雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備和應用的制作方法
【專利摘要】一種雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備,首先采用水熱一步法在石墨烯表面負載Fe3O4微球,得到磁性石墨烯,然后以磁性石墨烯為載體,在其表面利用分子印跡技術合成磁性石墨烯基分子印跡納米膜。本發明的優點:該分子印跡雜化材料制備方法工藝合理、易于實施;制備的磁性石墨烯基分子印跡雜化材料中磁性功能化石墨烯不僅具有磁性方便分離的特性,同時可增強電化學傳感器的響應信號,用于飲用水中雌激素的檢測,具有良好的化學穩定性、重復利用性以及快速響應和高靈敏度的特性,將給雌激素類內分泌干擾物的檢測帶來極大的方便,并極大提高分子印跡技術的使用效率,拓寬分子印跡應用的范圍。
【專利說明】雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備和應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及分子印跡雜化材料的制備,特別是一種雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備和應用。
【背景技術】
[0002]雌激素類內分泌干擾物是雌性個體內分泌系統穩定性的保持者和雌性個體第二生理特征的維持者。如果雌激素在個體內呈現不平衡狀態,則會對生物體的生殖體統、內分泌系統和免疫系統等產生不利影響。既可能造成睪丸、卵巢等生殖器官的畸形,也可能引發雌雄一體化和雄性雌性化等異常生理現象。雌二醇作為一種天然雌激素,可以直接或者間接的影響神經系統,進而對內分泌系統產生影響。雌激素通過生活污水和工業廢水等途徑進入水體,由于雌激素的難降解以及水處理能力的限制,使得雌激素在水資源中濃縮和生物體內富集,在水資源的整個循環利用過程中影響水生態環境。
[0003]為此,許多國家己經規定了雌二醇及其衍生物的最高殘留限量,例如,1991年美國農業部食品安全檢驗署(FSIS)公布,在家禽的可食用部分中雌二醇棕擱酸的最高殘留限量為0.002mg/kg;韓國獸藥最高殘留限量規定,牛肉中苯甲酸雌二醇最高限量是
0.00012mg/kg。因此,對水中存在的雌二醇及其生物學活性的研究具有十分重要的現實意義。
[0004]分子印跡傳感器將分子印跡技術應用于化學傳感器,使分子印跡技術的專屬特性與傳感技術相結合,采用選擇性好、識別能力高、實用性強的分子印跡聚合物(MIPs)作為構成識別元件的敏感材料,制作快速響應、高靈敏檢測、使用壽命長的分子印跡傳感器。在分子印跡傳感器裝置中,分子印跡聚合物膜作為識別元件被固定在傳感器與待測物的界面,當其具有的識別位點與目標分子相互作用結合時,會產生一個分子識別的化學信號,轉換器將此信號轉換成一個可監測的輸出信號,從而實現對目標分子的特異性檢測。
[0005]石墨烯以其二維晶體結構被認為是最理想的碳材料,是單層的石墨片,其厚度約為0.335nm,是目前已知材料中最薄的一種。石墨烯的平面內碳原子按六邊形的晶格結構規則周期性的排列,每個碳原子均為SP2軌道雜化,同時剩余一個P軌道電子形成的大n鍵與該平面呈垂直方向。這些n電子可以自由的移動在整個晶體結構中,因此賦予了石墨烯良好的導電性。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是克服傳統檢測雌激素類內分泌干擾物方法中響應速度慢、檢測靈敏度低、使用壽命短等不足,提供一種雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備,并將其應用于飲用水中雌激素類內分泌干擾物的快速響應及高靈敏檢測。
[0007]本發明的技術方案:
