KR101503749B1 - Acidic polymer, method for detecting explosive using the same and sensor for detecting explosive comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 니트로 방향족 폭발물과 반응하여 마이센하이머 복합체(Meisenheimer Complex)를 형성할 수 있는, 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자, 이를 이용하는 니트로 방향족 폭발물의 감지 방법 및 이를 포함하는 니트로 방향족 폭발물 감지용 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 니트로 방향족 기반의 폭발물을 고특이적 및 고선택적으로 감지할 수 있으며, 별도로 습식 환경을 조성해줄 필요 없이, 건식 환경에서 감지가 이루어질 수 있어, 복잡한 장치 없이 간편하게 적용이 가능하다. 또한, 본 발명은 센서 플랫폼에 제한이 없으며, 가역적 반응을 이용함으로써, 동적평형 상태를 유지하여 정량적이고 연속적인 탐지가 가능하다.An embodiment of the present invention relates to an acidic polymer for sensing nitroaromatic explosives capable of forming a Meisenheimer Complex by reacting with nitroaromatic explosives, a method for detecting nitroaromatic explosives using the same, and a nitroaromatic explosive detection For example. According to the present invention, it is possible to detect nitroaromatic-based explosives with high specificity and high selectivity, and it is possible to detect in a dry environment without having to separately create a wet environment, so that it can be easily applied without complicated apparatus. Further, the present invention is not limited to a sensor platform, and by using a reversible reaction, it is possible to maintain quantitative and continuous detection by maintaining a dynamic equilibrium state.
Description
본 발명은 폭발물 감지 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 니트로 방향족 기반의 폭발물과 마이센하이머 복합체(Meisenheimer Complex)를 형성할 수 있는 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자, 이를 이용하는 니트로 방향족 폭발물 감지 방법 및 니트로 방향족 폭발물 감지용 센서에 관한 것이다.
The present invention relates to an explosive detection technology, and more particularly, to an acidic polymer for sensing nitroaromatic explosives capable of forming a nitro aromatic-based explosive and a Meisenheimer Complex, a method for detecting a nitroaromatic explosive using the same, And a sensor for detecting explosives.
대표적인 폭발물로는 트리니트로톨루엔(Trinitrotoluene, TNT), 디니트로톨루엔(Dinitrotoluene, DNT), 니트로톨루엔(Nitrotoluene, NT) 등과 같은 니트로 방향족 기반의 물질, RDX(Research Department Explosive), PETN(Tetranitropentaerythrite) 등과 같은 비방향족 기반의 물질이 알려져 있다. 니트로 방향족 기반의 폭발 물질은 대부분의 무기 제조에 이용되고 있으며, 비방향족 기반의 폭발 물질에서도 불순물의 형태로 상기 존재한다.Typical explosives include non-aromatic materials such as trinitrotoluene (TNT), dinitrotoluene (DNT), nitrotoluene (NT) and the like, RDX (Research Department Explosive), PETN (Tetranitropentaerythrite) Aromatic-based materials are known. Nitroaromatic explosives are used in most weapon manufacturing and non-aromatic explosive materials exist in the form of impurities.
이와 같은 폭발물은 높은 폭발성을 가질 뿐 아니라, 환경 오염 및 인체에 대한 독성을 가지고 있는 것으로 알려져 있어, 폭발물 감지는 특히 민간 안전 측면에서 특히 중요한 문제이다. 종래 폭발물 감지는 동물의 후각을 이용하는 방법 또는 폭발물의 케이스를 탐지하는 방법과 같은 간접 감지 방식에 의해 이루어지고 있다.Detecting explosives is a particularly important issue, especially in the context of civilian safety, because such explosives are known to have high explosiveness, as well as environmental and human toxicity. Conventional explosive detection is performed by an indirect detection method such as a method of using the olfactory sense of an animal or a method of detecting the case of an explosive.
그러나, 동물의 후각을 이용하는 폭발물 감지 방법은 동물의 피로에 의한 운용 시간의 제한 및 수명 제한의 문제가 있으며, 높은 훈련비 및 훈련 시간도 문제가 될 수 있다.However, the explosive detection method using the olfactory sense of an animal has a limitation in the operating time due to fatigue of the animal and a limitation in the life time, and high training cost and training time may also be a problem.
또한, 폭발물의 케이스를 탐지하는 방법은 폭발물을 직접 탐지하는 방법이 아니므로 오인식율이 높아 실용적이지 못하다.In addition, the method of detecting the case of the explosive is not a method of detecting the explosive directly, so that the recognition rate is high and it is not practical.
