一種親水性甲基丙烯酰胺聚合物整體柱的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于分離與分析檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種親水性甲基丙烯酰胺聚合物 整體柱的制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 納米粒子指粒徑在100nm以內(nèi)的粒子（又稱超微顆粒），處于原子簇和宏觀物體 交界的過渡區(qū)域，具有獨特的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。目前，納米粒子 已在工業(yè)、醫(yī)藥和材料等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，特別是納米金顆粒（AuNPs)，由于其具有較高的 電子密度、介電特性和催化作用，能與多種生物大分子結(jié)合且不影響其生物活性等優(yōu)點，被 用于光催化、光學(xué)顯微鏡的探針、拉曼光譜信號的增強、生物傳感、細(xì)胞成像、靶向藥物的傳 遞以及惡性腫瘤的診斷和治療等領(lǐng)域。然而，納米顆粒物的廣泛使用導(dǎo)致其以多種渠道進 入生物組織和環(huán)境中，對人體的健康構(gòu)成潛在威脅。研究人員通過模擬，預(yù)計在未來十年 內(nèi)環(huán)境水體中納米金和銀的濃度可能分別高達140ngI71和80ngL'研究表明，納米粒 子對生命體的不良影響甚至毒性與納米粒子的形狀、粒徑大小和改性基團有直接關(guān)系。因 此，檢測環(huán)境樣品，特別是水體環(huán)境中的微量納米金對于環(huán)境污染檢測和納米粒子的生物 安全性研究具有一定的實際意義。
[0003] 由于實際樣品中納米顆粒物的濃度比較低，而且基質(zhì)較為復(fù)雜，所以在測定前往 往需要借助于合適的樣品前處理技術(shù)，以達到分離基質(zhì)和富集目標(biāo)分析物的目的。通常用 于納米顆粒物分離/富集的離心、過濾、透析等物理方法，存在耗時長，操作繁瑣，易造成納 米粒子團聚等不足。針對這些問題，分析化學(xué)家們探索了一些新型的樣品前處理方法，如化 學(xué)衍生法、液相萃取法、濁點萃取法、固相萃取法以及固相萃取和液相萃取方法的聯(lián)用等。 采用雙氧水氧化納米銀顆粒（AgNPs)，建立的基于熒光探針和銀離子的作用間接測定食品 防腐劑和紡織品中AgNPs的方法，具有操作簡單、成本低廉等優(yōu)點，但該方法檢測限比較高 (14ygI71)，無法實現(xiàn)環(huán)境樣品中痕量AgNPs的分析。采用液液微萃取技術(shù)結(jié)合紫外/拉 曼光譜，可檢測肝組織和河水樣品中的納米金，但其精密度較差。濁點萃取分離富集AgNPs 的方法，具有富集倍數(shù)高、檢測限低、抗干擾能力強等優(yōu)點，但是樣品在檢測前需要消解，前 處理過程較為繁瑣，且易引入外來污染。采用C-18硅膠顆粒作為固相填充柱材料進行分離 富集，隨后采用液相萃取的方式進行解吸，結(jié)合了固相萃取較強的抗干擾能力和液相萃取 較高的富集倍數(shù)的優(yōu)點，同時保持了納米金的原始形貌；基于納米顆粒物和陽離子交換樹 脂的靜電作用，以陽離子交換樹脂作為填充材料的固相萃取方法，在保持納米顆粒物形態(tài) 的條件下分離富集了環(huán)境水中的納米金、銀和鈀，但這兩種方法都存在解吸時間較長（大 于3小時）、操作繁瑣（要將固相萃取填料轉(zhuǎn)移）等問題。
