一种基于原位还原、在线测定芳香族硝基化合物的方法
【专利摘要】本发明基于制备一体化装置，实现原位还原芳香族硝基化合物，进而利用固相电极电致化学发光在线测定还原产物，属于电还原降解和电致化学发光检测领域。首先采用由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的流通池，实现将还原所需的铜网和电致化学发光所需的固相电极以面对面的形式放置，并将二者之间的距离控制在1mm以内，通过这种接近的位置关系，实现将电还原和电致化学发光的电极和溶液集中于一个槽体内，然后连接铜网、Ag/AgCl、铂丝三电极体系，利用循环伏安法在负电位范围内扫描以原位还原芳香族硝基化合物，实现在铜网表面原位还原芳香族硝基化合物之后，固相电极可以直接检测到铜网表面的还原产物，而固相电极表面产生的发光可以透过铜网的孔隙被光电倍增管检测并转换为电信号。使用此法原位还原、在线检测4-硝基甲苯和2,4-二硝基甲苯，实现了微量检测。
【专利说明】一种基于原位还原、在线测定芳香族硝基化合物的方法
【技术领域】
[0001]本发明基于制备一体化装置，实现原位还原芳香族硝基化合物，进而利用固相电极电致化学发光在线测定还原产物，属于电还原降解和电致化学发光检测领域。该类传感器对单硝基和多硝基的芳香族硝基化合物都有很好的响应，在检测爆炸物领域有广泛的应用。
【背景技术】
[0002]研究表明芳香族硝基化合物对人体健康和环境都有不利的影响，不仅有毒性而且还含有致癌物质^大部分芳香族硝基化合物属于爆炸品类2，其他来源包括工业、粉煤灰、香烟烟雾的污染物，因此灵敏检测芳香族硝基化合物已在环境安全和其他应用领域引起广泛兴趣3。为了实现快速警报和现场检测，配备有微型传感探针、简单而廉价的实验仪器是研究的重点。目前已有许多基于不同原理的一系列不同方法用于检测该类化合物，在这些方法中，基于光学和电化学的传感器应用的最为广泛，这得益于这两种方法不仅灵敏度高、选择性高，而且仪器简单低廉4。传统的电还原芳香族硝基化合物方法主要用于降解该类物质，但在其微量检测领域鲜有应用，利用电致化学发光方法对其还原产物的高灵敏检测，可以实现对芳香族硝基化合物的微量检测。由于芳香族硝基化合物的还原最终产物为芳香族胺基化合物，这类化合物都极易被氧化，因此原位还原后的在线检测是对仪器装置的另一考验。
[0003]电致化学发光(Electrochemiluminescence or ECL)是反应物在电极表面经过高能的电子转移反应产生激发态物质从而发光。电致化学发光是化学发光和电化学结合的产物，因此，电致化学发光发扬了电化学的优势，并利用发光来弥补电化学的缺陷，具有装置简单、重现性好、可进行原位(in situ)检测以及高灵敏度和高选择性等特点。自上世纪60年代，经过50年的发展，电致化学发光凭借上述优点，已经成为了广泛应用于免疫分析、水质测试、食品分析等领域的强有力的分析手段，成功用于毒品、氨基酸、蛋白质、葡萄糖、DNA的检测。
[0004]目前，在研究的各种发光试剂中，以金属配合物Ru(bpy)32+的研究和应用最为广泛，其优点包括:水溶性好、可溶于有机溶剂、发光效率高、可进行可逆单电子转移反应、可重复激发、检测灵敏度高、线性范围宽、容易修饰到电极表面等优点5。基于联吡啶钌在电极表面的反应是可逆的6，为此人们提出利用电极修饰方法，将Ru (bpy) 32+固定在电极上，减少试剂的消耗，制成可重复使用的电致化学发光传感器。如今Ru(bpy)32+的固定化方法中，nat1n膜法运用较多，比较成熟。但在研究中发现，Ru (bpy) 32+易进入naf1n的疏水区，与电极间的电子传导易被中断，从而失去响应7。若在固定Ru(bpy)32+前,在naf1n膜中掺杂碳纳米管8，naf1n膜的表面积和导电性将得到提高，在固定Ru (bpy) 32+后的电极的氧化还原电流和ECL信号也会因此增长，制得的Ru (bpy) 32+固定化电极具有良好的响应和稳定性，且灵敏度较高。
