熒光比色傳感陣列結(jié)合計量學分析TNT、PA、Tetryl、RDX和PETN

郎宇博，李宏達，閻 石，劉春慶

（中國刑事警察學院，遼寧 沈陽 110035）

爆炸恐怖襲擊事件嚴重威脅世界安全與社會穩(wěn)定，研發(fā)快速準確的炸藥檢測方法是遏制爆炸恐怖襲擊的重要措施之一。炸藥的飽和蒸汽壓較低，故其對傳感器的檢測靈敏度要求極高，因此開發(fā)高靈敏的炸藥檢測技術(shù)是國內(nèi)外安全領域的研究熱點之一。

熒光比色傳感陣列是化學傳感陣列的一種，廣泛應用于各領域有關物質(zhì)的快速檢驗，其原理是通過模擬哺乳動物的嗅覺系統(tǒng)，對不同的目標物產(chǎn)生不同的響應信號。熒光比色傳感陣列可以基于目標物紫外光譜圖或熒光光譜圖強度的改變，使用化學計量法實現(xiàn)對目標物的快速分析和檢測。在半定量分析方面，熒光比色傳感陣列相較于光化學比色傳感陣列更具優(yōu)勢［1］。

碳量子點亦稱碳點，具有優(yōu)異的熒光性能、水溶性和低毒性，且合成方法簡單快捷，合成原料來源廣，生物兼容性好，可作為化學傳感陣列的敏感點，是炸藥檢測中化學比色傳感陣列構(gòu)建方面的重點研究內(nèi)容之一［2］。碳量子點的合成方法一般分為自上而下法和自下而上法。后者因成本低、原料來源廣泛、具有非晶體結(jié)構(gòu)、發(fā)光效率高等優(yōu)點，成為首選制備方法［3-11］。Ghasemi 等［9］將一種包含兩個傳感器元件的比率傳感器陣列用于硝基芳香炸藥（2，4，6-三硝基甲苯（TNT）、2，4-二硝基甲苯（DNT）和2，4，6-三硝基苯酚（PA））的視覺檢測和識別，所采用的傳感器元件可引起TNT 和PA 的熒光猝滅和光譜偏移，但對DNT 沒有影響。因此，該傳感器陣列能夠區(qū)分5～200 μmol·L-1范圍內(nèi)不同濃度的硝基芳烴以及混合物形式的硝基芳烴。

目前，常見有機炸藥的檢測主要基于爆炸物的化學成分特性進行識別，包含離子遷移譜技術(shù)［10］、色譜分析技術(shù)［11］、質(zhì)譜分析技術(shù)［12］、光譜分析技術(shù)［13］等。大型儀器檢測雖然具有更加準確的分析結(jié)果，但儀器成本高、分析耗時長，需要專業(yè)的技術(shù)人員進行操作，在實際應用中受到限制。因此，開發(fā)智能化、便攜化、精準化、低成本的檢測方法具有重要的研究意義。本研究分別以白菜、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）、鹽酸氨基脲、鄰苯二胺、三苯基溴化磷為碳源、氮源，合成了5個碳量子點，并以此為基礎構(gòu)建了熒光比色傳感陣列。此陣列可以利用碳量子點與TNT、PA、特屈兒（Tetryl）、環(huán)三亞甲基三硝胺（RDX）、季戊四醇四硝酸酯（PETN）之間的相互作用，引起熒光信號的明顯變化；使用酶標儀采集指紋圖譜，通過主成分分析（PCA）［14-15］和Q 型層次聚類分析（Q-HCA）［16］即可實現(xiàn)對TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN的準確識別與定量分析。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

黑色96孔板（湖南比克曼生物科技有限公司），LB 943型多功能酶標儀（德國伯托科技有限公司），LC-KH 型高壓反應釜（上海力辰儀器科技有限公司），DHG-9203A 型鼓風干燥箱（上海善志儀器設備有限公司），SN-TDL-40D 型離心機（上海尚儀儀器設備有限公司），BSA224S 型分析天平（賽多利斯公司），LS-55型熒光分光光度計（美國PerkinElmer公司）。