[0004] 整體柱毛細(xì)管微萃取是近年來發(fā)展非常迅速的一種微萃取技術(shù)，具有樣品消耗量 小、分析時間短和易于在線聯(lián)用等優(yōu)點，具備分離富集納米顆粒物的能力。聚合物整體柱作 為固相微萃取材料的一類，具有分離快速高效、生物相容性好、制備簡單和易于在線聯(lián)用等 優(yōu)點，因此在無機離子、有機小分子和生物大分子的分離富集上均有廣泛應(yīng)用。然而，到目 前為止，還沒有聚合物整體柱用于納米顆粒物分離的報道，因此，開展整體柱毛細(xì)管微萃取 分離富集納米粒子的新方法，具有重要的學(xué)術(shù)意義和現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種可用于納米粒子分離富集的親水性甲基丙烯酰胺聚合 物整體柱，同時，可將親水性甲基丙烯酰胺聚合物整體柱毛細(xì)管微萃取（monolithicCME) 與ICP-MS在線聯(lián)用檢測環(huán)境水樣中納米粒子的方法。該方法可以實現(xiàn)納米粒子的在線分 析(樣品無需消解)，在萃取過程中保持了納米粒子本身的形貌，具有選擇性較好、抗基體干 擾能力強、操作簡單、快速的優(yōu)點，適合于以羧酸基為穩(wěn)定基的納米粒子的分離富集。
[0006] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)： 一種親水性甲基丙烯酰胺聚合物整體柱的制備方法，包括如下步驟： (1) 對管徑為1mm的毛細(xì)管進行預(yù)處理； (2) 將110mg的丙烯酰胺、120mg的N，N' -亞甲基雙丙烯酰胺、0? 08mL的4-乙烯 基吡啶、0.6mL的十二醇和AIBN加入到0.75mL的二甲基亞砜中，形成混合溶液；所述AIBN 在混合溶液中的含量為lwt% ; (3) 對步驟（2)制備的混合溶液進行超聲處理，然后將其注入到步驟（1)預(yù)處理后的的 毛細(xì)管中，用硅膠墊將其兩端密封后，在50-70°C反應(yīng)12-24h，，用甲醇沖洗，即得親水性 甲基丙烯酰胺聚合物整體柱。
[0007] 所述步驟（1)中的預(yù)處理依次包括活化和鍵合雙鍵。
[0008] 所述活化為：依次用超純水沖洗毛細(xì)管10min, 1. 0molI71的NaOH沖洗毛細(xì)管2 h，超純水沖洗毛細(xì)管30min，1.0molPHCl沖洗毛細(xì)管2h，超純水沖洗毛細(xì)管至中性， 再在氮氣保護下，于160°C干燥5h。
[0009] 所述鍵合雙鍵為：將體積比為1:1的乙醇與甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷的混合 溶液注入到活化后的毛細(xì)管中，兩端封口后，60°C烘箱中反應(yīng)12h。
[0010] 一種利用上述方法制備的親水性甲基丙烯酰胺聚合物整體柱檢測水樣中納米粒 子的方法：先將含有納米粒子的水樣以0.25mLmirT1的速度流經(jīng)水性甲基丙烯酰胺聚合 物整體柱進行，再用40g/L半胱胺酸溶液以0.05mLmirT1的速度進行解吸，通過ICP-M測 定解吸液中的納米粒子的含量。
[0011] 所述納米粒子為含有羧基的納米貴金屬粒子。
[0012] 所述含有羧基的納米貴金屬粒子為含有羧基的納米Au粒子或納米Ag粒子。
[0013] 當(dāng)親水性甲基丙烯酰胺聚合物整體柱的長度為2. 5cm時，所述水樣的體積為lmL。
[0014] 所述水樣的pH值為5. 5。
[0015] 采用原位合成法制備一種強親水性甲基丙烯酰胺聚合物整體柱 (poly(AA-VP-Bis)，用該毛細(xì)管整體柱對Au或AgNPs進行吸附，解吸，用ICP-MS檢測解吸 液中的納米金或銀。
[0016] 上述整體柱的制備方法具體包括如下步驟： (1) 采用水、NaOH和HC1依次對毛細(xì)管進行活化并鍵合雙鍵； (2) 以丙烯酰胺（AA)和4-乙烯基吡啶（4-VP)為單體，以N，N' -亞甲基雙丙烯酰胺 (Bis)為交聯(lián)劑，以偶氮二異丁腈（AIBN)為引發(fā)劑，采用原位合成法使用步驟（1)活化過的 毛細(xì)管制備強親水性甲基丙烯酰胺聚合物整體柱。
[0017] 優(yōu)選的，步驟（1)為：選用玻璃毛細(xì)管（10cmXlmm)，依次用超純水沖洗10min， 1.0molI71的NaOH沖洗2h，超純水沖洗30min，1.0molI^HCl沖洗2h，超純水沖洗 30min至中性后，在氮氣保護下于160°C干燥5h;再注入體積比為1:1的乙醇/甲基丙 烯酰氧基三甲氧基硅烷（Y-MAPS)對毛細(xì)管內(nèi)壁進行雙鍵的鍵合。
