一种基于磁性四氧化三铁纳米粒子-pH响应型印迹材料的制
备方法及其用途
技术领域
[0001] 本
发明属于检测材料制备技术领域，具体指一种基于磁性四氧化三铁纳米粒子-pH响应型分子印迹材料的制备方法及其用途。
背景技术
[0002] 磺胺类化合物(SAs)是一种用于
预防和
治疗人体细菌感染的合成
抗菌剂。相对较少的磺胺类药物被批准用于生产食品的
哺乳动物。与其他种类的抗菌药物相比，磺胺类药物在
兽医学中得到了广泛的应用。磺胺类化合物通常用于预防和治疗急性全身或局部感染，并作为食品生产物种的
饲料和
饮用水的添加剂。磺胺甲恶唑(SMX)是一种典型的磺胺类抗生素，在农业生产中广泛使用；不可避免地，磺胺甲恶唑会在
牛奶或肉类中出现残留；因此，准确测定食用奶中此类残留已成为一项紧迫的任务。目前，可以通过各种方法来检测环境中的磺胺甲恶唑及其他磺胺类药物，包括
免疫测定方法、电化学检测、固相萃取(SPE)和高效液相色谱法(HPLC)；其中应用最广泛的是高效液相色谱法，其特点是可以实现高效、准确的检测；然而，磺胺甲恶唑在农业副产品中是痕量存在的，且样品成分复杂，需要对样品进行一系列预处理。因此，开发一种对磺胺甲恶唑灵敏、快速的富集检测技术，对
风险评估和公共卫生保护至关重要。
[0003] 分子印迹
聚合物作为选择性
吸附剂已应用于磺胺类样品的预处理。分子印迹技术是一种具有高选择性的技术，它可以利用模板分子的记忆形成模板形状的空腔，因此在纯化和选择性分离领域受到了广泛的关注。表面分子印迹技术是将印迹层涂在载体表面，由于其识别位点分布均匀，可以提供快的传质速率以及较强的结合能
力。
[0004] 此外，刺激响应型聚合物为人们熟知，因为在外界刺激下，如pH值、
温度、
磁场和
光子照射，可以发生体积
相变。目前，这类智能材料具有广阔的应用前景，如药物递送、
传感器和分离技术。根据可电离基团的类型，pH敏感凝胶可分为阳离子和阴离子。目前对pH响应水凝胶分子印迹聚合物的研究较少，在现有公开的研究文献中，pH响应水凝胶分子印迹聚合物还没有应用于磺胺类化合物。
发明内容
[0005] 针对
现有技术存在的不足，本发明旨在解决所述问题之一；本发明提供一种基于介孔
二氧化硅包覆四氧化三铁纳米粒子分子印迹聚合物材料的制备方法，解决基体材料表面，难以直接包覆上分子印迹聚合物层的问题，同时实现对牛奶中磺胺甲恶唑的灵敏检测。
[0006] 本发明是通过如下技术方案实现的：
[0007] 一种基于磁性四氧化三铁纳米粒子-pH响应型印迹材料的制备：
[0008] 步骤1、Fe3O4纳米粒子的制备：将六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)加入至乙二醇中，进行第一次搅拌，至溶液澄清后，依次加入乙酸钠(NaAc)、
柠檬酸三钠(Na3Cit)和聚乙二醇，进行第二次搅拌，将
混合液转移到
内衬聚四氟乙烯的不锈
钢高压釜中进行反应，反应结束后自然冷却到室温，得到黑色的沉淀物，再用蒸馏水和
乙醇分别洗涤，
真空干燥后，得到Fe3O4纳米粒子；
[0009] 步骤2、将步骤1得到的Fe3O4纳米粒子加入含有十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、
氨水、乙醇和去离子水的混合溶液中，超声作用后，将正
硅酸四乙酯(TEOS)缓慢滴加至上述溶液，然后机械搅拌进行反应，得到的产物经磁性分离后，用水和乙醇分别反复清洗，经真空干燥后，得到的纳米颗粒，再用丙
酮在一定温度下回流去除CTAB，收集干燥后的聚合物，记作Fe3O4@mSiO2；
[0010] 步骤3、Fe3O4@mSiO2的化学修饰：将步骤2中得到的Fe3O4@mSiO2纳米粒子加入
甲苯中，并超声分散均匀；然后，缓慢滴加γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)，在氮气气氛下搅拌，然后，通过磁性分离得到纳米颗粒，用乙醇洗涤，去除未反应组分和反应副产物，收集真空干燥后的颗粒，记作Fe3O4@MPS；
[0011] 步骤4、将步骤3所制备的Fe3O4@MPS与2-甲基
丙烯酸乙酯(DMA)、4-乙烯基苯
