磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料的制备与应用方法
阅读说明：本技术 磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料的制备与应用方法 (Preparation and application methods of sulfanilamide antibiotic composite template molecularly imprinted magnetic material ) 是由 马晓国 樊银明 于 2021-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种磺胺类抗生素(磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛)复合模板分子印迹磁性材料的制备及其在磺胺类抗生素的吸附去除和固相萃取中的应用。将这些磺胺类抗生素与功能单体4-乙烯苯甲酸预聚合后,加入磁性氧化石墨烯-介孔硅以及交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯和引发剂2,2’-偶氮二异丁腈,进行表面分子印迹。所得磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料可同时对溶液中的这些磺胺类抗生素进行高选择性吸附和快速分离,每种抗生素的吸附容量均达16mg/g以上,能重复使用5次,可用于磺胺类抗生素的吸附去除和检测时的样品前处理。(The invention relates to a preparation method of a sulfanilamide antibiotic (sulfadiazine, sulfathiazole, sulfamethazine, sulfadimidine, sulfamethoxazole and sulfadoxine) composite template molecularly imprinted magnetic material and application thereof in adsorption removal and solid phase extraction of sulfanilamide antibiotics. After the sulfonamide antibiotics and the functional monomer 4-vinylbenzoic acid are prepolymerized, magnetic graphene oxide-mesoporous silicon, a crosslinking agent ethylene glycol dimethacrylate and an initiator 2, 2' -azobisisobutyronitrile are added for surface molecular imprinting. The obtained sulfanilamide antibiotic composite template molecularly imprinted magnetic material can be used for simultaneously carrying out high-selectivity adsorption and rapid separation on sulfanilamide antibiotics in a solution, the adsorption capacity of each antibiotic is more than 16mg/g, the sulfanilamide antibiotic composite template molecularly imprinted magnetic material can be repeatedly used for 5 times, and the sulfanilamide antibiotic composite template molecularly imprinted magnetic material can be used for adsorption removal of the sulfanilamide antibiotics and sample pretreatment during detection.)
技术领域
本发明属于新型环境功能材料、水处理及分析检测
技术领域
，具体涉及一种磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料的制备与应用方法。背景技术
磺胺类抗生素为人工合成的抗菌药，具有抗菌谱广、性质稳定、使用简便等优点。近年来，抗生素滥用造成的环境问题日趋严重，对生态环境和人体健康造成潜在危害。其中磺胺类抗生素在国内外各类水体中检出率相当高。这些抗生素长期留存于水体当中，如果不经过有效处理，将对生态环境和人体健康造成危害，如产生抗生素耐药性、造成人体免疫能力下降和肾脏伤害等。因此，快速、高效去除和监测环境水体中磺胺类抗生素的残留具有重要意义。