[0018] 優(yōu)選的，步驟（2)為：將110 11^的44，120 11^的祀8,0.08 1^的4-￥?，0.6 1^的 十二醇，1%AIBN溶于0. 75mL的二甲基亞砜（DMS0)中，超聲10min后，注入步驟（1)已活 化好的毛細(xì)管中，然后用硅膠墊將其兩端密封，并在60°C反應(yīng)16h，待反應(yīng)結(jié)束后，用甲 醇沖洗未反應(yīng)的單體和模板分子。使用前將其截成2. 5cm長的毛細(xì)管柱用于后續(xù)的分離 萃取操作。
[0019] 上述親水性甲基丙烯酰胺聚合物整體柱可用于環(huán)境水樣中納米粒子的檢測。
[0020] -種將本發(fā)明制備的甲基丙烯酰胺聚合物整體柱與CME-ICP-MS聯(lián)用分析環(huán)境水 樣中納米粒子的方法：將1mL含有納米粒子的樣品溶液（pH= 5. 5)，以0. 25mLmirT1的 速度流過甲基丙烯酰胺聚合物整體柱，用4%半胱胺以0.05mLmirT1的速度對吸附在柱材 料上的目標(biāo)分析物進行解吸，解吸液通過ICP-MS進行測定。將不含納米顆粒的高純水按相 同的步驟操作，并用ICP-MS進行測定，所得信號值作為方法的空白，其中，AuNPs的回收率 達90%以上，整體柱可重復(fù)使用20次而萃取效率沒有明顯下降。
[0021] 本發(fā)明采用原位聚合法制備具有強親水性的甲基丙烯酰胺聚合物整體柱作為毛 細(xì)管微萃取的柱床，基于AuNPs和整體柱之間可逆的弱作用力進行AuNPs的分離富集，以 避免和消除在樣品萃取時可能產(chǎn)生的納米顆粒物的不可逆作用造成的柱床堵塞和測定困 難，具有分離快速高效、制備簡單、萃取效率高等優(yōu)點，具有非常好的應(yīng)用前景。將聚合物毛 細(xì)管整體柱微萃取與ICP-MS聯(lián)用，可達到快速、高選擇性地分離、富集并檢測環(huán)境水樣中 的痕量納米金，對于環(huán)境污染檢測和納米粒子的生物安全性研究具有重要意義。
[0022] 目前，應(yīng)用于納米粒子的檢測方法包括原子光/質(zhì)譜法、電化學(xué)方法、紫外光譜法 和拉曼光譜法等。相比之下，電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS)具有檢出限低、線性范圍寬、 待測元素的濃度與其存在的形式無關(guān)等優(yōu)點，特別是采用耐高鹽和懸浮物的Babington霧 化器（亞微米）可以直接檢測納米顆粒，因此在無機元素、金屬及氧化物和納米顆粒物分析 方面均具有獨特的優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)，在ICP-MS中，當(dāng)顆粒物的粒徑小于2 時，懸浮進樣 方式可以得到與均相溶液進樣類似的結(jié)果。對于粒徑小于20nm的納米金，直接進樣與樣 品經(jīng)消解后進樣兩種方式，測定結(jié)果無明顯區(qū)別，該方法可以避免納米顆粒物在消解過程 中引入空白及損失目標(biāo)分析物的可能，同時簡化了操作過程。
[0023] 圖1-2分別為整體柱進行萃取和解吸時，CME-ICP-MS在線裝置示意圖，其中，泵1 用于驅(qū)動溶液流經(jīng)整體柱進行萃取、解吸和將溶液帶入ICP-MS儀器內(nèi)，泵2用于降低儀器 的記憶效應(yīng)，在實驗中泵是整個萃取裝置的驅(qū)動力，而閥（A和B)用于流路通道的切換，完 成不同的實驗?zāi)康?。以?為驅(qū)動力，使整體柱進行萃取，泵2將洗脫劑帶入儀器進行沖洗， 此時，CME-ICP-MS在線裝置示意圖如圖1所示；萃取完成后，閥切換至圖2所示位置，整體 柱進行解吸，此時，A通道與ICP-MS連通；解吸完成后，閥重新切換至圖1所示位置，進行整 體柱的再生。
[0024] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點和效果： (1)本發(fā)明提供的制備方法具有快速、高效、便捷、成本低、環(huán)境友好及可大量制備并重 復(fù)使用