CN104084127B - 一种农药残留检测中使用的磁性碳纳米管 - Google Patents
一种农药残留检测中使用的磁性碳纳米管 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种农药残留检测中使用的磁性碳纳米管，利用化学镀的方法将磁性粒子均匀镀在改性碳纳米管表面，磁性粒子直径约为10‑30nm，得磁性碳纳米管；磁性碳纳米管活化后；含有农药的蔬菜提取液样品与活化后的磁性材料混合均匀活化后的磁性材料在外加磁场辅助下吸附了蔬菜提取液样品杂质的磁性材料。本发明通过使用磁性碳纳米管作为农药检测中杂质吸附剂，该磁性碳纳米管表面积大，通过碳纳米管的电子相互作用和疏水作用可以从复杂基质中吸附色素，通过磁性纳米粒子表面接枝有聚合物的弱阴离子交换作用可以吸附有机酸、酚类等化合物。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管，尤其是涉及一种农药残留检测中使用的磁性碳纳米管。
背景技术
农业生产中广泛使用农药以提高产品质量和产量，但农药残留危害也日趋严重。发达国家相继建立了农产品中农药残留的限量标准。但是农产品提取物大多是由许多不同物质组成的混合物，而所要检测的目标化合物的含量往往很低，因此，样品的有效前处理包括分离、净化和富集是实现准确分析和鉴定的前提。
目前针对多组分农药残留的分析，主要过程是首先采用振荡均质、溶剂萃取等技术进行样品提取;然后采用固相萃取等方法进行样品前处理;最后采用气相色谱或液相色谱及其质谱联用等技术进行分离测定。其中样品前处理常采用由石墨化碳黑和氨基填料等组成的混合型固相萃取吸附剂来分别去除农产品中色素、有机酸、酚类等干扰物。这种混合填料通常不易回收、价格较高，使用时普遍存在操作繁琐、费时费力等不足。
碳纳米管是近年来发展迅速的新型材料，由于其表面积大，表面疏水等性能而广泛用于分析领域。磁性材料因其具有独特的物理化学性能，在物理、化学、生物、医药等领域表现出巨大的应用潜力，由此受到科研工作者的广泛关注。与其它固相萃取材料相比，磁性材料具有超顺磁特性、尺寸小、表面积大等优点，它在溶液中可以充分与分析物接触以保证高效吸附。此外，磁性材料无需填装在固相萃取柱中，无外加磁场时，磁性材料可以分散在溶液中，在外加磁场作用下，磁性材料能够快速与母液分离；磁性材料也可以直接用于含固体颗粒、微生物或者粘度大的复杂样品前处理，中间不需要过滤和离心等步骤，而这类复杂样品在常规的固相萃取柱上往往容易堵塞而导致萃取失败。总之，磁性材料克服了一般材料固相萃取时上样阻力较大、萃取剂与母液分离困难、操作繁琐等不足，因此适合复杂体系中待测物的简单、快速、高效分离和富集。但是单纯的磁性材料其吸附能力有限，因此需要在其表面进行适当的修饰以提高选择性和吸附性能。
发明内容
本发明设计了一种农药残留检测中使用的磁性碳纳米管，其解决的技术问题是现有农药残留检测样品中前处理去除农产品中色素、有机酸以及酚类等干扰物清除成本高，并且清除效果有限。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种农药残留检测中使用的磁性碳纳米管，包括以下步骤：
步骤1-3为磁性碳纳米管制作过程：
步骤1、将碳纳米管与具有反应性端基的化合物进行化学接枝反应得到功能化的碳纳米管；
步骤2、通过化学聚合的方法，将步骤1中得到的功能化碳纳米管与聚合物单体反应得到表面接枝有聚合物的碳纳米管并湿态保存在有机溶剂中，表面接枝聚合物的数均分子量大于2000小于20000；
步骤3、利用化学镀的方法将磁性粒子均匀镀在改性碳纳米管表面，磁性粒子直径约为10-30nm，得磁性碳纳米管；
步骤4-7为磁性碳纳米管去除农药的蔬菜提取液样品的过程：
步骤4、取步骤3所得磁性碳纳米管取100mg置于离心管中，加入3mL乙睛与甲苯的混合溶液，乙睛与甲苯体积比为3 : 1，溶液洗涤活化，然后在外加磁场辅助下收集活化后的磁性材料;