최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 마이크로센서나 나노센서를 이용한 기술 개발이 이루어지고 있다. 마이크로센서나 나노센서를 이용한 폭발물 감지 기술에 있어서는 폭발물 흡착성 고분자 또는 바이오 리셉터 등이 이용된다(특허문헌 1, 비특허문헌 1).In recent years, a technology using micro sensors or nanosensors has been developed to solve these problems. In the explosive detection technology using a micro sensor or a nanosensor, an explosive-absorbing polymer or a bioreceptor is used (
그러나, 흡착성 고분자의 경우 파이 상호작용이나 무극성 상호작용에 기반하고 있는데, 이러한 반응은 선택성이 낮기 때문에 여전히 오인식율이 낮은 문제가 있다.However, adsorbing polymers are based on pi interactions or nonpolar interactions, and this reaction still has a low selectivity and thus low false recognition rates.
한편, 바이오 리셉터의 경우 높은 특이성을 갖는 반면, 습식 환경에서만 동작가능하므로, 복잡한 유체 장치를 필요로 하는 제한이 있어서 휴대성 측면에서 단점을 가지고 있으며, 실용화가 어렵다. 또한, 대부분의 바이오 리셉터 기반의 반응은 비가역적인 경우가 많아, 센서를 일회용으로 사용할 수 밖에 없고, 정량적인 탐지가 불가능한 문제가 있다.On the other hand, the bioreceptor has a high specificity, but can operate only in a wet environment. Therefore, the bioreceptor has drawbacks in terms of portability due to a restriction requiring a complicated fluid device, and is difficult to put into practical use. In addition, most bioreceptor-based reactions are irreversible in many cases, and therefore, there is a problem that the sensor can not be used in a disposable manner and quantitative detection is impossible.
따라서, 센서 플랫폼이나 동작 환경의 제한 없이 폭발물을 고특이적이고 고선택적으로 감지할 수 있는 좀더 용이하고 실용적인 기술 개발이 요구되는 실정이다.Therefore, there is a need to develop more practical and practical technology capable of highly specific and highly selective detection of explosives without limitation of sensor platform or operating environment.
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본 발명의 목적은 산성 고분자와 니트로 방향족 기반 폭발물 사이에 형성되는 마이센하이머 복합체(Meisenheimer Complex)를 이용함으로써, 폭발물 감지의 특이성 및 선택성을 현저하게 향상시키고, 센서 플랫폼이나 동작 환경의 제한 없이 적용가능하며, 정량적이고 연속적인 탐지가 가능한 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자, 이를 이용하는 니트로 방향족 폭발물 감지 방법 및 니트로 방향족 폭발물 감지용 센서를 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to significantly improve the specificity and selectivity of explosive detection by using a Meisenheimer Complex formed between an acidic polymer and a nitroaromatic based explosive, , An acidic polymer for sensing nitro-aromatic explosives capable of quantitative and continuous detection, a method for sensing nitroaromatic explosives using the same, and a sensor for sensing nitroaromatic explosives.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 니트로 방향족 폭발물과 반응하여 마이센하이머 복합체(Meisenheimer Complex)를 형성할 수 있는, 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자를 제공한다.One embodiment of the present invention for solving the above problems provides an acidic polymer for sensing nitroaromatic explosives capable of forming a Meisenheimer Complex by reacting with nitroaromatic explosives.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 상기 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자를 이용하는 니트로 방향족 폭발물의 감지 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for detecting a nitroaromatic explosive using an acidic polymer for sensing nitroaromatic explosives.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자를 포함하는 니트로 방향족 폭발물 감지용 센서를 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a sensor for sensing a nitroaromatic explosive comprising an acidic polymer for sensing nitroaromatic explosives.
본 발명에 따르면, 니트로 방향족 기반의 폭발물과 마이센하이머 복합체를 형성할 수 있는 산성 고분자를 이용함으로써 니트로 방향족 기반의 폭발물을 고특이적 및 고선택성으로 매우 민감하고 신뢰성 있게 감지할 수 있다.According to the present invention, nitroaromatic explosives can be highly sensitively and reliably detected with high specificity and high selectivity by using an acidic polymer capable of forming a meishenheimer complex with nitroaromatic explosives.
또한, 본 발명에 따른 감지 방법은 공극율이 높아 수분을 함유할 수 있는 고분자를 이용하므로, 별도로 습식 환경을 조성해줄 필요 없이, 건식 환경에서 수행될 수 있어, 복잡한 장치 없이 간편하게 적용이 가능하다.In addition, since the sensing method according to the present invention uses a polymer having high porosity and can contain moisture, it can be performed in a dry environment without needing to form a wet environment separately, so that it can be easily applied without a complicated device.
