KR20060136378A - 니트로 화합물들을 검출하는 화학 센서들에서 실록산-계중합체들 또는 그 복합체들의 용도 - Google Patents
니트로 화합물들을 검출하는 화학 센서들에서 실록산-계중합체들 또는 그 복합체들의 용도 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 니트로 화합물들을 검출하기 위한 센서에서 민감성 물질로서, 아래 일반식(I)의 반복 유닛을 포함하는 적어도 하나의 중합체 또는 이러한 중합체 및 1개 이상의 도전성 충전물들을 포함하는 복합체의 용도에 관한 것이다.
여기서,
X 및 Y = 단일 결합 또는 선형 C1-C50 탄화수소기이고;
R1 및 R2 = H, CN, C(Z)3, CH(Z)2, CH2Z (Z= 할로겐 원자); NH2, NHR3, NR3R4기를 나타내고, 여기서 R3 및 R4 = 할로겐 원자, CH3, 또는 임의로 1개 이상의 헤테로 원자들 및/또는 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 1개 이상의 화학적 관능기들을 함유하는 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화 C2-C20 탄화수소 사슬을 나타내고; R1 및 R2 중의 적어도 하나는 H가 아니다.
용도들: 폭발물들의 검출, 대기 오염 및 주변 공기 질의 제어/모니터링, 공업 지역들의 모니터링.
Description
본 발명은 니트로 화합물들을 검출하는 센서들에서 민감한 물질로서 실록산-베이스 중합체들 또는 그러한 중합체를 포함하는 복합체들 및 1개 이상의 전기 도전성 충전재들, 및 특히 니트로방향족 화합물들, 예를 들면 니트로벤젠(NB), 디니트로벤젠(DNB), 트리니트로벤젠(TNB), 니트로톨루엔(NT), 디니트로톨루엔(DNT), 2,4,6-트리니트로톨루엔(TNT) 등의 용도에 관한 것이다.
그러한 센서들은 공항 등의 공공 장소의 안전성을 보장할 목적이나, 영토 내에서 유통되는 제품의 합법성을 체크하거나, 테러 행위에 대적하거나, 군비 축소 작전을 수행하거나, 대인 살상용 지뢰를 배치하거나, 또는 공업 또는 군사 지역을 정화시키기 위해 폭발물을 검출하는데 유용하다.
이들 센서는 또한 환경 보호, 특히 대기 오염 및 다소의 한정된 대기의 질을 조절 및 모니터링하고, 또한 안전성 목적으로 니트로 화합물들을 제조, 저장 및/또는 취급하는 공업 지역을 모니터링하는데 유용하다.
폭발물의 검출은 특히 시민들의 안전성의 견지에서 대단히 중요한 문제이다.
현재, 폭발물의 제조에 사용된 니트로 화합물들의 증기를 검출하기 위해 여러 가지 방법들이 사용되고 있고, 예를 들면 이러한 목적으로 훈련된 폭약 탐색 견들의 사용, 질량 분광계 또는 전자 트랩 검출기와 결합된 크로마토그래피에 의한 또는 대안으로 적외선 검출에 의한 그 지역에서 수집된 시료들의 실험실 분석이 이용된다.
이들 방법들을 일반적으로 폭발물 검출의 견지에서 기본적인 큰 민감도를 보여주고, 폭발물 근처에서 우세한 매우 낮은 농도의 니트로 화합물들의 증기를 제공한다. 그러나 이들은 전체적으로 만족스럽지 못하다.
따라서, 폭약 탐색 견들의 사용은 이 개들 및 이들의 조련사의 오랜 훈련을 필요로 하고, 개들의 주의 집중 시간이 제한된다는 사실로 인해 장기간의 작전에는 적절치 않다는 단점을 갖는다.
다른 방법들에 관하여, 그들이 사용하는 장치의 물리적 부피, 이들의 에너지 소비량 및 이들의 운영 비용들은 용이하게 수송할 수 있고, 자발적이고, 결과적으로 임의의 유형의 지역에 대해서도 사용될 수 있는 검출 시스템들의 개발에 역행한다.
최근에, 가스상 화학 종들을 실시간 검출할 수 있는 센서들의 개발은 완전히 확대된다. 이들 센서들의 기능화는 민감성 물질, 즉 적어도 하나의 물성이 구해진 가스상 물질들과 접촉하여 개질되고, 이러한 물성의 임의의 변화를 실시간 측정할 수 있고, 따라서 구해진 가스상 분자들의 존재를 나타낼 수 있는 시스템에 상당하는 물질의 필름의 사용에 기초한다.
다른 상기 방법들에 비해 화학적 센서들의 장점은 다음과 같이 다양하다: 즉, 결과의 직접성, 소형화 가능성 및 그에 따른 큰 휴대성, 취급 가능성 및 자발성, 낮은 제조 및 운영 단가 등.