一種雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備,首先采用水熱一步法在石墨烯表面負載Fe3O4微球,得到磁性石墨烯,然后以磁性石墨烯為載體,在其表面利用分子印跡技術合成磁性石墨烯基分子印跡納米膜,包括如下步驟:
1)采用水熱法合成磁性石墨烯
將FeCl3WH2O溶于乙二醇中,超聲攪拌均勻得黃色透明溶液后,加入氧化石墨烯,超聲分散混合均勻,然后加入無水乙酸鈉,超聲攪拌30min,將混合均勻的溶液轉入不銹鋼反應釜中,放入烘箱中在200°C下晶化反應8-24h,冷卻后將所得黑色絮狀物質用去離子水和乙醇分別各磁分離洗滌3次,真空干燥12h,得到磁性石墨烯;
2)溴代磁性石墨烯的制備
將磁性石墨烯、NaOH和NaClO3混合,超聲l_2h后靜置沉淀,分離沉淀物用無水乙醇洗滌三次,置于真空干燥箱中干燥,得到羧基化磁性石墨烯,將羧基化磁性石墨烯與溴代酯超聲分散到無水甲苯中,通氮除氧后將反應體系密封,向反應體系中注入無水三乙胺,100°C下回流反應24-48h,收集產物并依次用甲苯、乙醇和乙醚各洗滌3次,真空干燥后得到溴代磁性石墨烯; 3)可逆加成-斷裂鏈轉移劑化磁性石墨烯的制備
將苯基溴化鎂超聲分散于四氫呋喃中,油浴預熱至40°C,加入二硫化碳,反應2-4h,然后加入溴代磁性石墨烯,超聲使之充分分散,通氮除氧后將反應體系密封,60°C下反應24-72h,用冰鹽酸終止反應,收集產物并依次用蒸餾水、四氫呋喃、無水乙醇各洗滌3次,真空干燥后得到棕色的可逆加成-斷裂鏈轉移劑化磁性石墨烯;
4)磁性石墨烯基分子印跡雜化材料的制備
將可逆加成-斷裂鏈轉移劑化磁性石墨烯超聲分散于乙腈中,依次加入雌激素、甲基丙烯酸和二乙烯基苯并超聲分散均勻,通氮除氧后將反應體系密封,向密閉的反應體系中注入濃度為0.5mg/mL的偶氮二異丁腈乙腈溶液,50_80°C下油浴反應24h,收集產物并依次用氯仿、甲醇、丙酮各洗滌3次,再用體積比為2:8的冰乙酸-乙醇混合溶液洗滌萃取雌激素,將反應產物真空干燥后,制得到磁性石墨烯基分子印跡雜化材料。
[0008]所述FeCl3*6H20、乙二醇、氧化石墨烯、無水乙酸鈉、去離子水和乙醇的用量比為lmmol:20-50mL:50_200mg:2_8 mmol:30mL:30mL。
[0009]所述磁性石墨烯、NaOH、NaClO3、溴代酯和無水三乙胺的用量比為50_200mg:5g:5g: l_3mL: l_2mL0
[0010]所述苯基溴化鎂、四氫呋喃、二硫化碳和溴代磁性石墨烯的用量比為10-30mL:50_150mL:5_15mL:50_200mg。
[0011]所述可逆加成-斷裂鏈轉移劑化磁性石墨烯、乙腈、雌激素、甲基丙烯酸、二乙烯基苯、偶氮二異丁腈乙腈溶液和冰乙酸-乙醇混合溶液的用量比為100-300mg:20-50mL:l-6mmol:6-12mmol:20-60mmol:10_30mL:200mLo
[0012]一種所述雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的應用,用于飲用水中雌激素的高靈敏檢測,具體方法是:磁性石墨烯基雌二醇分子印跡納米膜和非印跡納米膜分別溶于去離子水制成濃度為lmg/mL的水溶液,將各水溶液分別超聲30分鐘分得到均一的懸濁液;用微量進樣器分別取20 UL上述懸濁液滴加到拋光好的玻碳電極表面,在室溫下晾干待用;配制雌二醇飲用水標準溶液,用緩沖溶液調節PH為7.0,利用磁性石墨烯基雌二醇分子印跡雜化材料修飾的玻碳電極對其進行電化學傳感檢測,并在考慮溫度、吸附時間和底物濃度影響因素及重復利用率的基礎上,評價該分子印跡傳感器的檢測效率和靈敏度。[0013]本發明的優點:該分子印跡雜化材料制備方法工藝合理、易于實施;制備的磁性石墨烯基分子印跡雜化材料用于飲用水中雌激素的檢測,具有良好的化學穩定性、重復利用性以及快速響應和高靈敏度的特性;磁性功能化石墨烯不僅具有磁性方便分離的特性,同時可增強電化學傳感器的響應信號;用于飲用水中雌激素的高靈敏檢測具有快響應性、預定性、識別性和實用性,將給雌激素類內分泌干擾物的檢測帶來極大的方便,并極大提高分子印跡技術的使用效率,拓寬分子印跡應用的范圍。
