张迪杰
CHEMICAL ANALYSIS AND METERAGE
第28卷，第5期2019年9月
V ol. 28，No. 5Sept. 2019
139
doi ：10.3969／j.issn.1008–6145.2019.05.032
吕旭，飞，韩建
(核工业二一六大队，乌鲁木齐 830054)
摘要 综述了以化学比法为原理的比检测方法在爆炸物检测方面的应用现状以及研究进展。主要介绍了比传感器、比传感器阵列以及基于新型材料基底的化学比传感器。展望了化学比方法在爆炸物检测领域的应用前景。 关键字 化学比法；爆炸物；研究进展
中图分类号：O657.3 文献标识码：A 文章编号：1008–6145(2019)05–0139–04
Research progress in detection of explosives by chemical colorimetric method
LYU Xu, LI Pengfei, HAN Jian
(Nuclear Industry 216 Brigade ， Urumqi 830054， China)
Abstract The current status and research progress of colorimetric detection methods based on chemical colorimetry in the detection of explosives were reviewed. It mainly introduced colorimetric sensors ，colorimetric sensor arrays ，and chemical colorimetric sensors based on novel material substrates. The application prospect of chemical colorimetric method in the field of explosives detection was prospected.
Keywords chemical colorimetry; explosives; research progress 近年来，活动频繁，给人们的生命和财产安全带来极大威胁，爆炸物的检测也受到了世界各国的高度关 注［1］。目前分析和检测爆炸物的方法主要有离子迁移质谱法、质谱法、电化学法、核磁共振法、近红外光谱法、紫外吸收法、密度检测法、化学比法、荧光分析法等［2–6］。在这些方法中，离子迁移质谱和质谱等方法
依赖于大型设备，采样过程较为复杂，检测耗时且无法便携［7–8］；电化学方法则多是在液相环境中进行测试，应用范围较窄；荧光方法成本较高，同时难以识别爆炸物的具体成分，都不适合于爆炸物现场快速检测［9–10］。因此寻一种快速、准确和高效率的检测方法检测并识别爆炸物是一个急需解决的问题。化学比法作为一种采样简单快速，结果直观准确，性能优异的经典检测方法近年来备受研究者关注［11–13］。化学比法是通过比较或测量有物质的颜深浅来测定物质含量的分析方法。该方法要求显反应具有较高的灵敏度和选择性，反应生成的有化合物性质稳定且与显剂颜差别较大［14］。化学比法在爆炸物检测领域的应用相当广泛，不仅能够检测传
统的制式爆炸物，如2，4，6(TNT)、2，4二硝基甲苯(DNT)等，而且也能对蒸气压较低的非制式爆炸物(TATP)进行快速分析和识别［15］。目前，国内外学者利用化学比法在检测爆炸物方面做了诸多研究，基于化学比方法的比传感器以及比传感器阵列被应用到了爆炸物检测领域［16］。除此之外，还有新兴的材料与化学比法相结合制备的比传感器被应用于爆炸物的检测，比如基于纸基检测基底的比传感器以及基于水凝胶检测基底的比传感器［17］。
1 比传感器在爆炸物检测中的应用
传感器是指通过某种物理或化学反应对待测物进行特异性响应的大小来定性或定量检测的装置［18–19］。在众多的检测方法中，比检测方法以操作简便、不需要大型仪器和结果直观准确等优点被广
泛应用于环境、生物、医学和爆炸物检测等多个领域［20］。将比检测方法与传感器相结合形成响应快速、结果直观准确的比传感器，不仅可实现对爆炸物的特异性检测，也可用于爆炸现场的快速检测［21–23］。随
基金项目 国家自然科学基金(21465023)
通讯作者 吕旭，助理工程师，硕士，主要从事分析化学检测新方法的研究，E-mail: 1379496243@qq ；收稿日期 2019–07–02引用格式 吕旭，飞，韩建.化学比法检测爆炸物的研究进展［J ］.化学分析计量，2019，28(5): 139–142.时域 频域
LYU X, LI P F, HAN J . Research progress in detection of explosives by chemical colorimetric method ［J ］. Chemical analysis and meterage ，2019，28(5): 139–142.
