CN106959279B - 一种pcn 222金属有机框架材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PCN 222金属有机框架材料及其制备方法和应用。将卟啉、氯化锆、苯甲酸与N、N‑二甲基甲酰胺在超声条件下混合，得到混合溶液，将混合溶液进行水热反应，经乙醇洗涤、离心、干燥后，得到PCN 222金属有机框架材料；材料微观形貌为棒状结构，结晶晶体主轴为六面体，具有良好热稳定性，能用于增强农残检测酶抑制法的灵敏度。本发明方法具有简单、快速、成本低的优点，为复杂样品基质中有机磷农药的测定提供了一种实用工具。

Description

一种PCN 222金属有机框架材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及农药残留检测的技术领域，特别涉及一种PCN 222金属有机框架材料制备方法和在酶抑制法增敏上的应用。

背景技术

为保证和促进农林牧业发展，满足人们对农副产品需求，农药发挥了显著作用，但与此同时，农药的长期大量使用甚至滥用对空气、水源、土壤和农牧产品也造成了严重的污染，破坏了生态环境，人类健康也受到影响。自20世纪80年代以来，有机磷农药由于其见效快、效果好且使用方便逐步成为世界上使用最多的农药。据世界卫生组织统计，全世界每年有机磷农药中毒者约300万人，其中多达220000人死亡。

目前蔬菜和水果产品中农药残留的检测方法包括气相色谱法、液相色谱法及液相色谱-质谱联机等检测方法，这些大型精密仪器检测结果准确、可靠，但仪器价格昂贵、检测成本高，检测费时，操作人员需经长时间培训，耗费大量时间，不能实现现场检测，且无法在基层单位推广使用。

酶抑制法是研究最多且相对成熟的一种对部分农药残留进行快速检测的技术，我国已将其列入国家标准GB/T 5009.199-2003。该方法由于其具有快速、简便、成本低及易于现场检测等优点，已经成为国内外快速检测农药残留的主流技术。然而，传统酶抑制法却存在很大的局限，如灵敏度往往不能满足实际应用的需要。

金属有机骨架化合物(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是由金属离子与有机配体通过自组装过程杂化生成的一类具有周期性多维网状结构的多孔晶体材料，具有纳米级的骨架和规整的孔道结构，大的比表面积和孔隙率。在吸附、分离、催化等方面均表现出了优异的性能，已成为新材料领域的研究热点与前沿。通常的金属有机框架材料都是用作生物支架材料或者吸附材料，并没有在农药残留检测及其相关领域有任何应用和方法。

发明内容

鉴于此，为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于合成一种PCN222金属有机框架材料及其制备方法和在酶抑制法增敏上的应用，所获得材料为具有多孔配位网络结构(PCN 222)的多孔金属有机框架材料，是一种新型增敏剂。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下方法技术方案：

一、一种PCN 222金属有机框架材料的制备方法

将卟啉、氯化锆(ZrCl₄)、苯甲酸与N、N-二甲基甲酰胺(DMF)在超声条件下混合，得到混合溶液，将混合溶液进行水热反应，乙醇离心洗涤干燥，得到所述PCN 222金属有机框架材料。

所述卟啉为5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)、四(4-氨基苯基)卟啉或四(4-硝基苯基)卟啉。

所述卟啉、ZrCl₄和苯甲酸的质量比为1:1.2～1.6:50～58，并且卟啉质量和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1g:12～20mL。

所述水热反应的温度为110～130℃，所述水热反应的时间为45-51h。

所述乙醇洗涤的次数是三次以上，离心转速6000-8000转/min，每次离心时间是3-6min；

所述的干燥温度是60-120℃，时间为10～14h。

所述PCN 222金属有机框架材料的微观形貌为棒状结构，结晶晶体主轴为六面体。

所述PCN 222金属有机框架材料具有良好热稳定性，升温至450℃基本无明显失重(保留的重量>85％)，即使升温至600℃，仍保持有65％左右的重量。

二、一种PCN 222金属有机框架材料的应用

所述PCN 222金属有机框架材料在农药残留检测的酶抑制法中的增敏应用。通常的金属有机框架材料都是用作生物支架材料或者吸附材料，并没有在农药残留检测及其相关领域有任何应用。

所述PCN 222金属有机框架材料在毒死蜱的酶抑制法中的增敏应用，能用于在毒死蜱0.01至10ppm的浓度范围检测。

本发明的应用验证在实施例中具体是通过对毒死蜱的农药进行验证实验，证明了本发明的特殊应用用途。

具体是将未含有农药残留物的空白样品和含有农药残留物的待测样品分别与含有PCN 222金属有机框架材料的醇溶液混合加入显色剂和乙酰胆碱酯酶(AChE)后恒温孵育一段时间；取100μL混合液于96微孔板中，加入2μL硫化乙酰胆碱溶液作为底物，记录反应3min内的412nm吸光度随时间的变化。

