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物化翻译
电化学传感炸药
约瑟夫·王
化学工程和化学、生化、亚利桑那州立大学生物设计研究所、亚利桑那州大学丹贝AZ部门
电子邮件:
joseph.wang@asu.edu
收到:
2006年11月13日
接受:
2006年11月20日
摘要
这篇文章回顾电化学传感与检测爆炸物的最新进展。
升级恐怖活动和成长环境问题的威胁已生成为创新领域的主要需求部署工具炸药探测快速、灵敏、可靠、简便的方式。
爆炸现场检测物质需要功能强大的分析性能，低成本的微型仪器相结合。
电化学设备提供有吸引力的机会，为解决日益增长的爆炸遥感需求。
"电化学系统的优点包括高敏感性和选择性，速度快，宽线性范围，兼容性现代微细加工技术、最小的空间和电源要求，和低成本的仪器。
"固有的electroactivity和nitroester的硝酸盐、硝胺化合物的使他们理想人选电化学检测。
在各种实验室最近活动导致一次性传感器的研制带、新型电极材料、潜水远程传感器和电化学检测器的微芯片（7Lab-亮-Chip9）为爆炸物的现场电化学检测的设备。
这些行为有吸引力电化学监测系统使他们非常有希望解决重大的安全和环境问题。
关键字:
硝酸盐炸药，自制炸药、TNT、TATP、黑索今、电化学检测，伏安，传感器、微型芯片
DOI：
10.1002/elan.200603748
1.介绍
有爆炸物和爆炸物的检测备受关注的国家安全和[1]应用程序环境。
例如，有紧急安全需要快速和灵敏的检测支持商业和自制炸药各种7counter——terrorism9的侦察活动。
新增功能创新设备，提供有效现场或原位真正-时间的检测能力，特别是所需的恐怖活动不断升级的威胁。
管理处-能检测隐藏商业和国产炸药是极其重要的实际应用从路边检查站到乘客行李筛选。
部署在所有机场和在众多政府及公共设施需要小型化低-成本测量系统、高概率的检测-突变。
此外，这种系统应该是速度极快，提供假警报率非常低。
同样地，现场-部署-能爆炸物侦测设备需要分析在post-explosion网站，和分析的碎片（雷梅迪亚-在实施前污染的场地突变步骤）。
这种安全和环保的需要有生成的主要需求创新领域部署detectingmilitary和简易的爆炸物装置敏感、快速、简单、可靠且经济高效的方式。
需要大容量和痕量爆炸物探测系统，取决于特定的应用程序。
这篇文章重点介绍了最近的研究，旨在发展商业和国产的电化学传感器爆炸物。
电化学传感器提供了极大的前景为解决日益增长的需求的现场检测各种爆炸物。
电化学优势用于爆炸物的现场测量系统包括高灵敏度和选择性，宽线性范围，最小空间和电源要求和低成本instrumenta-突变。
传感器和控制的仪器可以容易被缩小到产量手持米。
"相结合的现代电化学检测普林奇-微细加工与微-最新进展与普莱什紧凑、功能强大、方便用户导致电子现场（室内、室外）测试分析设备[2、3]
在电化学传感器，工作的潜力电极进行扫描，以推动电子转移反应（通常减少）爆炸的目标和造成当前心存。
固有的氧化还原活性工业炸药[4]，如硝基或含硝盐胺类化合物，即存在可方便地还原硝基分组，使它们电的理想人选化学（伏安）监测。
特别适合这种军用爆炸物的快速测试是广场-wavevoltammetry（SWV），由于其灵敏度高，快速扫描，率和紧凑的低功耗仪表[5]。
以下各节将介绍几个最近开发功能强大的电气设备现场监测有机和离子（商业和国产）为何。
sives。
2.有机炸药的电化学
硝基是优秀电子受体。
"减少多硝基烷烃芳香族化合物是复杂由多步骤过程。
取决于具体的条件，这可能发生在两个或三个步骤中，形成胺或亚硝基羟胺[4、6]通过。
