海水中痕量氯酚类污染物分子印迹磁性富集材料的磁场诱导制备方法

摘要

本发明公开一种海水中痕量氯酚类污染物分子印迹磁性富集材料的磁场诱导制备方法，制备步骤为：在磁场诱导下，通过悬浮聚合和原位氧化反应制备得到环氧基功能化的磁性高分子材料；采用分子间氢键自组装技术得到氯酚类环境污染物的多胺模板分子；再通过表面分子印迹技术，在磁场诱导下制备得到键合有模板分子的氨基功能化磁性分子印迹复合材料；以酸/醇为萃取剂，通过调节pH，洗脱模板分子，即得氯酚类分子印迹磁性复合材料。本发明具有制备方法简单，成本低廉，得到的目标产物粒度分布均匀、性质稳定；可高效、高选择性吸附和去除海水痕量氯酚类污染物，并具有可用于基质分散-磁性固相萃取检测海水中痕量氯酚类污染物等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有核-壳结构能高效富集和去除海水中痕量氯酚类污染物的分子印迹磁性富集材料的制备方法和应用技术，具体为分子印迹四氧化三铁磁性高分子复合材料的制备方法。本发明制备的分子印迹磁性高分子复合材料，可高效、高选择性吸附和去除海水中痕量氯酚类污染物，在此基础上可以建立基质分散-磁性固相萃取技术进行样品预处理，用于海水中痕量氯酚类污染物的富集与检测。 

背景技术

氯酚类环境持久性污染物由于其较强的生物蓄积毒性和“三致”作用越来越受到研究者的关注。随着人们对海洋环境保护意识的加强，海洋环境中残留痕量污染物的检测也成为重点研究方向之一。研究表明，0.1μg/L甚至更低量级的环境持久性污染物便能引起实验动物的生物效应，干扰生物体中内源性激素的分泌，低剂量效应与超痕量检测技术研究已成为当前环境持久性污染物研究的重点和难点之一。然而，一般情况下，实验室在该水平的检测均需进行富集净化处理，否则难以获得准确的检测结果。迄今，一些吸附材料在化学污染物的分离和富集方面有了一定的应用基础研究，但如何提高富集效率和对污染物的特异性识别能力仍然是研究者所需要突破的重点方向，其中设计合成特异性修饰的材料以获得理想的富集与净化效果是实现污染物高选择性富集与净化的关键。 

分子印迹聚合物是一类新兴的富集材料。其制备的基本原理为模板分子和功能单体先通过共价或非共价键作用，形成主客体配合物；然后加入交联剂使主客体配合物与交联剂发生共聚，从而得到在模板分子周围形成高度交联的刚性聚合物；最后用适当的溶剂将模板分子洗脱。所得的聚合物拥有特异性的结合位点，这些位点对模板分子的功能基团、分子尺寸、空间结构等具有记忆功能，可以根据预定的选择性和高识别性进行分子识别。然而，这类种材料需通过高速离心才能实现固液分离，其应用在一定程度上受到了限制，因此研发一种新型的复合材料克服其样品与基体分离的困难，显得十分必要。鉴于此，磁性分子印迹复合材料因其自身具有良好的磁响应性可以实现在外磁场作用下快速、有效的固液分离而逐渐引起国内外研究者的关注。在此基础上可以建立基质分散-磁性固相萃取技术进行样品预处理。该技术是以磁性或可磁化的材料作吸附剂基质的一种固相萃取技术，在磁固相萃取过程中，磁性吸附剂不需要填充到吸附柱中，而是被添加到样品的溶液或悬浮液中，使目标分析物吸附 到分散的磁性吸附剂表面，在外部磁场作用下分离；可以避免普通固相萃取技术繁琐的过柱操作、吸附柱容易堵塞、重复性差等问题，因而具有良好的应用前景。 

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种操作简单、效率高、能有效吸附和去除海水痕量氯酚类污染物，并具有可用于基质分散-磁性固相萃取检测海水中痕量氯酚类污染物的分子印迹磁性富集材料的磁场诱导制备方法。 

