一種基于原位還原、在線測定芳香族硝基化合物的方法
【專利摘要】本發(fā)明基于制備一體化裝置，實(shí)現(xiàn)原位還原芳香族硝基化合物，進(jìn)而利用固相電極電致化學(xué)發(fā)光在線測定還原產(chǎn)物，屬于電還原降解和電致化學(xué)發(fā)光檢測領(lǐng)域。首先采用由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的流通池，實(shí)現(xiàn)將還原所需的銅網(wǎng)和電致化學(xué)發(fā)光所需的固相電極以面對面的形式放置，并將二者之間的距離控制在1mm以內(nèi)，通過這種接近的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)將電還原和電致化學(xué)發(fā)光的電極和溶液集中于一個槽體內(nèi)，然后連接銅網(wǎng)、Ag/AgCl、鉑絲三電極體系，利用循環(huán)伏安法在負(fù)電位范圍內(nèi)掃描以原位還原芳香族硝基化合物，實(shí)現(xiàn)在銅網(wǎng)表面原位還原芳香族硝基化合物之后，固相電極可以直接檢測到銅網(wǎng)表面的還原產(chǎn)物，而固相電極表面產(chǎn)生的發(fā)光可以透過銅網(wǎng)的孔隙被光電倍增管檢測并轉(zhuǎn)換為電信號。使用此法原位還原、在線檢測4-硝基甲苯和2,4-二硝基甲苯，實(shí)現(xiàn)了微量檢測。
【專利說明】一種基于原位還原、在線測定芳香族硝基化合物的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明基于制備一體化裝置，實(shí)現(xiàn)原位還原芳香族硝基化合物，進(jìn)而利用固相電極電致化學(xué)發(fā)光在線測定還原產(chǎn)物，屬于電還原降解和電致化學(xué)發(fā)光檢測領(lǐng)域。該類傳感器對單硝基和多硝基的芳香族硝基化合物都有很好的響應(yīng)，在檢測爆炸物領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]研究表明芳香族硝基化合物對人體健康和環(huán)境都有不利的影響，不僅有毒性而且還含有致癌物質(zhì)^大部分芳香族硝基化合物屬于爆炸品類2，其他來源包括工業(yè)、粉煤灰、香煙煙霧的污染物，因此靈敏檢測芳香族硝基化合物已在環(huán)境安全和其他應(yīng)用領(lǐng)域引起廣泛興趣3。為了實(shí)現(xiàn)快速警報和現(xiàn)場檢測，配備有微型傳感探針、簡單而廉價的實(shí)驗(yàn)儀器是研究的重點(diǎn)。目前已有許多基于不同原理的一系列不同方法用于檢測該類化合物，在這些方法中，基于光學(xué)和電化學(xué)的傳感器應(yīng)用的最為廣泛，這得益于這兩種方法不僅靈敏度高、選擇性高，而且儀器簡單低廉4。傳統(tǒng)的電還原芳香族硝基化合物方法主要用于降解該類物質(zhì)，但在其微量檢測領(lǐng)域鮮有應(yīng)用，利用電致化學(xué)發(fā)光方法對其還原產(chǎn)物的高靈敏檢測，可以實(shí)現(xiàn)對芳香族硝基化合物的微量檢測。由于芳香族硝基化合物的還原最終產(chǎn)物為芳香族胺基化合物，這類化合物都極易被氧化，因此原位還原后的在線檢測是對儀器裝置的另一考驗(yàn)。
[0003]電致化學(xué)發(fā)光(Electrochemiluminescence or ECL)是反應(yīng)物在電極表面經(jīng)過高能的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)物質(zhì)從而發(fā)光。電致化學(xué)發(fā)光是化學(xué)發(fā)光和電化學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，因此，電致化學(xué)發(fā)光發(fā)揚(yáng)了電化學(xué)的優(yōu)勢，并利用發(fā)光來彌補(bǔ)電化學(xué)的缺陷，具有裝置簡單、重現(xiàn)性好、可進(jìn)行原位(in situ)檢測以及高靈敏度和高選擇性等特點(diǎn)。自上世紀(jì)60年代，經(jīng)過50年的發(fā)展，電致化學(xué)發(fā)光憑借上述優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了廣泛應(yīng)用于免疫分析、水質(zhì)測試、食品分析等領(lǐng)域的強(qiáng)有力的分析手段，成功用于毒品、氨基酸、蛋白質(zhì)、葡萄糖、DNA的檢測。