硼酸(VPBA)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和磺胺甲恶唑加入乙腈中，超声溶解；然后，进行搅拌并通入氮气，加入过
硫酸铵(APS)，进行密封反应，得到的固体用索氏提取除去磺胺甲恶唑，记作Fe3O4@MIPs，即为基于磁性四氧化三铁纳米粒子-pH响应型印迹材料。
[0012] 优选的，步骤1中，所述第一次搅拌时间为20～40min；所述第二次搅拌时间为40～60min；所述反应的条件为：温度180～220℃，时间8～12小时。
[0013] 优选的，步骤1中，所述六水合氯化铁、乙酸钠、柠檬酸三钠、聚乙二醇、乙二醇的用量比为1.2～1.5g:3.2～3.9g:0.50～0.89g:0.7～1.2g:50～80mL。
[0014] 优选的，步骤2中，所述超声时间为10～30min；所述机械搅拌反应时间为5～8h；所述一定温度为85～95℃。
[0015] 优选的，步骤2中，所述Fe3O4、氨水、十六烷基三甲基溴化铵、乙醇、去离子水、正硅酸四乙酯的用量比为0.25～0.35g:2.5～5mL:0.5～0.7g:60～100mL:15～25mL:2.5～3.5mL。
[0016] 优选的，步骤3中，所述的超声时间为15～25min；所述剧烈搅拌时间为23～26h。
[0017] 优选的，步骤3中，所述Fe3O4@mSiO2、甲苯、γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的用量比为0.25～0.35g:60～80mL:4～7mL。
[0018] 优选的，步骤1～3中，所述真空干燥的温度为60～75℃。
[0019] 优选的，步骤4中，所述超声溶解的时间为15～25min，所述搅拌的时间为50～70min；所述密封反应的时间为23～26h。
[0020] 优选的，步骤4中，所述Fe3O4@MPS、2-甲基丙烯酸乙酯、4-乙烯基苯硼酸、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、磺胺甲恶唑、乙腈、过硫酸铵的用量比为0.14～0.16g:320～400μL:0.05～0.07g:0.08～0.10g:0.05～0.07g:90～120mL:0.05～0.07g。
[0021] 本发明所制备的pH响应型分子印迹聚合物用于检测牛奶中的磺胺甲恶唑。
[0022] 此外，在制备非印迹聚合物时(记作Fe3O4@NIPs)，与上述步骤相同，唯一不同的是没有加入模板分子-磺胺甲恶唑。
[0023] 有益效果：
[0024] (1)本发明解决了传统的基体表面难直接聚合生成印迹材料的问题，通过利用Fe3O4纳米粒子为基体，成功制备了一种pH响应型印迹材料，实现了对磺胺甲恶唑的特异性检测。
[0025] (2)本发明所制备的pH响应型印迹材料，具有清晰的
核壳结构，经测试，具有良好的pH响应性能，可以通过改变pH实现对磺胺甲恶唑的提取。
[0026] (3)本发明在材料合成过程中介孔材料引入了，极大的增大了
比表面积，增加了特异性吸附位点，提高了印迹材料对磺胺甲恶唑的吸附效果，并且具有较好的
稳定性、高选择性等特点，从而实现对磺胺甲二唑的高效高选择性提取。
附图说明
[0027] 图1为
实施例2所制备样品的扫描电镜图和投射电镜图，其中a为Fe3O4纳米粒子的透射电镜图，b为介孔
二氧化硅包覆的四氧化三铁纳米粒子，即Fe3O4@mSiO2的透射电镜图，c为pH响应型印迹材料(Fe3O4@MIPs)的透射电镜图，d为非印迹材料(Fe3O4@NIPs)的透射电镜图。
[0028] 图2为实施例2所制备的样品的傅里叶红外图，其中a为Fe3O4纳米粒子的红外图，b为介孔二氧化硅包覆的四氧化三铁纳米粒子，即Fe3O4@mSiO2的红外，c为Fe3O4@MPS的红外图，d为pH响应型印迹材料(Fe3O4@MIPs)的红外图。
[0029] 图3为实施例2所制备的pH响应型分子印迹聚合物的氮气吸附等温线和
孔径分布图。
[0030] 图4为实施例2所制备的Fe3O4@MIPs和Fe3O4@NIPs吸附性能的图，其中(a)为吸附动力学曲线，(b)为吸附等温线。
[0031] 图5为实施例2所制备的Fe3O4@MIPs和Fe3O4@NIPs的吸附性能的图，其中a为用朗格缪尔吸附类型拟合曲线图。