그런, 이들의 효율은 사용된 민감성 물질의 특성에 따라 극히 다양함이 분명하다.
가스상 니트로 화합물들, 특히 니트로 방향족 화합물들의 검출을 위해, 많은 민감성 물질들이 이미 제안되었으며, 그 중에서 다공성 실리콘, 식물 숯, 폴리에틸렌 글리콜, 아민류, 시클로덱스트린류, 카비탄드류(cavitands) 및 형광 중합체들(참고 문헌 (1) 내지 (5))이 언급될 수 있다.
더욱이, 니트로 방향족 화합물들을 검출하도록 의도된 센서들을 위한 민감성 물질로서 기능화된 폴리실록산류의 잠재적 사용이 McGill 등에 의해 연구되고 있다(참고 문헌 (6)).
이들 저자들은 많은 니트로 방향족 화합물들(NB, NT, TNB, DNTN 및 TNT)의 가용성 파라메터들을 결정하고, 이들 파라메터들로부터 여러 가지 폴리실록산류를 포함하는 일련의 중합체들에서 증기 상태의 이들의 수착 특성들(즉, 이들의 흡수 유지되는 능력)을 정의하는 것에 초점을 맞추었다.
McGill 등은 그들이 얻은 결과로부터 중합체들이 상기 니트로 방향족 화합물들의 가용성 파라메터들과 상보적인 가용성 파라메터들을 가질 때 니트로 방향족 화합물들 이 중합체들과 보다 강력히 비례하게 상호 작용할 수 있음을 추론한다. 이들은 이로부터 니트로 방향족 화합물들을 검출하기 위한 가장 유망한 폴리실록산 류는 그의 단량체들이 이들 화합물과 수소 결합들을 만들 수 있는 1개 이상의 기들, 예를 들면 헥사플루오로이소프로판올(HFIP)기를 생성하는 방향족 고리를 포함하는 것들이라는 결론내린다. HFIP 측면 기를 생성하는 방향족 고리를 함유하는 단량체들로부터 유도된 폴리실록산의 박막을 장착한 표면 웨이브들을 갖는 센서를 사용하여 이들이 수행한 DNT 검출 시험은 만족스러운 결과들을 제공하는 것으로 보인다.
그러나, 폭발물들을 검출하도록 보다 특별히 의도된 센서들의 개발에 대한 이들의 연구의 맥락에서, 본 발명자들은 완전히 놀랍게도 민감성 물질로서 방향족 고리 뿐만 아니라 HFIP 유형의 측쇄기도 포함하지 않는 실록산-베이스 중합체들을 사용하는 센서들이 니트로 화합물들, 특히 니트로 방향족 화합물들을 McGill 등이 권장한 폴리실록산류를 사용하는 센서들보다 현저히 큰 민감도로 검출한다는 것을 발견하였다.
이러한 발견은 본 발명의 기초이다.
본 발명의 목적은 아래 일반식(I)에 대응하는 적어도 하나의 실록산 반복 유닛을 포함하는 적어도 하나의 중합체 또는 이러한 중합체 및 1개 이상의 전기 도전성 충전재들을 포함하는 복합체를 1개 이상의 니트로 화합물들을 검출하기 위한 센서에서 민감성 물질로서 사용이다:
여기서,
X 및 Y는 동일하거나 또는 상이할 수 있는 것으로, 단일 결합 또는 1 내지 50개의 탄소 원자들을 함유하는 포화 또는 불포화된 선형 탄화수소기를 나타내고;
R1 및 R2는 동일하거나 또는 상이할 수 있는 것으로, 수소 원자, CN기, C(Z)3, CH(Z)2, 또는 CH2Z 기(Z는 할로겐 원자); NH2기, NHR3 또는 NR3R4기를 나타내고, R3 및 R4는 서로 독립적으로, 할로겐 원자, 메틸렌, 또는 2 내지 20개의 탄소 원자들을 함유하고 가능하게는 1개 이상의 헤테로 원자들 및/또는 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 1개 이상의 화학적 관능기들을 함유하는 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화 탄화수소 사슬을 나타내고; 그러나, 경우에 따라, R1 및 R2 중의 적어도 하나는 수소 원자가 아니다.
싱기 일반식(I)에서, R3 및/또는 R4는 C2 내지 C20 탄화수소 사슬을 나타내고, 이 사슬이 1개 이상의 헤테로 원자들 및/또는 1개 이상의 화학적 관능기들을 포함할 때, 이들 원자들 및 이들 관능기들은 이 사슬 내에 브리지를 형성하거나, 또는 측면으로 결합될 수 있거나, 또는 대안으로 그의 단부에 위치할 수 있다.