化学分析计量 2019年，第28卷，第5期
140
着科学技术的发展，出现了许多新型且具有优异性能的材料，例如纳米材料、荧光探针分子、光致变材料等。这些材料的引入为比传感器注入了新的活力［24］。
MOHAN 等［25］通过六氮杂环稳定剂与还原剂还原氯金酸得到修饰的金纳米粒子，修饰后的金纳米粒子与硝基芳香类爆炸物生成默森海默加合物使其发生颜变化。修饰后的金纳米粒子分散液可与TNT 以及DNT 发生显反应，并能进行半定量检测。
AYSEM ÜZER 等人［26］开发了一种比传感器，该传感器在传统的实验室中用于肉眼检测过氧化氢和间接测定过氧化爆炸物，其检测原理见图1。通过酸性阳离子交换剂(Amberlyst-15)将TATP 酸水解成H 2O 2，利用零价银纳米颗粒(Ag 0NPs)的部分氧化，通过H 2O 2与Ag +氧化，Ag +氧化3，3'，5，5'-四甲基联苯胺(TMB)而产生荧光，通过测量TMB 在波长655 nm 处的吸光度来间接测量痕量H 2O 2。H 2O 2的检测限为20 nmol ／L ，TATP 的检测限为0.31 mg ／L 。另外，还利用该比传感器对旅客物品中用作伪装材料的洗涤剂、甜味剂、乙酰水杨酸(阿司匹林)和扑热息痛类止痛药等物质进行了检测，均不发生反应，证明该比传感器有良好的特异性。
pH 4.0喏 ⍕喏5 min
655
图1 用于H 2O 2测定的比传感器示意图
DING 等人［27］利用一种高度选择性和敏感性的近红外(NIR)荧光探针对生物学上重要的次氯酸盐进行化学比法的实时检测，在NIR 激发波长上产生了显著的近红外荧光信号变化。该荧光探针可用于检测自来水、血清样本以及毒性较低的活细胞中的次氯酸盐。
V AMVOUNIS 等人［28］开发了一种利用有机光致变化合物检测硝基芳烃爆炸物的便携式比传感器。在紫外线照射下，光致变化合物从无到粉红，以此设计了一个光开关。在黑暗条件下，硝基芳烃爆炸衍生物的光开关行为被抑制，吸收波长发生变化，以此来达到检测硝基芳烃爆炸物的目的。
纳米材料、荧光探针分子、光致变材料等新型材料的引入，提高了比传感器的灵敏度和稳定性，可应用于制式爆炸物和非制式爆炸物检测，且检测快速、特异性良好、结果直观准确，裸眼可视的检出限很低，为爆炸物的现场检测提供了新思路。
2 比传感器阵列在爆炸物检测中的应用
传感器阵列是基于哺乳动物的嗅觉和味觉系统而设计的。由多个传感器单件所组成，
可实现对一个或多个分析物的交叉式响应和识别［29］。比传感器只能对一种爆炸物进行检测，不具备识别爆炸物种类和数量的能力，且针对每一种爆炸物性质制备一种化学比传感器费时又费力［30–31］。为了满足实际需要，将多个传感器组成比传感器阵列，可实现对不同种类爆炸物同时分析和检测。
2000年，Suslick 课题组首次报道了化学比传感器阵列，其主要模拟人工嗅觉系统，利用一系列金属卟啉作为化学比染料，通过比较反应前后指示剂与分析物之间形成的指纹图谱，实现对多种有蒸气压的有机化合物蒸气(包括醇、胺、醚类、膦类化合物等)的检测和识别［32］。同时，该团队还设计了比传感器阵列反应器光电子鼻，实现了比传感器的标准化检测［33］。
2016年Suslick 课题组ASKIM 等人［34］利用酸碱指示剂染料、金属卟啉染料、氧化还原染料、溶剂致变染料等，构建了40组比传感器阵列，并利用比传感器阵列通过布朗斯特酸碱、路易斯酸碱、金属配合物π–π相互作用等与爆炸物蒸气发生的显反应，利用反应前后颜的指纹图谱以及统计学方法对数据进行了分析，实现了对16种爆炸物与爆炸物组合的分析检测。
LIN 等人［35］利用氧化还原比传感器阵列对50 nL ／L 到10 μL ／L 的TATP 蒸气进行半定量分析，使用固体酸催化剂对TATP 气流进行预处理，用加载有氧化还原敏感染料的比传感器阵列从酸