实验结果显示，PCN 222金属有机框架材料的加入使显色体系在3min内的吸光度变化值增大，并且较不加PCN 222金属有机框架材料的吸光度变化值增敏68.8％。并且通过实验验证了PCN 222金属有机框架材料能在毒死蜱0.01至10ppm的浓度范围内均明显提高了抑制率(常规的毒死蜱最低浓度检测只能达到0.1ppm，本发明提高了一个数量级)，改善了传统酶抑制法的灵敏度。

本发明所述抑制率的计算方法是：

I＝100％*[⊿A₀-⊿A_t]/⊿A₀

其中，⊿A₀为空白样品3min内的412nm吸光度随时间的变化；⊿A_t为待测(含药)样品3min内的412nm吸光度随时间的变化。

本发明具体能产生增敏作用如附图1所示，在一定条件下，在乙酰胆碱酯酶及其底物(乙酰胆碱)的共存体系中加入农产品样品提取液，如果样品中不含有机磷或氨基甲酸酯类农药，酶的活性就不被抑制，乙酰胆碱就会被酶水解，水解产物与加入的显色剂反应就会产生颜色。

金属-有机框架材料PCN 222具有高孔隙率和比表面积，能有效富集AChE及农药分子，且该MOFs配体H₂-TCPP具有优良的催化活性，在一定空间内增强反应物浓度并提高显色反应速率，增大抑制率，从而改善酶抑制法的灵敏度；反之，如果试样提取液中含有一定量的有机磷或氨基甲酸酯类农药，酶的活性就被抑制，试样中加入的底物就不能被酶水解，从而不显色。基于此本发明可以提高酶抑制法的抑制率I。

本发明的有益效果是：

本发明将MOFs材料与酶抑制法结合，充分利用MOFs材料的吸附和催化性质实现更高效的酶抑制法检测，提高了抑制率，提高了酶抑制法的灵敏度，最低浓度检测能达到0.01ppm。

本发明方法具有简单、快速、成本低的优点，为复杂样品基质中有机磷农药的测定提供了一种实用工具。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明实施例1所述金属有机框架材料PCN 222的扫描电子显微镜照片；

图3A为本发明实施例2所述的金属有机框架材料PCN 222的热重分析图；

图3B为本发明实施例3所述的金属有机框架材料PCN 222的X射线衍射图谱；

图4A为本发明实施例4中PCN 222的使用对酶反应动力学的影响；

图4B为本发明实施例4中PCN 222的使用对吸光度波谱的影响图；

图5为本发明实施例5不同浓度的PCN 222对抑制率影响图；

图6为本发明实施例6中不同浓度的毒死蜱抑制率变化柱状图；

图7为本发明实施例7中实际样品分析图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和具体实施例对本发明的合成方法和对酶抑制法增敏作进一步详细的说明。

本发明的实施例如下：

实施例1

本实施步骤如下：

步骤1、取ZrCl₄ 140mg、TCPP 100mg及苯甲酸5500mg于烧杯中，加入DMF 16mL，超声30min使其均匀；

步骤2、将混合均匀的溶液倒入反应釜，120℃反应48h；

步骤3、水热反应完成后将产物离心去除上层液体，乙醇反复离心洗涤3次：所述转速为7000转/min，所述转速时间为5min

步骤4、在温度100℃下干燥12h，即可得到棕色PCN 222金属-有机框架材料(以下简写为PCN 222)的固体粉末。

上述实验步骤合成的PCN 222的表征结果如下：

为研究PCN 222的晶体生长的微观形貌，也为了表征MOFs材料是否成功制备，对所制备的PCN 222进行了扫描电子显微镜(SEM)(图2)的表征。从图2A可以看出，制备的PCN222晶体材料为六面棱柱结构，从棒状结构不规则断裂的横截面(图2B)可清楚的观察到，棒状形貌由层叠分布着片状多晶形成，并吸附有其他小颗粒晶型碎片。这一表征也同时证明，成功制备了晶型PCN 222MOFs材料。

为研究PCN 222的热稳定性，对实施例1制备获得的PCN 222进行了的热重分析(TGA)，在氮气气氛下0-600℃范围内10℃/min升温。其实验结果如图3A所示，该PCN 222材料具有非常好的热稳定性，升温至450℃基本无明显失重(>85％)，即使升温至600℃，仍保持有65％左右的重量。

为研究PCN 222的结晶情况，对实施例1制备获得的PCN 222进行了XRD表征，其结果如图3B所示。可以看出XRD谱图峰型较好，峰值为5.86°，7.86°，8.30°和10.63°,证明了结晶晶体主轴为六面体，这与SEM表征结果高度一致。同时该表征也进一步证明了成功合成了PCN 222晶型材料。

