螺旋藻磁性多孔Pb2+、Cd2+双模板印迹聚合物微球

摘要

本发明涉及一种螺旋藻磁性多孔Pb

说明书

技术领域

 本发明属于分离材料制备技术领域，具体涉及一种螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球及其制备方法。

背景技术

螺旋藻（Spirulina）是一种商业化大量生产的丝状蓝藻，是来源广泛的生物材料。很多研究表明，螺旋藻对重金属离子具有较强的吸附能力，这是因为藻类细胞壁带一定的负电荷，具有较大的表面积和粘性，可提供许多官能团如羟基、羧基、氨基、酰胺基、磷酸根等与金属离子结合。在多数情况下，80%～90%的重金属离子被吸附到藻细胞表面。刘慧君等人（安徽师范大学学报（自然科学版），2004, 27(1):68-70）的研究表明，在pH 5.5，吸附时间2 h，重金属离子浓度为 50 mg/L的条件下，极大螺旋藻对Ag⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺六种重金属离子均有较强的吸附作用；其中对 Ag⁺的吸附作用最强，吸附率为92.87%，对N i²⁺的吸附作用最弱，吸附率为40.70%。Chernikoval等人（Russian Journal of Plant Physiology, 2006, 53(6):800?806）的研究结果表明：钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）对Mn²⁺有强的吸附能力。廖鹏飞等（中南大学学报（自然科学版），2011, 42(9):2551-2557）以钝顶螺旋藻和磁性纳米粒子四氧化三铁为材料，采用海藻酸钙进行包埋制备出钝顶螺旋藻磁性生物吸附剂。研究结果表明，当pH为1.5，温度为40℃，时间在120 分钟时，钝顶螺旋藻磁性生物吸附剂对铬（Ⅵ）的吸附容量达到饱和吸附量的96.5%。黄宏霞（华中农业大学硕士学位论文，2006年）的研究表明钝顶螺旋藻S. paletnssi 439对铜和镉离子的最大吸附量分别为1992 mmol/Kg和2347 mmol /Kg。目前的研究表明，螺旋藻对重金属吸附缺乏选择性、且吸附效率差异大，吸附效率相对较低。因此，研究和开发新型、高效、高选择性螺旋藻复合材料是吸附、分离领域的一个技术难题。

由于磁性聚合物具有强的磁性，在加有外界磁场的情况下，能选择性快速地实现固液分离和回收而广泛应用于复杂样品的分离富集、生物、药物的分离纯化。Candan等人（Mater. Sci. Eng. C, 2009, 29:144-152）以Cd²⁺为模板离子，在磁铁矿Fe₃O₄纳米微粒存在的条件下，采用悬浮聚合方法制备出镉离子磁性印迹聚合物微球，最大吸附容量可达48.8 μmol/g，相对选择性在Cd/Pb 比没有印迹的聚合物高2.6倍。但是，该方法所得的磁性印迹聚合物的吸附容量较低。张明磊等人（高等学校化学学报, 2011, 32(12):2763-2768）以SiO₂包覆的纳米Fe₃O₄为载体，壳聚糖（Chitosan，CS）为功能配体，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷为交联剂，制备了磁性Fe₃O₄SiO₂CS镉离子印迹聚合物。他们的研究结果表明，该磁性Fe₃O₄SiO₂CS离子印迹聚合物对Cd(Ⅱ)离子具有特异性吸附，理论最大吸附容量为34.12 mg/g（303.5μmol/g），用于水溶液中Cd(Ⅱ)的分离，回收率在98%以上。但这种以表面包覆SiO₂的纳米磁性Fe₃O₄离子印迹聚合物制备方法相对复杂，所得的印迹聚合物材料形状为块状，加上采用单模板离子进行印迹，印迹位点较少，限制了其吸附容量的进一步提高。

发明内容

本发明目的在于针对现有对Pb²⁺、Cd²⁺吸附技术的吸附容量低、选择性不高、制备方法复杂等缺点，提供一种新型的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球。