白菜采購于沈陽家樂福商業(yè)有限公司；檸檬酸、聚乙烯醇、4-氯苯胺、4-氨基苯硫酚、4-氨基吡啶、乙酰苯胺、氨三乙酸、2-氨基苯酚、EDTA、鹽酸氨基脲、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亞砜（DMSO）、鄰苯二胺、三苯基溴化磷等均購于安徽澤升科技有限公司；所有試劑和藥品均為分析純，實驗用水為去離子水。

1.2 碳量子點制備

為構(gòu)建應用于TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 五種炸藥檢測的熒光比色傳感陣列，根據(jù)炸藥的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，分別合成了能夠用于5種炸藥檢測的熒光碳量子點，其制備方法如下：

1-Cdots：充分研磨2 g 白菜，置于燒杯中，加入10 mL 去離子水，充分攪拌后移入高壓反應釜中，置于高壓、200 ℃條件下反應6 h，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后得到碳量子點水溶液。

2-Cdots：取1.52 g EDTA 和2 g鹽酸氨基脲置于燒杯中，加入10 mL DMF，充分攪拌后移入高壓反應釜中，置于高壓、200 ℃條件下反應6 h，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后得到碳量子點溶液。

3-Cdots：取0.3 g 鄰苯二胺置于試管中，加入10 mL DMF，超聲振蕩20 min，移入高壓反應釜中，置于高壓、160 ℃條件下反應6 h，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后得到碳量子點溶液。

4-Cdots：取0.1 g 鹽酸氨基脲和0.1 g 鄰苯二胺置于試管中，加入10 mL DMSO，超聲振蕩20 min，移入高壓反應釜中，置于高壓、160 ℃條件下反應6 h，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm 濾膜過濾后得到碳量子點溶液。

5-Cdots：取0.1 g 三苯基溴化磷和0.1 g 鄰苯二胺置于試管中，加入10 mL DMSO，超聲振蕩20 min，移入高壓反應釜中，置于高壓、160 ℃條件下反應6 h，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后得到碳量子點溶液。

所制備的量子點均置于4 ℃保存。

1.3 溶液配制

將TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 分別溶于DMSO 中，配制成10 mL 3×10-3mol/L 的炸藥溶液，置于4 ℃下保存，作為待測樣品儲備液。同時配制10 mL 3×10-3mol/L 的NaCl、NaNO3、NaClO3、NaClO4、KCl、NH4NO3溶液。

1.4 熒光比色傳感陣列構(gòu)筑

取上述5 種碳量子點溶液各0.2 mL，依次置于96 孔板中，構(gòu)成的熒光比色傳感陣列如圖1 所示。將其置于酶標儀下，設置激發(fā)波長為420 nm，發(fā)射波長為527 nm，收集陣列加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 前后的熒光強度值，并將熒光強度與空白陣列進行差值分析，得到TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN的指紋圖譜。

圖1 熒光比色傳感陣列Fig.1 Fluorescent colorimetric sensing array

1.5 數(shù)據(jù)分析

對熒光比色傳感陣列加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 前后的熒光強度進行測定，收集5次平行實驗的數(shù)據(jù)，使用SPSS對熒光強度數(shù)據(jù)進行主成分分析，考察陣列的重復性和識別能力。主成分分析是一種使用最廣泛的數(shù)據(jù)降維算法，可以以較少的綜合變量指標代替原來較多而復雜的變量指標，并使得新指標空間中不同類別數(shù)據(jù)的分布距離較遠。本實驗使用三維散點圖考察不同種炸藥之間的區(qū)分度以及重復實驗之間的聚合和分離程度。