[0014]【【專利附圖】
【附圖說明】】
圖1為磁性石墨烯的電鏡圖。
[0015]圖2為磁性石墨烯基雌二醇分子印跡雜化材料的電鏡圖。
[0016]圖3為磁性石墨烯、磁性石墨烯基雌二醇分子印跡納米膜修飾電極的電化學響應信號圖,圖中:a為玻碳電極、b為磁性石墨烯修飾電極、c為磁性石墨烯基雌二醇非分子印跡納米膜修飾電極、d為磁性石墨烯基雌二醇分子印跡納米膜修飾電極、e為磁性石墨烯基雌二醇分子印跡納米膜吸附雌二醇修飾電極。
[0017]圖4為分子印跡傳感器檢測飲用水中雌激素的電信號響應曲線。
[0018]【【具體實施方式】】
實施例:
一種雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備,首先采用水熱一步法在石墨烯表面負載Fe3O4微球,得到磁性石墨烯,然后以磁性石墨烯為載體,在其表面利用分子印跡技術合成磁性石墨烯基分子印跡納米膜,包括如下步驟:
I)采用水熱法合成磁性石墨烯
將lmmol FeCl3*6H20溶于40mL乙二醇中,超聲攪拌均勻得黃色透明溶液后,加入IOOmg氧化石墨烯,超聲分散混合均勻,然后加入5 mmol無水乙酸鈉,超聲攪拌30min,將混合均勻的溶液轉入不銹鋼反應釜中,放入烘箱中在200°C下晶化反應16h,冷卻后將所得黑色絮狀物質用30mL去離子水和乙醇分別各磁分離洗滌3次,真空干燥12h,得到磁性石墨烯。
[0019]圖1為磁性石墨烯的電鏡圖,圖中顯示:利用FeCl3*6H20在高溫下熱解制備的四氧化三鐵納米顆粒為均勻的球形結構,平均粒徑約150-300nm。當Fe3O4納米磁球成功的負載到石墨烯片層表面時,基底石墨烯變得更加褶皺,并且出現一定的波紋,這可能源于石墨烯基底和四氧化三鐵納米磁球之間強烈的電子耦合作用。
[0020]2)溴代磁性石墨烯的制備
在200mL燒杯中,將IOOmg磁性石墨烯、5g NaOH和5gNaC103混合,超聲Ih后靜置沉淀,分離沉淀物用無水乙醇洗滌三次,置于真空干燥箱中干燥,得到羧基化磁性石墨烯,將IOOmg羧基化磁性石墨烯與ImL溴代酯超聲分散到40mL無水甲苯中,通氮除氧后將反應體系密封,向反應體系中注入ImL無水三乙胺,100°C下回流反應24h,收集產物并依次用甲苯、乙醇和乙醚各洗滌3次,真空干燥后得到溴代磁性石墨烯、
3)可逆加成-斷裂鏈轉移劑化磁性石墨烯的制備
將20mL苯基溴化鎂超聲分散于80mL四氫呋喃中,油浴預熱至40°C,加入IOmL 二硫化碳,反應3h,然后加入IOOmg溴代磁性石墨烯,超聲使之充分分散,通氮除氧后將反應體系密封,60°C下反應48h,用冰鹽酸終止反應,收集產物并依次用蒸餾水、四氫呋喃、無水乙醇各洗滌3次,真空干燥后得到棕色的可逆加成-斷裂鏈轉移劑化磁性石墨烯。[0021]4)磁性石墨烯基分子印跡雜化材料的制備
將IOOmg可逆加成-斷裂鏈轉移劑化磁性石墨烯超聲分散于40mL乙腈中,依次加入2mmol雌激素、8mmol甲基丙烯酸和40mmol 二乙烯基苯并超聲分散均勻,通氮除氧后將反應體系密封,向密閉的反應體系中注入20mL濃度為0.5mg/mL的偶氮二異丁腈乙腈溶液,65°C下油浴反應24h,收集產物并依次用氯仿、甲醇、丙酮各洗滌3次,再用200mL體積比為2:8的冰乙酸-乙醇混合溶液洗滌萃取雌激素,將反應產物真空干燥后,制得到磁性石墨烯基分子印跡雜化材料。