헤테로 원자(들)은 탄소 또는 수소 원자 이외의 임의의 원자, 예를 들면 산소, 황, 질소, 불소, 염소, 인, 붕소 또는 실리콘 원자일 수 있다.
화학적 관능기(들)은 특히 -COOH, -COOR5, -CHO, -CO-, -OH, -OR5, -SH, -SR5, -SO2R5, -NH2, -NHR5, -NR5R6, -CONH2, --CONHR5, -CONR5R6, -C(Z)3, -OC(Z)3, -COZ, -CN, -COOCHO 및 -COOCOR5 관능기로부터 선택될 수 있고, 여기서:
ㆍ R5는 1 내지 100개의 탄소 원자들을 함유하는 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화 탄화수소기 또는 상기 화학적 관능기(들)이 C2 내지 C20 탄화수소 사슬에 브리지를 형성하는 것인 공유 결합을 나타내고;
ㆍ R6은 1 내지 100개의 탄소 원자들을 함유하는 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화 탄화수소기를 나타내고, 이 기는 가능하게는 R5로 나타낸 탄화수소기와 동일하거나 또는 상이한 것인 한편;
ㆍ Z는 할로겐 원자, 예를 들면 불소, 염소 또는 브롬 원자를 나타낸다.
더욱이, 일반식(I)에서, X 및/또는 Y가 단일 결합을 나타낼 때, R1 및/또는 R2는 각각 실록산 반복 유닛이 아래의 특정 식들(Ia), (Ib) 및 (Ic) 중의 하나에 대응하도록 하는 공유 결합을 통해 실리콘 원자에 직접적으로 연결된다:
여기서, X, Y, R1 및 R2는 상기한 바와 동일한 의미를 갖는다.
본 발명의 바람직한 준비에 따라, 실록산 반복 유닛은 아래 특정 식(Id)에 대응한다:
여기서, X는 1 내지 50개의 탄소 원자들을 함유하는 포화 또는 불포화된 선형 탄화수소기인 한편, R1은 상기한 바와 동일한 의미를 갖는다.
특히 바람직한 특정 식(Id)의 실록산 반복 유닛은 X가 2 내지 10개의 탄소 원자를 함유하는 알킬렌 사슬(즉, n이 2 내지 10 범위인 사슬 (CH2)n)을 나타내는 것들이고, 이들 유닛들 중에서 트리플루오로프로필메틸실록산(X = (CH2)2, R1 = CF3) 및 시아노프로필메틸실록산(X = (CH2)3, R1 = CN)이다.
본 발명의 다른 바람직한 준비에 따라, 중합체는 단독 중합체이고, 즉, 이 중합체는 일반식(1)의 단 하나의 실록산 반복 유닛으로 구성된 것이고, 그 경우, 그것이 폴리트리플루오로프로필메틸실록산류 및 폴리시아노프로필메틸실록산류로부터, 특히 50 내지 100,000 범위의 평균 분자량을 갖는 것들로부터 선택되는 것이 유리하다.
변종으로서, 이 중합체는 그것이 모두 일반식(I)에 대응하는 상이한 실록산 반복 유닛들로 구성될 수 있거나, 또는 일반식(I)의 1개 이상의 실록산 반복 유닛들 및 1개 이상의 다른 실록산 또는 비-실록산 반복 유닛들을 포함하는 것인 경우의 공중합체일 수도 있다.
구체적으로, 예를 들면 에틸렌, 프로필렌, 산화에틸렌, 스티렌, 비닐카르바졸 또는 비닐 아세테이트 등의 유형의 단량체로부터 유도된 중합체 반복 유닛들에 박막의 형태로 사용하는 것이 특히 바람직할 때보다 양호한 기계적 강도를 제공할 수 있는 것을 포함시키는 것이 유용할 수 있다.
일반식(I)의 실록산 반복 유닛을 함유하는 중합체들은 고유하게 전기 도전성이 아니기 때문에, 본 발명에 따라 이들을 1개 이상의 도전성 충전재들과 저항 센서들의 민감성 물질들로서 이들을 사용하기에 적합한 전기 도전성을 결과의 복합체가 갖게 하기에 충분한 양으로 혼합하는 것이 가능하다. 이들 도전성 충전제들은 예를 들면 카본 블랙 입자들 또는 금속 (Cu, Pd, Au, Pt, 등) 또는 금속 산화물 (V2O3, TiO, 등) 분말들일 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 준비에 따라, 중합체 또는 복합체는 그의 변화가 이러한 센서에 의해 측정되도록 의도되는 민감성 물질의 물성의 함수로서 적절히 선택된 기판의 한쪽 또는 양쪽 대향면들을 커버하는 박막의 형태이다.