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种海水中痕量氯酚类污染物分子印迹磁性复合材料的磁场诱导制备方法，该方法包括：首先，在磁场诱导下，通过悬浮聚合和原位氧化反应制备得到环氧基功能化的磁性高分子材料；采用分子间氢键自组装技术得到氯酚类环境污染物的多胺模板分子；再通过表面分子印迹技术，在磁场诱导下制备得到键合有模板分子的氨基功能化磁性分子印迹复合材料；然后以酸/醇为萃取剂，通过调节pH，洗脱模板分子，即得氯酚类分子印迹磁性复合材料。 

其具体的制备步骤包括： 

(1)制备环氧基功能化的磁性高分子材料：将0～10mL烷基丙烯酸或其酯和/或0-10mL的苯乙烯或其取代物聚合用单体、1～10mL缩水甘油基酯类化合物与0～4mL交联剂依次滴加到反应体系中；然后在25～60℃下超声分散，使反应体系分散均匀；然后向反应体系中缓慢加入浓度为0.1～0.5mol/L的二价铁水溶液10～50mL，然后加入0.5～2g的引发剂，并在磁场诱导作用下，滴加30％(质量百分数)双氧水10～50mL，并用碱调节pH至8～13；然后在50～100℃下加热反应0.5～5小时；反应结束后，冷却至室温进行磁分离，所得产物用乙醇和去离子水洗涤至pH为7，然后再进行磁分离后在30～80℃下真空干燥2～24小时，制得环氧基功能团的磁性高分子材料； 

(2)制备氯酚类环境污染物的多胺模板分子：将0.1～0.5mol/L的氯酚类化合物的醇溶液(氯酚类化合物在氯酚类化合物与醇组成的溶液中的摩尔浓度为0.1～0.5mol)和0.1～0.5mol/L的多胺溶液(多胺的水溶液)按体积比1:1-3混合，搅拌下70～90℃回流1～12小时，冷却至室温后得到氯酚类环境污染物的多胺模板分子结晶；抽滤后，所得产物用乙醇和去离子水洗涤至pH为7，然后再在30～80℃下真空干燥2～24小时，制得氯酚类环境污染物的多胺模板分子； 

(3)制备键合有模板分子的氨基功能化磁性分子印迹复合材料：取步骤(1)制备的1～5g环氧基功能团的磁性高分子材料在25～60℃下超声分散到50～200mL醇溶液中，反应体系分散均匀，使得环氧基功能团的磁性高分子材料的质量分数为2～5％(占环氧基功能团的磁性高分子材料和醇溶液混合分散后的总量)；在磁场诱导作用下缓慢滴加浓度为0.1～0.5mol/L 的步骤(2)制备的氯酚类环境污染物的多胺模板分子的醇溶液(即将步骤(2)干燥后的“氯酚类环境污染物的多胺模板分子”再与醇溶液混合，得到0.1～0.5mol/L酚类环境污染物的多胺模板分子的醇溶液；或质量浓度为50～250g/L的步骤(2)制备的氯酚类环境污染物的多胺模板分子的醇溶液，即1L醇溶液中有50-250g步骤(2)干燥后的“氯酚类环境污染物的多胺模板分子”)；在50～100℃下加热反应0.5～5小时；反应结束后，冷却至室温进行磁分离，所得产物用乙醇和去离子水洗涤至pH为7，然后再进行磁分离后在30～80℃下真空干燥2～24小时，制得键合有模板分子的氨基功能化磁性分子印迹复合材料； 

(4)制备氯酚类分子印迹磁性复合材料：取步骤(3)制备的1～5g键合有模板分子的氨基功能化磁性分子印迹复合材料在25～60℃下超声分散到50～200mL醇溶液中，反应体系分散均匀；使得键合有模板分子的氨基功能化磁性分子印迹复合材料在醇中的分散系数为2～5％，在磁场诱导作用下缓慢滴加浓度为0.1～0.5mol/L的酸/醇混合液(即酸在醇里面浓度为0.1～0.5mol/L)调节至pH2～5，以洗脱高分子复合材料上的模板分子酚类环境污染物，即得氯酚类分子印迹磁性复合材料。 

本发明上述步骤(1)中烷基丙烯酸或其酯为甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸乙酯中的一种。 

