CN107868164B - 一种亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的制备方法及应用 - Google Patents

一种亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种亚硝胺的分子印迹聚合物的制备方法及其产品的应用，其制备方法包括下述步骤为：利用模板分子对功能单体进行预聚合；所得的预聚合体系与乙二醇二甲基丙烯酸酯和偶氮二异丁腈反应得到高分子聚合物；对所述高分子聚合物进行物理、化学清洗，最终得到亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物。所得到的分子印迹聚合物形貌规则，可以同时吸附5种亚硝胺类物质，实现了对复杂水样中的亚硝胺类物质的快速分离、富集与多残留检测，具有良好的应用前景。

Description

一种亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的制备方法及应用
技术领域
本发明属于分子印迹材料技术领域，尤其涉及一种针对检测饮用水中亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的制备方法及其应用。
背景技术
水是生命之源，是人类生存不可或缺的物质之一，饮用水的安全与人类健康和社会稳定以及经济发展息息相关。水源水中有很多病原性微生物，直接饮用能够导致伤寒、霍乱等疾病的暴发和流行，为保障饮用水安全，饮用水进行消毒可以杀灭水中的病原体，但消毒剂的使用也产生了很多种类的消毒副产物，更多的饮用水消毒采用氯气或氯胺消毒，在众多的消毒副产物中，亚硝胺类消毒副产物是一种新兴的含氮类消毒副产物，很多研究表明含氮类消毒副产物毒性远远大于含碳类消毒副产物毒性，国际癌症研究署分类，很多亚硝胺类物质属于可疑致癌物；而这一类物质在水体中的含量多在ng/L的水平，水样前处理则需要效率较高的吸附剂进行浓缩分析检测。
分子印迹技术是一种旨在合成具有选择性吸附的高分子聚合物，一般情况下分子印迹聚合物利用模板分子在材料中非共价键结合功能单体进行合成反应，反应结束后依靠溶剂洗脱去除模板分子，使材料表面形成与模板分子大小和形状较为一致的微孔结构，进而可以进行对目标分析物的选择性吸附，具有选择性好、吸附效率高等特点。目前分子印迹技术已经应用于农药检测、靶向药物合成等领域，本发明利用沉淀聚合方法制备了针对5中亚硝胺类消毒副产物的分子印迹聚合物，并将该聚合物作为固相萃取填料萃取水样中5种亚硝胺类消毒副产物，水样中不同浓度下5种亚硝胺类消毒副产物均有较好的回收率。
发明内容
本发明旨在提供一种亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物制备方法，为现有亚硝胺类消毒副产物检测方法提供了全新的思路，利用针对亚硝胺类消毒副产物的分子印迹聚合物作为吸附剂，对水样中的亚硝胺类消毒副产物的含量进行检测，具有操作方便，聚合物可做到无限次回收套用，对于亚硝胺类消毒副产物的检测灵敏度高，检测结果准确等优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种亚硝铵类消毒副产物分子印迹聚合物的制备方法。该方法利用亚硝基二乙胺(NDEA)、亚硝基二丙胺 (NDPA)、亚硝基二丁胺(NDBA)、亚硝基哌啶(NPIP)、亚硝基二苯胺 (NDPhA)5种亚硝胺所对应的N,N二乙基甲酰胺、N,N二正丙基甲酰胺、 N,N二丁基甲酰胺、1-甲酰哌啶和N,N-二苯基甲酰胺5种模板分子进行预聚合，所述预聚合α-甲基丙烯酸功能单体与亚硝胺类模版分子混合，得到预聚合体系；预聚合体系在偶氮二异丁腈催化剂催化下，进一步与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联剂充分反应，进行聚合；然后通过对包埋了亚硝胺类分子的分子印迹聚合物进行物理、化学清洗，最终得到亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物，用亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物即可快速检测出亚硝胺类消毒副产物。
本发明提供了一种亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的制备方法。其具体的制备步骤如下:
(1)模板分子与功能单体预聚合，步骤如下：
取一定量的亚硝基二乙胺(NDEA)、亚硝基二丙胺(NDPA)、亚硝基二丁胺(NDBA)、亚硝基哌啶(NPIP)、亚硝基二苯胺(NDPhA)5种亚硝胺所对应的N,N二乙基甲酰胺、N,N二正丙基甲酰胺、N,N二丁基甲酰胺、1-甲酰哌啶和N,N-二苯基甲酰胺5种模板分子溶于乙腈/水混合溶剂和α-甲基丙烯酸功能单体的混合溶液，置于装有搅拌器及温度计的500ml三口烧瓶中；启动搅拌器，常温下搅拌10min后，再置于超声机中超声10min，使模板分子与功能单体充分接触，然后避光放置4℃冰箱中静置24h，得到一种乙腈预聚合体系。
其中，所述的乙腈/水混合溶液总体积为250ml，乙腈/水混合溶液体积比为3:2，五种模板分子的添加量均为0.20～0.30mmol；α-甲基丙烯酸添加量为6.8-7.6mmol。
优选地，所述五种模板分子的添加量均为0.25mmol；α-甲基丙烯酸添加量为7.2mmol。
(2)沉淀聚合法制备亚硝胺类分子印迹聚合物，步骤如下：
将步骤(1)得到的乙腈预聚合体系缓慢加入适量交联剂和催化剂，然后超声混合10min，使物质分散均匀；再使用真空泵抽走三口烧瓶内的空气，再往三口烧瓶中的混合液中充入氮气除氧气，然后置于恒温油浴锅内加热反应，得到一种高分子聚合物；
用力摇动上述使用的聚合反应瓶，得到具有一定粒径的高分子聚合物，然后再温度为60℃～75℃的条件下进行干燥，再把聚合物装入索氏提取装置中加入洗脱剂，洗脱所述模板分子和未反应的物质，洗脱一段时间，把洗脱的高分子聚合物在真空环境中进行干燥，即得到亚硝胺类分子印迹聚合物。
其中，所述的步骤(2)中交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯，浓度为32-40 mmol；催化剂为偶氮二异丁腈，用量为50-70mg；所述的往三口烧瓶中充入氮气除氧气的控制时间为6-8min；所述的恒温油浴加热反应的温度为 60±2℃，磁力搅拌转速为400rpm，反应时间为24h；所述的洗涤剂为乙腈、甲醇和水中的一种；所述的真空干燥温度条件为60℃，时间为24h。
优选地，所述的步骤(2)中交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯，浓度为 36mmol；催化剂为偶氮二异丁腈，用量为60mg；所述的往三口烧瓶中充入氮气除氧气的控制时间为6-8min；所述的恒温油浴加热反应的温度为 60℃，磁力搅拌转速为400rpm，反应时间为24h；所述的洗涤为甲醇；所述的真空干燥温度条件为60℃，时间为24h。
进一步，本发明提供采用上述制备方法得到的亚硝胺类分子印迹聚合物在固相萃取水样中5种亚硝胺类消毒副产物分子的应用。具体应用方法如下：
使用上述制备的亚硝胺类分子印迹聚合物作为固相萃取填料，对固相萃取过程中的填料量、洗脱剂类型及体积、水样pH进行优化，在最优条件下进行固相萃取过程。向1L纯水样中加入含有9种亚硝胺混合亚硝胺标准液，其中亚硝基二甲胺(NDMA)、亚硝基甲乙胺(NMEA)、亚硝基吡咯烷(NPyr)、亚硝基吗啉(NMor)作为结构类似物的干扰组分检验材料的选择性，配置最终浓度为10ng/L、50ng/L、200ng/L的3种不同浓度的水样，使用分子印迹固相萃取之后，氮吹浓缩，提取溶剂，使用气质联用仪进行分析检测。
优选地，所述最优条件为：固相萃取过程中的填料量为9.0uL，洗脱剂类型为甲醇、水样的pH为6。
相比现有技术，本发明的优点和有益效果在于：
(1)本发明首次水相制备制备亚硝胺类分子印迹聚合物，采用沉淀聚合热引发的方式，制备方法简便，在水中亚硝胺类消毒副产物的分析检测中有良好的应用前景，可大规模生产。
(2)制备的亚硝胺类分子印迹聚合物采用与5种亚硝类消毒副产物胺结构极为相似的酰胺类物质作为混合模板分子，制备的分子印迹聚合在固相萃取过程中具有较高的选择性和萃取效率。
(3)制备的亚硝胺类分子印迹聚合物在实际应用中能够有效降低后期定量时对质谱的污染，大大降低质谱维护成本，有较大的实际应用价值。
附图说明
图1为实施例3所制备的样品的扫描电镜图；
图2为实施例3所制备的样品的红外光谱图；
图3为实施例3所制备的样品的热重分析图；
图4为实施例3所制备的样品的氮气吸脱附图；
图5为实施例4所制备的样品做固相萃取填料，5种亚硝胺的回收率结果图200ng/L(图a)，50ng/L(图b)，10ng/L(图c)；
具体实施方式
为使本领域技术人员清楚明白本发明的技术方案，下面通过以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。