在熒光比色傳感陣列中配制不同濃度的炸藥體系，使用酶標儀進行測定，并將所得數(shù)據(jù)進行Q 型層次聚類分析。

1.6 實際樣品測定

取塵土若干份，分別加入不同炸藥，充分攪拌后得到爆炸模擬樣品，待用；取制備好的模擬樣品2 g，用5 mL DMSO 溶解，過濾后待測。將待檢液加入陣列后，首先在酶標儀下進行檢測，將生成的圖譜與已知指紋圖譜進行比對，確定炸藥種類；隨后進行主成分分析和Q 型層次聚類分析，考察陣列對實際樣品的識別和區(qū)分性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光比色傳感陣列的選擇性研究

在熒光比色傳感陣列中分別加入6×10-4mol/L 的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 后，觀察其在365 nm 紫外燈照射下的熒光顏色變化，結(jié)果如圖2 所示。由圖可見，不同種類的炸藥之間存在明顯差別。使用酶標儀對該陣列進行測定，每個樣品均進行3 個平行，每個平行樣品重復測定5 次，將得到的15 組數(shù)據(jù)取平均，并與空白陣列的圖像進行差值處理，獲得熒光比色傳感陣列識別TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 的指紋圖譜，結(jié)果如圖3 所示。結(jié)果表明：TNT 對2-Cdots 傳感單元產(chǎn)生熒光增強，而對1-Cdots、3-Cdots、4-Cdots、5-Cdots傳感單元產(chǎn)生熒光猝滅，且3-Cdots 和5-Cdots 傳感單元的猝滅現(xiàn)象最明顯；Tetryl 對5-Cdots 傳感單元產(chǎn)生熒光增強，對2-Cdots 傳感單元的猝滅現(xiàn)象較弱，但對1-Cdots 和3-Cdots 傳感單元的猝滅現(xiàn)象較強；PA 對所有的傳感單元均產(chǎn)生了不同程度的猝滅現(xiàn)象；RDX 對2-Cdots 傳感單元產(chǎn)生熒光增強，而對1-Cdots、3-Cdots、4-Cdots、5-Cdots 傳感單元產(chǎn)生熒光猝滅，且對5-Cdots 傳感單元的猝滅最明顯；PETN 對2-Cdots傳感單元也產(chǎn)生熒光增強的變化，而對3-Cdots傳感單元幾乎沒有響應，對5-Cdots傳感單元的猝滅最明顯。因此，根據(jù)指紋圖譜數(shù)據(jù)的變化，可以特異性識別不同種類的炸藥。

圖2 熒光比色傳感陣列加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN后的顏色變化Fig.2 The color change of the fluorescent colorimetric sensing array after adding TNT，PA，Tetryl，RDX，PETN

圖3 TNT（A）、Tetryl（B）、PA（C）、RDX（D）和PETN（E）的指紋圖譜Fig.3 Fingerprint profiles of TNT（A），Tetryl（B），PA（C），RDX（D） and PETN（E）

考察了常見無機炸藥離子Na+、K+、NH4+、Cl-、ClO4-、ClO3-、NO3（-6×10-3mol/L）對熒光比色傳感陣列（6×10-4mol/L 的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN）測定的影響，結(jié)果如圖4A 所示。可以看出，傳感單元僅對TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN有不同程度的響應，對干擾離子幾乎沒有響應。

圖4 熒光比色傳感陣列的選擇性（A）和抗干擾性（B）三維柱狀圖Fig.4 Three-dimensional histograms of the selectivity（A） and interference resistance（B） for the fluorescent colorimetric sensing array

2.2 熒光比色傳感陣列的抗干擾性研究

為確定熒光比色傳感陣列的抗干擾性和穩(wěn)定性，考察了6×10-3mol/L的Na+、K+、NH4+、Cl-、ClO4-、NO3-無機炸藥離子的混合溶液對6×10-4mol/L TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 測定的影響，如圖4B 所示。結(jié)果顯示，常見無機炸藥離子混合溶液對傳感陣列的干擾不大。因此，該熒光比色傳感陣列可用于實際案件現(xiàn)場進行TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN的快速篩查，且不受常見無機炸藥離子的干擾。

