CN104280432B - 一种痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统 - Google Patents
一种痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统，其包括提梁（1）、指示灯（2）、散热窗（3）机壳（4）主机箱（5）、探棒（6）、气管（7）机箱座（8）、探棒护架（9）、可换式探头（10）、PBS溶液（11）、溶液池（12）、挂架（13）、电极伸缩开关（14）、电极座（15）、Ag/AgCl电极（16）、玻碳电极（17）、铂电极（18），其中定量检测系统配置有液晶显示屏，用来显示检测结果。本发明能够实现空气中痕量硝基酚类爆炸物的定量检测，数字自动采集，方便、安全、可靠，智能化管理将使系统大大提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及爆炸品探测领域，用于收集浓缩爆炸物蒸汽且利用快速灵敏的电化学检测来实现对痕量硝基酚类爆炸物的定量检测，尤其是涉及一种痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统。
背景技术
近年来，爆炸恐怖事件时有发生，恐怖主义严重威胁着“公共安全，为保证公众生命财产安全，公共场所隐藏的炸药检测越来越具有重要意义。一般在探测炸药时，所能收集到的物质样本非常少，一般的物理化学方法，不能有效的对样品进行分析判断。
硝基芳香炸药是一类毒性大、难降解的重要环境污染物，严重威胁着生态平衡、社会稳定和国家安全。例如，据联合国统计，全世界60个国家中有1.2亿颗未爆炸的地雷，尤其是二战期间遗留下来未爆炸的地雷所引发的硝基芳香炸药泄露正不断地破坏当地地质和地下水的生态安全。目前对硝基芳香炸药的分析和检测主要采用中子活化、气相色谱、质谱、离子迁移色谱等仪器分析技术，遗憾的是，这些方法大多数要求大规模的设备或其他繁琐的附件，在应用方面存在局限性。
荧光法由于具有灵敏度高、可采集参数多、仪器设计相对成熟等特点，被认为是一种最具潜在应用价值的方法。因此荧光法检测硝基芳香炸药近年来引起了人们广泛的兴趣，并得到较快的发展。目前，已有多种荧光材料已被开发用于硝基芳香炸药的检测，如共轭聚合物、分子印迹聚合物、硅纳米微球、8-羟基喹啉铝、量子点等。为了进一步满足现场检测的需求，研究者们还构建了快速、灵敏、便携的选择性荧光传感器用于硝基芳香炸药的可视化检测。例如，Wang等（Anal.Chem.,2012,84,84158421）基于8-羟基喹啉铝材料，构建了一种苦味酸（PA）的荧光传感器。该传感器能够在半分钟内灵敏响应PA，并不受其他硝基芳香炸药的干扰。但是，肉眼无法有效地辨别该荧光传感器明亮的蓝绿色背景上微弱的荧光，限制了该传感器在低浓度PA可视化检测方面的应用。
为了解决这一问题，Zhang等（J.Am.Chem.Soc.,2011,133,84248427）基于不同粒径的CdTe量子点构建了一种双发射荧光比率探针。TNT能够与表面修饰聚胺的绿色CdTe量子点选择性的形成Meisenheimer复合物并淬灭绿色CdTe量子点的荧光，而无法淬灭硅包埋后的红色CdTe量子点，因此该比率探针遇TNT后，将呈现红色的参比色，使肉眼对微弱变化更为敏感。
荧光比率探针在可视化检测TNT方面的成功应用，为其他痕量硝基芳香炸药分子的可视化检测提供了可行途径。但是荧光比率探针的设计与制备步骤复杂，离大规模实际应用还有一定差距。如何构建具有与比率探针类似功能，但制备方法更为简单的探针则成为该领域的研究重点之一。
为了非常有效地检测痕量硝基酚类爆炸物，急需一种有效的技术手段。
发明内容
为解决上述问题，本发明经过多次设计和研究，提出了一种痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统。
本发明具体提供如下一种痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统，其包括1、提梁，2、指示灯，3、散热窗，4、机壳，5、主机箱，6、探棒1,7、气管，8、机箱座，9、探棒护架，10，可换式探头，11、PBS溶液，12、溶液池，13、挂架，14、电极伸缩开关，15、电极座，16、Ag/AgCl电极，17、玻碳电极，18、铂电极，其中痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统配置液晶显示屏，用来显示检测结果。
