CN109293938A

CN109293938A - 制备金属骨架化合物结合分子印迹聚合物的复合材料

Info

Publication number: CN109293938A
Application number: CN201811180718.8A
Authority: CN
Inventors: 王乐; 潘磊; 武大鹏
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2019-02-01

Abstract

本发明涉及制备一种金属骨架化合物（MOFs）结合分子印迹聚合物（MIP）的复合材料，具体包括以下步骤：在N,N‑二甲基甲酰胺溶液（DMF）中加入MOFs材料、替代模板、功能单体、交联剂、引发剂，搅拌加热反应后抽滤，用有机溶剂冲洗，真空干燥得到前驱体；然后，将该前驱体进行抽提，洗去模板分子；制得的复合材料干燥过筛，即可作为一种吸附真菌毒素的固相萃取填充剂。本发明简单、快捷、成本低，制备的复合材料具有吸附特异性。该复合材料作为兼具金属骨架化合物和分子印迹聚合物优点的材料，在真菌毒素的吸附分离检测上具有广阔的应用前景。

Description

制备金属骨架化合物结合分子印迹聚合物的复合材料

技术领域

本发明属于化学、生物与材料的交叉领域，特别涉及制备一种适应于对真菌毒素有特异性分子识别能力的金属骨架-分子印迹聚合物复合材料。

背景技术

目前真菌毒素的前处理除了液液萃取、固相萃取等方法外，免疫亲和柱是常用的样品前处理方法，但免疫亲和柱的净化效果容易受样品基质、pH、溶剂、盐浓度等的影响，同时其价格昂贵，难于重复使用，不适于大面积推广使用，很大程度上限制了真菌毒素检测的普及。Yang 等将 ZIF-8作为固相萃取剂，建立了测定牛奶和水样中四环素残留的在线固相萃取-LC-MS联用法。Lirio 等利用微波辅助加热方法将甲基丙烯酸丁酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯与MOF结合制备了MIL-53(Al)多聚物材料，并将其作为固相微萃取 (Solid phasemicro-extraction, SPME)的整体柱，定量分析了牛奶样品中青霉素的残留量。Wang等合成了BUT-12和BUT-13两种Zr(IV)-MOFs，并将之作为固相萃取剂从水溶液中分离富集抗生素，两种材料对抗生素有很好的富集效果，结合并移除有机污染物，可以大大提高利用紫外-可见分光光度法检测抗生素的灵敏度。这些研究者重点在于利用金属骨架化合物材料的多孔性和比表面积大等特点，可以对目标物进行吸附和富集，并将其作为固相萃取的填充剂来实现检测灵敏度。本发明制备的金属骨架化合物结合分子印迹聚合物复合材料，其中，金属骨架化合物由于其独特的空穴和比表面积，对特定的分子印迹聚合物结合较充分；分子印迹聚合物与目标毒素分子的吸附依靠分子间作用力，而不以共价键的方式进行结合，在进行固相萃取或者固相微萃取时分子间极性较小，便于洗脱。相比于金属骨架化合物作为固相萃取柱填料，本发明制备的复合材料特异性吸附复杂组分中的真菌毒素，可用于达到检测真菌毒素的目的。

此外，黄加栋等将纳米材料与毒素分子印迹聚合物溶液修饰到玻璃管柱内表面上，将化学发光体系溶液与样品溶液分别泵入化学发光体系中，进行痕量真菌毒素的快速检测。方国臻等将黄曲霉毒素的结构类似物1,4-萘二甲酸为模板分子，采用表面溶胶-凝胶法合成分子印迹材料，实现该分子印迹材料固相萃取富集与高效液相色谱连用。何娟等将黄曲霉毒素分子印迹聚合物与限进介质相结合，所制备的分离介质兼具对黄曲霉毒素选择性的富集和对大分子蛋白质的排阻，可以实现较好的洗脱分离。沈连红等利用表面硅烷化的活性硅藻土作为印记载体，用表面分子技术将黄曲霉毒素分子印迹聚合物的功能分子吸附孔穴最大程度分布在其表面，增加了吸附特异性和吸附容量。张娟琨等利用青霉素作为模板分子，制备出可高效去除鲜奶中青霉素类抗生素，实现了对鲜奶中抗生素的检测。王晓等人利用天麻素作为模板，开发出的分子印迹聚合物作为柱层析填料，实现了高效提取富集天麻素。本发明用金属骨架化合物结合分子印迹聚合物作为固相萃取柱的填料，可以实现特异性吸附分离真菌毒素和对痕量有毒有害真菌毒素的有效富集。本发明制备的MOFs结合分子印记聚合物复合材料是以5,7-二甲氧基香豆素作为模板分子，区别于制备单一的分子印迹聚合物作为填料分离富集目标物，单一的分子印迹聚合物三维空穴与待分离测定物质的选择性易受聚合物的立体空间、构象、末端组成等影响。本发明采用表面自组装方法，使得分子印迹聚合物的结合位点可以暴露于MOFs分子表面，位点易与目标物以氢键方式结合。同时，本发明有别于制备大表面积和高孔隙率的MOFs材料来作为吸附催化剂。本发明将MOFs材料作为多孔的结合载体，使聚合物分子在MOFs分子表面修饰连接，聚合物分子的特异性吸附位点受空间构象的影响较小，复合材料具有在较低检测限检出真菌毒素的能力。