변종으로서, 중합체 또는 복합체는 또한 벌크 형태, 예를 들면 니트로 화합물들에 유용한 상기 중합체 또는 상기 복합체를 형성하는 모든 분자들을 제조할 수 있게 하는 특정 다공성을 갖는 실린더 형태일 수도 있다.
그것이 박막의 형태일 때, 이 필름은 0 Å 내지 100 μ 두께인 것이 바람직하다.
그러한 필름은 예를 들면:
- 기판 상으로 중합체 또는 복합체를 함유하는 용액을 분무, 스핀 코팅 또는 드롭 코팅함으로써,
- 중합체 또는 복합체를 함유하는 용액 내에서의 기판의 딥 코팅에 의해
- Langmuir-Blodgett 기술을 통해,
- 전기 도금에 의해, 또는
- 자체 중합, 즉 중합체의 전구체 단량체를 기판의 표면 상으로 직접적으로 중합함으로써 기판의 표면 상에 박막을 제조하기 위해 오늘날까지 제안된 임의의 기술들을 통해 얻어질 수 있다.
기판, 및 센서의 측정 시스템은 니트로 화합물들의 존재 하에 유도된 그의 변화들이 센서에 의해 측정되도록 의도되는 중합체 또는 복합체의 물성의 함수로서 선택된다.
이 경우에, 2가지 물성의 변화는 측정하기에 특히 유리한 것으로 입증되었다: 중합체의 경우 질량의 변화 및 복합체의 경우 전기 도전성의 변호.
따라서, 센서는 질량의 변화를 측정하기 위한 중력 센서, 또는 전기 도전성의 변화를 측정하기 위한 저항 센서인 것이 바람직하다.
언급될 수 있는 중력 센서들의 예들은 석영 미량 천칭 타입, 러브 웨이브 센서 및 램 웨이브 센서 등의 표면 음파(SAW) 센서들 및 또한 마이크로레버들을 포함한다.
중력 센서들 중에서 석영 미량 천칭 타입의 센서들이 특히 바람직하다. 참조 문헌 (2)에 개시된 원리로 작동하는 이러한 유형의 센서는 개략적으로 압전 기판(또는 공명기), 일반적으로 그의 양쪽 대향면들이 금속층, 예를 들면 금 또는 백금층으로 커버되고, 2개의 전극들에 접속된 석영 결정을 포함한다. 민감성 물질은 기판의 한쪽 또는 양쪽 대향면들을 커버하기 때문에, 이러한 물질의 질량의 임의의 변화는 기판의 진동 주파수의 변화에 의해 반영된다.
말할 필요도 없이,
질량 및 전기 도전성 이외의 물성의 변화, 예를 들면 형광, 발광, UV-가시 범위의 흡수도, 또는 적외선 범위의 파장 등의 광학적 특성의 변화들을 측정하도록 고안된 센서들에서 민감성 물질로서 상기 정의된 바의 중합체 또는 복합체를 사용하는 것도 가능하다.
이러한 경우에, 중합체 또는 복합체가 어떤 광학적 특성(흡수도, IR 스펙트럼 등)을 가질 때 그의 고유의 광학적 특성을 개발하거나, 또는 적절한 마커, 예를 들면 형광 또는 발광 마커와 결합시킴으로써 특정 광학 특성을 이러한 중합체 또는 이러한 복합체에 제공하는 것이 가능하다.
더욱이, 동일한 디바이스 또는 "멀티센서" 내에 서로 상이한 민감성 물질들을 포함하거나, 서로 상이한 기판들 및 측정 시스템들이 장착된 여러 가지 센서들, 예를 들면 1개 이상의 중력 센서들 및/또는 1개 이상의 저항 센서들을 조합하는 것이 가능하고, 그 본질은 이들 센서들 중의 적어도 하나가 상기 정의된 바의 중합체 또는 복합체를 포함하는 것이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 준비에 따라, 센서에 의해 검출되어야 하는 니트로 화합물(들)은 니트로 방향족 화합물들, 니트로아민들, 니트로스아민들 및 질산 에스테르류로부터 선택되고, 이들 화합물(들)은 고체, 액체 또는 가스상(증기상) 형태인 용도.
언급될 수 있는 니트로 방향족 화합물(들)의 예들은 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 트리니트로벤젠, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔, 트리니트로톨루엔, 디니트로플루오로벤젠, 디니트로트리플루오로메톡시벤젠, 아미노디니트로톨루엔, 디니트로트리플루오로메틸벤젠, 클로로디니트로트리플루오로메틸벤젠, 헥사니트로스틸벤, 트리니트로페닐메틸니트라민 (또는 테트릴) 또는 트리니트로페놀 (또는 피크르산)을 포함한다.