实施例2

本实施步骤如下：

步骤1、取ZrCl₄ 120mg、TCPP 100mg及苯甲酸5800mg于烧杯中，加入DMF 12mL，超声30min使其均匀；

步骤2、将混合均匀的溶液倒入反应釜，130℃反应45h；

步骤3、水热反应完成后将产物离心去除上层液体，乙醇反复离心洗涤3次：所述转速为6000转/min，所述转速时间为6min

步骤4、在温度120℃下干燥10h，即可得到棕色PCN 222金属-有机框架材料(以下简写为PCN 222)的固体粉末。

实施例3

本实施步骤如下：

步骤1、取ZrCl₄ 160mg、TCPP 100mg及苯甲酸5000mg于烧杯中，加入DMF 20mL，超声30min使其均匀；

步骤2、将混合均匀的溶液倒入反应釜，110℃反应51h；

步骤3、水热反应完成后将产物离心去除上层液体，乙醇反复离心洗涤3次：所述转速为8000转/min，所述转速时间为3min

步骤4、在温度60℃下干燥14h，即可得到棕色PCN 222金属-有机框架材料(以下简写为PCN 222)的固体粉末。

实施例4

本实施例选取了毒死蜱为一个典型的有机磷农药，分析了PCN 222对酶抑制法的影响。步骤如下：

步骤1、取离心管编号1、2、3、4，向1、3号离心管中加入0.5mL PBS，向2、4号离心管中加入0.5mL的1ppm毒死蜱；

步骤2、向4支离心管分别依次加入5μL酶液，20μL显色剂；

步骤3、向离心管3、4中加入10μL的实施例1制备获得的PCN 222分散液(初始浓度为10μg mL^-1)，摇匀后于37℃放置15min；

步骤4、分别取100μL混合液于96微孔板中(离心管1-4分别对应孔A1-A4)，迅速加入2μL底物，记录反应3min内的412nm吸光度随时间的变化。

结果示于图4，孔A2、A4在3min内都无明显显色，A1、A3显色明显且差别如图4A所示，实验表明PCN 222的加入使显色体系在3min内的吸光度变化值增大，较未含PCN 222体系的吸光度变化值增敏68.8％。同时，还测定了3min时A1、A3对应的波谱图。其结果如图4B所示，可以看出，加入PCN 222较未含PCN 222的显色体系在反应至3min时，除412nm处吸光度明显增大并无其他区别，表明PCN 222没有对显色反应没有造成其他干扰。

实施例5

为了实现最佳的增敏效果，本实施例对PCN 222的用量进行了优化。步骤如下：

步骤1、分别配置1，5，10，50，100μg mL^-1浓度的实施例1制备获得的PCN 222乙醇分散液；

步骤2、取10支离心管编号1-10，向1、3、5、7、9号离心管中加入0.5mL PBS，向2、4、6、8、10号离心管中加入0.5mL 1ppm毒死蜱；

步骤3、10支离心管分别依次加入5μL酶液，20μL显色剂；

步骤4、向离心管1、2中加入10μL的1μg mL^-1PCN 222分散液，离心管3、4中加入10μL的5μg mL^-1PCN 222分散液，离心管5、6中加入10μL的10μg mL^-1PCN 222分散液，离心管7、8中加入10μL的50μg mL^-1PCN 222分散液，离心管9、10中加入10μL的100μg mL^-1PCN 222，分散液摇匀后于37℃放置15min；

步骤5、分别取100μL混合液于96微孔板中(离心管1-10分别对应孔B1-B10)，迅速加入2μL底物，记录反应3min内的412nm吸光度随时间的变化，计算不同浓度PCN 222对应的抑制率。

其结果如图5所示，当PCN 222的浓度低于10μg mL^-1时，抑制率随PCN 222用量的增加而增大，这可归因于局部的富集与催化作用随PCN 222用量的增加而增大；当PCN 222的浓度大于10μg mL^-1时，抑制率随PCN 222用量的增加而降低，这可能是浓度高时，PCN 222本身的颜色影响了显色反应的进行。为确保最佳实验效果，选取了10μg mL^-1作为最佳的浓度。

实施例6

为进一步分析PCN 222对酶抑制法的增敏作用，本实施例对系列浓度的毒死蜱进行了研究，步骤如下：

步骤1、分别配置0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10ppm浓度的毒死蜱标准溶液；

步骤2、取16支离心管编号1-16，向编号为1、9离心管中加入0.5mL PBS，向编号为2-8的离心管中分别加入0.5mL的0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10ppm毒死蜱，编号10-16的离心管同样分别加入0.5mL 0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10ppm毒死蜱；