目前，磺胺类抗生素的去除技术主要包括生物法、物理法、传统化学法和高级氧化法，以吸附法和高级氧化法为主。生物法、传统化学法和高级氧化法受制于能耗、光源条件、微生物的抑制作用、转化产物的毒性等因素。吸附法的关键是吸附材料。已有的吸附材料包括生物炭、生物质碳、树脂、高硅沸石等，它们普遍存在吸附容量低、平衡时间长、选择性差、难以重复利用等弊端。因此，有必要研制效率高、选择性好、成本低、绿色环保的磺胺类抗生素吸附剂。
目前在环境和食品领域中，检测磺胺类抗生素最经常采用液相色谱及液相色谱-质谱联用技术。因为实际环境样品中磺胺类抗生素浓度低，基体成分复杂，在进行仪器检测前，需对样品中的磺胺类抗生素进行分离富集前处理。固相萃取具有操作简单、高效、稳定等优点，已经广泛应用于磺胺类抗生素的分析，但传统的固相萃取时间长、选择性较差。所以，有必要结合现有的色谱检测方法，开发出效率高、平衡时间短且具有良好选择性的新型固相萃取吸附剂。
分子印迹聚合物是一类以模板分子、功能单体、引发剂、交联剂及致孔剂等在特定的分散体系中通过聚合作用制得的交联聚合物，去除模板后，形成具有与目标分子形状、大小和功能互补的结合位点。这些具备特定的空间构型且含有可与模板分子产生特异性作用的官能团的结合位点，对模板分子有着“记忆效应”。因此，分子印迹聚合物以其构效预定性和特异识别性，近年来在有机污染物的去除和分析中发挥着重要的作用。然而，经典的分子印迹材料制备工艺复杂，吸附容量低、平衡时间长。近年来出现的表面分子印迹技术避免了上述缺点，解决了洗脱模板分子时存在的“包埋”过深而难以洗脱的问题。由于表面分子印迹聚合物的结合能力在很大程度上取决于载体的表面积，所以选择具有较大表面积的材料来制备分子印迹聚合物能够获得较高的吸附量。
氧化石墨烯拥有大的表面积及丰富的含氧官能团(如羟基、环氧基和羧基)。在氧化石墨烯表面负载四氧化三铁等可使其带有磁性，方便材料与吸附溶液的分离。介孔硅是一种多孔材料，具有表面积大等优点，可有效提高吸附性能。因此，在磁性氧化石墨烯表面负载介孔硅形成的复合材料将具有很大的比表面积和良好的亲水性能，可大大增加吸附位点数，提高对目标分子的选择性吸附能力。
目前大多数学者都是采用单一的模板分子合成单模板印迹聚合物来吸附环境中的污染物，难以实现同类污染物的同时处理。由于环境样品中多种磺胺类抗生素往往同时存在，单一模板磺胺分子印迹聚合物不能同时有效地对多种磺胺类抗生素进行吸附去除，所以有必要开发磺胺类抗生素复合模板分子印迹聚合物材料与应用技术。
发明内容
本发明的目的是针对现有磺胺吸附材料存在的一些问题，研发出一种吸附效果好、选择性高、处理时间短、操作简便的用于磺胺类抗生素同时吸附去除的新型材料和应用技术。
为此，以磁性氧化石墨烯-介孔硅为基体，磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛为复合模板分子，将这些磺胺类抗生素与功能单体4-乙烯苯甲酸预聚合后，加入磁性氧化石墨烯-介孔硅以及交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯和引发剂2，2’-偶氮二异丁腈，进行表面分子印迹。以得到的磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料为吸附剂，借助外加磁场，实现了对水样中磺胺类抗生素的高效、快速吸附去除和分离富集。
本发明所采用的技术方案是：
1、一种磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(1)氧化石墨烯(GO)的制备 采用改进的Hummer法，称取5.0g石墨粉(碳含量＞98wt％)和2.5g NaNO3，于冰浴、持续搅拌的条件下，混合于98％的浓H28O4(250mL)中；缓慢加入35g KMnO4，控制温度不超过283K，低温反应2h后，将温度维持在308±2K的范围，反应2h；然后逐滴加入240mL去离子水，当溶液温度达到90℃时，反应40min；反应结束后冷却至室温，得到的亮黄色的悬浮液；用500mL去离子水稀释，加入双氧水(30％)至无气泡生成；先后用稀释10倍以后的浓HCl和丙酮洗涤产物，于80℃下真空干燥。
(2)磁性氧化石墨烯(MGO)的制备 采用化学共沉淀法制备磁性MGO，将0.5g GO混合于去离子水中，室温条件下超声30min；接着加入8g的FeCl3·9H2O和7g的FeSO2·7H2O(Fe3+∶Fe2+＝1.5∶1，摩尔比)，通氮除氧；逐滴加入25％的氨水溶液，至pH＝11左右，于80℃条件下搅拌1h；反应终止后，将溶液冷却至室温并在磁铁的作用下收集样品，用去离子水、无水乙醇分别洗涤3次；将收集到的MGO于50℃真空干燥，研磨后放入干燥器内备用。