第一次高峰期，这是通常用于定量工作，反映了4-硝基电子不可逆转地裁减羟胺结构。
这种过程是强烈新生-削弱对ph值，每个分子、硝基组的数目他们上了戒指与自然的相对位置和其他取代目前的芳香的位置[4]的系统。
范围的潜力，减少的多硝基烷烃芳香族化合物是非常广泛。
一般情况下，三芳香族化合物，如TNTor苦味酸是更轻松地减少比一和二硝基com-英镑。
硝铵和多硝基烷烃酯更难减少，因此他们减少高峰出现在更多负电位。
硝基酯的还原过程（包含不同数量的自制炸药中的一分子，如nitrogycerine，ONO2组EDGN或太安），涉及2-电子过程，释放亚硝酸盐离子和酒精[4]。
氧化还原活性可以利用TNT和RDX不仅为传感而且还申请电化学7cleanup9（雷默-辐射）中连接到流通过多孔电极[7]。
例如，triacetonetriper-自制过氧化物炸药氧化氮（TATP）和己二胺triperoxide（HMTD）已被广泛应用（例如，在恐怖事件中马德里、伦敦）而不是商业炸药。
这种简易的炸药很容易很容易从合成可用的前体化学品。
因此，有迫切检测这种有效的审查制度需求在机场和其它检查站的简易的炸药轨道交通设施[8]。
基于过氧化氢的检测爆炸物是一项极具挑战性的任务，因为他们缺乏硝基分组、不做真钞以及展示最小UVabsorption[8]。
这种过氧化物爆炸物可以检测到amperometri-征信后他们光化学转换为电活性过氧化氢。
在最近的努力我们实验室已导致一种催化的协议这些超灵敏电化学测量自制炸药过氧化物[9]。
这个方法炸药的过氧化氢光化学降解和低潜力（0.0V）电催化电流传感器生成的过氧化氢在普鲁士蓝的7artificialperoxidase9修饰电极（图1）。
纳米级摩尔检出限发现后短（15s）照射时间。
TATP的电化学检测HMTD也由Karst9s组，涉及开发和液体色谱分离耦合的post-col-umnUVirradiation步及安培检测[10]过氧化氢中解放出来。
检测上相对较高的蒸气压力，特别是2，3-二甲基-2，3-dinitrobutane（DMNB），是通常会添加到便利商业炸药蒸气的相对较低的蒸气爆炸物检测如塑料炸药的压力。
Evan9s集团考察团-tigatedDMNB减少在汞的机制电极在二甲基甲酰胺（DMF）介质[11]虽然Wang9s团队最近利用电化学DMNB在其快速碳纤维表面的和敏感SWV检测到60毒药级别[12]。
同时安培的DMNB，测量Rdx炸药和太安被证明后其光电涂漆铝分离。
图1。
安培检测后的过氧化氢爆炸物他们光降解，过氧化氢和电化学测量在普鲁士蓝修饰电极。
基于[9]。
3.工作电极炸药探测
伏安法的性能，是程序的强烈受影响的工作电极材料。
一系列材料已经发现作为工作电极的应用硝酸盐还原（阴极）测量和硝胺炸药的化合物，如汞、各种碳纤维、钻石玻碳），或黄金形式/银汞合金[4、13]碳纤维电极已特别是对于此任务很有用。
最近的贡献Pingarron9s组证明的预处理这种纤维电极将导致在活动网站的形成吸附的硝酸盐炸药和电子传输速率为增强[14]。
对传统的电极的故意修改可导致增强的爆炸物检测。
基于碳纳米管[15]或介孔Modifiedelectrodes[16]涂料SiO2-MCM-41最近表现出有用提高通过吸附积累的敏感性爆炸的目标。
例如，图2显示方波伏安曲线录得的碳-纳米级海水管修饰玻碳电极示例与更高层次的TNT100毒药在攀升（——j）的步骤。
三明确TNT减少峰会观察到。
进一步改进这种敏感性TNT的吸附溶出测量实现最近使用的碳纳米管金属纳米com-posite电极[17]。
特别是结合纳米铜和单壁纳米管（增溶在Nafion）允许TNT测量到1毒药级别。
积累的RDX上涂覆汞玻碳电极用于其敏感的措施-下降到120毒药水平在2分钟到连接管理[18]沉积。