步骤5、取2mL含有农药的蔬菜提取液样品加入到离心管中，与步骤4所得活化后的磁性材料混合均匀并振荡2min，活化后的磁性材料在外加磁场辅助下吸附了蔬菜提取液样品杂质，分离收集上清液A，下层为活化后的磁性材料；
步骤6、再向步骤5中分离后的磁性材料中的加入3mL乙睛与甲苯的混合溶液，乙睛与甲苯体积比为3 : 1，室温振荡2-3min后在外加磁场辅助下分离磁性材料，收集上清液B；
步骤7、将步骤5和6收集的上清液A和上清液B进行合并，40℃减压蒸发至低于0.5mL，加入正己烷定容至1mL测定溶液，每次取luL该测定溶液进行GC-MS分析以测定蔬菜中各目标农药残留化合物的浓度。
进一步，步骤1中将1-5g羧基化碳纳米管、1-5mL乙酸、1-5mL具有反应性端基的化合物以及50-200mL乙醇加入烧瓶A中，将烧瓶A置于超声波分散10-60分钟，然后在10-100℃下反应12-72小时，收集反应产物依次进行离心分离和真空抽滤，然后将其在真空烘箱中进行干燥，得到干燥的功能化碳纳米管。
进一步，步骤2中取步骤1中1-5g功能化碳纳米管、1-100mL四氢呋喃THF和1-15mL三乙胺于烧瓶B中，超声分散30分钟；取1-10 mLα-溴代异丁酰溴和1-20mL四氢呋喃于恒压滴液漏斗中，将漏斗中混合物在90分钟内转移至烧瓶B中，与此同时，烧瓶B沉浸在冰浴中，待α-溴异丁酰溴转移完毕后，在10-100℃下反应12-72小时，收集反应产物在离心机中离心分离后进行真空抽滤，然后将反应产物在真空烘箱中进行干燥，最终得到含有溴的碳纳米管；取0.1-2含有溴的碳纳米管、1-20mL聚合物单体，0.01-1mL五甲基-二乙基三胺PMDETA，15mL二甲基甲酰胺DMF于烧瓶C中,超声分散30分钟，通氮气5-30分钟,加入0.01-1g CuBr,在10-200℃下反应3-24小时，收集反应产物并依次进行使用无水乙醇去除二氧化硅、离心分离以及真空抽滤，然后将其在真空烘箱中进行干燥，得到表面接枝有聚合物的碳纳米管。
进一步，步骤3中取步骤2所得0.01-1g表面接枝有聚合物的碳纳米管，置于50-500mL水溶液中，超声波分散10-60分钟，通氮气10-60分钟排除完空气后，搅拌，并将分散液置于超声波中，滴加碱液至pH为10至14后，逐滴加入0.2-0.5g FeCl3·6H2O和0.1-0.3gFeCl2·4H2O的混合水溶液，在20-100℃下反应1-5小时，收集反应产物，得到表面镀有磁性粒子的碳纳米管。
进一步，步骤中所述碳纳米管为直径范围为10-80nm，长度范围为1-20μm的碳纳米管。
进一步，步骤1中具有反应性端基的化合物为二氯亚砜、二甲基甲酰胺、乙二胺、正丁基缩水甘油醚或硅烷偶联剂。
进一步，步骤2中所用的聚合物单体为甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）或苯乙烯（St）。
进一步，步骤4中碱液为NaOH溶液、NH3OH溶液、氢氧化四甲基铵溶液中的一种或数种组合。
进一步，步骤5中含有农药的蔬菜提取液按照下述步骤进行:分别取5g蔬菜样品粉碎后，加入20mL乙睛与常温下饱和食盐水的混合溶液中，乙睛与饱和食盐水体积比为1:1；均质1min，离心5min后分层，将上层乙睛液收集，残渣用20mL所述乙睛与常温下饱和食盐水的混合溶液中，均质1min，离心5min后再提取一次上层乙睛液；合并两次收集乙睛液，加入无水硫酸钠后过滤，将滤液在40℃减压旋转蒸发至低于2mL，加入乙睛重新定容至5mL，得到蔬菜提取液样品。
该农药残留检测中使用的磁性碳纳米管具有以下有益效果：
（1）本发明通过使用磁性碳纳米管作为农药检测中杂质吸附剂，该磁性碳纳米管表面积大，通过碳纳米管的电子相互作用和疏水作用可以从复杂基质中吸附色素，通过磁性纳米粒子表面接枝有聚合物的弱阴离子交换作用可以吸附有机酸、酚类等化合物。
（2）本发明在碳纳米管表面均匀接枝分子量可控聚合物的基础上，成功将磁性纳米粒子均匀负载于碳纳米管表面，表面磁性纳米粒子的负载量可控且与碳纳米管结合力强，性质稳定，即使在超声条件下也不易分离，满足农药残留检测的环境需要。