本发明上述步骤(1)中缩水甘油基酯类化合物为缩水甘油基甲基丙烯酸甲酯或乙酯中的一种。 

本发明上述步骤(1)中所述的其取代物聚合用单体是指苯乙烯的衍生物，如甲基苯乙烯、乙基苯乙烯等中的一种。 

本发明上述步骤(1)中所述交联剂为二乙烯基苯、双丙烯酰胺或其取代物、烷基丙烯酸乙二醇或烷基丙烯酸乙二醇酯、KH系列硅烷交联剂中的至少一种；所用的交联剂用量优选为0.5～2mL。采用该优选用量使得交联剂更加容易调节磁性复合材料的粒度、强度、分散性等，使得材料易于加工。 

本发明上述步骤(1)中所述二价铁(Fe²⁺)来自于FeCl₂、FeSO₄中的至少一种。 

本发明上述步骤(1)中所述引发剂为过氧化二酰、过硫酸盐、偶氮二异腈类化合物中至少一种。 

本发明上述步骤(1)中所述碱为氨水或质量百分比为10％的氢氧化钠溶液中的一种。 

本发明上述步骤(1)中所述的磁场诱导或磁分离为通过采用磁能积为38～48MGOe，矫顽力为12～30kOe的钕铁硼磁体实现。 

本发明上述步骤(2)中所述氯酚类化合物为二氯酚，三氯酚，四氯酚，五氯酚中的一种；所述醇溶液为甲醇或乙醇溶液；所述多胺为乙二胺、二乙三胺、三乙四胺、四乙烯五胺 中的一种溶液。 

本发明上述步骤(3)中所述醇溶液为甲醇或乙醇溶液，均为无水醇溶液即无水醇。 

本发明上述步骤(3)中所述的磁场诱导为通过采用磁能积为38～48MGOe，矫顽力为12～30kOe的钕铁硼磁体实现。 

本发明上述步骤(4)中所述醇溶液为甲醇或乙醇溶液，均为无水醇溶液。 

本发明上述步骤(4)中所述的磁场诱导为通过采用磁能积为38～48MGOe，矫顽力为12～30kOe的钕铁硼磁体实现。 

本发明上述步骤(4)中所述的酸/醇混合液，为盐酸/甲醇或盐酸/乙醇的混合溶液。 

本发明上述制备步骤中各物料之间的配比关系可以按照上述配比等比例扩大或缩小，不会受到物料用量单位大小的影响。 

本发明的优点和有益效果： 

1.本发明采用在磁场诱导下，通过悬浮聚合反应、原位氧化反应，采用分子间氢键自组装及表面分子印迹技术得到氯酚类分子印迹磁性复合材料。如本发明步骤(1)采用原位氧化反应可以实现四氧化三铁的纳米磁核直接原位合成并均匀分散于高分子基体中，具有分散性好、工艺更加简单易于实现等优点，可以避免传统制备工艺中四氧化三铁的纳米磁核易于团聚、磁含量低、分散性差等弊端；步骤(2)采用分子间氢键自组装技术得到氯酚类环境污染物的多胺模板分子操作简便，反应条件温和，且使得步骤(4)中的模板分子的洗脱与分离易于实现；步骤(4)中采用酸/醇体系为萃取剂，可以仅通过调节pH就可以洗脱模板分子，不仅有利于保存氯酚类分子印迹磁性复合材料的形貌也节省了工序和成本。步骤(1)、(2)和(4)中采用了磁能积为38～48MGOe(兆高·奥)，矫顽力为12～30kOe的钕铁硼磁体的磁场诱导技术，这是因为：外加磁场能有效减小磁性颗粒的磁偶极相互作用和范德华力，提高体系动力学稳定性、降低晶格畸变，从而克服磁性颗粒的团聚倾向和化学不稳定性，可以得到高度有序磁性聚集体；有利于磁性复合材料的有序自组装。 

