都要求首先收集樣本，然后依靠抗體捕獲抗原或重組DNA，再進行分離檢測和標定等步驟才能推斷或確認被檢測目標的物種。

圖6 聯合生物點檢測系統及手持式檢測卡

正如化學檢測一樣，有必要采用遠程或隔離檢測方式獲得空氣中生物的物種，光學技術是解決該問題的首選方法。例如光探測和測距（LIDAR）來檢測可疑的氣溶膠云團。生物檢測與化學檢測不同的是通過電磁輻射直接標定目標物種是不允許的，而現有技術可以做到的最好結果是確定目標物種的來源。

4 未來發展

美國海軍艦隊雖然已經配備了眾多生化武器檢測儀器，美國海軍水面作戰中心仍然在開發和部署一系列新型檢測系統，從對手的意圖情報開始，并通過遠程檢測，以及船內外點檢測的多層措施，以應對各種化學和生物威脅。通過多方參與聯合計劃，美國海軍能夠利用其他服務的開發工作，與研究，開發和系統工程一起，為船隊提供一套滿足這些要求的探測器，未來的努力將增強這套檢測功能。

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

[2] 熊飛, 謝京京. 大規模殺傷性武器之一: 化學武器[J]. 生命與災害, 2012(9): 30-33.

[3] 何民, 全球化學戰劑介紹[J]. 化工之友, 2011. 8: 40-42.

[4] 閔芳. 生物武器全解析[J]. 生命與災害, 2019(4): 4-5.

[5] 孫茂盛, 姜蔚. 化學武器探測技術的現狀[J]. 國外防化科技動態, 2004(8): 16-20.

[6] 包劍, 羅雯軍, 王吉. 美國海軍水面艦艇核生化防護新發展[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

劉二平（1977-）碩士，工程師。研究方向：自控。Email：yukailu@aliyun.com