또한, 본 발명에 따른 감지 방법은 고분자에 기반하고 있어, 기존 화학처리 방식이나 바이오 리셉터 방식과 달리 특별한 표면이 요구되지 않아 센서 플랫폼에 제한이 없는 장점을 갖는다.In addition, since the sensing method according to the present invention is based on a polymer, unlike the conventional chemical treatment method or the bioreceptor method, a special surface is not required, which is advantageous in that the sensor platform is not limited.
나아가, 본 발명의 감지 방법에 있어서 반응은 가역적이므로, 동적평형 상태를 유지하여 정량적이고 연속적인 탐지가 가능하다.
Further, since the reaction is reversible in the detection method of the present invention, quantitative and continuous detection is possible by maintaining the dynamic equilibrium state.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 고분자와 니트로 방향족 폭발물 사이의 마이센하이머 복합체 형성 반응의 모식도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DNT 농도에 따른 QCM 신호 변화를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DNT 농도에 따른 QCM 반응의 감지 시간을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 현장 모델 테스트에 있어서 환기 전후의 QCM 신호 변화를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 톨루엔에 대한 QCM 신호 변화를 나타내는 그래프.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram of a reaction of forming an acidic polymer with nitroaromatic explosives according to an embodiment of the present invention. FIG.
2 is a graph illustrating QCM signal changes according to DNT concentration according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a detection time of a QCM reaction according to DNT concentration according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing changes in QCM signals before and after ventilation in a field model test according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a graph illustrating changes in QCM signal for toluene according to one embodiment of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일 실시예는 니트로 방향족 폭발물과 반응하여 마이센하이머 복합체(Meisenheimer Complex)를 형성할 수 있는, 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to an acidic polymer for the detection of nitroaromatic explosives capable of reacting with nitroaromatic explosives to form a Meisenheimer Complex.
마이센하이머 복합체는 벤젠과 같은 방향족 구조에 전자 부족 현상이 발생할 경우, 방향족 분자가 전자가 풍부한 분자와 반응하여 형성하는 안정적인 복합체를 나타낸다. 니트로기와 같이 전기 음성도가 강한 치환기가 방향족 구조에 전자 부족 현상을 초래할 수 있으며, 이러한 치환기가 많을수록 마이센하이머 복합체가 쉽게 형성되고 안정적으로 유지될 수 있다.The Meissen-Heimer complex is a stable complex formed by reacting an aromatic molecule with an electron-rich molecule when an electron shortage occurs in an aromatic structure such as benzene. Substituents with strong electronegativity, such as nitro groups, can lead to electron shortage in the aromatic structure, and the more such substituents, the easier the formation of the myceneimer complex can be and stably maintained.
대표적인 폭발물인 니트로 방향족 화합물은 방향족 고리와 니트로기를 포함하므로, 마이센하이머 복합체를 형성할 수 있다. 가장 잘 알려진 물질로는 방향족인 톨루엔에 니트로기가 3개 치환된 트리니트로톨루엔(TNT)을 예로 들 수 있으며, 이외에도 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔 등이 있다.A representative explosive, the nitroaromatic compound, contains an aromatic ring and a nitro group, so that a meishene monomer complex can be formed. The best known materials include trinitrotoluene (TNT) in which three nitro groups are substituted for aromatic toluene, and nitrotoluene and dinitrotoluene.
또한, 이러한 니트로 방향족 화합물들은 RDX(Research Department Explosive), PETN(Tetranitropentaerythrite) 등과 같은 비방향족 폭발물에서도 불순물 형태로 항상 존재하기 때문에, 니트로 방향족 화합물의 마이센하이머 복합체 형성을 통하여 이러한 폭발물도 감지할 수 있다.These nitroaromatic compounds are also always present in the form of impurities in nonaromatic explosives such as RDX (Research Department Explosive) and PETN (Tetranitropentaerythrite), so that explosives can also be detected through the formation of a meiosisomer complex of nitroaromatic compounds.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 감지될 수 있는 니트로 방향족 폭발물은 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 트리니트로벤젠, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔, 트리니트로톨루엔, 디니트로플루오로벤젠, 디니트로트리플루오로메톡시벤젠, 아미노디니트로톨루엔, 클로로디니트로트리플루오로메틸벤젠, 헥사니트로스틸벤, 트리니트로페닐메틸니트라민 및 트리니트로페놀로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the detectable nitroaromatic explosives include nitrobenzene, dinitrobenzene, trinitrobenzene, nitrotoluene, dinitrotoluene, trinitrotoluene, dinitrofluorobenzene, dinitrotrifluoromethoxybenzene , Aminodinitrotoluene, chlorodinitrotrifluoromethylbenzene, hexanitrostilbene, trinitrophenylmethylnitramine, and trinitrophenol. The reaction may be carried out in the presence of a base.