图2。
剥离后2分钟积累在海水样品的碳纳米管修饰玻碳电极伏安曲线与更高层次的TNT在100毫克/升步骤（为–j曲线）一起到空白的解决方案（虚线）的响应中攀升。
转载[15]权限。
3.1.对炸药易于使用电极带
为了满足的字段传感的爆炸物，它远离fromtraditional笨重电极是必要打岔和7beaker——type9单元格。
开发先进的微细加工技术允许更换常规电化学电池和电极易于使用传感器去除。
这两个厚膜（丝网印刷）薄膜（平版印刷）制造工艺了已用于大批量生产的高度reprodu-cible、有效和便宜的电化学传感器去除。
这种带依靠平面的工作，参考和塑料、陶瓷或硅衬底上对电极。
因此可以认为这些带作为独立电化学细胞样本滴到的是放置。
薄膜制备工艺路线也方便交叉反应电极阵列，有的发展multi-explosive电子鼻（e-鼻）类型具有广阔发展前景气相法检测（结合先进的信号-处理算法）。
我们展示基于厚膜TNT传感器快速SWV和丝网印刷制作的耦合[19]的过程。
丝网印刷是行之有效的技术-用于大规模生产的低成本，用完即弃的总经理电化学传感器[3、20]。
丝网印刷的TNT在我们的实验室开发的传感器提供具吸引力分析性能，包括高灵敏度（降至TNT200毒药检测限制），宽线性范围，快速响应和高选择性[19]。
这种高灵敏度和与直接展示了选择性TNT测量地面和河流的水质样本。
Hart9s集团表明该实用程序类似的屏幕。
印刷的碳电极溶出伏安多边环境协定-urements2，6-二硝基甲苯跟踪[21]。
重现测量降至160毒药宗为-100毫升样本的突变。
禅宗与同事[6]使用涂布Nafion丝网印刷碳的preanodization获得更清晰达最高峰，硝基电极化合物。
这允许用于标识的一条有效途径取代基和便利的单次运行（内部标准）标准添加不必要的方法。
在中除了液phasemeasurements，这种丝网印刷电极提供很大希望的气相中纤连接器-距平面电极吸附满进行渗透膜，例如，水凝胶（见4.4秒）。
4.不断监测炸药
传感器和连续测量探测器的使用重要的化学特性，已解析优势。
通过提供快速回报分析信息-及时和经济高效的方式，这种设备信息提供直接和爆炸化合物的reliablemonitoring与表征的爆炸物污染的网站，而大大减少分析成本很高，并最小化与取样过程相关的错误。
这种实时爆炸化合物的电化学监测已完成了我们的实验室通过在线[22]和潜水[23]操作。
4.1.在线流量分析炸药
电化学测量炸药的可以很容易改编为在线监测。
我们开发的电-化学flowsystem，基于方波伏安基于碳纤维检测器，用于在操作上-在线监测跟踪TNT在海洋环境中[22]。
这种流量检测仪提供选择性测量亚ppm浓度的TNT在未经处理的天然水样品检测限制为25毒药。
它的反应TNT浓度不迅速对突如其来的变化明显的结转。
可进行约600运行每个具有良好的精度和稳定性（例如，RSD¼2.3%，小时n¼40）。
该系统适合自动化并可能的部署到各种固定的移动平台-窗体（例如，水下航行器、浮标）。
有关电-化学探测器的微芯片设备进行讨论下面。
我们还设计了电化学流探测器，基于在四个工作电极涂上不同的permse-上lective电影类型，用于流动注射测量[24]多个硝酸盐炸药。
生成的数组响应（图3）提供了这种独特的7fingerprints9爆炸物。
电化学设备是前妻企业设计这种电子鼻型多功能具吸引力其中结合几种部分选择性电极阵列电极，导致不同的响应模式（签名）不经事先分离有机蒸气混合物[25]。
4.2.远程监控的TNT
远程部署潜水传感器能够星期一监测目标分析物在时间和地点都有不同的环境和安全应用程序[26]Performin雷达的炸药的这种能力我重要的提高效率的characterizatio与修复的上前军方弹药的地点制造、储藏和非军事区及ar污染与爆炸物水平升高。