中检测出极低水平的TATP 蒸气分解产物(如H 2O 2)，检测限低于2 nL ／L 。比传感器阵列不仅与生活中常见干扰物不发生反应，而且能将TATP 与其它化学氧化剂区分开来，具有较好的特异性。
2015年，Suslick 课题组LI 等人［36］采用不同的酸催化以及不同原料制备了九种方式合成的一系列TATP 混合物样品，并用比传感器阵列对新制混合样品以及老化30 d 后的混合样品进行检测，并对其检测结果进行数据统计学(PCA)分析，达到了对不同过氧化爆炸物分析识别的效果。实验发现，尽管老化30多天并没有影响到比结果，但老化确实改变了TATP 的组成和结晶阶段，TATP 检测限为100 μg ／mg 。其检测原理主要是通过比传感器染料和爆炸物蒸气等发生氧化还原反应、布朗斯特反应以及路易斯酸碱反应等产生颜的变化，进行检测和分析。
基于化学比法的比传感器阵列可实现对不同状态复杂爆炸物的混合物进行快速检测和识别，方法简单，响应迅速，价格低廉，方便携带，可真正满足小型化和智能化设备的需求，适用于爆炸物现场的快速检测。
141
吕旭，等：化学比法检测爆炸物的研究进展
3 基于新型材料基底的化学比传感器在检测爆炸物中的应用
随着爆炸物检测技术的发展，科研工作者为了能够实
现小型化、智能化检测，将各种新型基底材料和化学比试
剂相结合，制备成新型比传感器，对爆炸物进行快速的检
测和识别。新型基底材料包括水凝胶基底、硅胶基底、纸基
基底等。
纸基作为一种常用物质，因其价格低廉、易获得、吸附能
力较强，从而具备成为检测试剂基底材料的能力。PETERS
等人［37］利用蜡质墨水在层析纸上创建了5个疏水微通道，每
个通道中固定了能和一个或多个爆炸物发生特定的比反
应的检测试剂，制备了多通道爆炸物检测纸基芯片，该纸基
芯片可同时检测硝基芳香类、硝胺类、硝酸尿素、过氧化物类
以及硝酸盐、氯酸盐等多种爆炸物单体及易制爆物，操作简
单方便。多通道爆炸物检测纸基芯片设计与检测图见图2
。
(a) 䕆䕿㏤ 㟛❳
䕆䕿 䘔
(b)⩔κ ✲◤➕ ≷⮰π䕆䕿㏤ 㟛❳
指挥调度中心
(c)
π䕆䕿㏤ 㟛❳ ≷✲◤➕
图2 多通道爆炸物检测纸基芯片设计与检测图水凝胶作为一种具有良好的生物相容性、保水性、透明性和力学性能等优点的新型材料备受关注［38］。水凝胶具有类似于液体的性质，能为检测物提供良好的反应环境，三维网状结构能提高化学反应显效率，保水性能将试剂锁定在三维网络中，使之成为一个聚合物基质［39–41］。这些优良的性能使水凝胶具备了成为化学显试剂基底的条件。
KUNDURU 等人［42］采用水凝胶与检测试剂相结合的
新比方法对爆炸后残留的尿素(UN)样品进行了现场、快速和准确的检测。将对二甲氨基肉桂醛(p-D
MAC)检测试剂分散在聚丙烯酰胺水凝胶中形成黄p-DMAC–UN复合物，并采用含有p-DMAC的黄水凝胶对1～10 μg／g尿素进行半定量分析。随着尿素浓度的逐渐增大，水凝胶颜变化越明显，从黄到红。尿素的检出限低至2 μg／g。含有p-DMAC的水凝胶系统对固体尿素和尿素溶液的检测灵敏度均很高。
检测试剂只能检测爆炸物粉末样品，无法实现对爆炸物蒸气的检测；且检测试剂不方便携带，存在泄漏的危险，不适合爆炸物现场检测。新型基底材料的引入，不仅降低了爆炸物检测的成本，而且适用于爆炸物的现场快速检测。
4 结语
概述了以化学比法为基本原理的比检测方法及其在爆炸物检测方面的应用，基于新型材料基底的化学比传感器具有很大的发展潜力。由于化学试剂的一些酸碱特性，基于化学比方法的比传感器的稳定性、重复性和安全性还需要进一步研究。爆炸物现场的快速检测将成为未来爆炸物检测的发展方向。随着传感器基底材料和数据统计学的不断发展，基于化学比方法检测爆炸物将迎来一个光明的未来。
参考文献
［1］ 王玲，桂阳海，张顺平，等.电子鼻在危险爆炸物检测中的应用研究［J］.传感技术学报，2007，20(1): 42–45.