이러한 니트로 방향족 폭발물은 기체, 액체 또는 고체 상태일 수 있으며, 바람직하게는 기체 상태이다.Such nitroaromatic explosives may be in a gaseous, liquid or solid state, preferably in a gaseous state.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 산성 고분자는 니트로 방향족 폭발물과 반응하여 마이센하이머 복합체를 형성할 수 있는 것이면 제한없이 이용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the acidic polymer can be used without limitation as long as it is capable of reacting with a nitroaromatic explosive to form a myceneimer complex.
일 실시예에서, 산성 고분자는 술폰산기, 아크릴기, 카르복실기, 인산기 및 히드록실기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 관능기를 포함할 수 있다.In one embodiment, the acidic polymer may include at least one functional group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, an acrylic group, a carboxyl group, a phosphoric acid group and a hydroxyl group.
이와 같은 관능기는 쉽게 해리되어 전자가 풍부한 산소를 노출시켜 니트로 방향족 화합물과 반응하여 마이센하이머 복합체를 쉽게 형성할 수 있다.Such functional groups can easily dissociate to expose electrons rich in oxygen and react with nitroaromatic compounds to easily form a myceneimer complex.
일 실시예에서, 산성 고분자는 술폰화 테트라플루로오에틸렌(Sulfonated tetrafluoroethylene, Nafion®)일 수 있다. 이러한 고분자는 특히 산소가 2개 이상 존재하고, 공명구조를 가지고 있어 전자에 대한 구속력이 약해 마이센하이머 복합체를 형성하기 좋은 특징을 갖는다.In one embodiment, the acidic polymer may be sulfonated tetrafluoroethylene (Nafion®). Such a polymer is particularly characterized in that it has two or more oxygen atoms and has a resonance structure, so that the binding force to electrons is weak, so that a meishene monomer complex can be formed.
도 1에 산성 고분자와 니트로 방향족 폭발물 사이의 마이센하이머 복합체 형성 반응의 모식도를 나타낸다.Figure 1 shows a schematic diagram of the reaction of the acidic polymer with nitroaromatic explosives forming a mycene-heme complex.
마이센하이머 복합체를 형성하기 위해서는 작용기가 해리되기 위한 습식 환경이 요구된다. 그러나, 고분자 화합물은 공극율이 30~50% 수준으로 높아 수분을 쉽게 함유할 수 있음이 잘 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 고분자는 별도로 습식 환경을 조성해 줄 필요 없이 건식 환경에서 니트로 방향족 폭발물과 마이센하이머 복합체를 형성함으로써, 니트로 방향족 폭발물을 감지할 수 있다.In order to form a mycene-hemi-complex, a wet environment is required to dissociate the functional groups. However, it is well known that a polymer compound has a porosity of 30 to 50% and can easily contain water. Accordingly, the acidic polymer according to an embodiment of the present invention can detect a nitroaromatic explosive by forming a nitroaromatic explosive and a meishenheimer complex in a dry environment without having to separately prepare a wet environment.
또한, 본 발명에 따른 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자는 니트로 방향족 폭발물과 직접 반응하여 마이센하이머 복합체를 형성하므로, 니트로 방향족 폭발물을 고특이적이며 고선택적으로 감지할 수 있다.In addition, the acidic polymer for detecting nitroaromatic explosives according to the present invention reacts directly with nitroaromatic explosives to form a mycene-heme complex, so that nitroaromatic explosives can be highly specific and highly selective.
나아가, 이러한 반응은 가역적 반응으로 동적평형 상태를 유지하므로, 정량적이고 연속적인 탐지가 가능하다.Furthermore, these reactions remain dynamic equilibrium with reversible reactions, allowing for quantitative and continuous detection.
본 발명의 다른 일 실시예는 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자를 이용하는 니트로 방향족 폭발물의 감지 방법에 관한 것이다.Another embodiment of the present invention relates to a method for sensing nitroaromatic explosives using acidic polymers for sensing nitroaromatic explosives.
