CN107552016A - 一种半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于有机聚合物整体柱制备方法技术领域，特别涉及一种半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法。本发明提供了一种半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法，包括以下步骤：用半胱氨酸对整体柱内有机聚合物进行化学修饰得到半胱氨酸改性有机聚合物整体柱。本发明制备的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱，在复杂样品分析中具有很大的潜力，特别对复杂样品中Cr³⁺的富集和检测，且Cr³⁺的富集效果好；改性后的有机聚合物整体柱对Cr³⁺的富集能力是与未改性的有机聚合物整体柱对Cr³⁺的富集能力的3倍，大大提高了改性后的有机聚合物整体柱对Cr³⁺的吸附。

Description

一种半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于有机聚合物整体柱技术领域，特别涉及用于对Cr³⁺检测的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步，现代分析仪器在分析灵敏度和选择性方面已有很大的改进，但是，分析化学所面对的分析对象越来越复杂，复杂样品分析前通常需要分离富集处理。新型的分离富集方法层出不穷，其中，聚合物整体柱出现于二十世纪九十年代，具有稳定性好、选材广泛、pH使用范围宽、制备简单、低柱压、传质快、易于修饰的优点，广泛地应用于物质分离、酶反应器以及催化介质。

目前关于有机聚合物整体柱制备及应用的研究占据了整体柱研究的主要位置，但其存在易发生溶胀、机械强度差及受热易变形等缺点，导致整体柱材料表面功能基团分布不均一，致使分离效果不理想，分离效率低，从而导致有机聚合物整体柱在分析应用中受到限制。因此，调节基质表面的物理和化学性质是有机聚合物整体柱的研究的趋势，但是关于半胱氨酸对有机聚合物整体柱的环氧基表面进行化学修饰即半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的研究非常少。另外，有机聚合物整体柱对复杂样品分析中痕量Cr³⁺的富集能力、效果还不够理想，有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术有机聚合物整体柱对复杂样品分析中痕量Cr³⁺富集效果差的缺陷，一种半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法。

本发明提供了一种半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法，包括以下步骤：用半胱氨酸对整体柱内有机聚合物进行化学修饰得到半胱氨酸改性有机聚合物整体柱。

具体地，所述的化学修饰具体步骤是将半胱氨酸溶液注入有机聚合物整体柱，密封整体柱的两端，在60～70℃下反应，然后用甲醇充分冲洗，即得半胱氨酸改性有机聚合物整体柱。

具体地，所述半胱氨酸溶液的浓度是2μg/mL，半胱氨酸溶液注入有机聚合物整体柱的速度是0.005mL/min，所述聚合反应的时间为4～6h。

具体地，所述有机聚合物整体柱的制备方法，包括以下步骤：以甲基丙烯酸MAA与甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯EDMA为交联剂，环己醇与十二醇为二元致孔剂，偶氮二异丁腈AIBN为引发剂，混合搅拌均匀，注入硅烷化的毛细管中，密封两端，在50～70℃下反应，聚合反应完成后用甲醇充分冲洗，制得有机聚合物整体柱。

具体地，所述功能单体、交联剂、致孔剂、引发剂按照质量比为10～30：5～20:50～90:0.1～2混合搅拌均匀。

具体地，所述混合搅拌均匀后进行超声处理，所述超声处理时间为30min，所述聚合反应时间为12h。

具体地，所述毛细管的硅烷化反应步骤如下：截取毛细管，在0.1mL/min的速度下依次向毛细管中注入水、NaOH、水、HCI、水、丙酮与硅烷化试剂，密封毛细管的两端，放入干燥箱中干燥，取出毛细管，注入丙酮，密封两端，完成毛细管的活化，得硅烷化的毛细管。

具体地，所述硅烷化试剂是丙酮/异丙基酰氧三甲氧基硅烷MAPS，所述丙酮与异丙基酰氧三甲氧基硅烷MAPS的体积比为7：3。

具体地，所述注入丙酮的速度为0.05mL/min，注入时间为1h，所述干燥箱的温度是50～70℃，所述干燥时间为8～12h。

利用本制备方法制得的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的应用，包括如下步骤：用甲醇溶液以0.1mL/min流速冲洗整体柱；将含Cr³⁺的样品溶液以0.02mL/min流速通过整体柱；用一个空的注射器对整体柱进行排空；最后用浓度为1.5mol/L硝酸溶液以流速为0.02mL/min流速冲洗吸附在整体柱上的样品，收集洗脱液，用ICP-AES检测。