[0005]本发明通过制备一体化装置，使得该流通池实现了将还原所需的铜网和电致化学发光所需的固相电极以面对面的形式放置，并将二者之间的距离控制在Imm以内，通过这种接近的位置关系，能够实现在铜网表面原位还原芳香族硝基化合物之后，固相电极可以直接检测到铜网表面的还原产物，而固相电极表面产生的发光可以透过铜网的孔隙被光电倍增管检测并转换为电信号，从而能够微量检测芳香族硝基化合物，因而本发明可以很好地解决微量准确检测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]本发明中利用循环伏安法在铜电极表面扫描负电位范围(O?-1.3V)还原芳香族硝基化合物，实现了原位电还原芳香族硝基化合物，得到易被氧化的还原产物，而还原产物芳香族胺基化合物可以作为共反应物，利用电致化学发光方法和固相电极技术实现在线检测还原产物，在电致化学发光仪器上利用循环伏安法在正电位范围(0.5?1.3V)扫描，凭借一体化装置的优势，可以迅速将还原产物再次氧化后作为发光试剂Ru (bpy) 32+的共反应物，从而通过电致化学发光的信号强度对芳香族硝基化合物进行定量。
【发明内容】
[0007]本发明旨在提供一种原位还原、在线检测微量芳香族硝基化合物的快速简便方法。利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作流通池装置以实现将电还原和电致化学发光的电极和溶液集中于一个槽体内，进而可以在铜网原位还原的基础上，快速切换至电致化学发光以测定还原产物，该方法的特点是装置简单小巧、对芳香族硝基化合物的检测限低至纳摩尔(nM)级别、检测的稳定性好、灵敏度高、重现性好。为了得到具有以上优异性能的一体化原位还原、在线检测装置，本发明的构思和技术方案如下:
[0008]本发明中一体化原位还原、在线检测装置是指由PDMS制成的流通池。PDMS流通池的制作过程:以两个塑料盖作为模具，其中一个打孔预留出聚四氟乙烯管路通道，并在底部粘上4mm厚的玻璃作为槽体,另一个在中间垂直固定住玻碳电极、Ag/AgCl电极以及钼丝，将液态PDMS倒入两个模具中，抽真空除气泡后加热固化，固化后的PDMS从模具中取出后将120目铜网固定在槽体内，利用液态PDMS涂在拼接处，再次固化后最终形成流通池(见附图1)。
[0009]本发明首先优化了电还原、电发光一体化溶液条件，电解质总浓度范围为
0.005?0.5mol/L, Na2SO4和PBS的浓度比范围为4:1?1:4，由于固相电极需要在水相中使用，因此溶液体系为水相，而芳香族硝基化合物在水相中溶解度较小，通过高效液相色谱测定饱和溶液的浓度达到3X10_5mol/L，因此芳香族硝基化合物的浓度范围上限为I X l(T5mol/L。Ru (bpy) 32+/naf1n/WCNTs固定化电极对芳香族硝基化合物的还原产物芳香族胺基化合物的标准品的检测最低浓度为I X 1-10M,因此芳香族硝基化合物的浓度范围下限为1X10_9M。其次电还原条件为铜网、Ag/AgCl、钼丝三电极体系，以循环伏安法在O?-1.3V电位范围内进行扫描，扫速范围为10?150mV/S(见附图2)，为了增加工作电极比表面积，以铜网为基底电沉积铜以增强检测灵敏度(见附图3)。电致化学发光条件为以Ru (bpy) 32+/naf1n/WCNTs固定化电极作为检测传感器，Ag/AgCl作为参比电极、钼丝作为对电极，以循环伏安法在0.5?1.3V电位范围内进行扫描，扫速范围为10?150mV/S。
[0010]本发明的原位还原、在线检测一体化装置，由于将还原和电致化学发光过程连续进行，可以实现对芳香族硝基化合物的微量、准确检测，并具有很好的重现性，以4-硝基甲苯、2，4- 二硝基甲苯为例，得到很好的检测线性(见附图4、5)。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1PDMS固化后制成的一体化流通池装置。
[0012]图2原位电还原的循环伏安图(a.4-硝基甲苯；b.2，4_ 二硝基甲苯)。
[0013]图3铜电极表面扫描电子显微镜图(a.铜电极表面；b.电沉积镀铜后铜电极表面；c.电沉积铜颗粒大小)。
[0014]图4Ru (bpy) 32+/naf1n/WCNTs固定化电极对4_硝基甲苯的响应，其中a?f分别代表 4-硝基甲苯的浓度为: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]图5Ru(bpy)32+/naf1n/WCNTs固定化电极对2，4_二硝基甲苯的响应，其中a?f分别代表 2，4-二硝基甲苯的浓度为: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。