상기 실시예에 따른 니트로 방향족 폭발물의 감지 방법은 상기 고분자와 상기 니트로 방향족 폭발물 사이에 마이센하이머 복합체를 형성하는 반응을 포함한다. 이에 대한 상세한 설명은 전술한 산성 고분자에 대한 실시예와 동일하므로, 본 실시예에서는 그 구체적인 설명을 생략한다.The method of sensing a nitroaromatic explosive according to this embodiment comprises the reaction of forming a mycene-heimer complex between the polymer and the nitroaromatic explosive. The detailed description thereof is the same as that of the above-described embodiment of the acidic polymer, and thus a detailed description thereof will be omitted in the present embodiment.
일 실시예에서, 니트로 방향족 폭발물의 감지 방법은 본 발명에 따른 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자를 니트로 방향족 폭발물에 노출시키는 단계; 및 상기 고분자와 상기 니트로 방향족 폭발물 사이의 마이센하이머 복합체 형성 반응을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, a method of sensing a nitroaromatic explosive comprises exposing an acidic polymer for sensing nitroaromatic explosives according to the present invention to a nitroaromatic explosive; And detecting the reaction of the polymer and the nitroaromatic explosive to form a mycene-heme complex.
일 실시예에서, 마이센하이머 복합체 형성 반응의 검출은 석영 크리스탈 마이크로밸런스(Quartz Crytal Microbalance, QCM), 캔틸레버(Cantilever), 멤브레인 트랜스듀서(Membrance Transducer) 및 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터(CNT-FET)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상에 의해 이루어질 수 있다.In one embodiment, the detection of the mycene-heme complex formation reaction is carried out using Quartz Crytal Microbalance (QCM), Cantilever, Membrane Transducer, and Carbon Nanotube Field Effect Transistor (CNT-FET) And at least one selected from the group consisting of
본 발명의 니트로 방향족 폭발물 감지 방법은 고분자에 기반하고 있으므로, 기존의 화학처리 방식이나 바이오 리셉터 방식과 같이 특별한 표면을 요구하지 않으므로 센서 플랫폼에 제한받지 않고 광범위하게 적용될 수 있다.Since the nitroaromatic explosive detection method of the present invention is based on a polymer, it does not require a special surface such as a conventional chemical treatment method or a bioreceptor method, and thus can be widely applied without being limited to a sensor platform.
또한, 본 발명의 니트로 방향족 폭발물 감지 방법에 따르면 건식 환경에서 감지가 이루어질 수 있으므로, 복잡한 장치를 구성할 필요 없이 간편하게 적용이 가능하다.Further, according to the method for detecting nitroaromatic explosives of the present invention, detection can be performed in a dry environment, so that it is possible to easily apply the device without having to construct a complicated device.
본 발명의 또 다른 실시예는 본 발명에 따른 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자를 포함하는 니트로 방향족 폭발물 감지용 센서에 관한 것이다. 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자에 대해서는 전술한 실시예에서 상세하게 설명하였으므로, 본 실시예에서는 그 상세한 설명을 생략한다.Another embodiment of the present invention relates to a sensor for sensing nitroaromatic explosives comprising an acidic polymer for sensing nitroaromatic explosives according to the present invention. Since the acidic polymer for sensing nitroaromatic explosives is described in detail in the above-mentioned embodiment, detailed description thereof will be omitted in the present embodiment.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 니트로 방향족 폭발물 감지용 센서는 고분자에 기반하고 있어, 특별한 표면 처리를 요구하지 않으므로, 센서 플랫폼에 제한받지 않고 적용될 수 있다.As described above, the sensor for sensing nitroaromatic explosives according to the present invention is based on a polymer and does not require any special surface treatment, so it can be applied without limitation to a sensor platform.
일 실시예에서, 센서는 석영 크리스탈 마이크로밸런스(Quartz Crytal Microbalance, QCM), 캔틸레버(Cantilever), 멤브레인 트랜스듀서(Membrance Transducer) 및 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터(CNT-FET)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 기반으로 할 수 있다.In one embodiment, the sensor is a sensor selected from the group consisting of Quartz Crytal Microbalance (QCM), Cantilever, Membrane Transducer, and Carbon Nanotube Field Effect Transistor (CNT-FET) More than species can be based.
