CN104109216A

CN104109216A - 多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物及其制备方法

Info

Publication number: CN104109216A
Application number: CN201410320357.8A
Authority: CN
Inventors: 郝京诚; 赵珮妮
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2034-07-04
Also published as: CN104109216B

Abstract

本发明涉及一种多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物及其制备方法，它以SiO₂为内核，在SiO₂纳米颗粒表面用3-氨丙基三乙氧基硅烷、戊二醛修饰并接入功能单体6-氨基脲嘧啶，以三聚氰胺作为模板分子，与甲基丙烯酸、引发剂及交联剂聚合反应制得。本发明将传统的三氢键分子印迹体系中的功能单体与模板分子的角色交换，将传统体系中的功能单体，在本发明中用作模板分子，而传统体系中的模板分子，在本体系中用作功能单体；本发明具有很高的选择性，只针对三聚氰胺及三嗪类化合物有特异性结合，在针对性很强的食品检测中，具有很好的选择富集吸附作用。

Description

多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及分子印迹聚合物及其制备方法，特别涉及多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物及其制备方法。

背景技术

多氢键在分子印迹体系中是一种具有重要意义的作用力。模板分子和功能单体通过多氢键生成基于配合基-选择性的结合位点并通过该作用力在分子印迹体系中进行目标分子的识别。基于多氢键相互作用的分子印迹聚合物的合成和应用的研究已经见诸报道，在这些研究中，以2-(三氟甲基)丙烯酸和二氨基吡啶衍生物作为功能单体，以胸腺嘧啶、尿嘧啶等含有嘧啶碱基的化合物作为目标分子，通过两者之间形成多氢键来制备分子印迹聚合物，从而实现嘧啶衍生物的检测。三聚氰胺(Melamine)，又叫2,4,6-三氨基-1,3,5-三嗪，是一种重要的氮杂环有机化合物。它原本是一种重要的化工原料，常用于制造三聚氰胺树脂，与食品、饲料行业毫不相干，但2004年及2007年3月发生在美国的数起由受污染宠物饲料导致宠物中毒死亡的事件以及2008年9月发生在中国的三鹿婴幼儿奶粉污染事件，却使它们紧密地联系在一起。三聚氰胺属于难代谢物质，如果进入人和动物体内，能够不同程度地导致肾衰竭或死亡。三聚氰胺还能导致结石，从而诱发膀胱和泌尿系统疾病。因此，严格控制三聚氰胺的使用越来越受到人们关注。早期工业上检测三聚氰胺的方法是重量法和电位滴定法，这些方法对样品的前处理和检出限都达不到国家对食品中三聚氰胺检测的要求，同时，这些方法耗时长，实验步骤繁琐，限制了其运用。

基于以上考虑，本发明打破传统三氢键机理，反其道而行，交换传统三氢键中功能单体和模板分子的角色，以尿嘧啶衍生物为功能单体，以三嗪类化合物为模板分子，建立一种新型的基于多氢键的三聚氰胺特异性识别的分子印迹聚合物，并在还原型石墨烯和离子液体的混合物的辅助下，构建电化学传感器进行三聚氰胺的检测。

发明内容

本发明的目的是提供了一种多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物及其制备方法，该方法制得的聚合物可快速地对食品中三聚氰胺进捕捉和富集，而达到检测的目的，合成方法简单，实验操作简便，且具有较高的选择性和精密度。

本发明采取的技术方案为：

多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物，它以SiO₂为内核，在SiO₂纳米颗粒表面用3-氨丙基三乙氧基硅烷、戊二醛修饰并接入功能单体6-氨基脲嘧啶，以三聚氰胺作为模板分子，与甲基丙烯酸、引发剂及交联剂聚合反应制得。优选：它以SiO₂为内核，在SiO₂纳米颗粒表面用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)进行表面修饰，得到APTES包覆的SiO₂纳米颗粒(SiO₂APTES)，然后在SiO₂APTES的表面上继续接枝戊二醛(GA)，得到产物SiO₂APTES/GA，将6-氨基脲嘧啶(6AU)接在SiO₂APTES/GA上，然后以三聚氰胺作为模板分子，与甲基丙烯酸、引发剂及交联剂以两步升温法进行聚合反应制得。