［2］ 初凤红.微痕量爆炸物检测技术研究进展［J］.激光与光电子学进展，2010，47(2): 1–9.
［3］ 代渐雄，赵忠俊，朱爽，等.微波诱导等离子体离子迁移谱用于痕量爆炸物检测的研究［J］.分析化学，2018，46(8): 87–93.
［4］ 窦健，花磊，侯可勇，等.丙酮增强的真空紫外光电离负离子质谱快速检测爆炸物［J］.分析化学，2014，42(7): 1 017–1 021.
［5］ 杨亮亮，魏东炜，李复生，等.爆炸物检测SAW传感器膜材料研究进展［J］.材料导报，2006，20(10): 36–51.
［6］ 姜杰，李明，张静，等.拉曼光谱技术在爆炸物检测中的应用［J］.
光散射学报，2013，25(4): 368–374.
［7］ 吕勇杰.离子迁移谱技术及其在和爆炸物检测中的应用［D］.上海：华东师范大学，2006.
［8］ PACHECO-LONDOÑO L C，CASTRO-SUAREZ J R，HERNÁNDEZ-RIVERA S P. Detection of nitroaromatic and
peroxide explosives in air using infrared spectroscopy: QCL and林丹自传
FTIR［J］. Advances in optical technologies，2013，2 013(9): 1–8.［9］ STEWART S P，BELL S E，MCAULEY D，et al. Determination of hydrogen peroxide concentration using a handheld Raman
spectrometer: detection of an explosives precursor［J］. Forensic
science international，2012，216(1–3): e5–e8.
［10］ ZHOU Q，PENG L，JIANG D，et al. Detection of nitro-based and
化学分析计量2019年，第28卷，第5期142
peroxide-based explosives by fast polarity-switchable ion mobility
spectrometer with ion focusing in vicinity of Faraday detector［J］.
Nature: scientific reports，2015，5: 10 659.
［11］ 黄文，张青.爆炸物的传感器研究［J］.广东化工，
2016，43(11): 127–128.
［12］ 马洪伟.新型荧光材料的设计合成、性质研究及其电聚合薄膜
在爆炸物检测中的应用［D］.长春：吉林大学，2017.
［13］ 王康林，于少明，陈敏.水溶液中痕量爆炸物的检测
方法［J］.广州化工，2010，38(12): 22–24.
［14］ ASKIM J R，LI Z，LAGASSE M K，et al. An optoelectronic nose
for identification of explosives［J］. Chemical science，2015，
7(1): 199–206.
［15］ 林东岳.用于痕量检测的高灵敏纳米光学探针的研
究［D］.合肥：安徽大学，2013.
［16］ 谭俊鹏.基于功能化纳米金粒子的适配体传感器检测梯恩梯方
法研究［D］.北京：中国人民公安大学，2017.
［17］ 功能化的贵金属纳米颗粒的合成及其检测性能研究［D］.哈尔
滨：哈尔滨师范大学，2015.
［18］ 王超宇，吕孝江，李春彦，等.爆炸物检测用化学传感器的研究
进展［J］.理化检验(化学分册)，2007，43(12): 107–111.
［19］ 张成梅，梅涛，孔德义，等.痕量爆炸物的化学、生物、MEMS传
感器探测技术［J］.微纳电子技术，2003，40(7): 481–483.
［20］ 初凤红.微痕量爆炸物检测技术研究进展［J］.激光与光电子
学进展，2010，47(2): 1–9.
［21］ 王康林，于少明，陈敏.水溶液中痕量爆炸物的检测
方法［J］.广州化工，2010，38(12): 22–24.
［22］ ZHANG H Q，EULER W B. Detection of gas-phase explosive
analytes using fluorescent spectroscopy of thin films of xanthene
dyes［J］. Sensors & actuators B chemical，2016，225: 553–562.