또한, 본 발명에 따른 니트로 방향족 폭발물 감지용 센서는 반응 선택성 및 특이성이 우수하면서, 소형화 및 휴대화가 가능하므로, 광범위한 분야에 용이하게 적용될 수 있다.Further, the sensor for sensing nitroaromatic explosives according to the present invention is excellent in response selectivity and specificity, and can be miniaturized and portable, and thus can be easily applied to a wide range of fields.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 니트로 방향족 폭발물 감지용 센서는 기재의 일면 또는 양면에 박막 형태의 니트로 방향족 폭발물 감지용 산성 고분자를 감지 물질로 포함할 수 있다.In one embodiment, the sensor for sensing a nitroaromatic explosive according to the present invention may include, as a sensing material, an acidic polymer for sensing nitroaromatic explosives in the form of a thin film on one side or both sides of a substrate.
산성 고분자의 박막은 공지된 기술, 예를 들어, 스프레이, 스핀코팅, 드롭 코팅, 딥 코팅, 랑뮈르-블로젯 코팅, 전기화학 증착 또는 고분자 전구체의 인 시츄 중합 등을 이용하여 형성될 수 있다.The thin film of the acidic polymer can be formed using known techniques, such as spraying, spin coating, drop coating, dip coating, Langmuir-Blodgett coating, electrochemical deposition or in situ polymerization of a polymer precursor.
박막의 두께는 센서의 동작 환경 및 조건 등에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 예를 들어 10 Å 내지 100 ㎛의 범위일 수 있다.The thickness of the thin film may be appropriately selected according to the operating environment and conditions of the sensor, and may be in the range of 10 Å to 100 袖 m, for example.
또한, 본 발명에 따른 니트로 방향족 폭발물 감지용 센서는 고분자를 감지 물질로 이용함으로써 별도의 습식 환경을 필요로 하지 않고 건식 환경에서 동작할 수 있어, 구성의 단순화를 도모할 수 있다.Further, the sensor for sensing a nitroaromatic explosive according to the present invention can operate in a dry environment without requiring a separate wet environment by using a polymer as a sensing material, thereby simplifying the configuration.
나아가, 본 발명에 따른 니트로 방향족 폭발물 감지용 센서는 그 반응이 가역적이므로, 동적평형 상태를 유지하여, 정량적이고 연속적인 탐지가 가능하다.Further, the sensor for sensing a nitroaromatic explosive according to the present invention is reversible in its reaction, so that it can maintain a dynamic equilibrium state and perform quantitative and continuous detection.
이러한 본 발명에 따른 센서는 대기 또는 지질 분석, 보안 장치, 지뢰 탐지기, 공항 검색대 등에 광범위하게 적용될 수 있다.
The sensor according to the present invention can be widely applied to atmospheric or geological analysis, a security device, a mine detector, an airport search station, and the like.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
실시예Example 1 One
QCM 센서(센서 부피 1 ㎝ × 1 ㎝ × 0.05 ㎝) 표면에 술폰화 테트라플루오로에틸렌을 약 10 ㎛ 두께로 코팅한 후, 표준가스발생장치를 이용하여 2,4-디니트로톨루엔(DNT)에 노출시켰다. DNT의 농도를 1 ppb에서 100 ppb까지 변화시키면서, 반응을 확인하였다. DNT 농도에 따른 QCM 신호 변화를 도 2에 나타낸다.A sulfonated tetrafluoroethylene was coated on the surface of a QCM sensor (
도 2에 나타내어진 바와 같이, 본 발명에 따른 QCM의 반응은 즉각적이고 명확하였다. DNT에 대한 감도는 약 0.32 ㎐/ppb이었으며, 최소 감지 농도는 1 ppb 수준이었다.As shown in FIG. 2, the reaction of QCM according to the present invention was immediate and clear. The sensitivity to DNT was about 0.32 ㎐ / ppb and the minimum detection concentration was 1 ppb.
도 3은 DNT 농도에 따른 QCM 반응의 감지 시간을 나타낸다. 도 3에 나타내어진 바와 같이, 10 ppb 농도의 DNT에 대하여 센서의 응답 시간은 4.5 초 미만으로 고속 감지가 가능함을 확인하였다.
Figure 3 shows the detection time of QCM reaction according to DNT concentration. As shown in FIG. 3, it was confirmed that the response time of the sensor was less than 4.5 seconds for high-speed detection for 10 ppb DNT.