(3)磁性氧化石墨烯-介孔硅复合物([email protected]2)的制备 将0.5g的MGO、1.5g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和100mL的去离子水混合，并将混合物超声处理30min；再向溶液中加入250mL无水乙醇和5mL氨水(30％)，然后超声处理10min，在机械搅拌条件下逐滴加入4mL的正硅酸乙酯(TEOS)，室温条件下反应24h；收集材料后，用无水乙醇洗涤不少于3遍；为了除去CTAB，采用1％的硝酸铵-乙醇混合液作为溶剂，在60℃下冷凝回流24h，最后用无水乙醇洗涤3次，并在60℃下真空干燥。
(4)接枝双键的磁性氧化石墨烯-介孔硅复合物([email protected]2)的制备 将0.5g的[email protected]2分散于50mL甲苯中，超声反应60min；接着加入10mL乙烯基三甲氧基硅烷(VTTS)，通氮除氧(10min)，于50℃条件下搅拌反应24h；用磁铁将收集到的产物用甲苯洗涤3次，于50℃真空条件下干燥24h，得到修饰双键的[email protected]2([email protected]2)。
(5)磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料的制备 分别取磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛21、22、23、21、26、21mg溶于50mL甲苯中，超声15min；接着加入221mg 4-乙烯苯甲酸，继续超声15min，然后放入气浴摇床震荡8h(200rpm，15℃)；接着，加入300mg [email protected]，471μL的乙二醇二甲基丙烯酸酯，以及50mg的2，2’-偶氮二异丁腈，通氮除氧，于60℃水浴中机械搅拌24h(200rpm)；通过外加磁场收集得到的印迹聚合物，用甲醇冲洗2遍，接着在25℃下用甲醇∶乙酸(9∶1，V∶V)混合溶液洗脱聚合物至HPLC中检测不到模板分子；最后用甲醇将聚合物重复洗涤几次，于50℃下真空干燥24h。
2一种如权利要求1所述制备方法得到的磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料用于吸附去除和含磺胺类抗生素水样的磁固相萃取，其特征在于包括如下步骤：
(1)将20mg材料加到50mL含有一定浓度磺胺类抗生素的水样中，调节pH值为7，于恒温振荡器中200rpm下振荡吸附15min。
(2)用磁铁将吸附了磺胺类抗生素的磁性材料从溶液中分离出来，然后加入2mL甲醇，于恒温振荡器中200rpm下振荡洗脱6min，再次进行磁分离，收集洗脱液。
(3)用高效液相色谱仪测定洗脱液中磺胺类抗生素的浓度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明制备的磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料对磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛的饱和吸附量均达16mg/g以上，可重复利用5次以上，为实际水样中磺胺类抗生素污染的治理提供了新的技术。
(2)本发明制备的磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料对磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛具有优异的专一识别性，且拥有良好的超顺磁性和较大的比表面积，利用外加磁场可对基质复杂溶液中的磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛进行高选择性快速分离富集。
(3)本发明制备的磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料作为固相萃取过程中的吸附剂，平衡时间短、抗干扰能力强，可高效富集实际样品中的磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛，显著提高仪器对磺胺类抗生素的检出能力。
具体实施方式
下面通过实例对本发明做进一步详细说明，这些实例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
实施例1磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料的制备。
(1)氧化石墨烯(GO)的制备 采用改进的Hummer法，称取5.0g石墨粉(碳含量＞98wt％)和2.5g NaNO3，于冰浴、持续搅拌的条件下，混合于98％的浓H2SO4(250mL)中；缓慢加入35g KMnO4，控制温度不超过283K，低温反应2h后，将温度维持在308±2K的范围，反应2h；然后逐滴加入240mL去离子水，当溶液温度达到90℃时，反应40min；反应结束后冷却至室温，得到的亮黄色的悬浮液；用500mL去离子水稀释，加入双氧水(30％)至无气泡生成；先后用稀释10倍以后的浓HCl和丙酮洗涤产物，于80℃下真空干燥。