2.本发明的分子印迹磁性复合材料制备，具有操作简单、效率高、磁含量可控、官能团比例可控的优点，可高选择性吸附和去除海水中氯酚类污染物，并可用于海水中痕量氯酚类污染物的富集与检测；所得的材料之所以可以高效高选择性吸附氯酚类污染物主要是：(1)采用了分子印迹技术，利用其可以预定的选择性和高识别性进行分子识别的“锁-匙”效应特性来实现材料对氯酚类化合物的高选择性识别；(2)材料结构中有较多的苯环和疏水结构，可以与氯酚类化合物中的苯环通过π-π相互作用和疏水相互作用以到达去除和吸附海水中氯酚类污染物的目的；(3)材料表面富含氨基和羟基，可以通过氢键等相互作用与氯酚类化合物中的羟基和氯结合，到达高效富集的效果。 

附图说明

图1是本发明的环氧基功能化的磁性高分子材料制备流程示意图； 

图2是本发明的氯酚类环境污染物的多胺模板分子制备流程示意图； 

图3是本发明的键合有模板分子的氨基功能化磁性分子印迹复合材料制备流程示意图； 

图4是本发明的氯酚类分子印迹磁性复合材料制备流程示意图； 

图5是根据本发明实施例，得到的分子印迹磁性复合材料的透射电镜照片； 

图6是根据本发明实施例，得到的分子印迹磁性复合材料的磁滞回线； 

图7是根据本发明实施例，得到的分子印迹磁性复合材料的X-射线衍射图。 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的内容做进一步说明，使本发明的目的和效果更加明显，但本发明不仅仅局限于以下实施例。 

实施例1 

(1)将2mL甲基丙烯酸甲酯、8mL缩水甘油基甲基丙烯酸甲酯和0.5mL二乙烯基苯依次加到100mL三颈瓶中；25℃下超声分散(本发明涉及的超声分散为行业常规超声分散方法，如采用超声功率：150-1500W、超声频率：20--40KHz、电源：220/380V50HZ的超声条件即可实现超声分散)1分钟，使反应体系分散均匀；缓慢加入浓度为0.2mol/L的硫酸亚铁的水溶液10mL，将0.5g引发剂过氧化苯甲酰溶解于10mL热乙醇中，搅拌下滴加到反应体系中。采用磁能积为40MGOe，矫顽力为20kOe的钕铁硼磁体实现磁场诱导，滴加30％双氧水10mL，并用10％的氢氧化钠水溶液调节反应体系的pH值至11。在80℃加热反应2小时，反应结束后，冷却后磁分离，然后用乙醇和去离子水洗涤各3次至pH为7，磁分离，60℃真空干燥12小时，得到环氧基功能团的磁性高分子材料； 

(2)将10mL0.2mol/L的五氯酚的乙醇溶液和10mL0.2mol/L的四乙烯五胺的乙醇溶液混合，搅拌下80℃回流2小时，冷却至室温后得到五氯酚-四乙烯五胺模板分子结晶。抽滤后，所得产物用乙醇和去离子水洗涤至pH为7，然后再在60℃真空干燥12小时，制得五氯酚-四乙烯五胺模板模板分子。 

(3)取步骤(1)制备的1g环氧基功能团的磁性高分子材料于100mL三颈瓶中，加入50mL乙醇，在25℃下超声分散1分钟，使反应体系分散均匀；采用磁能积为40MGOe，矫顽力为20kOe的钕铁硼磁体实现磁场诱导，缓慢滴加浓度为0.2mol/L的步骤(2)制备的氯酚类环境污染物的多胺模板分子的乙醇溶液10mL。搅拌下80℃回流2小时，冷却至室温 进行磁分离，所得产物用乙醇和去离子水洗涤至pH为7，然后再进行磁分离后在60℃真空干燥12小时，制得键合有模板分子的氨基功能化磁性分子印迹复合材料。 

(4)取步骤(3)制备的1g键合有模板分子的氨基功能化磁性分子印迹复合材料于100mL三颈瓶中，加入25mL乙醇，在25℃下超声分散1分钟，在磁场诱导作用下缓慢滴加浓度为0.2mol/L的盐酸/甲醇混合液，调节溶液pH值至3，洗脱高分子复合材料上的五氯酚模板分子，磁分离，所得产物用乙醇和去离子水洗涤至溶液pH值为7，然后再进行磁分离后在在60℃真空干燥12小时，即得氯酚类分子印迹磁性复合材料。 