（3）本发明磁性碳纳米管在溶液、液态聚合物及聚合物溶液中有稳定的分散性和界面结合，且在磁场作用下具有优异的取向程度可控性，采用简单磁场作用即可实现快速分离富集，并可以实现再生和重复利用。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明做进一步说明：
实施例1：
步骤1：取1mL无水乙酸与49mL乙醇混合均匀后作为溶剂，加入1mL乙二胺，再加入2g管径为10-20nm、管长1-10μm的羧基化碳纳米管。超声分散30分钟使溶液混合均匀后，在50℃下反应24小时。反应完成后，取出溶液，在离心机中离心分离。转速为4000r/min，分离3次，每次30分钟，所加洗液为无水乙醇。分离完成以后进一步抽滤，滤膜孔径为220nm，所加洗液为无水乙醇，抽滤3遍。抽滤完成后在真空干燥箱中常温真空干燥24小时，得到干燥的功能化碳纳米管。
步骤2：取1g经研磨的功能化碳纳米管至烧瓶B中，加入4mL三乙胺与30mL四氢呋喃作为溶剂，超声分散30分钟。取3mLα-溴异丁酰溴溶于8mL四氢呋喃中，转移至恒压滴液漏斗中，在30分钟内转移至烧瓶B中。与此同时，烧瓶B沉浸在冰浴中，水浴温度20-50摄氏度。待α-溴异丁酰溴转移完毕后，在常温下密封反应24小时。反应完毕后，在离心机中离心分离。转速为4000r/min，分离3次，每次20分钟，所加洗液为乙醇。分离完成以后进一步抽滤，滤膜孔径为220nm，所加洗液为乙醇，抽滤3遍。抽滤完成后在真空干燥箱中常温真空干燥24小时，得到干燥的含有溴的碳纳米管。
然后，取0.4g经研磨的含有溴的碳纳米管溶于15mL二甲基甲酰胺DMF中，加入5mL甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA，0.08mL五甲基-二乙基三胺（PMDETA）。超声分散30分钟，通入氮气20分钟。最后加入0.02gCuBr，在35℃下密封反应10小时。反应完毕后将溶液转移至500mL无水乙醇中沉淀。待上层液无漂浮二氧化硅后换500mL无水乙醇沉淀，重复操作5遍。沉淀完毕后，在离心机中离心分离。转速为4000r/min，分离2次，每次20分钟，所加洗液为乙醇。分离完成以后进一步抽滤，滤膜孔径为220nm，所加洗液为乙醇，抽滤3遍。抽滤完成后在真空干燥箱中常温真空干燥24小时，得到干燥的CNT-PGMA。
步骤3：取0.05g表面接枝有聚合物的碳纳米管，置于100mL溶液中，超声波分散20分钟，通氮气30分钟。开启机械搅拌，并将分散液置于超声波中，滴加碱液至pH为11。逐滴加入三氯化铁和氯化亚铁的混合水溶液，其中FeCl3·6H2O为0.23g，FeCl2·4H2O为0.1g，在20℃下反应1小时。收集反应产物，得到表面镀有磁性粒子的碳纳米管。
步骤4、取步骤3所得磁性碳纳米管取100mg置于离心管中，加入3mL乙睛与甲苯的混合溶液，乙睛与甲苯体积比为3 : 1，溶液洗涤活化，然后在外加磁场辅助下收集活化后的磁性材料;
步骤5、取2mL含有农药的蔬菜提取液样品加入到离心管中，与步骤4所得活化后的磁性材料混合均匀并振荡2min，活化后的磁性材料在外加磁场辅助下吸附了蔬菜提取液样品杂质的磁性材料，分离收集上清液A，下层为活化后的磁性材料；
步骤6、再向步骤5中分离后的磁性材料中的加入3mL乙睛与甲苯的混合溶液，乙睛与甲苯体积比为3 : 1，室温振荡2-3min后在外加磁场辅助下分离磁性材料，收集上清液B；
步骤7、将步骤5和6收集的上清液A和上清液B进行合并，40℃减压蒸发至低于0.5mL，加入正己烷定容至1mL测定溶液，每次取luL该测定溶液进行GC-MS分析以测定蔬菜中各目标农药残留化合物的浓度。
实施例2：