【具体实施方式】
[0016]为了更清楚地理解本发明的技术方案，下面通过实施例子对本发明作进一步详细说明。需要说明的是，以下是发明人给出的具体实施例子，但本发明不限于这些实施例。
[0017]实例I
[0018]电沉积铜过程:将2mL 0.1M H2SO4注入流通池内，连接铜网、Ag/AgCl、钼丝三电极体系，利用循环伏安法在O?-0.7V电位范围内，以扫速100mV/S扫描至除析氢反应外，没有其他明显的还原峰，证明铜网表面的氧化层已基本去除。将10mmol/L H2SO4和50mmol/L CuSO4的电镀液取2mL注入流通池内，连接铜网、Ag/AgCl、钼丝三电极体系，利用循环伏安法在-0.1?-0.7V电位范围内，以扫速100mV/S扫描20圈，使得铜网基地表面均匀电沉积铜。电沉积铜过程利用扫描电子显微镜表征，见附图3铜电极表面扫描电子显微镜图片。
[0019]实例2
[0020]原位电还原过程:取一定量的Na2SO4和PBS溶解于水中，得到二者总浓度为
0.05mol/L,其中二者的浓度比为2:1。向其中加入一定浓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，连接铜网、Ag/AgCl、钼丝三电极体系，利用循环伏安法在O?-1.3V电位范围内，以扫速10mV/S扫描，得到4-硝基甲苯和2，4- 二硝基甲苯对应的循环伏安图(见附图2)
[0021]实例3
[0022]原位还原、电致化学发光检测过程:取一定量的Na2SO4和PBS溶解于水中，得到二者总浓度为0.05mol/L，其中二者的浓度比为2:1。向其中加入不同浓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浓度梯度的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，连接实例I中电沉积铜的铜网、Ag/AgCl、钼丝三电极体系，利用循环伏安法在O?-1.3V电位范围内，以扫速100mV/S扫描5圈后迅速切换至电致化学发光仪器，连接Ru (bpy) 32+/naf1n/WCNTs固定化电极、Ag/AgCl、钼丝三电极体系，利用循环伏安法在0.5?1.3V电位范围内，以扫速100mV/S扫描，得到不同浓度对应的电致化学发光响应，4-硝基甲苯和2，4- 二硝基甲苯浓度与电致化学发光强度的线性关系见附图4、5。
[0023]参考文献
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【权利要求】
1.本发明为基于制备一体化装置，实现原位还原芳香族硝基化合物，进而利用固相电极电致化学发光在线测定还原产物的一种方法。
2.根据权利要求1，本发明所述的原位还原、在线电致发光一体化装置是指由透明材料制成的流通池，将还原所需的铜网电极和电致化学发光所需的固相电极以面对面的形式放置，并将二者之间的距离控制在Imm以内。通过这种接近的位置关系，能够使固相电致发光电极直接检测到在铜网表面原位还原的芳香族硝基化合物的还原产物，而固相电极表面产生的发光可以透过铜网的孔隙被光电倍增管检测到并转换为电信号。
3.根据权利要求2，本发明所述的铜网的目数为50-200目，透明材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。流通池由液态PDMS注入事先做好的两块模具内固化形成。其中一个打孔预留出流通管路通道和2-5mm深的流通通道,另一个在中间垂直固定住玻碳电极、Ag/AgCl电极以及钼丝。固化后的I3DMS从模具中取出后将铜网固定在槽体内，再次利用液态PDMS涂在拼接处固化后最终形成流通池。
4.根据权利要求1，原位还原、在线电致发光一体化体系的溶液条件为0.005?0.5mol/L电解质缓冲溶液，电解质是由硫酸盐(Na2SO4或K2SO4)和磷酸盐缓冲液按一定比例混合而成的体系，二者浓度比的适宜范围为4:1?1:4，适宜的pH范围为6-8。
【文档编号】G01N21/76GK104406958SQ201410705307
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】宋启军, 倪欣怡, 宋星辰 申请人:江南大学