实施例2～10的操作步骤同实施例1，原料物质、原料配方及制备条件参数见表1所示。 

表1 本发明实施例1～10原料组分及制备参数 

将本发明实施例制备的分子印迹磁性复合材料通过透射电镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)、X射线衍射(XRD)等手段对其进行表征，并应用于吸附和去除海水中痕量氯酚类污染物，并可用于基质分散-磁性固相萃取法对海水中痕量氯酚类污染物进行富集与检测。 

图5-7分别是根据本发明实施例1得到的分子印迹磁性复合材料的透射电镜照片、磁滞回线和X-射线衍射图； 

由图5可知，分子印迹磁性复合材料为典型的壳核结构，平均粒径约为800nm。深色部分为四氧化三铁磁核，平均粒径约为200nm；浅灰色部分为高分子层，均匀分布在磁核外层，厚度约为300nm；从图6样品的磁滞回线可以看出，材料的饱和磁化强度约为46.8emu/g，磁响应良好，能够在磁场下实现良好的分离；从图7样品X-射线衍射图谱可知，分子印迹磁性复合材料出现了Fe₃O₄的6个典型的2θ角位于30.1°,35.5°,43.1°,53.4°,57.0°和62.6°的吸收峰，分别对应于Fe₃O₄在(220),(311),(400),(422),(511),(440)的吸收，说明高分子层已成功包覆于Fe₃O₄表面，分子印迹磁性复合材料保持了Fe₃O₄的尖晶石构型。 

上述表征说明该发明操作步骤简单，成本低廉，得到的分子印迹磁性复合材料粒度分布均匀，性质稳定。 

本发明应用分子印迹磁性复合材料对海水中痕量氯酚类污染物进行基质分散-磁性固相萃取富集与检测。 

移取40mL的海水样品溶液置于150mL平底烧瓶中，调节溶液pH值至3.0，加入20mg分子印迹磁性复合材料，308K下150转/分钟恒温振荡5min，磁分离，倒去上层溶液。然后加入1mL1％NaOH的甲醇溶液漩涡振荡4min进行脱附，磁分离，吸取上层清液，氮吹至干，以200μL甲醇溶解，进行液相色谱分析。液相色谱分析条件为：C18反相液相色谱柱(4.5mm×250mm，5μm)；流动相：A：乙腈溶液；B：5mmol/L乙酸铵水溶液；梯度洗脱程序：0～5min，35％A～90％A；5～7min，90％A；7～10min，90％A～35％A；10～12min，35％A。进样量：20μL；柱温：30℃。紫外检测波长：254nm。 

氯酚的标准溶液配制：准确称取4-氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚、2,3,4,6-四氯酚和五氯酚标准品各10mg分别置于10mL的容量瓶中，用甲醇溶液进行溶解与定容，配制成1.0mg/mL的标准溶液保存。临用前，用甲醇稀释使用。5种氯酚在浓度为1～500μg/L浓度范围内呈现良好的线性关系，线性相关系数(R²)均大于0.9994。以3倍信噪比(S/N＝3)和10倍信噪比(S/N＝10)分别作为检出限(LOD)和定量限(LOQ)，结果表明：5种氯酚的检出限分别为0.45～5.8μg/L，定量限为1.8～18μg/L。 

以不含待测物的模拟海水为试剂空白，分别加入5种氯酚进行低、中、高三个浓度水平的加标回收实验(表2)。5种氯酚在三个水平的加标回收率分别为86.4％～99.0％、88.1％～99.4％和88.8％～99.3％，日内精密度为0.7％～8.7％，日间精密度为0.8％～9.0％。 

表2 5种氯酚在空白海水样中的准确度和精确度 

将本专利所建方法与目前已有前处理(液液萃取、液相微萃取、超声辅助溶剂萃取、固相萃取、基体固相分散萃取等)技术进行比较，其检出限对照如下表3所示。 

表3 前处理方法的检出限比较 

本发明所述海水中痕量氯酚类污染物分子印迹磁性富集材料，通过实验证明：该发明制备方法简单，成本低廉，得到的目标产物粒度分布均匀、性质稳定；对海水痕量氯酚类污染物具有高效高选择性吸附容量，可用于该类环境污染物的吸附和去除，并可用于基质分散-磁性固相萃取检测海水中痕量氯酚类污染物。 

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。