本发明的有益效果：(1)本发明制备的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱，具有半胱氨酸和整体柱二者的独特性质，半胱氨酸改性有机聚合物整体柱富含氨基和羧基，能够对复杂样品中Cr³⁺的富集和检测，且对复杂样品分析中痕量Cr³⁺的富集效果好；(2)对合成的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱，进行扫描电子显微镜(SEM)和红外光谱(FT-IR)的技术表征，优化了洗脱液条件、吸附时间和样品pH值，研究出一种快速、简便Cr³⁺的富集和检测方法，同时改性后的有机聚合物整体柱即半胱氨酸改性有机聚合物整体柱与未改性的有机聚合物整体柱相比，改性后的有机聚合物整体柱大大提高了痕量Cr³⁺的富集能力，改性后的有机聚合物整体柱对Cr³⁺的富集能力是与未改性的有机聚合物整体柱对Cr³⁺的富集能力的3倍，这是因为半胱氨酸表面有氨基、羧基和巯基的特殊官能团，大大提高了改性后的有机聚合物整体柱对Cr³⁺的吸附。

附图说明

图1是本发明制备的整体柱的红外色谱图；

图2是本发明制备的整体柱的扫描电镜图；

图3是不同的浓度下Cr³⁺标准溶液曲线图；

图4是不同的洗脱液对Cr³⁺的解吸图；

图5是不同的富集时间对Cr³⁺的吸附效果图；

图6是样品溶液在不同pH值时对Cr³⁺的富集效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

毛细管的硅烷化：截取毛细管(内径530μm)，在0.1mL/min的速度下依次通入水、NaOH、水、HCI、水与丙酮，通入的流速均是0.1ml/min，通入的时间均为30min，然后通入硅烷化试剂(丙酮/异丙基酰氧三甲氧基硅烷MAPS)，通入硅烷化试剂的体积量以注满毛细管为准，两端用硅胶塞密封，放入烘箱中在50℃的情况下反应12h；反应结束后，取出毛细管，以0.05mL/min的速度通丙酮1h，然后排空丙酮，两端用硅胶塞密封，留作备用。

有机聚合物整体柱的制备：称取GMA 160mg、EDMA 100mg、MAA 40mg、十二醇100mg、环己醇900mg、AIBN 2mg，混合液超声30min，通入事先活化的毛细管中，两端用硅胶塞密封，在50℃下反应12h，反应后取出，用甲醇冲洗除去未反应的单体和制孔剂，制得有机聚合物整体柱即聚(GMA-MAA-EDMA)整体柱。

半胱氨酸改性整体柱：将2μg/mL的半胱氨酸溶液以0.005mL/min的速度通入聚(GMA-MAA-EDMA)整体柱3h，两端用硅胶塞封住，在70℃的条件下反应4h，待反应结束后取出柱子，用甲醇将未反应半胱氨酸冲出，即得半胱氨酸改性有机聚合物整体柱。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：在毛细管的硅烷化步骤中，把放入烘箱中在50℃的情况下反应12h替换为放入烘箱中在60℃下反应10h；在有机聚合物整体柱的制备步骤中，把GMA 160mg、EDMA 100mg、MAA 40mg、十二醇100mg、环己醇900mg、AIBN 2mg替换为GMA80mg、EDMA 60mg、MAA 20mg、十二醇35mg、环己醇315mg、AIBN 5mg；在半胱氨酸改性整体柱的步骤中，把在70℃的条件下反应4h替换为在65℃的条件下反应5h。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于：在毛细管的硅烷化步骤中，在毛细管的硅烷化步骤中，把放入烘箱中在50℃的情况下反应12h替换为放入烘箱中在70℃下反应8h；在有机聚合物整体柱的制备步骤中，把GMA 160mg、EDMA 100mg、MAA 40mg、十二醇100mg、环己醇900mg、AIBN 2mg替换为GMA 240mg、EDMA 200mg、MAA 60mg、十二醇90mg、环己醇810mg、AIBN20mg；在半胱氨酸改性整体柱的步骤中，把在70℃的条件下反应4h替换为在在60℃的条件下反应6h。

