欧洲机场安检广泛使用的“裸体扫描”技术广受争议，用于检测危险物品和非法物质的仪器设备研发成为关注的焦点，质子交换反应质谱法（PTR- MS）能为这方面的分析检测提供补充措施。

早在1980年，奥地利因斯布鲁克大学离子物理研究所的的研究工作已为质子交换反应质谱法（PTR- MS）开辟了道路，这一技术在1988年趋于成熟，并进行了科技转化，成立了Ionicon Analytik公司，目前这一公司已拥有近20名研发人员，并在全球范围内销售了约200台仪器。

PTR-MS技术借助普通的水蒸气，在特制的空心阴极离子源中产生高纯度（>99%）的初级离子H3O+，并直接导向后置的飘移管中。所用的水蒸气由蒸馏水制成，是除电流之外唯一的消耗材料。其他类似的方法例如选择性离子流管（SIFT）还需要质量过滤器以选择相应的初级离子，这样就使初级离子受到损失，降低了灵敏度。而在飘移管中进行质子交换，即1个H3O+交换待测分子的1个质子，由此产生的样品离子再进行质谱分析。这个交换过程使痕量气体的检测限低至ppt级，而反应时间也低于100 ms。此外，在严格规定的反应条件下，可直接对待测物质进行定量分析，无需使用校正气体。

除了紧密、廉价和可运输的模式之外，Ionicon公司还提供基于飞行时间质谱仪器PTR-TOF 8000（图1），其分辨率高于8000 m/Δm，PTR-TOF 2000仪器在略降低分辨率的情况下将检测灵敏度提高了5倍（至ppt级）。

图2.  在进行可卡因顶空分析时的TOF-MS部分图示。

2009年首次推出的PTR- MS仪器，能对ppq级的物质进行检测，此款仪器引入了可切换试剂离子功能（SRI）。借助于这一功能，用户可将原来选择的H3O+ 与O2+ 、NO+ 初级离子在几秒内进行交换。O2+的优点在于，可将那些对质子亲和力太小以至于不能与水合氢离子进行质子交换的物质（例如乙烯）进行电离。而NO+ 则相反，能使一些同分异构体（亦即具有相同分子式但有不同结构的物质，例如醛和酮）的分离成为可能，并且由此简化了确证分析。

广泛的应用范围

最早从PTR-MS技术受益而且至今仍然广泛使用该技术的是大气化学家和环境物理学家。这种具有优异的检测灵敏度以及无需任何样品前处理的方法，在测定高海拔地区或高空中空气中有害物质的浓度时具有明显的优势，而食品工业调味研究部门也是PTR-MS技术的核心应用领域。借助于PTR-MS技术，可即时对低浓度的食品芳香成分进行检测。此外，该技术在生物学、生物工程、过程监控以及医学分析方面都有独特的应用。

危险品和非法物质的检测

PTR-MS技术可用于危险品和非法物质的检测，Ionicon公司曾在2008年为欧盟防务机构EDA的项目Guarded（generic urban area robotized detection of CBRNE devices，一般城市区域内化学的、生物的、辐射的、核的和爆炸性装置的自动化检测项目）作出了贡献。对于毒品、炸药和化学战剂这三类物质的测量，PTR-MS技术具有很好的应用前景。图2为毫克级的可卡因在室温下的顶空分析结果。

结果显示，尽管没有采用任何样品预浓缩处理，仍然得到足够强的信号强度，PTR-TOF 8000测量的准确度得到确认。此外，还有其他毒品如合成迷幻药、海诺因、吗啡因、可待因等也可应用此方法进行检测。

图3.  芥子气模拟物质的质量浓度分配对时间的函数图示。

炸药的检测采用了相似的实验过程，固体炸药如TNT（三硝基甲苯）、TNB（三硝基苯三硝基苯）、RDX（三亚甲基三硝胺）、HMX（1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮杂环）和PETN（季戊四醇四硝酸酯），只需取其少量物质于室温下进行顶空测量，即可加以证明和鉴定。鉴于固体炸药具有极低的蒸汽压，在进行这种检测时，PTR-MS技术的高灵敏度具有用武之地。

在进行化学战剂的检测时，战剂蒸汽压越低，其灵敏度也越低。因此要求方法必须具有很高的选择性以及快速的响应时间。图3显示了芥子气模拟物质的质量浓度分配对时间的函数关系。在实验室中，将一瓶仿制型化学战剂的瓶口打开，200?s后对室内空气进行测量，该物质的蒸汽缓慢地在室内空气中散开，采用PTR-TOF 8000测量浓度变化。经过400 s后，将瓶口重新关紧，启动排风设备以缓慢降低实验室中有毒气体的浓度，仍然观察其浓度变化。这种测量方法可应用于建筑物通风设备的监控。

采用PTR- MS进行检测

在EDA项目Guarded中，开发了一种简单实用的检测软件，在毒品、炸药和化学战剂的检测过程中，若达到预先所设定的浓度，便发出警报，同时避免干扰物质诸如香水、洗涤剂等所引起的错误警报。图4显示了这一软件的界面，此时化学战剂三氯硝基甲烷以强烈扩散的方式聚集于PTR-MS仪器入口处。

图4.  检测软件在检测到三氯硝基甲烷（化学战剂）时发出警报的屏幕截图。

在检测危险物质（特别是在机场）应用的最后一步，是开发和选择合适的采样技术，如已投入实际应用的与IMS技术相结合的人员入口技术或者擦拭测试技术。在PTR-MS技术应用研究中，研究人员一直在寻求更大幅度提高选择性的方法，避免由于灵敏度的提高而导致的错误警报问题。

背景资料：质子交换反应质谱PTR-MS

质子交换反应质谱法（PTR-MS）是一种已拥有成功案例的分析方法，广泛应用于大气化学、环境、食品工业、调味和香气研究部门以及生物学、生物技术、过程监控和医学分析中。PTR- MS技术特别适合于检测危险物质和非法物质，其最主要的优点在于高灵敏度、选择性和快速的响应时间。