[0022]圖2為磁性石墨烯基雌二醇分子印跡雜化材料的電鏡圖,圖中顯示:磁性石墨烯表面接枝分子印跡膜后,其表面像被一層巨大的云狀物籠罩,結構發生了明顯變化,幾乎沒有透光性,該層云狀物即采用RAFT分子印跡技術所制備的分子印跡聚合物。
[0023]將所制備的雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料用于飲用水中雌激素的高靈敏檢測,并以17 P -雌二醇為目標分子,將磁性石墨烯基17 P -雌二醇分子印跡雜化材料與非分子印跡雜化材料對17 3 -雌二醇進行電化學傳感檢測實驗。
[0024]將磁性石墨烯、磁性石墨烯基雌二醇分子印跡雜化材料和非印跡納米膜分別溶于去離子水制成lmg/mL的水溶液,其中磁性石墨烯基雌二醇非分子印跡雜化材料中不加入17 3 -雌二醇,將各水溶液分別超聲30分鐘分得到均一的懸濁液;用微量進樣器取20 y L上述懸濁液滴加到拋光好的玻碳電極表面,在室溫下晾干待用。
[0025]圖3為磁性石墨烯、磁性石墨烯基雌二醇分子印跡雜化材料修飾電極的電化學響應信號圖,圖中a為 玻碳電極,b為磁性石墨烯修飾電極,圖中顯示:磁性石墨烯修飾電極具有更強的電化學傳感器響應信號,原因在于石墨烯巨大的比表面積和Fe3O4納米粒子的電催化效應;然而當在電極表面上形成的雌二醇分子印跡納米膜后,其峰電流值出現明顯的下降,這是由非導電性的分子印跡納米膜對磁場的抑制作用,如圖中d所示;當分子印跡聚合物中的孔穴被占據時會阻礙有效的電子傳輸通過整個分子印跡聚合物的網狀交聯結構,導致循環伏安測試中所產生的氧化還原峰出現一系列響應的變化,如圖中e所示;此外,非印跡納米膜電極顯示了較弱的電化學信號,如圖中c所示,這是由于非分子印跡聚合物所具備的的交聯網狀結構不僅不具備電化學傳導性,而且沒有與模板分子相匹配的印跡空穴,即沒有為電子的轉移和傳輸提供相應的通道。
[0026]配制濃度為0.05-60 u mo I/L的17 P -雌二醇飲用水標準溶液,用緩沖溶液調節pH為7.0,利用磁性石墨烯基雌二醇分子印跡雜化材料和非分子印跡雜化材料修飾玻碳電極,采用差分脈沖法檢測標準溶液中的17 P -雌二醇,其檢測電位為0.5V,吸附時間為7分鐘,檢測限為 0.819nmol/L(S/N=3)。
[0027]圖4為分子印跡傳感器檢測飲用水中雌激素的電信號響應曲線,圖中顯示:隨著17 3 -雌二醇濃度的不斷增加其響應電流也隨之增加,當吸附達到飽和時,響應電流趨于穩定;在0.05到10 u mol/L濃度范圍內,濃度與響應電流之間呈現良好線性關系,其回歸方程為I(IiA)=0.87117C (PM)+0.08246,回歸系數R為0.9889 ;相比之下,非印跡納米膜修飾電極也有電流出現,但是電流相對較低,這是由于非分子印跡聚合物的制備過程中,高分子交聯聚合過程中也會形成一定的孔穴,為17 P -雌二醇的吸附提供一定的通道,但是聚合過程中,由于沒有加入目標分子17 P -雌二醇,因此即使孔穴中存在能與17 P -雌二醇相互作用的官能團,但是該孔穴不能產生印跡效應,對17 0-雌二醇的吸附只是非特異性吸附。
【權利要求】
1.一種雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備,其特征在于:首先采用水熱一步法在石墨烯表面負載Fe3O4微球,得到磁性石墨烯,然后以磁性石墨烯為載體,在其表面利用分子印跡技術合成磁性石墨烯基分子印跡納米膜,包括如下步驟: 1)采用水熱法合成磁性石墨烯 將FeCl3^H2O溶于乙二醇中,超聲攪拌均勻得黃色透明溶液后,加入氧化石墨烯,超聲分散混合均勻,然后加入無水乙酸鈉,超聲攪拌30min,將混合均勻的溶液轉入不銹鋼反應釜中,放入烘箱中在200°C下晶化反應8-24h,冷卻后將所得黑色絮狀物質用去離子水和乙醇分別各磁分離洗滌3次,真空干燥12h,得到磁性石墨烯; 2)溴代磁性石墨烯的制備 