定量检测系统中的电路采用芯片360ACBM226 10X1；电路的连接关系如下：开关S下端接电源正极上端接报警器的一端、芯片360ACBM226 10X1（以下简称“芯片360ACB”）的8号脚、电阻R3的一端、三极管的发射极和可变电阻Rp的一端。
进一步地，报警器的一端接开关S的一端，一端接芯片三号脚和二极管LED的正极；二极管LED的正极接报警器的一端和芯片的三号脚，负极接电阻R1（750 Ω）。
进一步地，电阻R1（750 Ω）的一端接二极管LED负极，另一端接地；芯片360ACB的一号脚接地，二号脚和六号脚并联接电阻R4与电容C1相连的一端，三号脚接报警器与二极管相连的一端，四号脚接三极管VT2集电极与R5相连的一端，五号脚接电容C2的一端，七号脚接电阻R3与R4相连的一端，八号脚接开关的一端；电容C2（0.01 μ）的一端接芯片的五号脚，另一端接地；电阻R3（47 kΩ）的一端接开关S上端另一端接电阻R4和芯片七号脚相连的一端；电阻R4（100 kΩ）的一端接电阻R3和芯片七号脚相连的一端另一端接芯片二号和六号脚与电容C1相连处。
进一步地，电容C1（0.01 μ）的一端接芯片的二、六号脚与R4相连的一端，另一端接地；三极管VT2的发射极接开关S上端，基极接电阻R2的一端，集电极接电阻R5与芯片的五号脚连接端；电阻R5（5.1 kΩ）一端接三极管VT2的集电极与芯片四号脚的连接端，一端接地；可变电阻Rp的一端接开关的上端，一端接三极管VT1与电阻R2相连的一端；三极管VT1的发射极接可变电阻Rp与电阻，集电极接地。
本发明的痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统具有以下优点：
1、结构简单，设计合理，构思朽妙，添补了此类设备的空白，另外该仪器能够实现空气中痕量硝基酚类爆炸物的定量检测，数字自动采集，方便、安全、可靠，智能化管理将使系统大大提高效率。
2、配有小型抽气泵，调节抽气时间，可检测不同浓度范围的待测物，还可使空气中痕量的硝基酚类爆炸物得到大大浓缩，实现宽范围高精度检测。通过本仪器的使用，能够满足检验工作的需要，对环境安全的检验有重要意义。
附图说明
图1为本发明痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统整体结构示意图；
图2为本发明痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统的电路图；
图3为使用本发明痕量硝基酚类爆炸品定量检测系统的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。
图1为依据本发明的痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统整体结构示意图，其中附图标记如下：1、提梁，2、指示灯，3、散热窗，4、机壳，5、主机箱，6、探棒1,7、气管，8、机箱座，9、探棒护架，10，可换式探头，11、PBS溶液，12、溶液池，13、挂架，14、电极伸缩开关，15、电极座，16、Ag/AgCl电极，17、玻碳电极，18、铂电极。
气体采集泵通过可换式探头10采集被测物体附近的气体；通过气体导管7将采集的气体导入PBS溶液11中；利用三电极检测系统对已经溶解含有气体后的PBS溶液，进行电化学的数据采集后，进行电流相应分析；微机对被测溶液的电流相应拟合度进行分析后，得出待测物周围硝基酚类爆炸物的浓度做出高精度的检测结果。
本检测系统主要采用收集浓缩爆炸物蒸汽的方法，利用快速灵敏的电化学检测来实现对痕量硝基酚类爆炸物的定量检测。通常爆炸物会散发出蒸气或颗粒，这些蒸气或颗粒会被它们与之接触的材料（衣服、行李、皮肤、容器、纸张等等）表面吸附或粘附，这些痕量物质可通过真空吸附的方式或通过擦拭表面的方式收集起来。 本仪器将采用一个小型抽气泵收集爆炸物物质的蒸汽，然后通入电化学检测池，利用三电极体系，通过检测电极表面的电流响应来检测出空气中的痕量爆炸物。实现了试验操作、数据处理等方面的自动化，试验精度高、速度快。该实验仪的研制将满足检验工作的需要，对环境安全的检验有重要意义。