니트로아민들의 예는 시클로테트라메틸렌테트라니트라민 (또는 옥토겐), 시클로트리메틸렌트리니트라민 (또는 헥소겐) 및 테트릴을 포함하는 한편, 니트로스아민의 예는 니트로소디메틸아민이다.
질산 에스테르들에 관한 한, 이들은 예를 들면 펜트라이트, 에틸렌 글리콜 디나이트레이트, 디에틸렌 글리콜 디나이트레이트, 니트로글리세린 또는 니트로구아니딘이다.
민감성 물질로서 상기 정의된 바의 중합체 또는 복합체를 포함하는 센서들은 많은 장점들, 특히:
- 니트로 화합물들, 특히 니트로 방향족 화합물들을 이들은 ppm 치수의 농도에서 또는 심지어 ppm의 10분의 1의 농도에서조차 검출될 수 있기 때문에 매우 높은 민감도로 검출하는 능력,
- 신속한 응답 및 이러한 응답의 재생성,
- 연속적으로 기능하는 능력
- 시간에 비한 성능의 안정성,
- 매우 만족스러운 수명,
- 매우 소량의 중합체 또는 복합체(즉, 실제로 몇 mg)가 센서의 제조에 필요하므로, 일련의 센서들을 생산하는 것에 필적하는 제조 단가, 및
- 소형화되고, 결과적으로 용이하게 수송 가능하고, 모든 유형의 사이트들에 대해 취급 가능해지는 가능성을 갖는 것으로 밝혀져다.
따라서, 이 센서들은 특히 공공 장소에서 폭발물들을 검출하는데 특히 유리하다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 이어지는 추가의 설명들을 판독함에 따라 보다 명확해지게 될 것이고, 이는 디니트로트리플루오로메톡시벤젠 (DNTFMB) 및 디니트로벤젠 (DNB) 증기들의 검출을 위해 석영 미량 천칭 센서들에 폴리트리플루오로프로필메틸실록산 및 폴리시아노프로필메틸실록산의 박막을 사용하는 실시예들에 관한 것으로, 첨부된 도면을 참조한다.
검출되어야 하는 니트로 화합물들로서 DNTFMB 및 DNB를 선택하는 것은 이들 화합물들이 트리니트로톨루엔(TNT)에 기초한 지뢰들의 화학적 기호에 가장 통상적으로 존재하는 니트로 유도체인 디니트로톨루엔(DNT)와 매우 유사하다는 사실에 의해 유도되었다.
말할 필요도 없이, 이어지는 실시예들은 본 발명의 요지를 단지 예시하기 위한 것으로서 이러한 요지를 어떠한 방식으로든지 제한하지 않도록 주어진다.
도 1은 센서를 3 ppm과 동일한 농도로 DNTFMB 증기들에 노출시키는 2개의 주기 과정에서 (곡선 B) 폴리트리플루오로프로필메틸실록산의 박막을 포함하는 석영 미량 천칭 센서의 석영의 진동 주파수(곡선 A)의 변화를 나타내는 도면.
도 2는 센서를 150 ppb(parts per billion)와 동일한 농도로 DNB 증기들에 노출시키는 2개의 주기 과정에서 (곡선 B) 폴리트리플루오로프로필메틸실록산의 박막을 포함하는 석영 미량 천칭 센서의 석영의 진동 주파수(곡선 A)의 변화를 나타내는 도면.
도 3은 센서를 3 ppm과 동일한 농도로 DNTFMB 증기들에 노출시키는 하나의 주기 과정에서 (곡선 B) 폴리시아노프로필메틸실록산의 박막을 포함하는 석영 미량 천칭 센서의 석영의 진동 주파수(곡선 A)의 변화를 나타내는 도면.
도 4는 센서를 제1 주기에 대해 1 ppm과 동일한 농도로, 제2 주기에 대해 0.1 ppm과 동일한 농도로, DNTFMB 증기들에 노출시키는 2개의 주기 과정에서 (곡선 B) 폴리시아노프로필메틸실록산의 박막을 포함하는 석영 미량 천칭 센서의 석영의 진동 주파수(곡선 A)의 변화를 나타내는 도면.
도 5는 센서를 150일의 기간에 걸쳐 각각 10분 동안 DNTFMB 증기들에 12회 노출시킴으로써 얻어진 바의 폴리시아노프로필메틸실록산의 박막을 포함하는 석영 미량 천칭 센서의 석영의 진동 주파수의 변화 값들(ΔF)를 나타내는 도면.
실시예
1:
폴리트리플루오로프로필메틸실록산의
박막을 포함하는 센서에 의한
DNTFMB
의 검출
이 실시예에서, 2개의 원형 금 측정 전극들(모델 QA9RA-50, Ameteck Precision Instruments)로 커버되고, 그의 2개의 대향면들 상에 폴리트리플루오로프로필메틸실록산의 박막을 생성하는, 9 MHz의 진동 주파수를 갖는 AT 단면적의 석영을 포함하는 석영 미량 천칭 센서가 사용된다.