本发明所述的一种螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球，是通过以下步骤来制备的：（1）在三口烧瓶中依次加入1~5 g干燥的螺旋藻粉、5 mL三乙胺和40 mL丙酮，通氮气，搅拌，缓慢滴加15~40 mL丙烯酰氯溶液，冰浴反应4~8小时，20-30℃反应10~14小时；将反应液转移到旋转蒸发仪上减压蒸馏除去丙酮，过滤；（2）将上述0.2~0.5 g改性的螺旋藻和乙烯基吡啶作为双单体，0.1~2.0 mmol Pb(NO₃)₂和Cd(NO₃)₂作为双模板，溶于20 mL水中，超声2 分钟，然后加入Fe₃O₄和分散剂，搅拌均匀，得到内水相；（3）将1~4 g乳化剂、1~5 mL交联剂溶于5~10 mL甲苯中，搅拌均匀得到油相；（4）将上述内水相滴加入到油相混合液中，乳化5~10 分钟，形成油包水型（W/O）反相乳液；（5）在N₂ 环境下，将上述制备的W/O乳液边搅拌边滴加入到含50~200 mL水溶液、0.1~0.3 g表面活性剂、0.1~0.4 g引发剂的外水相中乳化得到水包油包水（W/O/W）的双重乳液；然后恒温50~100℃聚合10~24小时，得到Pb²⁺、Cd²⁺印迹聚合物微球；（6）将聚合物在40~100℃烘干，用0.1 mol/L HCL溶液索氏萃取至洗脱液检测不到Pb²⁺、Cd²⁺，用去离子水反复冲洗至中性，沉降，真空干燥，得到螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺印迹聚合物微球。

根据本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的进一步特征，所述步骤（1）和（5）中，所述搅拌是采用磁力搅拌，转速为300~500 r/min。

根据本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的进一步特征，所述步骤（2）中，改性的螺旋藻单体和乙烯基吡啶单体的质量比为1:1；Pb(NO₃)₂和Cd(NO₃)₂双模板与乙烯基吡啶单体的摩尔比为1:4；水相中Fe₃O₄的质量分数为1%；水相中分散剂的质量分数为2.5%。

根据本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的进一步特征，所述步骤（3）中，油相中乳化剂的质量分数为15.4%；交联剂与甲苯的体积比为1:3~1:4。

根据本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的进一步特征，所述乳化剂是由斯盘80与吐温80按1:2~1:5的比例混合而成。

根据本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的进一步特征，所述步骤（3）中，交联剂选自：聚乙二醇二丙烯酸酯、三甲醇基丙烷三甲基丙烯酸酯（TRIM）、3,5-二丙烯酰胺苯甲酸、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯、N,N'-1,4-苯基双丙烯酰胺、甲季戊四醇三丙烯酸酯（PETAR）、季戊四醇四丙烯酸酯（PETER）。

根据本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的进一步特征，所述步骤（4）中，所述乳化是采用超声乳化。

根据本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的进一步特征，所述步骤（4）中，表面活性剂选自：斯盘80、吐温80、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠。

根据本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的进一步特征，所述步骤（5）中，引发剂选自：过硫酸钾，过硫酸铵，过硫酸盐-四甲基亚乙二胺，偶氮二异丁腈。

根据本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的进一步特征，所述步骤（6）中，0.1 mol/LHCL溶液是采用甲醇和乙酸按8:3的比例配制的。

本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球具有以下有益效果：本发明以四氧化三铁作为内层稳定粒子，将螺旋藻表面进行乙烯化改性作为一种大分子功能单体，同时采用Pb²⁺、Cd²⁺双模板离子进行印迹得到螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球。该微球具有以下特点：（1）具有磁响应性，微球内包覆有黑色四氧化三铁；（2）多孔性；（3）吸附容量大，经静态吸附实验测定，对Pb²⁺、Cd²⁺的最大吸附量分别为0.44 mmol/g、0.50 mmol/g；（4）对Pb²⁺、Cd²⁺选择性高；（5）稳定性好；（6）使用寿命长，经10次重复使用后，吸附容量基本不变；（7）制备工艺简单等。因此，该微球在环境样品、生物样品、农产品、食品中的Pb²⁺、Cd²⁺快速磁分离、富集和分析中有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的扫描电镜图。

图2是本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物（MIP）和非印迹聚合物（NIP）的静态吸附曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明不限制于这些实施例。

实施例1：本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的制备。

（1）在三口烧瓶中依次加入1 g干燥的螺旋藻粉、5 mL三乙胺和40 mL丙酮，通氮气，搅拌，缓慢滴加15 mL丙烯酰氯溶液，冰浴反应4小时，室温下反应10小时。将反应液转移到旋转蒸发仪上减压蒸馏除去丙酮，过滤。

（2）将上述0.2 g改性的螺旋藻和乙烯基吡啶为双单体，0.3 mmol Pb(NO₃)₂和Cd (NO₃)₂为双模板溶于20 mL水中，超声2 分钟，然后加入0.2 gFe₃O₄和0.5 g分散剂，搅拌均匀，得到内水相。