步骤1：取2mL无水乙酸与98mL乙醇混合均匀后作为溶剂，加入1mL二甲基甲酰胺，再加入1g管径为30-40nm、管长1-10μm的碳纳米管。超声分散30分钟使溶液混合均匀后，在50℃下反应24小时。反应完成后，取出溶液，在离心机中离心分离。转速为4000r/min，分离3次，每次30分钟，所加洗液为无水乙醇。分离完成以后进一步抽滤，滤膜孔径为220nm，所加洗液为无水乙醇，抽滤3遍。抽滤完成后在真空干燥箱中常温真空干燥24小时，得到干燥的功能化碳纳米管CNT-NH2。
步骤2：取1g经研磨的CNT-NH2至50mL烧瓶B中，加入6mL三乙胺与30mL四氢呋喃作为溶剂，超声分散30分钟。取3mLα-溴异丁酰溴溶于9mL四氢呋喃后转移至恒压漏斗中，在30分钟内转移至烧瓶B中。与此同时，烧瓶B沉浸在冰浴中，水浴温度20-50摄氏度。待α-溴异丁酰溴转移完毕后，在常温下密封反应24小时。反应完毕后，在离心机中离心分离。转速为4000r/min，分离3次，每次20分钟，所加洗液为乙醇。分离完成以后进一步抽滤，滤膜孔径为220nm，所加洗液为乙醇，抽滤3遍。抽滤完成后在真空干燥箱中常温真空干燥24小时，得到干燥的含有溴的碳纳米管CNT-Br。
取0.2g经研磨的含有溴的碳纳米管CNT-Br溶于15mL二甲基甲酰胺DMF中，加入5mL甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA，0.08mL五甲基-二乙基三胺PMDETA。超声分散30分钟，通入氮气20分钟。最后加入0.027gCuBr，在30℃下密封反应24小时。反应完毕后将溶液转移至500mL无水乙醇中沉淀。待上层液无漂浮二氧化硅后换500mL无水乙醇沉淀，重复操作5遍。沉淀完毕后，在离心机中离心分离。转速为4000r/min，分离2次，每次20分钟，所加洗液为乙醇。分离完成以后进一步抽滤，滤膜孔径为220nm，所加洗液为乙醇，抽滤3遍。抽滤完成后在真空干燥箱中常温真空干燥24小时，得到干燥的表面接枝有聚合物的碳纳米管CNT-PGMA。
步骤3：取0.05g表面接枝有聚合物的碳纳米管，置于100mL水溶液中，超声波分散20分钟，通氮气30分钟。开启机械搅拌，并将分散液置于超声波中，滴加碱液至pH为11。逐滴加入三氯化铁和氯化亚铁的混合水溶液，其中FeCl3·6H2O为0.23g，FeCl2·4H2O为0.1g，在20℃下反应1小时。收集反应产物，得到表面镀有磁性粒子的碳纳米管。
步骤4、取步骤3所得磁性碳纳米管取100mg置于离心管中，加入3mL乙睛与甲苯的混合溶液，乙睛与甲苯体积比为3 : 1，溶液洗涤活化，然后在外加磁场辅助下收集活化后的磁性材料;
步骤5、取2mL含有农药的蔬菜提取液样品加入到离心管中，与步骤4所得活化后的磁性材料混合均匀并振荡2min，活化后的磁性材料在外加磁场辅助下吸附了蔬菜提取液样品杂质的磁性材料，分离收集上清液A，下层为活化后的磁性材料；
步骤6、再向步骤5中分离后的磁性材料中的加入3mL乙睛与甲苯的混合溶液，乙睛与甲苯体积比为3 : 1，室温振荡2-3min后在外加磁场辅助下分离磁性材料，收集上清液B；
步骤7、将步骤5和6收集的上清液A和上清液B进行合并，40℃减压蒸发至低于0.5mL，加入正己烷定容至1mL测定溶液，每次取luL该测定溶液进行GC-MS分析以测定蔬菜中各目标农药残留化合物的浓度。
Claims (6)
1.一种农药残留检测中使用的磁性碳纳米管，该磁性碳纳米管由以下步骤制作所得：
步骤1、将碳纳米管与具有反应性端基的化合物进行化学接枝反应得到功能化的碳纳米管；步骤1中将1-5g羧基化碳纳米管、1-5mL乙酸、1-5mL具有反应性端基的化合物以及50-200mL乙醇加入烧瓶A中，将烧瓶A置于超声波分散10-60分钟，然后在10-100℃下反应12-72小时，收集反应产物依次进行离心分离和真空抽滤，然后将其在真空烘箱中进行干燥，得到干燥的功能化碳纳米管；