实施例1
(1)模板分子与功能单体预聚合，步骤如下：
各量取0.30mmol的N,N二乙基甲酰胺、N,N二正丙基甲酰胺、N,N 二丁基甲酰胺、1-甲酰哌啶和N,N-二苯基甲酰胺5种模板分子溶于150mL 分析纯乙腈和90mL纯水的乙腈/水混合溶剂，再加入7.6mmol的α-甲基丙烯酸功能单体的混合溶液，置于装有搅拌器及温度计的500ml三口烧瓶中；启动搅拌器，常温下搅拌10min后，再置于超声机中超声10min，使模板分子与功能单体充分接触，然后避光放置4℃冰箱中静置24h，得到一种乙腈预聚合体系。
(2)沉淀聚合法制备亚硝胺类分子印迹聚合物，步骤如下：
将步骤(1)得到的乙腈预聚合体系缓慢加入40mmol的乙二醇二甲基丙烯酸酯，70mg的偶氮二异丁腈，然后超声混合10min，使物质分散均匀；再使用真空泵抽走三口烧瓶内的空气，再往三口烧瓶中的混合液中充入6 分钟纯氮气除氧气，然后置于62℃恒温油浴锅内加热反应，磁力搅拌转速为400rpm，反应时间为24h，得到一种高分子聚合物；
用力摇动上述使用的聚合反应瓶，得到具有一定粒径的高分子聚合物，然后再温度为60℃的条件下进行干燥，再把聚合物装入索氏提取装置中，依次加入乙腈、甲醇和水进行洗涤，洗脱所述模板分子和未反应的物质，洗脱一段时间，把洗脱的高分子聚合物置于60℃真空环境中进行干燥24h，即得到亚硝胺类分子印迹聚合物。
(3)亚硝胺类分子印迹聚合物的应用
使用制备的分子印迹聚合物作为固相萃取填料，对固相萃取过程中的填料量为6.0uL、洗脱剂为乙腈、水样pH为5，在此条件下进行固相萃取过程。向1L纯水样中加入含有9种亚硝胺混合亚硝胺标准液，其中亚硝基二甲胺(NDMA)、亚硝基甲乙胺(NMEA)、亚硝基吡咯烷(NPyr)、亚硝基吗啉(NMor)作为结构类似物的干扰组分检验材料的选择性，配置最终浓度为10ng/L、50ng/L、200ng/L的3种不同浓度的水样，使用分子印迹固相萃取之后，氮吹浓缩，使用气质联用仪进行分析检测。
实施例2
(1)模板分子与功能单体预聚合，步骤如下：
各量取0.25mmol的N,N二乙基甲酰胺、N,N二正丙基甲酰胺、N,N 二丁基甲酰胺、1-甲酰哌啶和N,N-二苯基甲酰胺5种模板分子溶于150mL 分析纯乙腈和100mL纯水的乙腈/水混合溶剂，再加入7.2mmol的α-甲基丙烯酸功能单体的混合溶液，置于装有搅拌器及温度计的500ml三口烧瓶中；启动搅拌器，常温下搅拌10min后，再置于超声机中超声10min，使模板分子与功能单体充分接触，然后避光放置4℃冰箱中静置24h，得到一种乙腈预聚合体系。
(2)沉淀聚合法制备亚硝胺类分子印迹聚合物，步骤如下：
将步骤(1)得到的乙腈预聚合体系缓慢加入36mmol的乙二醇二甲基丙烯酸酯，60mg的偶氮二异丁腈，然后超声混合10min，使物质分散均匀；再使用真空泵抽走三口烧瓶内的空气，再往三口烧瓶中的混合液中充入6 分钟纯氮气除氧气，然后置于60℃恒温油浴锅内加热反应，磁力搅拌转速为400rpm，反应时间为24h，得到一种高分子聚合物；
用力摇动上述使用的聚合反应瓶，得到具有一定粒径的高分子聚合物，然后再温度为60℃的条件下进行干燥，再把聚合物装入索氏提取装置中，依次加入乙腈、甲醇和水进行洗涤，洗脱所述模板分子和未反应的物质，洗脱一段时间，把洗脱的高分子聚合物置于60℃真空环境中进行干燥24h，即得到亚硝胺类分子印迹聚合物。
(3)亚硝胺类分子印迹聚合物样品的应用
使用制备的分子印迹聚合物作为固相萃取填料，对固相萃取过程中的填料量为9.0uL、洗脱剂类型为甲醇、水样pH为6进行优化，在最优条件下进行固相萃取过程。向1L纯水样中加入含有9种亚硝胺混合亚硝胺标准液，其中亚硝基二甲胺(NDMA)、亚硝基甲乙胺(NMEA)、亚硝基吡咯烷(NPyr)、亚硝基吗啉(NMor)作为结构类似物的干扰组分检验材料的选择性，分别配置最终浓度为10ng/L、50ng/L、200ng/L的3种不同浓度的水样，使用分子印迹固相萃取之后，氮吹浓缩，提取溶剂，使用气质联用仪进行分析检测，测定5种亚硝胺的回收率，其结果如图5所示。
实施例3
(1)模板分子与功能单体预聚合，步骤如下：
各量取0.20mmol的N,N二乙基甲酰胺、N,N二正丙基甲酰胺、N,N 二丁基甲酰胺、1-甲酰哌啶和N,N-二苯基甲酰胺5种模板分子溶于150mL 分析纯乙腈和100mL纯水的乙腈/水混合溶剂，再加入6.8mmol的α-甲基丙烯酸功能单体的混合溶液，置于装有搅拌器及温度计的500ml三口烧瓶中；启动搅拌器，常温下搅拌10min后，再置于超声机中超声10min，使模板分子与功能单体充分接触，然后避光放置4℃冰箱中静置24h，得到一种乙腈预聚合体系。