將磁性石墨烯、NaOH和NaClO3混合,超聲l_2h后靜置沉淀,分離沉淀物用無水乙醇洗滌三次,置于真空干燥箱中干燥,得到羧基化磁性石墨烯,將羧基化磁性石墨烯與溴代酯超聲分散到無水甲苯中,通氮除氧后將反應體系密封,向反應體系中注入無水三乙胺,100°C下回流反應24-48h,收集產物并依次用甲苯、乙醇和乙醚各洗滌3次,真空干燥后得到溴代磁性石墨烯; 3)可逆加成-斷裂鏈轉移劑化磁性石墨烯的制備 將苯基溴化鎂超聲分散于四氫呋喃中,油浴預熱至40°C,加入二硫化碳,反應2-4h,然后加入溴代磁性石墨烯,超聲使之充分分散,通氮除氧后將反應體系密封,60°C下反應24-72h,用冰鹽酸終止反應,收集產物并依次用蒸餾水、四氫呋喃、無水乙醇各洗滌3次,真空干燥后得到棕色的可逆加成-斷裂鏈轉移劑化磁性石墨烯; 4)磁性石墨烯基分子印跡雜化材料的制備 將可逆加成-斷裂鏈轉移劑化磁性石墨烯超聲分散于乙腈中,依次加入雌激素、甲基丙烯酸和二乙烯基苯并超聲分散均勻,通氮除氧后將反應體系密封,向密閉的反應體系中注入濃度為0.5mg/mL的偶氮二異丁腈乙腈溶液,50_80°C下油浴反應24h,收集產物并依次用氯仿、甲醇、丙酮各洗滌3次,再用體積比為2:8的冰乙酸-乙醇混合溶液洗滌萃取雌激素,將反應產物真空干燥后,制得到磁性石墨烯基分子印跡雜化材料。
2.根據權利要求1所述雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備,其特征在于:所述FeCl3*6H20、乙二醇、氧化石墨烯、無水乙酸鈉、去離子水和乙醇的用量比為1mmol:20_50mL:50_200mg:2_8 mmol:30mL:30mL。
3.根據權利要求1所述雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備,其特征在于:所述磁性石墨烯、NaOH、NaClO3溴代酯、溴代酯和無水三乙胺的用量比為50_200mg:5g:5g:l_3mL:l_2mL0
4.根據權利要求1所述雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備,其特征在于:所述苯基溴化鎂、四氫呋喃、二硫化碳和溴代磁性石墨烯的用量比為10-30mL:50_150mL:5_15mL:50_200mg。
5.根據 權利要求1所述雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的制備,其特征在于:所述可逆加成-斷裂鏈轉移劑化磁性石墨烯、乙腈、雌激素、甲基丙烯酸、二乙烯基苯、偶氮二異丁腈乙腈溶液和冰乙酸-乙醇混合溶液的用量比為100-300mg:20-50mL:l-6mmol:6-12mmol:20-60mmol:10_30mL:200mLo
6.一種權利要求1所制備的雌激素類內分泌干擾物的分子印跡雜化材料的應用,其特征在于:用于飲用水中雌激素的高靈敏檢測,具體方法是:將磁性石墨烯、磁性石墨烯基雌二醇分子印跡納米膜和非印跡納米膜分別溶于去離子水制成濃度為lmg/mL的水溶液,將各水溶液分別超聲30分鐘分得到均一的懸濁液;用微量進樣器分別取20 y L上述懸濁液滴加到拋光好的玻碳電極表面,在室溫下晾干待用;配制雌二醇飲用水標準溶液,用緩沖溶液調節PH為7.0,利用磁性石墨烯基雌二醇 分子印跡雜化材料修飾的玻碳電極對其進行電化學傳感檢測,并在考慮溫度、吸附時間和底物濃度影響因素及重復利用率的基礎上,評價該分子印跡傳感器的檢測效率和靈敏度。
【文檔編號】C08J9/28GK103641944SQ201310677176
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】李穎, 李蘋, 黃艷鳳, 李加輝, 吳軍, 寇瀟雨 申請人:天津工業大學