所述的多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物的制备方法，具体包括步骤如下：

(1)将硅酸乙酯TEOS和乙醇的混合溶液迅速加入到氨水和水的混合液中，搅拌下反应2～3小时，过滤得到单分散的SiO₂纳米颗粒；

(2)将步骤(1)得到的SiO₂纳米颗粒分散到无水甲苯中，并加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)进行加热回流10-12小时，用乙醇清洗产物，将产物重新分散到乙醇中，加入戊二醛搅拌5-12小时，之后将所得产物清洗并分散到甲醇中；称取6-氨基脲嘧啶，用二甲基亚砜加热溶解，加入到上述产物的甲醇分散液中，再加入适量甲醇，搅拌半小时，再向瓶内加入硼氢化钠，继续搅拌8-12小时，进行6-氨基脲嘧啶功能单体的修饰；

(3)将步骤(2)中所得接入功能单体的纳米颗粒分散到乙腈中，并加入三聚氰胺作为模板分子、甲基丙烯酸、引发剂及交联剂，按照两步升温法进行聚合反应：先在50℃～55℃反应3～6小时，再在60℃～70℃反应18～24小时，并在85℃～90℃下老化6～8小时，得到三聚氰胺三氢键分子印迹核壳纳米颗粒。

上述制备方法中步骤(1)所述的硅酸乙酯与乙醇的体积比为5～6:4～5，优选5.4：4.6。

氨水和水的摩尔比为0.5～2：3～10，TEOS与氨水的体积比为5～6:0.5～2。

步骤(2)中SiO₂纳米颗粒与甲苯的用量比例为0.3:50，g:mL；SiO₂纳米颗粒与3-氨丙基三乙氧基硅烷、戊二醛、6-氨基脲嘧啶的用量比例为0.1～0.3:4.0～7.0:0.5～1.0:0.168，g:mL:mL:g。乙醇、二甲基亚砜、甲醇、硼氢化钠与SiO₂纳米颗粒的加入比例为50:20:30:0.5：0.3,mL:mL:mL:g：g。

步骤(3)中接入功能单体的纳米颗粒与乙腈、三聚氰胺、甲基丙烯酸、引发剂及交联剂的用量比例为0.1～0.5:50～100:10～30:0.2～0.4:10～20:1.0～3.5，g:mL:mg:mL:mg:mL。所述的引发剂为偶氮二异丁腈，所述的交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯。

本发明方法的要点：1)分子印迹聚合物以SiO₂为内核，在SiO₂纳米颗粒表面进行层层修饰，键接上所需的功能单体并最终实现模板分子的印迹；2)功能单体与模板分子通过三氢键结合，实现特异性的识别，为三聚氰胺的吸附和检测建立理论基础。

本发明的优点是：1)在本发明中，将传统的三氢键分子印迹体系中的功能单体与模板分子的角色交换，将传统体系中的功能单体，在本发明中用作模板分子，而传统体系中的模板分子，在本体系中用作功能单体；2)本发明具有很高的选择性，只针对三聚氰胺及三嗪类化合物有特异性结合，所以在针对性很强的食品检测中，具有很好的选择富集吸附作用，达到食品中三聚氰胺的检测。

由于在本发明中将传统三氢键分子印迹体系中的模板分子和功能单体角色互换，开拓了一种新型的三嗪类化合物分子印迹聚合物的合成方法并构建了该类化合物的电化学传感器，实现了食品及饲料等中三聚氰胺的高选择性和高灵敏度检测。分子印迹聚合物为核壳结构，与其他三聚氰胺分子印迹聚合物相比，目标分子三聚氰胺分布在聚合物表面，使之具有更高的有效结合位点密度，更高的传质速率和更好的目标分子重新结合能力，从而提高该多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物的特异性识别能力。本发明是首次提出该合成理念，对利用分子印迹技术进行检测的物质范围进行的进一步扩展，提供了三嗪类物质的新的检测方法。分子印迹聚合物的物理化学稳定性使其在重复利用过程中具有很好的重现性和稳定性，增加本发明在实用过程中的应用范围和频率。本发明操作简单、性能高效，整个过程环境友好，有望在各食品及饲料等检测机制中实现广泛应用。