실시예Example 2 2
현장 모델 테스트를 위하여, 450 ㎜ × 350 ㎜ × 550 ㎜ 크기의 투명 챔버 내에, 10 ㎎의 DNT 분말을 지하 약 10 ㎝ 깊이로 매설하고, QCM 센서 표면에 술폰화 테트라플루오로에틸렌을 약 10 ㎛ 두께로 코팅한 센서 시스템을 이용하여 DNT 탐지 여부를 확인하였다. 챔버 내부의 공기는 외부의 신선한 공기로 환기시키거나 정체시키는 방식으로 통지되었고, 환기 전후의 QCM 신호를 비교하여 탐지 여부를 확인하였다. 도 4에 환기 전후의 QCM 신호 변화를 나타낸다.For the field model test, 10 mg of DNT powder was buried at a depth of about 10 cm in a 450 mm × 350 mm × 550 mm transparent chamber, and sulfonated tetrafluoroethylene was coated on the QCM sensor surface to a thickness of about 10 μm The detection of DNT was confirmed using a sensor system coated with The air inside the chamber was notified by ventilating or stagnating with fresh air outside, and the QCM signals before and after ventilation were compared to confirm the detection. Fig. 4 shows changes in QCM signals before and after ventilation.
도 4에 나타내어진 바와 같이, 본 발명에 따르면 약 2~3 ppb 농도의 매설된 DNT 시료를 감지할 수 있었다. 이는 실용화된 센서와 유사한 수준으로 본 발명에 따른 감지 기술이 현장에서도 실제 사용될 수 있는 수준의 반응 선택성과 관용도가 있음이 검증되었다.
As shown in FIG. 4, according to the present invention, a buried DNT sample having a concentration of about 2 to 3 ppb could be detected. It has been verified that the sensing technology according to the present invention has a level of response selectivity and tolerance that can be practically used in the field at a level similar to that of a practical sensor.
실시예Example 3 3
폭발물 유사체를 이용하여 센서의 반응 선택성을 확인하였다. DNT 또는 TNT와 유사한 구조를 갖는 톨루엔에 대하여 전술한 실시예 1과 유사한 방식으로 감도 및 응답 시간을 측정하였다. 도 5에 그 결과를 나타낸다. 톨루엔에 대한 센서의 감도는 약 1.24 ㎐/ppm이었고, 응답 시간은 약 5분이었다. 이는 DNT에 대한 감도 84 ㎐/ppm, 응답 시간 4.5 초 미만(10 ppb 기준)에 비하여 현저하게 낮은 수준으로, 본 발명에 따른 감지 기술이 니트로 방향족 폭발물에 대하여 높은 반응 선택성 및 특이성을 가짐을 확인할 수 있었다.
The reaction selectivity of the sensor was confirmed using an explosive analogue. Sensitivity and response time were measured in the same manner as in Example 1 described above for toluene having a structure similar to DNT or TNT. The results are shown in Fig. The sensitivity of the sensor to toluene was about 1.24 ㎐ / ppm and the response time was about 5 minutes. This is significantly lower than the sensitivity of 84 ㎐ / ppm for DNT and the response time of less than 4.5 sec (based on 10 ppb), confirming that the sensing technology according to the present invention has high response selectivity and specificity for nitroaromatic explosives there was.
실시예Example 4 4
습도에 대한 센서의 반응을 전술한 실시예 1과 유사한 방식으로 실험하였다. 수분에 대한 센서의 감도는 약 100 ㎐/% RH, 즉 0.320 ㎐/ppm(25℃ 기준, 1% RH = 312.57 ppm)로, DNT에 비하여 약 1/260로, 제한된 시간 동안 습도는 일정하다고 볼 수 있어 실사용상 문제가 없음을 확인하였다.
The response of the sensor to humidity was tested in a manner similar to that of Example 1 described above. The sensitivity of the sensor to moisture is about 100 Hz /% RH, that is, 0.320 Hz / ppm (1% RH = 312.57 ppm based on 25 ° C) And it was confirmed that there was no problem in actual use.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
It is to be noted that the technical spirit of the present invention has been specifically described in accordance with the above-described preferred embodiments, but it is to be understood that the above-described embodiments are intended to be illustrative and not restrictive. In addition, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
Claims (15)
석영 크리스탈 마이크로밸런스(Quartz Crytal Microbalance, QCM), 캔틸레버(Cantilever) 및 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터(CNT-FET)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 기반으로 하며,
니트로 방향족 폭발물과 상기 산성 고분자 사이에서 발생하는 가역적인 마이센하이머 복합체 형성을 이용하여 가스 상태의 니트로 방향족 폭발물을 직접 감지하는 것을 특징으로 하는
니트로 방향족 폭발물 감지용 박막 센서.