（3）将1 g乳化剂、1 mL交联剂溶于5 mL甲苯中，搅拌均匀得到油相。

（4）将上述内水相滴加入到油相混合液中，乳化5 分钟，形成油包水型（W/O）反相乳液。

（5）在N₂ 环境下，将上述制备的W/O乳液边搅拌边滴加入到含50 mL水溶液、0.1 g表面活性剂、0.1 g引发剂的外水相中乳化得到水包油包水（W/O/W）的双重乳液。然后恒温50 ℃聚合10小时，得到Pb²⁺、Cd²⁺印迹聚合物微球。

（6）将聚合物在40 ℃烘干，用0.1 mol/L HCL溶液索氏萃取至洗脱液检测不到Pb²⁺、Cd²⁺，用去离子水反复冲洗至中性，沉降，真空干燥，得到螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺印迹聚合物微球。

实施例2：本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的制备。

（1）在三口烧瓶中依次加入2 g干燥的螺旋藻粉、5 mL三乙胺和40 mL丙酮，通氮气，搅拌，缓慢滴加25 mL丙烯酰氯溶液，冰浴反应5小时，室温下反应11小时。将反应液转移到旋转蒸发仪上减压蒸馏除去丙酮，过滤。

（2）将上述0.3 g改性的螺旋藻和乙烯基吡啶为双单体，0.6 mmol Pb(NO₃)₂和Cd (NO₃)₂为双模板溶于20 mL水中，超声2 分钟，然后加入0.2 gFe₃O₄和0.5 g分散剂，搅拌均匀，得到内水相。

（3）将2 g乳化剂、2 mL交联剂溶于7 mL甲苯中，搅拌均匀得到油相。

（4）将上述内水相滴加入到油相混合液中，乳化7 分钟，形成油包水型（W/O）反相乳液。

（5）在N₂ 环境下，将上述制备的W/O乳液边搅拌边滴加入到含100 mL水溶液、0.2 g表面活性剂、0.2 g引发剂的外水相中乳化得到水包油包水（W/O/W）的双重乳液。然后恒温80℃聚合15小时，得到Pb²⁺、Cd²⁺印迹聚合物微球。

（6）将聚合物在60℃烘干，用0.1 mol/L HCL溶液索氏萃取至洗脱液检测不到Pb²⁺、Cd²⁺，用去离子水反复冲洗至中性，沉降，真空干燥，得到螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺印迹聚合物微球。

实施例3：本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的制备。

（1）在三口烧瓶中依次加入5 g干燥的螺旋藻粉、5 mL三乙胺和40 mL丙酮，通氮气，搅拌，缓慢滴加40 mL丙烯酰氯溶液，冰浴反应8小时，室温下反应14小时。将反应液转移到旋转蒸发仪上减压蒸馏除去丙酮，过滤。

（2）将上述0.5 g改性的螺旋藻和乙烯基吡啶为双单体，1.0 mmol Pb(NO₃)₂和Cd(NO₃)₂为双模板溶于20 mL水中，超声2 分钟，然后加入0.2 gFe₃O₄和0.5 g分散剂，搅拌均匀，得到内水相。

（3）将3 g乳化剂、4 mL交联剂溶于10 mL甲苯中，搅拌均匀得到油相。

（4）将上述内水相滴加入到油相混合液中，乳化10 分钟，形成油包水型（W/O）反相乳液。

（5）在N₂ 环境下，将上述制备的W/O乳液边搅拌边滴加入到含150 mL水溶液、0.3 g表面活性剂、0.4 g引发剂的外水相中乳化得到水包油包水（W/O/W）的双重乳液。然后恒温100℃聚合20小时，得到Pb²⁺、Cd²⁺印迹聚合物微球。

（6）将聚合物在100℃烘干，用0.1 mol/L HCL溶液索氏萃取至洗脱液检测不到Pb²⁺、Cd²⁺，用去离子水反复冲洗至中性，沉降，真空干燥，得到螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺印迹聚合物微球。

在上述实施例1至3中，所述步骤（1）和（5）中，所述搅拌是采用磁力搅拌，转速为300~500 r/min。

在上述实施例1至3中，所述步骤（2）中，改性的螺旋藻单体和乙烯基吡啶单体的质量比为1:1；Pb(NO₃)₂和Cd(NO₃)₂双模板与乙烯基吡啶单体的摩尔比为1:4；水相中Fe₃O₄的质量分数为1%；水相中分散剂的质量分数为2.5%。

在上述实施例1至3中，所述步骤（3）中，油相中乳化剂的质量分数为15.4%；交联剂与甲苯的体积比为1:3~1:4。

在上述实施例1至3中，所述乳化剂是由斯盘80与吐温80按1:2~1:5的比例混合而成。

在上述实施例1至3中，所述步骤（3）中，交联剂可选自：聚乙二醇二丙烯酸酯、三甲醇基丙烷三甲基丙烯酸酯（TRIM）、3,5-二丙烯酰胺苯甲酸、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯、N,N'-1,4-苯基双丙烯酰胺、甲季戊四醇三丙烯酸酯（PETAR）、季戊四醇四丙烯酸酯（PETER）。