附图说明

图1.本发明中三氢键构成机理示意图。

图2.合成SiO₂纳米颗粒形貌SEM照片。

图3.修饰有APTES的SiO₂纳米颗粒外接GA之后的SEM照片。

图4.三聚氰胺分子印迹核壳纳米颗粒形貌SEM照片。

图5.非印迹聚合物形貌SEM照片。

图6.电化学传感器构建示意图。

图7.不同修饰电极的CV曲线。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明。

实施例1：

将含有5.4毫升TEOS和4.6毫升乙醇的混合液加入到含有1摩尔/升的氨水和5摩尔/升的水的混合液中，在机械搅拌下反应2小时，得到单分散的SiO₂纳米颗粒。如图2所示。在此基础上进行三聚氰胺分子印迹核壳纳米颗粒的合成：将得到的SiO₂纳米颗粒称取0.3克分散到无水甲苯中，并加入7毫升3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)进行加热回流12小时，用乙醇清洗产物3次，将产物重新分散到50毫升乙醇中，加入1毫升戊二醛搅拌12小时，进一步修饰(所得产物形貌如图3所示)，之后将所得产物清洗并分散到甲醇中，称取0.168克6-氨基脲嘧啶，用20毫升二甲基亚砜加热溶解，加入到上述烧瓶中，加入适量甲醇，搅拌半小时，再向瓶内加入一药匙硼氢化钠，继续搅拌12小时，进行6-氨基脲嘧啶进行功能单体的修饰，将所得接入功能单体的纳米颗粒分散到50毫升乙腈中，并加入30毫克三聚氰胺作为模板分子、0.4毫升甲基丙烯酸、20毫克AIBN作为引发剂及3.5毫升EGDMA作为交联剂，按照两步升温法进行聚合反应：先在50℃反应6小时，再在60℃反应24小时，并在85℃下老化6小时，得到三聚氰胺三氢键分子印迹核壳纳米颗粒。其形貌如图4所示。按照相同的方法在不加入模板分子的情况下，合成非印迹聚合物以作形貌及性能比较，所得产物形貌如图5所示。由图4和图5比较可知，加入模板分子的分子印迹聚合物呈现出外形完整的球形，表面不光滑，有可能是印迹分子。而未加入模板分子的非印迹聚合物则呈现出不完整的球形，有些表现出外层材料未包覆完整或者脱落的结构，内层材料暴露出来。

实施例2：

将含有6.0毫升TEOS和4.0毫升乙醇的混合液加入到含有0.7摩尔/升的氨水和4摩尔/升的水的混合液中，在机械搅拌下反应2小时，得到单分散的SiO₂纳米颗粒。在此基础上进行三聚氰胺分子印迹核壳纳米颗粒的合成(具体条件和用料量)：称取0.127克6-氨基脲嘧啶，用20毫升二甲基亚砜加热溶解，加入到烧瓶中作为功能单体，然后向烧瓶中加入50毫升乙腈，并加入10毫克三聚氰胺作为模板分子、0.4毫升甲基丙烯酸、20毫克AIBN作为引发剂及3.5毫升EGDMA作为交联剂，按照两步升温法进行聚合反应：先在55℃反应4小时，再在70℃反应18小时，并在90℃下老化8小时，得到三聚氰胺三氢键分子印迹核壳纳米颗粒。

实施例3：

合成氧化石墨烯并对其进行还原得到还原型氧化石墨烯：将石墨粉与浓硫酸和磷酸混合搅拌半小时，以高锰酸钾氧化，在50℃下反应12小时，冷却至室温后将样品倾倒于含有300微升H₂O₂的冰水中，至溶液颜色变成土黄色时对样品进行清洗，并配成0.5毫克/毫升的溶液。以5.0上述悬浊液与4.0毫克聚乙烯吡咯烷酮在50℃下反应12小时，冷却至室温之后加入3.5微升的肼，40.0微升氨水，在95℃下反应1小时得到还原型氧化石墨烯。将0.5毫升1毫克/毫升的还原型石墨烯悬浊液与0.5毫升的5.0微升/毫升离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIm]BF₄)的DMF溶液混合制成修饰剂。分别配制不同的电极修饰剂：①离子液体的DMF溶液；②氧化石墨烯和离子液体DMF混合液；③还原型石墨烯水溶液和DMF的混合液；④还原型石墨烯和离子液体的DMF混合液；⑤2毫克/毫升的(实施例1制得)三聚氰胺分子印迹聚合物的DMF悬浊液。①～④作为修饰剂Ⅰ，⑤作为修饰剂Ⅱ。电极的修饰过程为：取4微升的修饰剂Ⅰ滴涂到玻碳电极表面，室温干燥后，取6微升修饰剂Ⅱ继续滴涂在电极表面，待干燥后，得到各种修饰电极，如图6所示。