我们开发了一个潜水电极集，con-通过environmentallysealed橡胶连接器，为现场的实时监控-nected50英尺长，屏蔽电缆ing的TNT炸药[23]天然水中。
此传感器大会由碳纤维、银和铂组成工作、引用和分别对付电极，而且在快速方波伏安模式下操作（图4A）。
绕过这种远程/潜水器探头需要的解决方案抽和提供更大的simpli-提纯和小型化。
简易减少允许使用方便、快速的方波硝基结构TNT的subppm水平测量伏安。
浓度较低（毒药）检测到使用。
地面减法运算。
这种高灵敏度是加上良好的选择性和稳定，没有结转的影响。
后者反映了没有识别/绑定事件。
这些功能是illus-结合治疗各种天然水环境。
例如，图4B显示伏安曲线的海水样本含TNT在250毒药的步骤中不断提高级别。
长时间的运行的这种原位电化学传感器富有机质的海洋环境可能并发表面污垢共存的物质（例如，表面活性剂，悬浮的粒子，细菌的动物）。
预防由于这种表面活性剂吸附到电极失活通过覆盖与TNT传感器保护多酚涂料[27]。
这种大小排斥防污膜备electropolymerizing多晶硅phenol酚单体的存在
独立的小型移动系统，集成远程碳纤维电化学传感器的voltam-公制分析仪和无线通信系统，是由富埃尔[28]描述。
移动远程水下爆炸现场测量应用系统在海洋环境中的残留物。
方波voltamme-污染土壤的分析，也采用了试与爆炸化合物[29]。
10-15Mmdeep的分析土壤证实浸出的RDX与HMX、从TNT表面。
图3。
各种nitroaroma安培阵列响应四电极流量检测仪在炸药包wi不同的电影。
BR：
裸露，LP：
脂质、NF：
Nafion，PP：
Polyphen[24]转载。
图4。
潜水的电化学传感器的一起爆炸物质的天然水样本（A），远程监控这种潜水探测器回应与增加250毒药步骤（B）中的TNT浓度急剧上升的海水样品。
基于[23]。
图5。
爆炸的电化学传感器安装上自主水下车辆（AUV）。
（在三个电极车辆的鼻锥）显示在右侧。
4.3.原位电化学监测的TNT在海洋中环境
结合我们远程伏安TNT传感器[23]到自主式水下航行（AUV）。
这集成是美国海军研究办公室的一部分计划旨在展示的有效性先进传感技术探测炸药（泄漏.ing的地雷）沿海地区的海洋。
这种是阿马里纳环境中的爆炸物的化学检测极具挑战性的问题，正如爆炸的化工-来自源ical签名可以迅速分散在环境中，稀释对签名进行跟踪级别，很难检测。
高度敏感和迅速的传感器因此需要检测含有微量的羽毛爆炸物泄漏于海水之中，并使用此识别和标记地雷探测。
锥鼻子的电极装配wasmounted该车辆并连接到内部的显微分析仪（图5）。
注意到的优化方波波形基本实现高速（1–4s运行）而又不牺牲敏感性。
计算-terized基线减法为了赔偿氧背景贡献，从而为便利的TNT降至超灵敏检测级别低的毒药（图6）。
优化设备提供高敏感性和选择性，快速响应，优秀的精度无影响海水矩阵，因此与稳定，满足水下传感的TNT的需求。
"在跟踪TNT羽在水下航行器部署sensorwas测试几个外地特派团持久的2至3小时。
基于碳纤维伏安TNT传感器此外集成到一个潜水员举行的单位。
这一集成依赖商业契约的纳入（Palm-内压力感）手持伏安分析仪与电极插在该船只的船只表面。
此配置允许潜水员在观察实时相应的伏安。
重复方波伏安曲线进行2——4s时间间隔。
特别重视适应PalmSense软件来满足的要求TNT的连续监测。
初步水下测试已很有前途的与当前的信号增加和减少潜水员进入和离开从爆炸的羽流。
图6。