更进一步地，痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统还可以配置液晶显示屏，用来显示检测结果；配置小型抽气泵，用来收集待检测气体；配有可换式探头，保证每次的待测气体不被前次污染。
在本发明中，可以使用电化学检测装置，其是一5 毫升液体检测池，连接有三个电极（工作电极——修饰的玻碳电极，参比电极——Ag/AgCl电极和对电极——铂电极）和一个电极伸缩开关，检测池可更换。在其中所使用的工作电极（修饰的玻碳电极）制备方法如下：取单壁碳纳米管-氨基二茂铁复合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液6 μL（实施例1中该溶液浓度为0.4 mg/mL）滴于玻碳电极表面，自然干燥成膜即可。
如图2所示，给出了定量检测系统的电路图。其中开关S下端接电源正极上端接报警器的一端、芯片360ACBM226 10X1（以下简称“芯片360ACB”）的8号脚、电阻R3的一端、三极管的发射极和可变电阻Rp的一端；报警器的一端接开关S的一端，一端接芯片三号脚和二极管LED的正极；二极管LED的正极接报警器的一端和芯片的三号脚，负极接电阻R1（750 Ω）；电阻R1（750 Ω）的一端接二极管LED负极，另一端接地；芯片360ACB的一号脚接地，二号脚和六号脚并联接电阻R4与电容C1相连的一端，三号脚接报警器与二极管相连的一端，四号脚接三极管VT2集电极与R5相连的一端，五号脚接电容C2的一端，七号脚接电阻R3与R4相连的一端，八号脚接开关的一端；电容C2（0.01 μ）的一端接芯片的五号脚，另一端接地；电阻R3（47 kΩ）的一端接开关S上端另一端接电阻R4和芯片七号脚相连的一端；电阻R4（100 kΩ）的一端接电阻R3和芯片七号脚相连的一端另一端接芯片二号和六号脚与电容C1相连处；电容C1（0.01 μ）的一端接芯片的二、六号脚与R4相连的一端，另一端接地；三极管VT2的发射极接开关S上端，基极接电阻R2的一端，集电极接电阻R5与芯片的五号脚连接端；电阻R5（5.1 kΩ）一端接三极管VT2的集电极与芯片四号脚的连接端，一端接地；可变电阻Rp的一端接开关的上端，一端接三极管VT1与电阻R2相连的一端；三极管VT1的发射极接可变电阻Rp与电阻，集电极接地。
如图3所示，给出了使用本发明的定量检测系统的流程图。其中包括微机和电化学分析仪两大部分；微机通过编辑的数据采集软件，完成检测系统的结果计算和输出，具备基本的个人电脑性能；电化学分析仪能进行循环伏安测试和差分脉冲测试，能够满足测量浓度范围为1-2000 μM硝基酚类物质的检测，并能够将检测的电流结果导入微机中。
依据上述说明，本发明的痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统，主要由气体收集装置和电化学检测装置两部分组成，图3给出痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统各个模块之间的功能关系或检测关系。
具体地，使用本发明的痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统的检测步骤如下：
第一步，单壁碳纳米管-氨基二茂铁复合物通过透射电镜表征。
第二步，单壁碳纳米管-氨基二茂铁复合物通过红外光谱表征。
第三步，单壁碳纳米管-氨基二茂铁复合物通过拉曼光谱进行表征。
第四步，单壁碳纳米管-氨基二茂铁复合物的电化学性能通过电化学分析仪进行检测，玻碳电极先用三氧化二铝粉末抛光，再依次浸入蒸馏水、丙酮中分别超声洗涤2分钟，自然晾干。在预处理好的玻碳电极上滴加6 μL 单壁碳纳米管或单壁碳纳米管-氨基二茂铁复合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液，待溶剂自然挥干即可。SWNTs及其复合物溶液浓度均为0.4 mg/mL。
电化学检测采用三电极体系，单壁碳纳米管或单壁碳纳米管-氨基二茂铁复合物修饰的玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，银-氯化银电极为参比电极。采用pH值为7.4的0.05 mol/L的磷酸（0.1 mol/L 氯化钾）缓冲溶液为支持电解质。分别对不同修饰的电极或不同浓度的对硝基苯酚溶液进行循环伏安扫描和差分脉冲伏安扫描，并记录电流时间曲线。