[0032] 图6为实施例2所制备的Fe3O4@MIPs和Fe3O4@NIPs的pH响应性能图，其中(a)为pH对Fe3O4@MIPs和Fe3O4@NIPs吸附量的影响，(b)为pH对Fe3O4@MIPs释放磺胺甲二唑行为的影响。
[0033] 图7为实施例2所制备的Fe3O4@MIPs和Fe3O4@NIPs的重复性研究。
具体实施方式
[0034] 下表面结合具体实施例对本发明作进一步描述：
[0035] 实施例1：
[0036] 步骤1、Fe3O4纳米粒子的制备：将1.2g FeCl3·6H2O加入至50mL乙二醇中，并搅拌20min至溶液澄清，依次加入3.2g乙酸钠(NaAc)、0.5g柠檬酸三钠(Na3Cit)和0.7g聚乙二醇，经磁力搅拌40min后，将混合液转移到内衬聚四氟乙烯的
不锈钢高压釜中，180℃高温反应8h后，自然冷却到室温；最后，黑色的沉淀物用蒸馏水和乙醇分别洗涤，真空干燥，温度为
60℃，得到Fe3O4纳米粒子；
[0037] 步骤2、将步骤1得到的Fe3O4纳米粒子取0.25g加入至含有0.5g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、2.5mL氨水、60mL乙醇和15mL去离子水的混合溶液中，超声10min后，将2.5mL正硅酸四乙酯(TEOS)缓慢滴加至上述溶液，然后机械搅拌5h，得到的产物经磁性分离后，用水和乙醇分别反复清洗，然后真空干燥；最后得到的纳米颗粒用丙酮85℃回流除掉CTAB，收集干燥后的聚合物，记作Fe3O4@mSiO2；
[0038] 步骤3、Fe3O4@mSiO2的化学修饰：将步骤2中的Fe3O4@mSiO2纳米粒子取0.25g加入至60mL甲苯中，并超声15min分散均匀；然后，将4mL的γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)缓慢滴加至上述溶液中，在氮气气氛下剧烈搅拌23h；反应后的溶液通过磁性分离得到纳米颗粒，用乙醇多次洗涤，以除去未反应组分和反应副产物，收集真空干燥后的颗粒，记作Fe3O4@MPS；
[0039] 步骤4、将步骤3所制备的Fe3O4@MPS取0.14g与320μL 2-甲基丙烯酸乙酯(DMA)、0.05g 4-乙烯基苯硼酸(VPBA)、0.08g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和0.05g磺胺甲恶唑溶解在90mL乙腈中，并超声15min至分散均匀；然后，将上述溶液剧烈搅拌并通入氮气50min，加入0.05g过硫酸铵(APS)，之后密封持续搅拌23h；得到的固体用索氏提取除去磺胺甲恶唑，记作Fe3O4@MIPs。
[0040] 非印迹聚合物时(记作Fe3O4@NIPs)，与Fe3O4@MIPs的合成方法类似，唯一不同的是没有加入模板分子-磺胺甲恶唑。
[0041] 实施例2：
[0042] 步骤1、Fe3O4纳米粒子的制备：将1.35g FeCl3·6H2O加入至60mL乙二醇中，并搅拌30min至溶液澄清，依次加入3.6g乙酸钠(NaAc)、0.72g柠檬酸三钠(Na3Cit)和1g聚乙二醇；
经磁力搅拌50min后，将混合液转移到内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，200℃高温反应
10h后，自然冷却到室温；最后,黑色的沉淀物用蒸馏水和乙醇分别洗涤，真空干燥，温度为
65℃，得到Fe3O4纳米粒子；
[0043] 步骤2、将步骤1得到的Fe3O4纳米粒子取0.3g加入至含有0.6g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、3mL氨水、80mL乙醇和20mL去离子水的混合溶液中，超声15min后，将3mL正硅酸四乙酯(TEOS)缓慢滴加至上述溶液，然后机械搅拌6h，得到的产物经磁性分离后，用水和乙醇分别反复清洗，然后真空干燥。最后得到的纳米颗粒用丙酮90℃回流除掉CTAB，收集干燥后的聚合物，记作Fe3O4@mSiO2；