方波伏安曲线的海水样本con-更高层次的TNT在20毒药步骤中，没有背-泰宁地面校正（左）与背景差（右图）。
图7。
TNT的气相法检测：
为循环伏安曲线TNT（实线）和控制（虚线）放10厘米以上TNT的样本。
扫描速率，400mV/s.Reproduced权限从[31]。
4.4.气相伏安法检测
实时可靠的检测的蒸气爆炸是极端-ly机场从实际应用的重要筛选隐藏炸药、地雷探测，或独立路边检查测试。
商业am-perometric设备广泛用于实时环境-心理发射监测等SO2、CO、有毒气体氮氧化物、O3、甲醛或乙醇[30]。
电流气体传感器，主要的挑战在于创造工作电极样品气体，可进入同时仍与内部液体电解质接触解决方案（包含引用和计数器电极）[30]。
或者，也可以使用固态传感器例如，基于固体聚合物电解质膜，Nafion，涵盖平面超微型电极ar-rangement。
描述这种固态TNTKrausa和朔尔布[31]基于25毫米黄金盘工作电极，气体传感器一枚金戒指参考/计数器电极，包围排列在一个单一的平面，而涂上硫酸电影。
图7（实线）显示循环伏安通过放置10厘米远离固体探测器记录TNT的样本。
此伏安，形状与_0.4V、特色TNT减少山顶是相同的与后浸泡在TNT电极记录（未显示）的解决方案。
气相减少高峰期增加曝光时间达20秒，平整关闭较长的时间。
气相法的不同配置目前正在制定安培TNT传感器在几个实验室，包括我们的。
气相很大伏安法检测ofRDXandTNTvapors，基于基于水凝胶的固体电解质焊条和在最近建立了快速方波操作，ourCenter[32]。
基于电子鼻typemultielectrode数组不同电极材料或涂料[25]还指示很有前途的气相电化学检测-收缩素蒸气爆炸。
5.电化学检测上的爆炸物微芯片平台
微流控分析设备，结合多个实际测量的样品处理流程步微芯片的平台上，收到了可观[33、34]最近的利息。
完整的检测方法，涉及示例预处理（例如富集/提取）化学/生化衍生化反应，电泳国家环保总局-口粮和检测，因此单个完成微芯片平台。
由于这种高度的integra-的（多项功能的元素和过程）解释这些超微型设备被称为"-a-芯片实验室"设备。
这些分析微系统依靠电流体动力学7pumping9和无须泵或阀门。
加上短期的高度有效分色检测时间取得了结合长分离-突变通道和高频电场。
由于他们通用性，高度集成、速度、效率、小型化，芯片平台已证明自己有吸引力的车辆为7counter——为terrorism9-说到，一般情况下，快速、有效的分离特别的爆炸物质。
电化学提供很大希望的"实验室---上芯片"设备，具有各种功能，包括高灵敏度（接近荧光），固有的miniaturiza-突变和探测器与控制（电位差-集成静态）仪器仪表、与advancedmicro-兼容性机械加工技术、低功耗和成本要求，和独立的样本浊度或光学路径长度[35-37]。
这些特性使电化学检测器极具吸引力的创建真正便携独立字段可部署微系统公司。
几种探测器设计，基于不同毛细管/工作电极排列-各国政府和相对于流电极的位置方向，已建议[35-37]。
其中大部分的commoncharacteristic是的对齐方式在分离通道的出口处的探测器。
电化学检测芯片设备可以对工作不同的原则。
最常用的检测o含硝基有机炸药控制po在固定（负值）工作电极的势与监视当前时间的函数。
几个群体已经建立有效的毛细管-电极-trophoresis（CE）和安培芯片的议定书到毒药级别硝酸盐炸药探测[37-40]。
在该等定额中生成当前响应-潜在安培检测反映浓度这些炸药的配置文件通过探测器。
A表面活性剂、十二烷基硫酸钠（SDS），如是通常会添加到运行的缓冲区，以便中性硝酸盐炸药的分离。
一使用端通道厚膜碳电极检测仪这项任务。