在更优化的实施例中，使用本发明的痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统的检测步骤为：
将待测的气体通过小型抽气泵收集，通入电化学检测池后进行检测，通过编辑的数据处理软件给出检测浓度。电化学检测装置包括：装有缓冲液的电化学检测池，工作电极，参比电极和对电极三电极体系。
1、收集待测气体
利用小型抽气泵收集待检测气体，并将气体输送到电化学检测池中。
2、信号采集
在装有三电极检测系统的检测池中进行电化学检测，给出相应电流值，并记录结果。
3、结果处理
用标准的不同浓度硝基酚类化合物进行相应电化学检测，得到电流响应标准曲线。将获得的待测气体的电流响应带入标准曲线计算，得到待测气体中硝基酚类化合物的浓度。
依照公式（1）计算，根据电流响应值和标准曲线计算待测气体中硝基酚类化合物的浓度。
Ip (μA)=A×CNp (μM)+B………………………………………（1）
其中
A 是电化学响应灵敏度；
B 是无硝基酚类物质时的背景电流响应；
二者均由标准浓度的待测物质电流响应拟合得到。
该仪器能够实现空气中痕量硝基酚类爆炸物的定量检测，数字自动采集，方便、安全、可靠，智能化管理将使系统大大提高效率。同时，由于配有小型抽气泵，调节抽气时间，可检测不同浓度范围的待测物，还可使空气中痕量的硝基酚类爆炸物得到大大浓缩，实现宽范围高精度检测。通过本仪器的使用，能够满足检验工作的需要，对环境安全的检验有重要意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。
Claims (4)
1.一种痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统，其特征在于，其包括提梁（1）、指示灯（2）、散热窗（3）机壳（4）主机箱（5）、探棒（6）、气管（7）机箱座（8）、探棒护架（9）、可换式探头（10）、PBS溶液（11）、溶液池（12）、挂架（13）、电极伸缩开关（14）、电极座（15）、Ag/AgCl电极（16）、玻碳电极（17）、铂电极（18），所述定量检测系统配置有液晶显示屏，用来显示检测结果；所述定量检测系统中的电路采用芯片360ACBM226 10X1；其中，开关S下端接电源正极上端接报警器的一端、芯片360ACBM226 10X1的8号脚、电阻R3的一端、三极管的发射极和可变电阻Rp的一端。
2.根据权利要求1所述的痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统，其特征在于，所述报警器的一端接开关S的一端，一端接芯片三号脚和二极管LED的正极；二极管LED的正极接报警器的一端和芯片的三号脚，负极接750 Ω的电阻R1。
3.根据权利要求2所述的痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统，其特征在于，所述750 Ω的电阻R1的一端接二极管LED负极，另一端接地；芯片360ACBM226 10X1的一号脚接地，二号脚和六号脚并联接电阻R4与电容C1相连的一端，三号脚接报警器与二极管相连的一端，四号脚接三极管VT2集电极与R5相连的一端，五号脚接电容C2的一端，七号脚接电阻R3与R4相连的一端，八号脚接开关的一端；0.01 μ的电容C2的一端接芯片的五号脚，另一端接地； 47 kΩ的电阻R3的一端接开关S上端另一端接电阻R4和芯片七号脚相连的一端；100 kΩ的电阻R4的一端接电阻R3和芯片七号脚相连的一端，另一端接芯片二号和六号脚与电容C1相连处。
4.根据权利要求3所述的痕量硝基酚类爆炸品的定量检测系统，其特征在于，0.01 μ的电容C1的一端接芯片的二、六号脚与R4相连的一端，另一端接地；三极管VT2的发射极接开关S上端，基极接电阻R2的一端，集电极接电阻R5与芯片的五号脚连接端；5.1 kΩ的电阻R5一端接三极管VT2的集电极与芯片四号脚的连接端，一端接地；可变电阻Rp的一端接开关的上端，一端接三极管VT1与电阻R2相连的一端；三极管VT1的发射极接可变电阻Rp与电阻，集电极接地。
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