이 필름은 클로로포름 중의 폴리트리플루오로프로필메틸실록산 (ABCR로부터, 참조 FMS-9921)의 용액을 5 g/l와 동일한 농도로 0.5초 동안 6회 석영의 각각의 대향면 상으로 분무함으로써 침착된다.
이러한 침착으로 인한 석영의 진동 주파수의 변화는 8.1 kHz이다.
이 센서는 실온에서 2개의 주기로 DNTFMB 증기들에 노출된다:
- 5800초 동안 주변 공기에 노출된 상, 이어서 600초 동안 DNTFMB 증기들에 노출된 상 및 이어서 2600초 동안 주변 공기에 노출된 상을 포함하는 제1 주기;
- 600초 동안 DNTFMB 증기들에 노출된 상, 이어서 4800초 동안 주변 공기에 노출된 상을 포함하는 제2 주기;
DNTFMB 농도는 2 주기에서 3 ppm이었다.
도 1은 이들 2개의 주기 과정에서 석영의 진동 주파수의 변화를 보여주고, 곡선 A 및 B는 초로 나타낸 시간(t)의 함수로서 헬쯔(Hz)로 표현된 주파수(F), ppm으로 표현된 DNTFMB의 농도(C)의 각각의 변화에 대응한다.
실시예
2:
폴리트리플루오로프로필메틸실록산의
박막을 포함하는 센서에 의 한
DNB
의 검출
이 실시예에서, 실시예 1에 사용된 것과 동일하지만, 석영이 그의 양쪽 대향면이 실시예 1에 사용된 것보다 약간 더 두꺼운 폴리트리플루오로프로필메틸실록산의 박막으로 커버된 석영을 포함하는 석영 미량 천칭 센서가 사용된다.
이 필름은 클로로포름 중의 폴리트리플루오로프로필메틸실록산의 용액을 2 g/l와 동일한 농도로 0.2초 동안 6회 석영의 각각의 대향면 상으로 분무함으로써 침착된다.
이러한 침착으로 인한 석영의 진동 주파수의 변화는 9.9 kHz이다.
이 센서는 실온에서 2개의 주기로 DNB 증기들에 노출된다:
- 1700초 동안 주변 공기에 노출된 상, 이어서 600초 동안 DNB 증기들에 노출된 상 및 이어서 2600초 동안 주변 공기에 노출된 상을 포함하는 제1 주기;
- 600초 동안 DNB 증기들에 노출된 상, 이어서 1800초 동안 주변 공기에 노출된 상을 포함하는 제2 주기;
DNB 농도는 2 주기에서 150 ppb였다.
도 2는 이들 2개의 주기 과정에서 석영의 진동 주파수의 변화를 보여주고, 곡선 A 및 B는 초로 나타낸 시간(t)의 함수로서 Hz로 표현된 주파수(F), ppb로 표현된 DNB의 농도(C)의 각각의 변화에 대응한다.
실시예
3:
폴리시아노프로필메틸실록산의
박막을 포함하는 센서에 의한 DNTFMB의 검출
이 실시예에서, 실시예 1에 사용된 것과 동일하지만, 석영이 그의 양쪽 대향 면이 폴리시아노프로필메틸실록산의 박막으로 커버된 석영을 포함하는 석영 미량 천칭 센서가 사용된다.
이 필름은 클로로포름 중의 폴리시아노프로필메틸실록산(ABCR 컴퍼니로부터, 참조 YMS-T31)의 용액을 5 g/l와 동일한 농도로 0.2초 동안 12회 석영의 각각의 대향면 상으로 분무함으로써 침착된다.
이러한 침착으로 인한 석영의 진동 주파수의 변화는 8.5 kHz이다.
이 센서는 실온에서 3 ppm과 동일한 농도로 DNTFMB 증기들에 1주기로 노출되고, 이 주기는 3000초 동안 주변 공기에 노출된 상, 이어서 600초 동안 DNTFMB 증기들에 노출된 상 및 이어서 11400초 동안 주변 공기에 노출된 상을 포함한다.
도 3은 이 주기 동안 석영의 진동 주파수의 변화를 보여주고, 곡선 A 및 B는 초로 나타낸 시간(t)의 함수로서 Hz로 표현된 주파수(F), ppm으로 표현된 DNTFMB의 농도(C)의 각각의 변화에 대응한다.
실시예
4:
폴리시아노프로필메틸실록산의
박막을 포함하는 센서에 의한 DNTFMB의 검출
이 실시예에서, 실시예 1에 사용된 것과 동일하지만, 석영이 그의 양쪽 대향면이 폴리시아노프로필메틸실록산의 박막으로 커버된 석영을 포함하는 석영 미량 천칭 센서가 사용된다.