(2)沉淀聚合法制备亚硝胺类分子印迹聚合物，步骤如下：
将步骤(1)得到的乙腈预聚合体系缓慢加入32mmol的乙二醇二甲基丙烯酸酯，50mg的偶氮二异丁腈，然后超声混合10min，使物质分散均匀；再使用真空泵抽走三口烧瓶内的空气，再往三口烧瓶中的混合液中充入6 分钟纯氮气除氧气，然后置于60℃恒温油浴锅内加热反应，磁力搅拌转速为400rpm，反应时间为24h，得到一种高分子聚合物；
用力摇动上述使用的聚合反应瓶，得到具有一定粒径的高分子聚合物，然后再温度为60℃的条件下进行干燥，再把聚合物装入索氏提取装置中，依次加入乙腈、甲醇和水进行洗涤，洗脱所述模板分子和未反应的物质，洗脱一段时间，把洗脱的高分子聚合物置于60℃真空环境中进行干燥24h，即得到亚硝胺类分子印迹聚合物。
(3)亚硝胺类分子印迹聚合物样品的应用
使用制备的分子印迹聚合物作为固相萃取填料，对固相萃取过程中的填料量为12uL、洗脱剂类型为纯净水、水样pH为7进行优化，在最优条件下进行固相萃取过程。向1L纯水样中加入含有9种亚硝胺混合亚硝胺标准液，其中亚硝基二甲胺(NDMA)、亚硝基甲乙胺(NMEA)、亚硝基吡咯烷(NPyr)、亚硝基吗啉(NMor)作为结构类似物的干扰组分检验材料的选择性，分别配置最终浓度为10ng/L、50ng/L、200ng/L的3种不同浓度的水样，使用分子印迹固相萃取之后，氮吹浓缩，提取溶剂，使用气质联用仪进行分析检测，测定5种亚硝胺的回收率，其结果如图5所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照签署实施例对本发明进行了纤细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
(1)模板分子与功能单体预聚合：
取定量的N,N二乙基甲酰胺、N,N二正丙基甲酰胺、N,N二丁基甲酰胺、1-甲酰哌啶和N,N-二苯基甲酰胺5种模板分子同时溶于乙腈/水混合溶剂和α-甲基丙烯酸功能单体的混合溶液中，使模板分子与功能单体充分接触，然后避光静置，得到预聚合体系；
(2)沉淀聚合法制备亚硝胺类分子印迹聚合物
在步骤(1)得到的乙腈预聚合体系中缓慢加入适量乙二醇二甲基丙烯酸酯交联剂和偶氮二异丁腈催化剂，然后置于58～62℃恒温油浴锅内加热反应，得到具有一定粒径的高分子聚合物，再把聚合物装入索氏提取装置中加入洗脱剂，洗脱所述模板分子和未反应的物质，再将经过洗脱的高分子聚合物进行干燥，最终得到亚硝胺类分子印迹聚合物。
2.根据权利要求1中所述的一种亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的乙腈/水混合溶液总体积为250ml，乙腈/水混合溶液体积比为3:2，所述五种模板分子的量均为0.20～0.30mmol，所述α-甲基丙烯酸的添加量为6.8-7.6mmol。
3.根据权利要求1中所述的一种亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的乙二醇二甲基丙烯酸酯用量为32-40mmol，所述偶氮二异丁腈用量为50-70mg。
4.根据权利要求1中所述的一种亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述反应是在真空无氧环境下进行的。
5.根据权利要求1中所述的一种亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的洗涤剂为乙腈、甲醇或水。
6.亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的应用，以权利要求1-5任一项所述一种亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的制备方法制得的亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物作为固相吸附材料，用于分离富集水样中的亚硝胺类消毒副产物。
7.根据权利要求6所述的亚硝胺类消毒副产物分子印迹聚合物的应用，所述亚硝胺类消毒副产物为亚硝基二乙胺、亚硝基二丙胺、亚硝基二丁胺、亚硝基哌啶或亚硝基二苯胺。
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