(2)磁性氧化石墨烯(MGO)的制备 采用化学共沉淀法制备磁性MGO，将0.5g GO混合于去离子水中，室温条件下超声30min；接着加入8g的FeCl3·9H2O和7g的FeSO2·7H2O(Fe3+∶Fe2+＝1.5∶1，摩尔比)，通氮除氧；逐滴加入25％的氨水溶液，至pH＝11左右，于80℃条件下搅拌1h；反应终止后，将溶液冷却至室温并在磁铁的作用下收集样品，用去离子水、无水乙醇分别洗涤3次；将收集到的MGO于50℃真空干燥，研磨后放入干燥器内备用。
(3)磁性氧化石墨烯-介孔硅复合物([email protected]2)的制备 将0.5g的MGO、1.5g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和100mL的去离子水混合，并将混合物超声处理30min；再向溶液中加入250mL无水乙醇和5mL氨水(30％)，然后超声处理10min，在机械搅拌条件下逐滴加入4mL的正硅酸乙酯(TEOS)，室温条件下反应24h；收集材料后，用无水乙醇洗涤不少于3遍；为了除去CTAB，采用1％的硝酸铵-乙醇混合液作为溶剂，在60℃下冷凝回流24h，最后用无水乙醇洗涤3次，并在60℃下真空干燥。
(4)接枝双键的磁性氧化石墨烯-介孔硅复合物([email protected]2)的制备 将0.5g的[email protected]2分散于50mL甲苯中，超声反应60min；接着加入10mL乙烯基三甲氧基硅烷(VTTS)，通氮除氧(10min)，于50℃条件下搅拌反应24h；用磁铁将收集到的产物用甲苯洗涤3次，于50℃真空条件下干燥24h，得到修饰双键的[email protected]2([email protected]2)。
(5)磺胺类抗生素复合模板分子印迹磁性材料的制备 分别取磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛21、22、23、21、26、21mg溶于50mL甲苯中，超声15min；接着加入221mg 4-乙烯苯甲酸，继续超声15min，然后放入气浴摇床震荡8h(200rpm，15℃)；接着，加入300mg [email protected]，471μL的乙二醇二甲基丙烯酸酯，以及50mg的2，2’-偶氮二异丁腈，通氮除氧，于60℃水浴中机械搅拌24h(200rpm)；通过外加磁场收集得到的印迹聚合物，用甲醇冲洗2遍，接着在25℃下用甲醇∶乙酸(9∶1，V∶V)混合溶液洗脱聚合物至HPLC中检测不到模板分子；最后用甲醇将聚合物重复洗涤几次，于50℃下真空干燥24h。为了对照，不加磺胺类抗生素作为模板分子，制备了非印迹材料。
实施例2
对实施例1所得材料进行各项指标实验。
将20mg实施例1所得材料加到不同pH值的20mL含有50mg/L的磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛的溶液中，考察pH值对吸附效果的影响。结果表明，pH在7时，吸附量最大。
选择具有相似化学结构的磺胺异噁唑和磺胺对甲氧嘧啶作为竞争性化合物进行吸附试验，研究材料对磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛的吸附选择性。结果表明，在该材料上，磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛对磺胺异噁唑的相对选择性系数为2.32-2.68，对磺胺对甲氧嘧啶的相对选择性系数分别为2.40-2.78。说明材料对磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛具有一定的特异性识别功能。
将20mg实施例1所得印迹材料加到pH值为7的20mL含有50mg/L的磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛的溶液中，于200rpm下振荡60min。吸附完成后，用甲醇洗脱，以水洗净，再用于吸附。结果表明，材料可重复使用5次。
实施例3
实施例1所得材料用于环境水样中磺胺类抗生素的吸附去除。
将20mg材料加至20mL含有50mg/L磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛的溶液中，调节pH值为7，于200rpm下振荡60min。然后，用磁铁使材料与溶液分离。采用高效液相色谱法测定溶液中残留磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛的浓度，计算磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛的去除率。
实施例4
实施例1所得材料用于水中微量磺胺类抗生素的固相萃取分离富集。
将20mg材料加到50mL含有一定浓度磺胺类抗生素的水样中，调节pH为7，于恒温振荡器中在200rpm条件下振荡吸附15min。用磁铁将吸附了磺胺类抗生素的材料从溶液中分离出来，然后加入2mL甲醇，于恒温振荡器中在200rpm下振荡洗脱6min，再次进行磁分离，收集洗脱液。
用高效液相色谱仪测定洗脱液中磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺多辛的浓度，计算这些磺胺类抗生素的固相萃取回收率。