이 필름은 클로로포름 중의 폴리시아노프로필메틸실록산(ABCR 컴퍼니로부터, 참조 YMS-T31)의 용액을 5 g/l와 동일한 농도로 0.5초 동안 2회 석영의 각각의 대향면 상으로 분무함으로써 침착된다.
이러한 침착으로 인한 석영의 진동 주파수의 변화는 2 kHz이다.
이 센서는 실온에서 2개의 주기로 증기 형태의 DNTFMB에 노출된다:
- 1300초 동안 주변 공기에 노출된 상, 이어서 600초 동안 1ppm 농도로 DNTFMB에 노출된 상 및 이어서 6400초 동안 주변 공기에 노출된 상을 포함하는 제1 주기;
- 600초 동안 0.1 ppm의 농도로 DNTFMB에 노출된 상, 이어서 1100초 동안 주변 공기에 노출된 상을 포함하는 제2 주기;
도 4는 이들 주기 동안 석영의 진동 주파수의 변화를 보여주고, 곡선 A 및 B는 초로 나타낸 시간(t)의 함수로서 헬쯔(Hz)로 표현된 주파수(F), ppm으로 표현된 DNTFMB의 농도(C)의 각각의 변화에 대응한다.
실시예
5:
폴리시아노프로필메틸실록산의
박막을 포함하는 센서의 성능에
대
한 시간 경과에 따른 안정성의 연구
이 실시예에서, 실시예 4에 사용된 것과 동일한 석영 미량 천칭 센서가 사용된다.
이 센서는 실온에서 10분 동안 3 ppm과 동일한 농도로 DNTFMB 증기들에 1차 노출되고, 이어서, 이는 주변 공기에 저장된다.
이것은 이어서 여전히 실온에서 각각 10분의 기간 동안 150일의 기간에 걸쳐 3 ppm과 동일한 농도로 DNTFMB 증기들에 11회 노출된다.
도 5는 이들 12회의 노출 동안 관찰된 석영의 진동 주파수의 변화 값(ΔF)을 나타내고, 이들 값들은 다음과 같이 각각의 노출에 대해 측정되는 것이고:
ΔF = 노출 시점 t0에서 진동 주파수 - 노출 시점 t10 분에서 진동 주파수,
상기 도 5에서 다이아몬드로 기호화된다.
실시예
6: 본 발명에 따른 유용한
폴리실록산의
박막을 포함하는 센서 및 McGill 등이 권장한
폴리실록산의
박막을 포함하는 센서의 성능 비교
이 실시예에서, 실시예 1에 사용된 것과 동일하지만, 각각 제1 석영은 그의 양쪽 대향면이 폴리시아노프로필메틸실록산의 박막으로 코팅된 한편, 제2 석영은 그의 단량체들이 방향족 고리 및 2개의 HFIP 측면 기들을 포함하는 것인 폴리실록산의 박막으로 코팅된 것인 서로 상이한 석영을 포함하는 2개의 석영 미량 천칭 센서가 사용된다.
이러한 폴리실록산은 아래 식(II)에 대응한다:
이 필름들은 이들 침착으로 인한 석영의 진동 주파수의 변화가 각각의 센서들에 대해 2 kHz이도록 침착된다.
이를 위해, 폴리시아노프로필메틸실록산 필름은 실시예 4에 개시된 바와 같이 침착되는 한편, 식(II)의 폴리실록산의 필름은 디클로로메탄 중의 상기 폴리실록산의 용액을 2 g/l와 동일한 농도로 0.2초 동안 6회 석영의 각각의 대향면 상으로 분무함으로써 침착된다.
2개의 센서는 정확히 동일한 조건 하에 실온에서 10분 동안 3ppm과 동일한 농도로 DNTFMB 증기들에 노출된다.
이러한 노출의 시점 t0에서 및 시점 t10 분에서 2개의 센서들의 석영의 진동 주파수의 측정치는 폴리시아노프로필메틸실록산의 박막을 포함하는 센서의 석영에 대해 600 Hz의 진동 주파수의 변화 및 식(II)의 폴리실록산의 박막을 포함하는 센서의 석영에 대해 200Hz -즉, 3배 적은 -의 진동 주파수 변화를 제공한다.
상기 실시예 1 내지 4는 본 발명에 따른 민감성 물질을 포함하는 센서들이 DNTFMB 및 DNB 등의 매우 큰 민감성의 니트로 화합물들을 검출할 수 있음을 보여준다. 이들 실시예들은 또한 이들 센서들의 응답이 모두 가역적이고 재생 가능함을 보여준다.
