基于PBX炸药波谱结构解析的化学计量学方法研究

It is important for national defense and security inspection to conduct qualitative and quantitative analysis of polymer bonded explosives (PBX) accurately. However, the complex nature of peak overlap in spectra measurement makes the analytical procedure difficult and trivial, and restricts the accuracy of the analytical results. The application of chemometrics achieves great success in complex spectra analysis by means of mathematical separation. Therefore, our project will systematically analyze the PBX spectra based on the chemometrics algorithms. Firstly, by using Java distributed technology, we construct the PBX spectra database for the data organization, retrieval, calculation and management. Then, based on the PBX spectra database, we develop the mathematical models with pattern recognition and multivariate calibration algorithms for investigating the correlation between the spectra data and the PBX categories, component’s contents under different conditions (temperature, storage time, etc.), and unknown chemical structures. After optimization and modification, we expect these chemometrics models to perform well in PBX analysis system and achieve the goals of fast qualitative and quantitative analysis of multicomponent PBX, auxiliary analysis of the changes in chemical dynamics, and reliable structure prediction. Finally, we can establish a computer-aided expert system for PBX analysis and spread it to other research areas of explosives.

PBX炸药的定性定量准确测定在国防及安检领域有着极其重要的作用，但其波谱测定中谱峰重叠的复杂性使得解析过程变得困难和繁琐，限制了分析结果的准确性，而化学计量学方法能够通过数学分离的方式解析复杂波谱。因此本项目拟结合化学计量学方法对PBX炸药波谱解析进行系统研究。首先使用Java分布式技术方案构建PBX炸药波谱数据库，以实现对数据的安全存储、检索、处理和管理。基于所建立的波谱数据库，使用模式识别和多元校正方法去构建PBX波谱数据与炸药类别、组分性质含量(包括不同温度、时间等条件下)及未知物质结构间的关系模型，并对方法进行优化和改进，构建适合于PBX炸药体系的化学计量学模型，以实现对PBX炸药多组分同时快速的定性定量测定、动力学变化的辅助解析及结构预测。并把构建的定性定量预测模型与PBX炸药数据库进行结合，最终建立PBX炸药的计算机辅助分析专家系统，并推广到其它炸药体系。

PBX 炸药的定性定量准确测定在国防及安检领域有着极其重要的作用，然而样品的复杂性使得已有的分析方法繁琐耗时，限制了检测效率，因此改进现有方法和发展新的简便、快速和准确的炸药分析方法成为一项重要和急需的任务。因此，本基金项目利用一些简单快速的仪器分析方法，引入化学计量学方法优势，通过数学分离代替化学分离来简化炸药复杂波谱的解析，提出了一类实验和化学计量学方法相结合的交叉分析新策略，这种分析策略与原有的方法相比，不需要对样品进行任何预分离，简便快速准确，有望实现快速的在线检测。本项目完成的主要成果包括4个部分：1）炸药性能数据库的构建。系统完整的炸药数据库是炸药结构性能研究的基础和资源，本项目基于MySQL和PHP已开发了面向炸药波谱及性能数据库管理系统，此数据库已获得国家计算机软件著作权，并在中国工程物理研究院得到实际的应用。2）结合化学计量学中的多元校正方法（偏最小二乘法等）和多标签的模式识别方法，利用简单的紫外可见分光光度法和红外光谱方法建立了一类新的定量定性分析方法，该方法可在不做任何分离的情况下利用简单的紫外吸收光度计和红外光谱实现对HMX，RDX、TNT、PETN、TBTA为功能成分的单组份炸药、双组份炸药和三组份炸药的多组分快速同时识别和同时定量测定，准确度高，这类新分析方法已申请了两项国家专利。3）本项目结合化学计量学方法和量子化学方法建立了一类新的解析炸药激发态动力学的瞬态吸收光谱分析新策略，获得了快速准确的分析结果，这种创新性的解析思路和研究成果已被Nature子刊Scientific Reports接受。4）本项目还进一步开展了与炸药检测有关的化学传感器功能有机分子的研究，建立了先用量子化学方法进行分子设计，再有机合成表征的先进策略，这种策略明显提高了实验合成有机功能分子的效率和准确度，为炸药检测的化学传感器的使用环境、分子设计和合成提供了具有重要价值的信息。.此外，在本项目基金资助下利用所建立的一些交叉分析方法的策略还开展了对一些复杂蛋白质体系的结构功能研究，取得了突出的成果，为项目的拓展研究奠定了良好的基础。总之，本基金项目超额完成了预定的研究内容，达到了研究目标，本项目的研究成果申请了两项专利，获得了一项计算机软件著作权，并发表了论文16篇SCI论文。培养了十多名研究生，其中毕业6名，并培养了中国工程物理研究院参研青年3名。.