[0004]目前，在研究的各種發(fā)光試劑中，以金屬配合物Ru(bpy)32+的研究和應(yīng)用最為廣泛，其優(yōu)點(diǎn)包括:水溶性好、可溶于有機(jī)溶劑、發(fā)光效率高、可進(jìn)行可逆單電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)、可重復(fù)激發(fā)、檢測靈敏度高、線性范圍寬、容易修飾到電極表面等優(yōu)點(diǎn)5?；诼?lián)吡啶釕在電極表面的反應(yīng)是可逆的6，為此人們提出利用電極修飾方法，將Ru (bpy) 32+固定在電極上，減少試劑的消耗，制成可重復(fù)使用的電致化學(xué)發(fā)光傳感器。如今Ru(bpy)32+的固定化方法中，nat1n膜法運(yùn)用較多，比較成熟。但在研究中發(fā)現(xiàn)，Ru (bpy) 32+易進(jìn)入naf1n的疏水區(qū)，與電極間的電子傳導(dǎo)易被中斷，從而失去響應(yīng)7。若在固定Ru(bpy)32+前,在naf1n膜中摻雜碳納米管8，naf1n膜的表面積和導(dǎo)電性將得到提高，在固定Ru (bpy) 32+后的電極的氧化還原電流和ECL信號也會因此增長，制得的Ru (bpy) 32+固定化電極具有良好的響應(yīng)和穩(wěn)定性，且靈敏度較高。
[0005]本發(fā)明通過制備一體化裝置，使得該流通池實(shí)現(xiàn)了將還原所需的銅網(wǎng)和電致化學(xué)發(fā)光所需的固相電極以面對面的形式放置，并將二者之間的距離控制在Imm以內(nèi)，通過這種接近的位置關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)在銅網(wǎng)表面原位還原芳香族硝基化合物之后，固相電極可以直接檢測到銅網(wǎng)表面的還原產(chǎn)物，而固相電極表面產(chǎn)生的發(fā)光可以透過銅網(wǎng)的孔隙被光電倍增管檢測并轉(zhuǎn)換為電信號，從而能夠微量檢測芳香族硝基化合物，因而本發(fā)明可以很好地解決微量準(zhǔn)確檢測2，4，6-三硝基甲苯(TNT)、2，4-二硝基甲苯(DNT)等爆炸物，4-硝基甲苯(P-NT)等芳香族硝基化合物。
[0006]本發(fā)明中利用循環(huán)伏安法在銅電極表面掃描負(fù)電位范圍(O?-1.3V)還原芳香族硝基化合物，實(shí)現(xiàn)了原位電還原芳香族硝基化合物，得到易被氧化的還原產(chǎn)物，而還原產(chǎn)物芳香族胺基化合物可以作為共反應(yīng)物，利用電致化學(xué)發(fā)光方法和固相電極技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線檢測還原產(chǎn)物，在電致化學(xué)發(fā)光儀器上利用循環(huán)伏安法在正電位范圍(0.5?1.3V)掃描，憑借一體化裝置的優(yōu)勢，可以迅速將還原產(chǎn)物再次氧化后作為發(fā)光試劑Ru (bpy) 32+的共反應(yīng)物，從而通過電致化學(xué)發(fā)光的信號強(qiáng)度對芳香族硝基化合物進(jìn)行定量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在提供一種原位還原、在線檢測微量芳香族硝基化合物的快速簡便方法。利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作流通池裝置以實(shí)現(xiàn)將電還原和電致化學(xué)發(fā)光的電極和溶液集中于一個槽體內(nèi)，進(jìn)而可以在銅網(wǎng)原位還原的基礎(chǔ)上，快速切換至電致化學(xué)發(fā)光以測定還原產(chǎn)物，該方法的特點(diǎn)是裝置簡單小巧、對芳香族硝基化合物的檢測限低至納摩爾(nM)級別、檢測的穩(wěn)定性好、靈敏度高、重現(xiàn)性好。為了得到具有以上優(yōu)異性能的一體化原位還原、在線檢測裝置，本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案如下:
[0008]本發(fā)明中一體化原位還原、在線檢測裝置是指由PDMS制成的流通池。PDMS流通池的制作過程:以兩個塑料蓋作為模具，其中一個打孔預(yù)留出聚四氟乙烯管路通道，并在底部粘上4mm厚的玻璃作為槽體,另一個在中間垂直固定住玻碳電極、Ag/AgCl電極以及鉬絲，將液態(tài)PDMS倒入兩個模具中，抽真空除氣泡后加熱固化，固化后的PDMS從模具中取出后將120目銅網(wǎng)固定在槽體內(nèi)，利用液態(tài)PDMS涂在拼接處，再次固化后最終形成流通池(見附圖1)。
[0009]本發(fā)明首先優(yōu)化了電還原、電發(fā)光一體化溶液條件，電解質(zhì)總濃度范圍為