2.3 主成分分析

為了更好地量化區(qū)分常見有機炸藥，使用酶標儀采集傳感陣列分別加入TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 后的數(shù)據(jù)，將獲得的25組實驗數(shù)據(jù)進行主成分分析，結(jié)果如圖5所示。前3種主成分反映了總信息量的99.90%，能夠真實還原原變量信息，故選取前3 種主成分對TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 進行識別區(qū)分。由圖5可知RDX和PETN的距離接近且距離其余3種炸藥較遠，可能是由于兩者均不含苯環(huán)，對碳量子點的吸電子能力較弱，使得其總體的猝滅程度偏弱所致；分析PCA1和PCA2可知，PA距離TNT較遠，距離Tetryl較近，結(jié)合酶標儀生成的數(shù)據(jù)可知，PA和Tetryl在結(jié)構(gòu)上更易受到酸堿作用的影響，而TNT因含有甲基不易受影響，且選取的碳量子點中有部分更容易和PA形成氫鍵，影響電子能量轉(zhuǎn)移，因而PA距離TNT最遠，距離Tertyl較近。

圖5 5種不同炸藥前3種主成分的分析散點圖Fig.5 Scatter plot of the first three principal components analysis for five different explosives

2.4 Q型層次聚類分析

為實現(xiàn)熒光比色傳感陣列對TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 的定量分析，采用Q 型層次聚類分析對不同炸藥濃度下的響應數(shù)據(jù)進行區(qū)分。配制等梯度濃度（3×10-4、6×10-4、9×10-4、1.2×10-3、1.5×10-3mol/L）的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN標準樣品溶液，分別測定其與熒光比色傳感陣列作用的熒光強度，并使用SPSS 進行Q 型層次聚類分析。結(jié)果如圖6 所示，不同濃度的炸藥按照濃度順序優(yōu)先聚成一類，實現(xiàn)了對樣品濃度的正確排序。該陣列能夠很好地區(qū)分5種炸藥，且5個平行樣得到很好的聚集，說明5個平行樣之間的重現(xiàn)性較好，同時證明該陣列具有較好的穩(wěn)定性。

2.5 實際樣品測定

為驗證本陣列在爆炸現(xiàn)場的實踐效果，將制備的爆炸模擬塵土樣品（炸藥含量約為1 mg/g）配制成待檢樣品溶液，加入傳感陣列后使用酶標儀進行檢測，將生成的圖譜與已有指紋圖譜進行對比，并進行主成分分析和Q型層次聚類分析。

指紋譜圖比對結(jié)果（圖7）顯示，兩樣本分別符合PA和PETN的熒光變化趨勢（圖3），熒光強度差值的不同由濃度不同所致，因此確定樣本1 中含有PA，樣本2 中含有PETN。通過Q 型層次聚類分析（圖8）進一步驗證得到樣本1 中含有PA，濃度為9×10-4～1.2×10-3mol/L；樣本2 中含有PETN，濃度為3×10-4～ 9×10-4mol/L。以上結(jié)果說明本方法可以快速、定量分析爆炸案件現(xiàn)場的TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN，且具有較好的穩(wěn)定性。

圖7 真實樣本1（A）和2（B）的熒光強度差譜圖Fig.7 Fluorescence intensity difference spectra of real sample 1（A） and real sample 2（B）

圖8 兩種真實樣本Q型層次聚類分析檢測結(jié)果Fig.8 Detection results of Q-type cluster analysis for two real samples

3 結(jié) 論

本文以碳量子點為傳感單元構(gòu)筑熒光比色傳感陣列用于TNT、PA、Tetryl、RDX、PETN 檢測，成功實現(xiàn)了對該5 種炸藥的準確區(qū)分和定量分析。所構(gòu)建的熒光比色傳感陣列具有較好的選擇性和抗干擾性，且穩(wěn)定性良好。此外，對爆炸模擬物的測定結(jié)果證明本陣列具有良好的可操作性，可準確快速地判別爆炸現(xiàn)場炸藥種類。