不想為X射線抓狂，新技術靠「嗅」做安檢

一直以來，針對爆炸物的化學探測都是航空安全的基石。通過識別接觸過爆炸物的人身上所攜帶的極其微量的殘餘物，這種被稱作「痕量檢測」的技術手段能夠來讓不法之徒無所遁形。

在機場中，美國運輸安全管理局（TSA）的工作人員掃描檢測你的手以及筆記本電腦等等物品時所使用的技術正是「痕量檢測」的一種形式——離子遷移譜（ion mobility spectroscopy）。在幾秒鐘之內，樣品首先被汽化成了化學離子，然後探測器再通過其分子大小和形狀來識別其是否為爆炸物，而如果確實是爆炸物就會觸發警報。

接觸式取樣可以是一種非常有效的方式，但其前提是恐怖分子必須在到達襲擊目標前接受安檢。

但當待測對象較多時，這種手段就變得既費時又費力，而且其有效性很大程度上依賴於工作人員的取樣水平。此外，這種技術還需要接觸式取樣，也就是說安檢人員不得不接觸到那些有可能存在殘留物的物體表面。因此，當不法之徒不打算通過安檢，他們的個人物品也沒有機會被搜查時，這種技術就毫無用武之地了。

還有一些安檢小隊則依靠訓練過的狗，利用它們靈敏的嗅覺來嗅出爆炸物。可是例行部署探測犬的背後意味著極為繁重的後勤和訓練工作。與此同時，直接用狗近身檢測也可能使某些特殊文化背景的旅客感到反感。

於是，研究人員長久以來都致力於開發一種新型的，可以像犬類一樣「嗅」出爆炸物蒸汽的化學探測技術。不過這些年來很多嘗試都由於靈敏度不夠而失敗了。針對這個問題，我們的研究小組已經從事了近20年的研究工作並且取得了很大的進展。

在機場里，炸彈嗅探犬是安檢人員的好拍檔。

越來越靈敏

想要設計一種能與狗鼻子相匹敵的技術，其最大的難點在於絕大部分爆炸物的飽和蒸氣壓都非常非常的低。某個材料的「平衡蒸氣壓」從根本上說是在一個特定溫度的理想條件下，空氣中該材料的含量有多少（也就是可供探測的含量有多少）。

全世界的軍隊普遍使用的含氮有機炸藥（如TNT，RDX和PETN）的平衡蒸汽壓只有萬億分之一左右。換句話說，如果想要在實際的工作環境中（如機場中擁擠忙碌的登機區）可靠地嗅出這些爆炸物的蒸汽，探測器的靈敏度必須達到千萬億分之一（ppq）的水平。

可是這已經超過了痕量檢測設備的能力範圍。要知道，擁有325ppq的探測水平就相當於能夠在整個地球的範圍內找到一棵特定的樹。

不過，近期的研究已經將探測水平推進到了千萬億分之一這樣的範圍。在2008年，一個國際小組使用一種稱為二次電噴霧電離質譜分析的先進電離技術，達到了比探測TNT和PETN所需的萬億分之一更優的探測水平。

在2012年，我們在美國太平洋西北國家實驗室（PNNL）的研究組通過使用大氣流管質譜分析(AFT-MS)成功對平衡蒸氣壓低於25ppq的RDX蒸汽進行了直接、實時的探測。

完美簡潔的AFT-MS裝置原理示意圖

質譜儀的靈敏度取決於有多少目標分子能夠被電離並轉移進入質譜儀以供探測。這個過程進行的越充分，其靈敏度就會越高。我們的AFT-MS設計的特別之處就在於它利用時間來最大化爆炸物蒸汽分子與離子源產生的空氣離子之間發生碰撞的幾率。正是這些空氣離子與爆炸物分子之間反應的程度決定了靈敏度的高低。AFT-MS的使用，讓我們在今天有能力探測到一系列平衡蒸氣壓低於10ppq水平的爆炸物。

下一步：投入實際使用

因此，我們目前研發出來的爆炸物化學探測儀器已經不必再受制於接觸式取樣，而是可以和犬類一樣去「嗅」出炸藥的味道。

該儀器為安全檢查提供了令人振奮的新的可能性：第一，它具有與犬類相似的爆炸物蒸汽探測的能力，第二，它可以連續不間斷地工作。痕量探測的取樣不再需要直接接觸待測的可疑物品。而工程師則可以設計出一種非侵入的「穿行式」爆炸物探測裝置，一如那些我們常見的金屬探測器。

PNNL的研究人員Robert Ewing正在往探測器中放置痕量蒸汽樣品

這項技術真正的創新之處在於其極高的靈敏度，這使得它可以對蒸汽羽流進行直接探測。因此我們不用再先收集爆炸物顆粒，然後再將其氣化（比如在過去的痕量探測技術中，為了取出人們身上的顆粒而使用噪音非常大的空氣噴嘴）。現在，更高的靈敏度意味著當旅客們穿行而過時，我們就能夠對空氣中的爆炸物分子進行連續不斷的採樣了。

該技術手段毫無疑問會讓機場安檢變得更輕鬆，同時還能大大提高安檢口的吞吐能力，改善旅客們的體驗。我們也可以將該類型的裝置置於機場航站樓或者其他公共設施的入口處，炸藥一旦進入這棟建築就可以立刻被探測到（而不是僅僅當炸藥通過安檢口時才能探測），這顯然將大大提高公共場所的安全性。

通過增加一個掃描器可用的信息獨立模塊，該蒸汽探測性能也可以加強安全性。目前，包括X射線和毫米波成像等在內的大多數安檢技術都是基於對異常狀況的觀測，也就是說TSA的工作人員們會從影像中找出那些看起來形狀可疑的物體。而蒸汽探測技術可以為他們提供一個能夠識別特定化學品的全新工具。

同一地點、同一時間進行兩種檢測——利用質譜儀進行的蒸汽探測和利用目前部署的全身掃描儀進行的視覺成像

兩種技術的整合將為我們提供一種雙管齊下的爆炸物探測手段：當檢測一個人或者包裹時，我們既能夠觀察爆炸物的影像，又可以「聞」到它散發出的蒸汽羽流。就好比如果你想認出一個久未謀面的人，你很可能既需要看一看他的近照，同時還需要聽一聽他的聲音，而不是只需要這兩樣信息中的一種。

受到了狗鼻子那強大探測能力的啟發，我們已經在發展能與之比肩的探測技術的道路上取得了可喜的進展。這種以爆炸物為目標的蒸汽探測技術既可以有效提高公共場所的安全係數，又可以讓安檢環境變得不那麼擾人。下一步的研究則是在繼續優化這項技術的同時盡量降低其成本，最終目的是讓這些探測器能夠在你身邊的每一座機場中大顯身手。

David Atkinson是美國太平洋西北國家實驗室高級研究科學家

翻譯 | 郭昂

審校 | 郭曉

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