[0044] 步骤3、Fe3O4@mSiO2的化学修饰：将步骤2中的Fe3O4@mSiO2纳米粒子取0.3g加入至70mL甲苯中，并超声20min分散均匀。然后，将5mLγ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)缓慢滴加至上述溶液中，在氮气气氛下剧烈搅拌24h。反应后的溶液通过磁性分离得到纳米颗粒，用乙醇多次洗涤，以除去未反应组分和反应副产物，收集真空干燥后的颗粒，记作Fe3O4@MPS；
[0045] 步骤4、将步骤3所制备的Fe3O4@MPS取0.15g与360μL 2-甲基丙烯酸乙酯(DMA)、0.06g 4-乙烯基苯硼酸(VPBA)、0.09g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和0.06g磺胺甲恶唑溶解在100mL乙腈中，并超声20min至分散均匀。然后,将上述溶液剧烈搅拌并通入氮气60min，加入0.06g过硫酸铵(APS)，之后密封持续搅拌24h；得到的固体用索氏提取除去磺胺甲恶唑，记作Fe3O4@MIPs。
[0046] 非印迹聚合物时(记作Fe3O4@NIPs)，与Fe3O4@MIPs的合成方法类似，唯一不同的是没有加入模板分子-磺胺甲恶唑。
[0047] 实施例3：
[0048] 步骤1、Fe3O4纳米粒子的制备：将1.5g FeCl3·6H2O加入至80mL乙二醇中，并搅拌40min至溶液澄清，依次加入3.9g乙酸钠(NaAc)、0.89g柠檬酸三钠(Na3Cit)和1.2g聚乙二醇；经磁力搅拌60min后，将混合液转移到内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中。220℃高温反应12h后，自然冷却到室温。最后,黑色的沉淀物用蒸馏水和乙醇分别洗涤，真空干燥，温度为75℃，得到Fe3O4纳米粒子；
[0049] 步骤2、将步骤1得到的Fe3O4纳米粒子取0.35g加入至含有0.7g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、5mL氨水、100mL乙醇和25mL去离子水的混合溶液中，超声30min后，将3.5mL正硅酸四乙酯(TEOS)缓慢滴加至上述溶液，然后机械搅拌8h，得到的产物经磁性分离后，用水和乙醇分别反复清洗，然后真空干燥，最后得到的纳米颗粒用丙酮95℃回流除掉CTAB，收集干燥后的聚合物，记作Fe3O4@mSiO2；
[0050] 步骤3、Fe3O4@mSiO2的化学修饰：将步骤2中的Fe3O4@mSiO2纳米粒子取0.35g加入至80mL甲苯中，并超声25min分散均匀；然后，将7mL的γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)缓慢滴加至上述溶液中，在氮气气氛下剧烈搅拌26h，反应后的溶液通过磁性分离得到纳米颗粒，用乙醇多次洗涤，以除去未反应组分和反应副产物，收集真空干燥后的颗粒，记作Fe3O4@MPS；
[0051] 步骤4、将步骤3所制备的Fe3O4@MPS取0.16g与400μL 2-甲基丙烯酸乙酯(DMA)、0.07g 4-乙烯基苯硼酸(VPBA)、0.10g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和0.07g磺胺甲恶唑溶解在120mL乙腈中，并超声25min至分散均匀。然后,将上述溶液剧烈搅拌并通入氮气70min，加入0.07g过硫酸铵(APS)，之后密封持续搅拌26h，得到的固体用索氏提取除去磺胺甲恶唑，记作Fe3O4@MIPs。
[0052] 非印迹聚合物时(记作Fe3O4@NIPs)，与Fe3O4@MIPs的合成方法类似，唯一不同的是没有加入模板分子-磺胺甲恶唑。
[0053] 图1为实施例2所制备样品的扫描电镜图和投射电镜图，其中a为Fe3O4纳米粒子的透射电镜图，可以看出制备的Fe3O4为尺寸在300nm左右的球形颗粒；b为介孔二氧化硅包覆的四氧化三铁纳米粒子，即Fe3O4@mSiO2的透射电镜图，呈现出明显的核壳结构，且包覆的二氧化硅厚度约为70nm；c和d分别为pH响应型印迹材料(Fe3O4@MIPs)和非印迹材料(Fe3O4@NIPs)的透射电镜图，两者的透射电镜图并无明显差别，均为三层结构。