萃取步骤

利用制备方法制得的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的应用，包括如下步骤：

1.用纯甲醇溶液以0.1mL/min的流速冲洗整体柱3min；

2.将含Cr³⁺的样品溶液以0.02mL/min的流速通过整体柱时间为15min；

3.用一个空的注射器对整体柱进行排空；

4.最后用1.5mol/L的硝酸溶液以0.02mL/min的流速冲洗吸附在整体柱上的样品，收集洗脱液，用ICP-AES检测，已知Cr的检测谱线为267nm。

整体柱的表征

将实施例1制备方法制得的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱分别用红外光谱和扫描电镜进行了表征分析，通过对红外谱图观察来确定半胱氨酸对整体柱的改性结果。用扫描电镜观察其内部结构，判断整体柱的通透性和聚合程度。

图1是实施例1制备方法制得的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的红外色谱图。图1中a是半胱氨酸改性整体柱；b是聚(GMA-MAA-EDMA)整体柱。a与b对比可以看出曲线a中2550cm^-1处振动峰是由于-SH的引入导致振动峰增强，证明了半胱氨酸上的-SH成功的引入到整体柱中；3400cm^-1处特征峰是由于-NH₂的引入导致振动增强，证明半胱氨酸上的-NH₂成功引入到整体柱上；1740cm^-1处特征峰为整体柱上C＝O振动峰，表明了制备出半胱氨酸改性整体柱。

图2是实施例1制备方法制得的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的扫描电镜图。从图2中可以看出半胱氨酸改性整体柱的内部聚合良好，结构均匀，没有团聚现象，且具有高度交联的网格骨架结构，通透性好，有利于减小样品流通时的阻力。

图3是在不同浓度下的Cr³⁺标准溶液曲线图。分别配置Cr³⁺浓度为0.01μg/mL、0.05μg/mL、0.1μg/mL、0.3μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL的标准溶液直接进入ICP-AES进行检测，以浓度为横坐标、光强度为纵坐标绘制标准曲线，得到在不同浓度下的Cr³⁺标准溶液曲线图，如图3所示，经线性拟合得标准曲线方程为：Y＝3525x+56，R²＝0.9936，说明线性关系良好。

把在萃取步骤中得到的收集洗脱液，用ICP-AES检测，已知Cr的检测谱线为267nm，然后参照图3的Cr³⁺标准溶液曲线图，可以得到含Cr³⁺的样品溶液中Cr³⁺的浓度和强度。因此图3的Cr³⁺标准溶液曲线图的作用是检测富集后含Cr³⁺的样品溶液中Cr³⁺浓度。

整体柱萃取条件的选择

为了使整体柱的富集效果最佳，本发明考察了影响萃取效率的几个主要因素，以1μg/mLCr³⁺为标准样品，采用单因素实验法分别对影响萃取效率的几个因素分别进行了考察，包括洗脱液种类、富集时间、样品pH，从而确定最佳的富集条件。

图4是不同的洗脱液对Cr³⁺的解吸图。洗脱液的种类对目标物的萃取至关重要，本发明分别选择了如下三种不同的洗脱液进行考察，1.5mol/L HNO₃、1mol/L HNO₃与1％的三氟乙酸TFA。先将标准样品在0.02mL/min的流速下吸附20min，然后分别用上述的三种洗脱液对其进行解吸实验。实验结果如图4所示，结果表明当1.5mol/L HNO₃为洗脱液时，检测出的强度最高，对Cr³⁺富集效果最好，这是因为HNO₃与金属离子发生离子交换，会对Cr³⁺进行有效的解吸。但浓度过高会破坏整体柱的机械性能，因此本发明选用了1.5mol/LHNO₃为洗脱液。