A nitro-aromatic explosive-sensing acidic polymer capable of reacting with nitroaromatic explosives to form a meisenheimer complex,
Based on at least one selected from the group consisting of Quartz Crytal Microbalance (QCM), Cantilever, and Carbon Nanotube Field Effect Transistor (CNT-FET)
Characterized in that the nitroaromatic explosive is directly detected in the gaseous state using the reversible formation of a meisanheimer complex between the nitroaromatic explosive and the acidic polymer
Thin film sensor for sensing nitroaromatic explosives.
상기 고분자는 술폰산기, 아크릴기, 카르복실기, 인산기 및 히드록실기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 관능기를 포함하는
니트로 방향족 폭발물 감지용 박막 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer comprises at least one functional group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, an acrylic group, a carboxyl group, a phosphoric acid group and a hydroxyl group
Thin film sensor for sensing nitroaromatic explosives.
상기 고분자는 술폰화 테트라플루로오에틸렌(Sulfonated tetrafluoroethylene)인
니트로 방향족 폭발물 감지용 박막 센서.
The method according to claim 1,
The polymer may be a sulfonated tetrafluoroethylene
Thin film sensor for sensing nitroaromatic explosives.
상기 니트로 방향족 폭발물은 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 트리니트로벤젠, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔, 트리니트로톨루엔, 디니트로플루오로벤젠, 디니트로트리플루오로메톡시벤젠, 아미노디니트로톨루엔, 클로로디니트로트리플루오로메틸벤젠, 헥사니트로스틸벤, 트리니트로페닐메틸니트라민 및 트리니트로페놀로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인
니트로 방향족 폭발물 감지용 박막 센서.
The method according to claim 1,
The nitroaromatic explosives are selected from the group consisting of nitrobenzene, dinitrobenzene, trinitrobenzene, nitrotoluene, dinitrotoluene, trinitrotoluene, dinitrofluorobenzene, dinitrotrifluoromethoxybenzene, aminodinitrotoluene, chlorodinitrotrifluoro Methylbenzene, hexanitrostylbenzene, trinitrophenylmethylnitramine, and trinitrophenol, and at least one compound selected from the group consisting of
Thin film sensor for sensing nitroaromatic explosives.
A method for sensing nitroaromatic explosives using the thin film sensor for sensing nitroaromatic explosives according to claim 1.
상기 방법은 상기 고분자와 상기 니트로 방향족 폭발물 사이에 마이센하이머 복합체를 형성하는 반응을 포함하는
니트로 방향족 폭발물의 감지 방법.
6. The method of claim 5,
The method includes the reaction of forming a mycene-heimer complex between the polymer and the nitroaromatic explosive
A method for detecting nitroaromatic explosives.
상기 방법은
제1항에 따른 니트로 방향족 폭발물 감지용 박막 센서를 니트로 방향족 폭발물에 노출시키는 단계; 및
상기 고분자와 상기 니트로 방향족 폭발물 사이의 마이센하이머 복합체 형성 반응을 검출하는 단계를 포함하는
니트로 방향족 폭발물의 감지 방법.
6. The method of claim 5,
The method
Exposing the nitroaromatic explosive sensing thin film sensor according to claim 1 to nitroaromatic explosives; And
Detecting a mycene-heme complex formation reaction between the polymer and the nitroaromatic explosive
A method for detecting nitroaromatic explosives.
상기 니트로 방향족 폭발물은 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 트리니트로벤젠, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔, 트리니트로톨루엔, 디니트로플루오로벤젠, 디니트로트리플루오로메톡시벤젠, 아미노디니트로톨루엔, 클로로디니트로트리플루오로메틸벤젠, 헥사니트로스틸벤, 트리니트로페닐메틸니트라민 및 트리니트로페놀로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인
니트로 방향족 폭발물의 감지 방법.6. The method of claim 5,
The nitroaromatic explosives are selected from the group consisting of nitrobenzene, dinitrobenzene, trinitrobenzene, nitrotoluene, dinitrotoluene, trinitrotoluene, dinitrofluorobenzene, dinitrotrifluoromethoxybenzene, aminodinitrotoluene, chlorodinitrotrifluoro Methylbenzene, hexanitrostylbenzene, trinitrophenylmethylnitramine, and trinitrophenol, and at least one compound selected from the group consisting of
A method for detecting nitroaromatic explosives.
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| WO2011154939A1 (en) | 2010-06-08 | 2011-12-15 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | Functionalized nanostructures for detecting nitro - containing compounds |
-
2013
- 2013-01-18 KR KR1020130005690A patent/KR101503749B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| J-Cheng Chen et al. Anal. Chem. 2006, Vol. 78, pp. 3752-3757 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20130085016A (en) | 2013-07-26 |
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