0.005?0.5mol/L, Na2SO4和PBS的濃度比范圍為4:1?1:4，由于固相電極需要在水相中使用，因此溶液體系為水相，而芳香族硝基化合物在水相中溶解度較小，通過高效液相色譜測定飽和溶液的濃度達(dá)到3X10_5mol/L，因此芳香族硝基化合物的濃度范圍上限為I X l(T5mol/L。Ru (bpy) 32+/naf1n/WCNTs固定化電極對芳香族硝基化合物的還原產(chǎn)物芳香族胺基化合物的標(biāo)準(zhǔn)品的檢測最低濃度為I X 1-10M,因此芳香族硝基化合物的濃度范圍下限為1X10_9M。其次電還原條件為銅網(wǎng)、Ag/AgCl、鉬絲三電極體系，以循環(huán)伏安法在O?-1.3V電位范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，掃速范圍為10?150mV/S(見附圖2)，為了增加工作電極比表面積，以銅網(wǎng)為基底電沉積銅以增強(qiáng)檢測靈敏度(見附圖3)。電致化學(xué)發(fā)光條件為以Ru (bpy) 32+/naf1n/WCNTs固定化電極作為檢測傳感器，Ag/AgCl作為參比電極、鉬絲作為對電極，以循環(huán)伏安法在0.5?1.3V電位范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，掃速范圍為10?150mV/S。
[0010]本發(fā)明的原位還原、在線檢測一體化裝置，由于將還原和電致化學(xué)發(fā)光過程連續(xù)進(jìn)行，可以實(shí)現(xiàn)對芳香族硝基化合物的微量、準(zhǔn)確檢測，并具有很好的重現(xiàn)性，以4-硝基甲苯、2，4- 二硝基甲苯為例，得到很好的檢測線性(見附圖4、5)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1PDMS固化后制成的一體化流通池裝置。
[0012]圖2原位電還原的循環(huán)伏安圖(a.4-硝基甲苯；b.2，4_ 二硝基甲苯)。
[0013]圖3銅電極表面掃描電子顯微鏡圖(a.銅電極表面；b.電沉積鍍銅后銅電極表面；c.電沉積銅顆粒大小)。
[0014]圖4Ru (bpy) 32+/naf1n/WCNTs固定化電極對4_硝基甲苯的響應(yīng)，其中a?f分別代表 4-硝基甲苯的濃度為:0mol/L, 1.0X l(T9mol/L, 1.0X l(T8mol/L, 1.0X l(T7mol/L, 1.0X l(T6mol/L, 1.0X l(T5mol/L。
[0015]圖5Ru(bpy)32+/naf1n/WCNTs固定化電極對2，4_二硝基甲苯的響應(yīng)，其中a?f分別代表 2，4-二硝基甲苯的濃度為:0mol/L，1.0X 10_9mol/L, 1.0X 10_8mol/L, 1.0X10_7mol/L, 1.0X l(T6mol/L, 1.0X l(T5mol/L。

【具體實(shí)施方式】
[0016]為了更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面通過實(shí)施例子對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，以下是發(fā)明人給出的具體實(shí)施例子，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
[0017]實(shí)例I
[0018]電沉積銅過程:將2mL 0.1M H2SO4注入流通池內(nèi)，連接銅網(wǎng)、Ag/AgCl、鉬絲三電極體系，利用循環(huán)伏安法在O?-0.7V電位范圍內(nèi)，以掃速100mV/S掃描至除析氫反應(yīng)外，沒有其他明顯的還原峰，證明銅網(wǎng)表面的氧化層已基本去除。將10mmol/L H2SO4和50mmol/L CuSO4的電鍍液取2mL注入流通池內(nèi)，連接銅網(wǎng)、Ag/AgCl、鉬絲三電極體系，利用循環(huán)伏安法在-0.1?-0.7V電位范圍內(nèi)，以掃速100mV/S掃描20圈，使得銅網(wǎng)基地表面均勻電沉積銅。電沉積銅過程利用掃描電子顯微鏡表征，見附圖3銅電極表面掃描電子顯微鏡圖片。
[0019]實(shí)例2
[0020]原位電還原過程:取一定量的Na2SO4和PBS溶解于水中，得到二者總濃度為
0.05mol/L,其中二者的濃度比為2:1。向其中加入一定濃度的芳香族硝基化合物，得到1.0X10_5mol/L 4-硝基甲苯和2，4-二硝基甲苯的溶液。各取2mL溶液注入流通池中，連接銅網(wǎng)、Ag/AgCl、鉬絲三電極體系，利用循環(huán)伏安法在O?-1.3V電位范圍內(nèi)，以掃速10mV/S掃描，得到4-硝基甲苯和2，4- 二硝基甲苯對應(yīng)的循環(huán)伏安圖(見附圖2)
[0021]實(shí)例3