在上述实施例1至3中，所述步骤（4）中，所述乳化是采用超声乳化。

在上述实施例1至3中，所述步骤（4）中，表面活性剂可选自：斯盘80、吐温80、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠。

在上述实施例1至3中，所述步骤（5）中，引发剂可选自：过硫酸钾，过硫酸铵，过硫酸盐-四甲基亚乙二胺，偶氮二异丁腈。

在上述实施例1至3中，所述步骤（6）中，0.1 mol/LHCL溶液是采用甲醇和乙酸按8:3的比例配制的。

实施例4：本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的性能实验。

在前文中提到，该微球具有以下特点：（1）具有磁响应性，微球内包覆有黑色四氧化三铁；（2）具有多孔性；（3）对Pb²⁺、Cd²⁺选择性高；（4）稳定性好；（5）使用寿命长，经10次重复使用后，吸附容量基本不变；（6）制备工艺简单等。

扫描电镜检测：将上述实施例所制备得到的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球通过扫描电镜进行观察，如图1所示，可见微球内包覆有黑色四氧化三铁，使该聚合物微球具有磁响应性，并具有多孔性。

静态吸附实验：准确称取30 mg MIP聚合物，置于50 mL密封塑料离心管中，分别考察聚合物对10 mL不同浓度Pb²⁺、Cd²⁺标准溶液的吸附性能。以300 r/min的振幅在室温下振荡2小时，用磁场分离吸附剂，取上层清液，用等离子体发射光谱仪检测其平衡浓度。根据吸附前后溶液中浓度的变化分别计算MIP和NIP聚合物对Pb²⁺、Cd²⁺的吸附量Q (mmol/g)，结果如图2所示。实验结果表明，本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球的吸附容量大，对Pb²⁺、Cd²⁺的最大吸附量分别为0.44 mmol/g、0.50 mmol/g。

重复使用实验：称取 0.1g印迹聚合物于10 mL含Pb²⁺、Cd²⁺标准溶液的浓度均为1.0 mg/L的pH 6.0的醋酸-醋酸钠缓冲液中进行10次的静态吸附、洗脱循环实验。每次静态吸附实验后，印迹聚合物依次用0.6 mol/L 的盐酸、二次蒸馏水、1 mol/L NaOH洗涤至滤液 pH 7.5，再用二次蒸馏水洗涤、真空干燥进行再生。再生后的印迹聚合物再次吸附Pb²⁺、Cd²⁺，计算印迹聚合物对Pb²⁺、Cd²⁺的吸附量Q (mmol/g)，结果见表1。

表1 重复使用次数对吸附性能的影响

重复使用次数12345678910Q_{Pb/(mmol.g-1)}0.420.420.410.410.410.400.390.390.380.37Q_{Cd/(mmol.g-1)}0.640.640.630.620.610.610.590.580.570.55

实施例5：应用实施例

本发明所述的螺旋藻磁性多孔Pb²⁺、Cd²⁺双模板印迹聚合物微球在环境样品、生物样品、农产品、食品中的Pb²⁺、Cd²⁺快速磁分离、富集和分析中有广泛的应用前景。

本实施例将该多孔聚合物微球应用于检测莲藕、不同批次桂皮及土壤中Pb²⁺、Cd²⁺的含量。

样品分别取自：市售莲藕、肇庆产地出口桂皮（批号2-3899）、市售桂皮、肇庆鼎湖水坑工业区受污染土壤。

样品制备：样品粉碎后准确称取1.00~2.00g 于50 mL 锥形瓶中，加入10 mL 硝酸，在电加热板上消化至溶液澄清，无色或微黄色。反应后加入1 mL过氧化氢，赶去残余的氮氧化物，冷却后用醋酸-醋酸钠缓冲溶液调节pH=6.0，并用超纯水定容至25 mL容量瓶。

样品测定：在80 ml烧杯中依次加入0.1g印迹聚合物、5ml甲醇，超声5 min活化，磁分离后用10 ml去离子水洗涤两次。加入5 ml样品溶液，以300 r/min的振幅在室温下振荡30 min，磁分离，解析，吸附剂用5.0 ml 甲醇洗涤两次，最后用3.0 ml 0.6 mol/L HCL洗涤10 min，将所得溶液蒸发至干，浓缩物用0.1%的硝酸定容，用等离子体发射光谱仪测定Pb²⁺、Cd²⁺的含量，结果见表2。

表2：莲藕、两种不同批次桂皮和土壤样品中铅和镉的测量结果