步骤3、向16支离心管分别依次加入5μL酶液，20μL显色剂；

步骤4、向编号为9-16的离心管中分别加入10μL的实施例1制备获得的PCN 222(10μg mL^-1)，分散液摇匀后于37℃放置15min；

步骤6、分别取100μL混合液于96微孔板中(离心管1-8分别对应孔C1-B8，9-16分别对应孔D1-D8)，迅速加入2μL底物，记录反应3min内的412nm吸光度随时间的变化，计算不同浓度PCN 222对应的抑制率。

其结果如图6及表1表2所示，实验表明PCN 222在0.01ppm至10ppm的浓度范围内均明显提高了抑制率，改善了传统酶抑制法的灵敏度。

表1无PCN 222增敏时的酶抑制情况

C<sub>毒死蜱</sub>/ppm	A(0min)	A(3min)	⊿A	抑制率I
					0	0.7057	1.6074	0.9017	(空白对照)
0.01	0.3347	0.9873	0.6526	27.63％
					0.05	0.255	0.8671	0.6121	32.12％
0.1	0.2706	0.8648	0.5942	34.10％
					0.5	0.2737	0.86	0.5863	34.98％
1	0.2954	0.8595	0.5641	37.44％
					5	0.2591	0.8219	0.5628	37.58％
10	0.2166	0.707	0.4904	45.61％

表2PCN 222增敏时的酶抑制情况

实施例7

为验证PCN 222增敏的酶抑制法是否可应用于实际样品检测，本实施例以青菜基质为例进行研究。步骤如下：

步骤1、青菜叶搅拌成泥，称取1g，加入2mL PBS分散，离心分离取上清液；

步骤2、取离心管编号1、2、3、4，向1号离心管中加入0.5mL PBS，向2号离心管中加入0.5mL的1ppm毒死蜱，向3号离心管中加入0.5mL基质清液，向4号离心管中加入添加有毒死蜱的0.5mL基质清液；

步骤3、4支离心管分别依次加入5μL酶液，20μL显色剂，10μL的实施例1制备获得的PCN 222分散液(10μg mL^-1)，摇匀后于37℃放置15min；

步骤4、分别取100μL混合液于96微孔板中(离心管1-4分别对应孔E1-E4)，迅速加入2μL底物，记录反应3min内的412nm吸光度随时间的变化。

其结果如图7及表3所示，可以看出PBS和青菜基质基本无差别，因此青菜基质没有对其动力学反应造成干扰。

表3实际样品的酶抑制情况

最后需要说明的是，上面虽然结合实施例对本发明做了详细的说明，但是上述实施例并非具体实施方式的穷举，上述实施例目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些具体实施方式或实施例进行多种变化、修改、替换和变型，这些不经创造性的劳动而设计出与发明技术方案相同或相似的结构、装置、设备或产品及其制备方法、使用方法和/或用途，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种PCN 222金属有机框架材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将卟啉、氯化锆、苯甲酸与N、N-二甲基甲酰胺在超声条件下混合，得到混合溶液，将混合溶液进行水热反应，乙醇离心洗涤干燥，得到所述PCN 222金属有机框架材料；

所述卟啉为5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)、四(4-氨基苯基)卟啉或四(4-硝基苯基)卟啉。

2.根据权利要求1所述的一种PCN 222金属有机框架材料的制备方法，其特征在于：所述卟啉、ZrCl₄和苯甲酸的质量比为1:1.2～1.6:50～58，并且卟啉质量和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1g:12～20mL。

3.根据权利要求1所述的一种PCN 222金属有机框架材料的制备方法，其特征在于：所述水热反应的温度为110～130℃，所述水热反应的时间为45-51h。

4.根据权利要求1所述的一种PCN 222金属有机框架材料的制备方法，其特征在于：所述乙醇洗涤的次数是三次以上，离心转速6000-8000转/min，每次离心时间是3-6min；所述的干燥温度是60-120℃，时间为10～14h。

5.一种PCN 222金属有机框架材料，其特征在于是采用权利要求1-4任一所述方法制备获得。

6.根据权利要求5所述材料或者根据权利要求1-4任一所述方法，其特征在于：所述PCN222金属有机框架材料的微观形貌为棒状结构，结晶晶体主轴为六面体。

7.根据权利要求5所述材料或者根据权利要求1-4任一所述方法，其特征在于：所述PCN222金属有机框架材料具有良好热稳定性。

8.根据权利要求5所述材料的应用，其特征在于：所述PCN 222金属有机框架材料在农药残留检测的酶抑制法中的增敏应用。

9.根据权利要求8所述材料的 应用，其特征在于：所述PCN 222金属有机框架材料在毒死蜱的酶抑制法中的增敏应用，能用于在毒死蜱0.01至10ppm的浓度范围检测。

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