实施例4：在实施例1、3基础上，只用修饰剂Ⅱ对电极进行修饰，干燥后，将其浸于制备好的食品样品中，吸附30分钟，之后用去离子水冲洗电极，然后利用三电极体系，在PBS缓冲溶液中，以循环伏安法考察该电极对三聚氰胺的吸附及检测效果。如图7a所示。

在实施例1、3基础上，用修饰剂①修饰电极表面，待干燥之后，再用修饰剂Ⅱ对电极进行进一步修饰，干燥后，将其浸于制备好的食品样品中，吸附30分钟，之后用去离子水冲洗电极，然后利用三电极体系，在PBS缓冲溶液中，以循环伏安法考察该电极对三聚氰胺的吸附及检测效果同时研究离子液体在这个过程中的作用。如图7b所示。

在实施例1、3基础上，用修饰剂②首先修饰玻碳电极表面，室温干燥后，再用修饰剂Ⅱ对电极进行进一步修饰，干燥后，将其浸于制备好的食品样品中，吸附30分钟，之后用去离子水冲洗电极，然后利用三电极体系，在PBS缓冲溶液中，以循环伏安法考察该电极对三聚氰胺的吸附及检测效果，同时观察氧化石墨烯和离子液体对电极反应过程的作用。如图7c所示。

在实施例1、3基础上，用修饰剂③首先修饰玻碳电极表面，室温干燥后，再用修饰剂Ⅱ对电极进行进一步修饰，干燥后，将其浸于制备好的食品样品中，吸附30分钟，之后用去离子水冲洗电极，然后利用三电极体系，在PBS缓冲溶液中，以循环伏安法考察该电极对三聚氰胺的吸附及检测效果，同时考察还原型氧化石墨烯对电极反应过程中导电性的增强作用。如图7d所示。

在实施例1、3基础上，用修饰剂④首先修饰玻碳电极表面，室温干燥后，再用修饰剂Ⅱ对电极进行进一步修饰，干燥后，将其浸于制备好的食品样品中，吸附30分钟，之后用去离子水冲洗电极，然后利用三电极体系，在PBS缓冲溶液中，以循环伏安法考察该电极对三聚氰胺的吸附及检测效果，同时考察电极反应过程中还原型氧化石墨烯和离子液体对导电性的协同增强作用及该修饰层与分子印迹聚合物之间的相互作用。如图7e所示。

Claims

1.多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物，其特征是，它以SiO₂为内核，在SiO₂纳米颗粒表面用3-氨丙基三乙氧基硅烷、戊二醛修饰并接入功能单体6-氨基脲嘧啶，以三聚氰胺作为模板分子，与甲基丙烯酸、引发剂及交联剂聚合反应制得。

2.一种多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物的制备方法，其特征是，包括步骤如下：

(2)将步骤(1)得到的SiO₂纳米颗粒分散到无水甲苯中，并加入3-氨丙基三乙氧基硅烷进行加热回流10-12小时，用乙醇清洗产物，将产物重新分散到乙醇中，加入戊二醛搅拌5-12小时，之后将所得产物清洗并分散到甲醇中；称取6-氨基脲嘧啶，用二甲基亚砜加热溶解，加入到上述产物的甲醇分散液中，再加入适量甲醇，搅拌半小时，再向瓶内加入硼氢化钠，继续搅拌8-12小时，进行6-氨基脲嘧啶功能单体的修饰；

3.根据权利要求2所述的多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物的制备方法，其特征是，步骤(1)所述的硅酸乙酯与乙醇的体积比为5～6:4～5，氨水和水的体积比为0.5～2:3～10，TEOS与氨水的体积比为5～6:0.5～2。

4.根据权利要求2所述的多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物的制备方法，其特征是，步骤(2)中SiO₂纳米颗粒与甲苯的用量比例为0.3:50，g:mL；SiO₂纳米颗粒与3-氨丙基三乙氧基硅烷、戊二醛、6-氨基脲嘧啶的用量比例为0.1～0.3:4.0～7.0:0.5～1.0:0.168，g:mL:mL:g。

5.根据权利要求2所述的多氢键三聚氰胺核壳分子印迹聚合物的制备方法，其特征是，步骤(3)中接入功能单体的纳米颗粒与乙腈、三聚氰胺、甲基丙烯酸、引发剂及交联剂的用量比例为0.1～0.5:50～100:10～30:0.2～0.4:10～20:1.0～3.5，g:mL:mg:mL:mg:mL。