[0022]原位還原、電致化學(xué)發(fā)光檢測過程:取一定量的Na2SO4和PBS溶解于水中，得到二者總濃度為0.05mol/L，其中二者的濃度比為2:1。向其中加入不同濃度的芳香族硝基化合物，得至Ij 1.0Xl(T9mol/L, 1.0 X l(T8mol/L, 1.0 X l(T7mol/L, 1.0 X l(T6mol/L, 1.0 X 10_5mol/L濃度梯度的4-硝基甲苯和2，4-二硝基甲苯的溶液。取2mL溶液注入流通池中，連接實(shí)例I中電沉積銅的銅網(wǎng)、Ag/AgCl、鉬絲三電極體系，利用循環(huán)伏安法在O?-1.3V電位范圍內(nèi)，以掃速100mV/S掃描5圈后迅速切換至電致化學(xué)發(fā)光儀器，連接Ru (bpy) 32+/naf1n/WCNTs固定化電極、Ag/AgCl、鉬絲三電極體系，利用循環(huán)伏安法在0.5?1.3V電位范圍內(nèi)，以掃速100mV/S掃描，得到不同濃度對應(yīng)的電致化學(xué)發(fā)光響應(yīng)，4-硝基甲苯和2，4- 二硝基甲苯濃度與電致化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的線性關(guān)系見附圖4、5。
[0023]參考文獻(xiàn)
[0024][l]Hrapovic, S.，Majid, E.，Liu，Y.，Male，K.，Luong，J.H.T.Anal.Chem.2006，78，5504.
[0025][2] Rodgers, J.D.，Buncej N.J.Water Res.2001，35，2101.
[0026][3] Singh, S.J.Hazard.Mater.2007，144，15.
[0027][4]Bharathij S.，F(xiàn)ishelsonj N.，Lev, 0.Langmuir.1999，15，1929.
[0028][5]C.Wuj H.F.Chen, K.T.Wong and Μ.E.Thompson, J.Am.Chem.Socj 2010，132，3133.
[0029][6]P.M.Armisteadj H.H.Thorp.J.Anal.Chem.2001，73，558.
[0030][7]Downey T.M.，Nieman T.A.Anal.Chem.1992，64，261.
[0031][8]Guo Z.，Dong S.Anal.Chem.2004，76，2683.
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明為基于制備一體化裝置，實(shí)現(xiàn)原位還原芳香族硝基化合物，進(jìn)而利用固相電極電致化學(xué)發(fā)光在線測定還原產(chǎn)物的一種方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，本發(fā)明所述的原位還原、在線電致發(fā)光一體化裝置是指由透明材料制成的流通池，將還原所需的銅網(wǎng)電極和電致化學(xué)發(fā)光所需的固相電極以面對面的形式放置，并將二者之間的距離控制在Imm以內(nèi)。通過這種接近的位置關(guān)系，能夠使固相電致發(fā)光電極直接檢測到在銅網(wǎng)表面原位還原的芳香族硝基化合物的還原產(chǎn)物，而固相電極表面產(chǎn)生的發(fā)光可以透過銅網(wǎng)的孔隙被光電倍增管檢測到并轉(zhuǎn)換為電信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2，本發(fā)明所述的銅網(wǎng)的目數(shù)為50-200目，透明材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)。流通池由液態(tài)PDMS注入事先做好的兩塊模具內(nèi)固化形成。其中一個打孔預(yù)留出流通管路通道和2-5mm深的流通通道,另一個在中間垂直固定住玻碳電極、Ag/AgCl電極以及鉬絲。固化后的I3DMS從模具中取出后將銅網(wǎng)固定在槽體內(nèi)，再次利用液態(tài)PDMS涂在拼接處固化后最終形成流通池。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，原位還原、在線電致發(fā)光一體化體系的溶液條件為0.005?0.5mol/L電解質(zhì)緩沖溶液，電解質(zhì)是由硫酸鹽(Na2SO4或K2SO4)和磷酸鹽緩沖液按一定比例混合而成的體系，二者濃度比的適宜范圍為4:1?1:4，適宜的pH范圍為6-8。
【文檔編號】G01N21/76GK104406958SQ201410705307
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】宋啟軍, 倪欣怡, 宋星辰 申請人:江南大學(xué)