采用goldworkingHilmi和良[38]电极、晶片化学镀沉积毛细管插座，高度敏感的安培检测（与检测限24毒药的硝基爆炸物TNT）。
四个炸药（TNT，2，3-混合的分析DNT2，4-二硝基甲苯和2，6-二硝基甲苯）是内完成通过运行硼酸/SDS缓冲区内的使用2分钟检测潜在的_0.8V。
这一芯片系统应用分析的土壤中的爆炸物质和地下水水质样本[39]。
这种芯片系统对于监测爆炸污染非常有用在军事用地、炸药生产厂和ammuni-突变的工厂。
我们最近显示芯片流TNT基于汞合金注射协议安培检测器[13]。
快速的反应（150检测/h）在连接到高灵敏度报告7毒药TNT级别。
方便7total9和7individual9之间的区别爆炸物已完成在超级芯片7flow–injection9（快速筛选）和79月-aration9（指纹）操作模式[40]。
实现的这种双重筛选/识别模式协议使用涉及singlemicrochannelchipmanifold从运行的缓冲区中不包含的快速切换十二烷基苯磺酸钠（SDS）SDS包含缓冲区（图8；右侧）。
自从富集分离的中性（硝基-芳烃）要求增加表面活性剂，SDS，如经营无SDS引领到高速（像7flow–injection9）的7total9为何-的测量综合内容。
所需各种安全方案，这允许快速重复筛查的一代7total9内容的炸药（7threat/无-threat9）检测方法化合物，并切换到详细的指纹iden-一旦检测到这种substanceswere的通知。
图8（left）说明了这种7total9和7individual9测量硝基有机炸药的混合物。
除了在探测高能有效性有机炸药，芯片设备提供很有前途[41、42]离子爆炸物检测和分离。
爆炸物有关的离子，如弹药-的可靠检测反骨、methylammonium、钾、钠、高氯酸盐，氯酸盐或硝酸，往往是不等的应用程序的关键从机场行李检查正确识别在恐怖网站postblast爆炸残留量。
非接触少电导检测系统是特别有用的microchipmeasurements[41、42]这种离子炸药。
这探测器可以感觉到所有离子物种的电导率值不同的背景电解质。
在中顺序注射的阴离子、阳离子增加爆炸物，就可以使用特殊芯片双端对面simultaneousmeasurements注射协议爆炸物有关的阳离子和阴离子[42]。
为此目的、阳离子和阴离子混合物注入同时fromboth边的分离芯片通道。
阳离子和阴离子因此在oppositedirections中迁移和检测中心的分离由为止非接触电导检测器的通道。
我们此外开发多功能电导率检测系统基于探测器定位在沿不同点通过"滑动"焊钳分离通道[43]。
探测器置于开头和结尾的分离通道启用"总额"之间快速切换（未解决）和"个人"（解决/指纹）信号爆炸物有关的离子的分别。
我们描述了一种双电化学微芯片检测基于同时电导率和ampero的系统，公制测量[44]。
该系统依靠用非接触电导检测器的组合柱端厚膜安培检测器。
这种cou-pling的电导率和安培检测在单一分离通道模式提供同声测量两个离子和电活性物质（图9），连同改进再现性，和星期六有一个收缩素峰的身份。
已用于多种芯片实验室设备爆炸的分析。
然而，集成的单芯片萨姆-这些爆炸测量到乒仍处于thepreliminary阶段。
新的7macro——micro9，芯片接口基于允许快速、方便的锋利样本入口连续流动重现介绍爆炸样本流进窄芯片微通道[45、46]。
这种简单而又有效的界面方便了hydrodynamically泵送大体积样本的使用未经扰动CE分离，从而实现基于芯片的爆炸物监测。
对于例如，图10显示80备用的响应10、5ppmTNT解决方案
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