실시예 5는 더욱이 이들 센서들의 성능이 시간이 경과함에 따라 안정하고, 이 센서들은 생산된지 5개월 후에도 매우 소량의 DNTFMB를 여전히 검출할 수 있음을 보여준다.
마지막으로, 실시예 6은 니트로 방향족 화합물들에 관하여, 이들 센서들이 McGill 등이 권장한 바의 폴리실록산의 박막을 포함하는 센서보다 매우 현저히 큰 민감성을 가짐을 보여준다.
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Claims (19)
1개 이상의 니트로 화합물들을 검출하기 위한 센서에서 민감성 물질로서, 아래 일반식(I)에 대응하는 적어도 하나의 실록산 반복 유닛을 포함하는 적어도 하나의 중합체 또는 이러한 중합체 및 1개 이상의 전기 도전성 충전재들을 포함하는 복합체의 용도.
여기서,
X 및 Y는 동일하거나 또는 상이할 수 있는 것으로, 단일 결합 또는 1 내지 50개의 탄소 원자들을 함유하는 포화 또는 불포화된 선형 탄화수소기를 나타내고;
R1 및 R2는 동일하거나 또는 상이할 수 있는 것으로, 수소 원자, CN기, C(Z)3, CH(Z)2, 또는 CH2Z 기(여기서 Z는 할로겐 원자); NH2기, NHR3 또는 NR3R4기를 나타내고, 여기서 R3 및 R4는 서로 독립적으로, 할로겐 원자, 메틸렌, 또는 2 내지 20개의 탄소 원자들을 함유하고 가능하게는 1개 이상의 헤테로 원자들 및/또는 적 어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 1개 이상의 화학적 관능기들을 함유하는 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화 탄화수소 사슬을 나타내고; 그러나, 경우에 따라, R1 및 R2 중의 적어도 하나는 수소 원자가 아니다.
제1항에 있어서, 상기 실록산 반복 유닛은 아래 특정식(Id)에 대응하는 것인 용도.
여기서, X는 1 내지 50개의 탄소 원자들을 함유하는 포화 또는 불포화된 선형 탄화수소기인 한편, R1은 상기한 바와 동일한 의미를 갖는다.
제2항에 있어서, 특정 식(Id)에서, X는 2 내지 10개의 탄소 원자들을 함유하는 알킬렌 사슬을 나타내는 것인 용도.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실록산 반복 유닛이 트리플루오로프로필메틸실록산 또는 시아노프로필메틸실록산인 용도.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체가 폴리트리플루오로프로필메틸실록산류 및 폴리시아노프로필메틸실록산류로부터 선택되는 것인 용도.
제5항에 있어서, 상기 중합체가 50 내지 100,000 범위의 평균 분자량을 갖는 것인 용도.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합체의 도전성 충전재(들)이 카본 블랙 입자들 및 근속 및 금속 산화물 분말들로부터 선택되는 것인 용도.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 또는 상기 복합체는 기판의 한쪽 또는 양쪽 대향면들을 커버하는 박막의 형태로 사용되는 것인 용도.
제8항에 있어서, 상기 박막은 10 Å 내지 100 μ 두께인 용도.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 박막은 분무, 스핀 코팅, 드롭 코팅, 딥 코팅, Langmuir-Blodgett 기술, 도금 및 중합체의 전구 단량체의 자체 중합으로부터 선택된 기술을 통해 제조되는 것인 용도.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화학적 센서에 의해 니트로 화합 물(들)을 검출하는 것은 중합체의 질량의 변화 또는 복합체의 전기 도전성의 변화를 측정함으로써 수행되는 것인 용도.
제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 중력 센서인 용도.
제12항에 있어서, 상기 센서는 석영 미량 천칭 센서인 용도.
제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 저항 센서인 용도.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 1개 이상의 중력 센서들 및/또는 1개 이상의 저항 센서들을 포함하는 마이크로 센서이고, 적어도 하나의 이들 센서들은 상기 정의된 바의 중합체 또는 중합체를 포함하는 것인 용도.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출되어야 하는 니트로 화합물(들)은 니트로 방향족 화합물들, 니트로아민들, 니트로스아민들 및 질산 에스테르류로부터 선택된 것인 용도.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출되어야 하는 니트로 화합물(들)은 고체, 액체 또는 가스 형태인 용도.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출되어야 하는 니트로 화합물(들)은 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 트리니트로벤젠, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔, 트리니트로톨루엔, 디니트로플루오로벤젠, 디니트로트리플루오로메톡시벤젠, 아미노디니트로톨루엔, 디니트로트리플루오로메틸벤젠, 클로로디니트로트리플루오로메틸벤젠, 헥사니트로스틸벤, 트리니트로페닐메틸니트라민 및 트리니트로페놀로부터 선택된 것인 용도.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 폭발물들을 검출하기 위한 용도.
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