图5是不同的富集时间对Cr³⁺的吸附效果图。本发明选择样品流速为0.02mL/min，富集时间分别是5min、10min、15min、20min、25min与30min，考察了实施例1制备方法制得的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱对Cr³⁺的吸附能力实验。实验结果如图5所示，可以看出当富集时间为15min时，检出的强度几乎已经达到最大值，继续增加富集时间不会增加半胱氨酸改性整体柱对Cr³⁺的吸附，因此本发明选择富集时间为15min。

图6是在不同pH值时样品溶液对Cr³⁺的富集效果图，样品pH是影响整体柱吸附能力的重要因素之一。由于金属离子在碱性条件下易水解，因此在2～7范围内调节pH值，考察半胱氨酸改性整体对Cr³⁺富集能力的影响。本发明选择HNO₃和NH₃·H₂O调节样品溶液的pH值。如图6所示，在不同pH时检出强度。实验结果表明样品溶液在pH值为5时富集效果最好，这是因为甲基丙烯酸的pKa为4.6，当pH大于4.6时，羧基电离更容易与金属离子发生离子交换，因此本发明选择pH值为5的样品溶液。

以上仅是本发明的部分实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对上述实施例作的任何简单的修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法，其特征在于：用半胱氨酸对整体柱内有机聚合物进行化学修饰得到半胱氨酸改性有机聚合物整体柱。

2.根据权利要求1所述的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法，其特征在于：所述的化学修饰具体步骤是将半胱氨酸溶液注入有机聚合物整体柱，密封整体柱的两端，在60～70℃下反应，然后用甲醇充分冲洗，即得半胱氨酸改性有机聚合物整体柱。

3.根据权利要求2所述的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法，其特征在于：所述半胱氨酸溶液的浓度是2μg/mL，半胱氨酸溶液注入有机聚合物整体柱的速度是0.005mL/min，所述聚合反应的时间为4～6h。

4.根据权利要求2所述的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法，其特征在于：所述有机聚合物整体柱的制备方法，包括以下步骤：以甲基丙烯酸MAA与甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯EDMA为交联剂，环己醇与十二醇为二元致孔剂，偶氮二异丁腈AIBN为引发剂，混合搅拌均匀，注入硅烷化的毛细管中，密封两端，在50～70℃下反应，聚合反应完成后用甲醇充分冲洗，制得有机聚合物整体柱。

5.根据权利要求4所述的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法，其特征在于：所述功能单体、交联剂、致孔剂、引发剂按照质量比为10～30：5～20:50～90:0.1～2混合搅拌均匀。

6.根据权利要求4所述的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法，其特征在于：所述混合搅拌均匀后进行超声处理，所述超声处理时间为30min，所述聚合反应时间为12h。

7.根据权利要求4所述的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法，其特征在于：所述毛细管的硅烷化反应步骤如下：截取毛细管，在0.1mL/min的速度下依次向毛细管中注入水、NaOH、水、HCI、水、丙酮与硅烷化试剂，密封毛细管的两端，放入干燥箱中干燥，取出毛细管，注入丙酮，密封两端，完成毛细管的活化，得硅烷化的毛细管。

8.根据权利要求7所述的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法，其特征在于：所述硅烷化试剂是丙酮/异丙基酰氧三甲氧基硅烷MAPS，所述丙酮与异丙基酰氧三甲氧基硅烷MAPS的体积比为7：3。

9.根据权利要求7所述的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的制备方法，其特征在于：所述注入丙酮的速度为0.05mL/min，注入时间为1h，所述干燥箱的温度是50～70℃，所述干燥时间为8～12h。

10.利用权利要求1～9任一项制备方法制得的半胱氨酸改性有机聚合物整体柱的应用，其特征在于：包括如下步骤：

1)用甲醇溶液以0.1mL/min流速冲洗整体柱；

2)将含Cr³⁺的样品溶液以0.02mL/min流速通过整体柱；

3)用一个空的注射器对整体柱进行排空；

4)最后用浓度为1.5mol/L硝酸溶液以流速为0.02mL/min流速冲洗吸附在整体柱上的样品，收集洗脱液，用ICP-AES检测。