[0054] 图2为实施例2所制备的样品的傅里叶红外图，其中a为Fe3O4纳米粒子的红外图，b为介孔二氧化硅包覆的四氧化三铁纳米粒子，即Fe3O4@mSiO2的红外，c为Fe3O4@MPS的红外图，d为pH响应型印迹材料(Fe3O4@MIPs)的红外图。其中592.85cm-1处的峰值是由于Fe3O4磁性纳米颗粒的Fe-O拉伸所致。对于Fe3O4@mSiO2,1088.59cm-1和801.31cm-1处的不同峰值分别符合Si-O-Si非对称拉伸振动和对称拉伸振动，950.58cm-1处的峰值具有Si-O-H弯曲振动的特征。Fe3O4@MPS中约1635.7cm-1的峰值为C-C双键。在Fe3O4@MIP的
光谱中，3430.79cm-1处的峰值与DMA一致。
[0055] 图3为实施例2所制备的pH响应型分子印迹聚合物的氮气吸附等温线和孔径分布图；其中，插图为孔径分布图。从图中可以看出，Fe3O4@MIP的吸附/
解吸过程符合典型的IV型-1等温线，表明多孔结构清晰。此外，印迹材料的比表面积测量为651.7080m2·g ,吸附分支材料的平均孔隙直径是2.2312nm。
[0056] 图4为实施例2所制备的Fe3O4@MIPs和Fe3O4@NIPs吸附性能的图，其中(a)为吸附动力学曲线，可以看出Fe3O4@MIP和Fe3O4@NIP的Q值在前40min迅速增加，开始仅80min就达到吸附平衡。结果表明，制备的Fe3O4@MIP纳米颗粒吸附速率快，因为磁性纳米粒子表面有丰富的印迹位点；(b)为吸附等温线，发现随着SMX浓度从0.1mmol·L-1增加到0.5mmol·L-1的过程中,Fe3O4@MIP/Fe3O4@NIP的Q值明显增大。此外，由于印迹效应，Fe3O4@MIP的Q值均明显高于Fe3O4@NIP的Q值。
[0057] 图5为实施例2所制备的Fe3O4@MIPs和Fe3O4@NIPs对磺胺甲二唑特异性吸附的研究图。通过与磺胺甲恶唑(SMX)及其结构类似物磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺二甲基嘧啶(SMZ)和不同结构化合物四溴双酚A(TBBPA)的结合能力比较，评价了印迹纳米颗粒的特异性。Fe3O4@MIP纳米粒子表现出对磺胺甲恶唑更高的结合能力，印迹因子(IF)也更高(SMX的IF＝2.14,SDZ的IF＝1.33，SMZ的IF＝1.28和TBBPA的IF＝1.09)，揭示，提出Fe3O4@MIP SMX的选择性吸附,这依赖于构象记忆印记印蛀牙形成的过程。此外，结构类似物与模板SMX具有相同的-S(＝2-
O) 基团，这导致它们与印迹纳米粒子的结合显著高于TBBPA。显然，Fe3O4@MIP对这些化合物的吸附能力明显高于Fe3O4@NIP。
[0058] 图6为实施例2所制备的Fe3O4@MIPs和Fe3O4@NIPs的pH响应性能图，其中(a)为pH对Fe3O4@MIPs和Fe3O4@NIPs吸附量的影响，随着pH值的增加，SMX的吸附能力增加，在pH＝7时达到平衡。这主要是由于靶分子与功能
单体之间的氢键在pH小于4时解离，在pH大于6时形成。与Fe3O4@NIP相比，Fe3O4@MIP的吸附能力更高，这是因为印迹聚合物表面形成了与SMX匹配的特异性识别空腔。(b)为pH对Fe3O4@MIPs释放磺胺甲二唑行为的影响，可以观察到SMX的释放量随着环境pH值从2升高到8而降低。此外，用PB缓冲溶液(pH＝2)洗涤3次，每次1h，几乎可以释放所有模板。SMX的这种pH响应释放与印迹纳米颗粒的膨胀收缩行为密切相关。
[0059] 图7为实施例2所制备的Fe3O4@MIPs和Fe3O4@NIPs的重复性研究。在循环8次后，Fe3O4@MIP/Fe3O4@NIP仍可再生，且吸附能力无明显降低。这是由于SMX的释放是通过改变环境pH值来实现的，而不是通过苛刻的
有机溶剂来实现的，因为
有机溶剂通常会堵塞印迹腔，造成较差的可重用性。
[0060] 说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本
说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行
修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的
权利要求范围内。
