[发明专利]含硝基化合物的电化学检测

说明书

本发明提供一种碳电极，所述碳电极具有与共价附着于电极表面的含硝基化合物形成电荷转移复合物的官能部分；以及本发明亦提供一种制备这种电极的方法。本发明还提供了多种整合所述碳电极的感测系统和将所述碳电极用于电化学检测含硝基化合物的方法。

技术领域及背景技术

在本发明的一些实施例中，是有关于一种化学物的检测，更具体地但非限定地，有关于一种新颖的电极，以及使用它们的系统和方法，其可用于含硝基化学物的电化学检测，例如含有硝基的炸药。

“炸药”是一种化学不稳定的分子，具有快速的自动分解速率，伴随着大量热和气体产物的演变。在过去十年中，痕量和超痕量炸药探测的发展有了很大的增长，这主要是由于恐怖主义行为的全球化以及以前用于军事目的的污染土地的回收。

此外，用于制备爆炸物的原材料的可用性以及越来越多地获得关于制备这些炸药的信息，几乎任何具有足够意愿和互联网连接的人都可以制备炸弹。通过边境、公共场所、机场等的大量人员对当前的安全检查技术产生了巨大的挑战。同样的挑战也适用于家庭和建筑物的安全。最终目标是能够快速有效地筛选每一个过往的人，而不需要延迟人员的流量，如果可能的话，不产生人为接触。

炸药，尤其是隐藏的爆炸物，在周围空气中具有非常低的蒸气压或“特征”。使用塑料包装，炸药的有效蒸汽压可降低1000倍。因此，痕量炸药的检测方法继续受到许多目标分析物的低挥发性的困扰。

在过去100年中最常用的高爆炸药之一是2，4，6-三硝基甲苯(TNT)，它不仅构成直接的安全威胁，而且由于生产、储存、和试爆点附近的土壤和水污染而引起的环境问题很严重。

目前用于爆炸物痕量检测的分析程序通常涉及收集蒸气样品并用敏感方法分析它们。已经报导了几种用于检测TNT和其他爆炸物的方法。这些基于电化学、离子迁移谱、气相色谱、高效液相色谱、表面增强拉曼光谱，核四极共振和中子活化分析光致发光、表面声波器件、微悬臂梁、荧光聚合物、表面等离子体共振、石英晶体微量天平、免疫传感器和其他方法。这些方法对于爆炸物检测是可靠的，但涉及耗时的程序，高成本和须由合格的工作人员操作，这限制了它们在现场条件下的应用。

其他方法涉及受过训练的动物，包括狗、小鼠和蜜蜂，并利用其高度敏感的嗅觉进行痕量爆炸物检测。然而，这些方法需要对动物进行强烈且昂贵的训练，并由专家进行处理。

电化学检测方法利用电极，浸入电解质中，并连接到电位计，电位计测量在电位施加时在电极之间流动的电流。通常，在电化学反应期间，电极的电位是变化的。电流在电极之间流动，这是电解质中存在电化学反应性物质的特征。电化学检测方法和装置通常是高度灵敏的、相对简单的、可手持的、低成本和可靠的。

利用电化学传感器检测含硝基化合物非常简单：硝基基团具有高度电化学反应性，可以通过应用典型的负电位容易地还原成胺[Bratin等人，分析化学应用，130，295-311，(1981)]。因此，已经提出了许多策略来设计用于检测硝基炸药的工作电极。目前所使用的设计是可变的，包括例如贵金属及其合金、用二茂铁或醌衍生物化学改性的碳电极、用介孔有序碳改性的玻璃碳、氯化血红素类似物(酞菁和卟啉)、用导电聚合物改性的玻璃碳(卟啉-硫醇)、碳/TiO₂复合电极、碳/Sn核壳电极、卟啉/石墨烯混合改性玻碳、石墨烯改性玻碳电极、二维分子印迹烷烃-硫醇修饰金纳米粒子和丝网印刷电极。

然而，所用的吸附伏安法，需旋转圆盘电极来长期积累；溶出伏安法，低稳定性表面改性、预浓缩和脱气常常使检测方案复杂化并限制这些设计在检测含硝炸药中的实际应用。

用于电化学检测含硝基化合物的电极的有效设计应该执行高稳定性、还原反应的快速动力学、高灵敏度和短的测量时间。