步骤2、通过化学聚合的方法，将步骤1中得到的功能化碳纳米管与聚合物单体反应得到表面接枝有聚合物的碳纳米管并湿态保存在有机溶剂中，表面接枝聚合物的数均分子量大于2000小于20000；步骤2中取步骤1中1-5g功能化碳纳米管、1-100mL四氢呋喃THF和1-15mL三乙胺于烧瓶B中，超声分散30分钟；取1-10 mLα-溴代异丁酰溴和1-20mL四氢呋喃于恒压滴液漏斗中，将漏斗中混合物在90分钟内转移至烧瓶B中，与此同时，烧瓶B沉浸在冰浴中，待α-溴异丁酰溴转移完毕后，在10-100℃下反应12-72小时，收集反应产物在离心机中离心分离后进行真空抽滤，然后将反应产物在真空烘箱中进行干燥，最终得到含有溴的碳纳米管；取0.1-2g含有溴的碳纳米管、1-20mL聚合物单体，0.01-1mL五甲基-二乙基三胺PMDETA，15mL二甲基甲酰胺DMF于烧瓶C中,超声分散30分钟，通氮气5-30分钟,加入0.01-1gCuBr,在10-200℃下反应3-24小时，收集反应产物并依次进行使用无水乙醇去除二氧化硅、离心分离以及真空抽滤，然后将其在真空烘箱中进行干燥，得到表面接枝有聚合物的碳纳米管；
步骤3、利用化学镀的方法将磁性粒子均匀镀在改性碳纳米管表面，磁性粒子直径为10-30nm，得磁性碳纳米管；步骤3中取步骤2所得0.01-1g表面接枝有聚合物的碳纳米管，置于50-500mL水溶液中，超声波分散10-60分钟，通氮气10-60分钟排除完空气后，搅拌，并将分散液置于超声波中，滴加碱液至pH为10至14后，逐滴加入0.2-0.5gFeCl3·6H2O和0.1-0.3gFeCl2·4H2O的混合水溶液，在20-100℃下反应1-5小时，收集反应产物，得到表面镀有磁性粒子的碳纳米管；
步骤4、取步骤3所得磁性碳纳米管取100mg置于离心管中，加入3mL乙腈与甲苯的混合溶液，乙腈与甲苯体积比为3 : 1，溶液洗涤活化，然后在外加磁场辅助下收集活化后的磁性材料;
步骤5、取2mL含有农药的蔬菜提取液样品加入到离心管中，与步骤4所得活化后的磁性材料混合均匀并振荡2min，活化后的磁性材料在外加磁场辅助下吸附了蔬菜提取液样品杂质，分离收集上清液A，下层为活化后的磁性材料；
步骤6、再向步骤5中分离后的磁性材料中加入3mL乙腈与甲苯的混合溶液，乙腈与甲苯体积比为3：1，室温振荡2-3min后在外加磁场辅助下分离磁性材料，收集上清液B；
步骤7、将步骤5和步骤6收集的上清液A和上清液B进行合并，40℃减压蒸发至低于0.5mL，加入正己烷定容至1mL测定溶液，每次取luL该测定溶液进行GC-MS分析以测定蔬菜中各目标农药残留化合物的浓度。
2.根据权利要求1所述农药残留检测中使用的磁性碳纳米管，其特征在于：步骤中所述碳纳米管为直径范围为10-80nm，长度范围为1-20μm的碳纳米管。
3.根据权利要求1所述农药残留检测中使用的磁性碳纳米管，其特征在于：步骤1中具有反应性端基的化合物为二氯亚砜、二甲基甲酰胺、乙二胺、正丁基缩水甘油醚或硅烷偶联剂。
4.根据权利要求1所述农药残留检测中使用的磁性碳纳米管，其特征在于：步骤2中所用的聚合物单体为甲基丙烯酸甲酯MMA、甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA或苯乙烯St。
5.根据权利要求1所述农药残留检测中使用的磁性碳纳米管，其特征在于：步骤3中碱液为NaOH溶液、NH3OH溶液、氢氧化四甲基铵溶液中的一种或数种组合。
6.根据权利要求1所述农药残留检测中使用的磁性碳纳米管，其特征在于：步骤5中含有农药的蔬菜提取液按照下述步骤进行处理得到:分别取5g蔬菜样品粉碎后，加入20mL乙腈与常温下饱和食盐水的混合溶液中，乙腈与饱和食盐水体积比为1:1；均质1min，离心5min后分层，将上层乙腈液收集，残渣溶于20mL所述乙腈与常温下饱和食盐水的混合溶液中，均质1min，离心5min后再提取一次上层乙腈液；合并两次收集乙腈液，加入无水硫酸钠后过滤，将滤液在40℃减压旋转蒸发至低于2mL，加入乙腈重新定容至5mL，得到蔬菜提取液样品。
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