［23］ CHEN L，GAO Y，FU Y，et al. Borate ester endcapped fluorescent
hyperbranched conjugated polymer for trace peroxide explosive
vapor detection［J］. Rsc advances，2015，5(38): 29 624–29 630.
［24］ CAN Z，UZER A，TURKEKUL K，et al. Determination of
triacetone triperoxide with a N，N-dimethyl-p-phenylenediamine
sensor on nafion using Fe
3O
4
magnetic nanoparticles ［J］.
Analytical chemistry，2015，87(19): 9 589–9 594.
［25］ MOHAN M，CHAND D K. Visual colorimetric detection of TNT and 2，4-DNT using as-prepared hexaazamacrocycle-capped gold
nanoparticles［J］. Analytical methods，2013，6(1): 276–281.［26］ AYSEM ÜZER，SELEN DURMAZEL，EROL ERÇAG，et al.
Determination of hydrogen peroxide and triacetone triperoxide
(TATP) with a silver nanoparticles–based turn-on colorimetric
sensor［J］. Sensors and actuators B: chemical，2017，247: 98–
107.
［27］ DING S，ZHANG Q，XUE S，et al. Real-time detection of hypochlorite in tap water and biological samples by a
colorimetric，ratiometric and near-infrared fluorescent turn-on
probe［J］. Analyst，2015，140(13): 4 687–4 693.
［28］ VAMVOUNIS G，SANDERY N. Colorimetric detection of nitroaromatics using organic photochromic compounds［J］.
Australian journal of chemistry，2015，68(11): 1 723–1 726 .［29］ 马戎，周王民，陈明.基于传感器阵列与神经网络的气体检测系统［J］.传感技术学报，2004，17(3): 395–398.
［30］ 贾明艳，冯亮.光化学比传感器阵列的研究进展［J］.分析化学，2013，41(5): 795–802.
［31］ 蔡义林，邵小敏，王立梅，等.基于四链体核酸构型转变快速检测Pb2+的比传感器［J］.分析试验室，2016(4): 426–429.［32］ RAKOW N A，SUSLICK K S. A colorimetric sensor array for odour visualization［J］. Nature，2000，406(6 797): 710–713.［33］ ASKIM J R，SUSLICK K S. Hand-held reader for colorimetric sensor arrays［J］. Analytical chemistry，2015，87(15):
7 810–7 816.
［34］ ASKIM J R，LI Z，LAGASSE M K，et al. An optoelectronic nose for identification of explosives［J］. Chemical science，2015，
7(1): 199–206.
［35］ LIN H，SUSLICK K S. A colorimetric sensor array for detection of triacetone triperoxide vapor［J］. Journal of the american
chemical society，2010，132(44): 15 519–15 521.
［36］ LI Z，BASSETT W P，ASKIM J R，et al. Differentiation among peroxide explosives with an optoelectronic nose［J］. Chemical
communications，2015，51(83): 15 312–15 315.
［37］ PETERS K L，CORBIN I，KAUFMAN L M，et al. Simultaneous colorimetric detection of improvised explosive compounds using
microfluidic paper-based analytical devices［J］. Analytical
methods，2014，7(1): 63–70.
［38］ 李贤真，李彦锋，朱晓夏，等.高分子水凝胶材料研究进展［J］.
功能材料，2003，34(4): 382–385.
教材插图
［39］ ADAMYAN A Z，ADAMYAN Z N，AROUTIOUNIAN V M，et al. Sol–gel derived thin-film semiconductor hydrogen gas sensor
［J］. International journal of hydrogen energy，2007，32(16):
4 101–4 108.
［40］ WANG D H，CUI Y Z，TAO F R，et al. A novel film of conjugated polymer grafted onto gelatin for detecting nitroaromatics vapor
with excellent inhibiting photobleaching［J］. Sensors & actuators
B chemical，2016，225: 319–326.
［41］ WENCEL D，MACCRAITH B D，MCDONAGH C. High performance optical ratiometric sol–gel-based pH sensor［J］.
Sensors & actuators B chemical，2009，139(1): 208–213.
［42］ KUNDURU K R ，BASU A ，ABTEW E ，et al. Polymeric sensors containing P-dimethylaminocinnamaldehyde: colorimetric
detection of urea nitrate［J］. Sensors and actuators B: chemical，
2017，238: 387–391.光固化树脂胶
