基于分子印记的电化学传感器对TNT的选择性痕量检测

Nitro-aromatic compounds are typical environmental pollutants, their accurate detection and analysis are of great significance for prevention and treatment. However, how to overcome the complex background interference in the real environment, to achieve the selective, rapid and trace detection of nitro-aromatic compounds is still one of the challenges which the current environmental analysis should cope with. This project plans to use 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) as the research object, we have designed and synthesized electroactive nanomaterial which has high density molecular targets of TNT imprinting site, and further assembled the electrochemical electrode. We successfully achieve the efficient recognition and enrichment of target molecule TNT by using the surface of nano-sensitive electrode, and can effectively avoid the interference of complex background environment. By studying the TNT sensitive response of the electrochemical features of the target molecule, we elucidate the mechanism of the electrochemical sensitivity of the target molecule TNT on the surface of functional electrode, and establish the quantitative relationship between the TNT concentration of the target molecule and the signal strength of the electrochemical response. Finally, selective, rapid and trace detection of the target molecule TNT is realized. The results of the study will provide a new method and theoretical basis for the development of highly sensitive, highly selective and portable electrochemical sensors for the determination of trace nitro aromatic pollutants.

硝基芳香化合物是一类典型的环境污染物，其准确检测分析对预防和治理环境具有重要的意义。然而，如何克服实际环境中复杂的背景干扰，实现硝基芳香化合物的选择性、快速和痕量检测仍然是当前环境分析面临的挑战之一。本项目拟以2,4,6-三硝基甲苯(TNT)为研究对象，设计并合成具有高密度目标分子TNT印记位点的电活性纳米材料，进一步构建其功能化电化学电极。利用纳米敏感电极表面对目标分子TNT的高效识别富集，有效避免复杂背景环境的干扰；研究目标分子TNT的电化学特征敏感响应，阐明目标分子TNT在功能化电极表面的电化学敏感机制；建立目标分子TNT浓度与电化学响应信号强度之间的计量关系，最终实现对目标分子TNT的选择性、快速和痕量检测。预期研究成果将为发展高灵敏度、高选择性和便携式的痕量硝基芳香污染物电化学传感器提供新方法和理论依据。

环境中2,4,6-三硝基甲苯（TNT）等硝基化合物属于高度危害毒物，发展对其快速灵敏的电化学检测方法至关重要。针对电化学分析中痕量分析物质难以快速富集和缺乏选择性的困难，本项目以高比表面和丰富的孔洞结构的介孔C3N4为载体，制备了对TNT分子具有高度亲和力和快速识别能力的mpg-C3N4/β-CD及AuNPs/mpg-C3N4纳米复合材料。将这两种材料修饰玻碳电极（GCE），构建对目标分析物既有快速富集能力、又具有选择性识别能力的电化学响应的电化学传感器。取得的成果将为发展高灵敏、高选择性和便携式的痕量硝基芳香污染物的电化学分析方法提供理论基础。主要的科研进展包括：. 提出了吸附-催化检测的新思路。利用介孔g-C3N4和β-CD对TNT的高吸附，以及介孔C3N4对TNT的电催化性能，mpg-C3N4/β-CD纳米复合材料修饰的玻碳电极—实现了对TNT的灵敏检测。结果表明，介孔g-C3N4由于具有大的比表面积和丰富的孔洞结构，导致其有很强的吸附能力，从而提供更多的反应活化位点，加快电子传递。β-CD的空腔结构，可与TNT形成稳定的客体-宿主络合物，有利于TNT分子的富集，提高其灵敏度与稳定性。. 研究了AuNPs/mpg-C3N4纳米复合材料检测TNT的协同作用。结合金纳米颗粒的优异催化活性、良好的导电性等与介孔g-C3N4的大比表面积、丰富的孔洞结构、良好的催化性等优点，研究结果表明AuNPs/mpg-C3N4纳米复合材料构筑的敏感界面大大提高了电化学检测TNT的灵敏度。. 此外，在前期科研工作的基础上，构筑纳米敏感界面—研究其对环境中其它微污染物的检测。构筑α-Fe2O3/NiO纳米复合材料敏感界面，实现对Pb2+的选择性检测，针对不同的重金属离子在电极表面电化学响应不同，DFT模拟分析结果表明由于纳米材料对不同重金属离子的的吸附与脱附能力不同导致电化学响应。此外，利用Co3O4/AuNPs纳米复合材料构筑的敏感界面实现了对As(III)的灵敏检测。这些研究工作为设计新型优异性能的电化学传感器检测TNT等环境污物提供了一种新思路。