本发明把金属骨架化合物与分子印迹聚合物结合起来构建的吸附材料，使其具有MOFs高的孔隙率和好的化学稳定性，在吸附分离复杂组分时洗脱效率高，从而提高固相萃取柱的使用寿命；又体现分子印迹技术的构效预定性、特异识别性和重复实用性，将具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明采用溶胶凝胶的方法先合成分子印迹聚合物前驱体，通过控制复合材料中MOFs和分子印迹聚合物前驱体的比例，最后在MOFs表面自组装上MIP分子，解决的技术问题是提供制备一种适用于对真菌毒素有特异性识别能力的复合材料。

本发明实现上述目的的解决方案如下：

N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液→加入MOFs、替代模板、功能单体、交联剂、引发剂→搅拌后加热反应→抽滤→DMF和甲醇冲洗→干燥得到前驱体→甲醇+乙酸（9+1，v/v）萃取→甲醇萃取（直至萃取液中无DMC检出为止）→干燥过筛→MOFs复合分子印迹聚合物。

制备该特异性复合材料的具体说明如下：

(1) 分子印迹聚合物前驱体的合成：在N,N-二甲基甲酰胺溶液（DMF）中加入替代模板、功能单体、交联剂、引发剂，搅拌后加热聚合反应，结束后抽滤，用DMF和甲醇冲洗，真空干燥得到前驱体。

(2) MOFs结合分子印迹聚合物复合材料的合成：把MOFs加入步骤（1）中制备印记聚合物的DMF溶液中，再依照步骤（1）中的制备方法依次加入替代模板、功能单体、交联剂、引发剂，通过自组装热聚合，并搅拌反应，在MOFs表面形成一层具有氢键键合能力的MIP分子层。反应结束后抽滤，洗涤，晾干，然后将模板分子洗脱，得到复合材料。

(3) 模板分子的洗脱：把（1）制得的聚合物用有机溶剂-酸的混合物(9:1,v/v)抽提，洗去模板分子，直到不能检测出模板分子为止。在真空干燥后，用标准筛进行过筛，即得负载型离子液体为功能单体的DMC分子印迹聚合物；

同时用同样的比例和方法制取MOFs结合的非印迹聚合物（不加模板分子）

替代模板的量影响到具有识别作用的孔穴的数量，替代模板过少，増强MIP的非特异性，模板过多，不仅会造成浪费，并且假模板之间因为发生化学反应而降低MIP的特异性。交联剂较少，使得MIP由于交联度不够，从而造成了其结构疏松，易塌陷，识别能力降低，不易抽滤的缺点。交联剂过多，虽然抽滤过程容易进行，但是MIP由于交联度过高，一方面造成其结构过于致密，假模板分子不易洗脱，有效的结合位点数量降低，造成吸附容量降低，另一方面交联剂极易发生自聚反应，MIP结构不均匀，特异性识别能力降低。聚合过程中所用的引发剂在不同程度对MIP的孔径分布、比表面积、孔隙率及其结构的性质产生影响。并且引发剂用量的多少也会对聚合反应产生影响，用量过多会引起与目标物的竞争反应，用量过少会使聚合反应速率降低，不利于反应的进行。为了使合成的MIP分子层具有溶胶-凝胶性质，使得MIP具有预组装能力，并且特异性吸附位点（孔穴）数量与MIP性能相匹配，抽滤洗脱完全，步骤（1）中所述的替代模板、交联剂、引发剂的比例为1:12~17:1~6。

理论上，增大功能单体与替代模板的比例可以使得MIP的预组装能力提高，但是过多的功能单体有可能使得未参与组装的功能单体形成非选择性的结合位点，从而降低了MIP的特异性能，同时未参与组装的功能单体还会发生自身聚合而使得与替代模板分子结合的能力降低，降低MIP中选择性结合位点的数量。为了使模板分子洗脱后在功能单体上以特异性吸附孔穴存在，步骤（1）中所述的模板分子与功能单体的比例为1:1~2。

反应温度对MIP会产生一定的影响，温度过低，由于不能向聚合体系提供所需的反应热而使得溶胶凝胶不能充分进行化学反应；温度过高，虽然可以促进替代模板的快速溶解，但是也会导致有机溶剂的挥发，并在一定程度上不仅会破坏MIP的结构，也会使得交联剂发生自聚现象，降低恃异性识别能力。当反应温度一定时，反应时间缩短，溶胶凝胶反应不完全发生，形成较少的结合位点，孔穴结构不稳定。随着反应时间的增加，聚合程度越高，聚合反应越完全，形成较多的结合位点，但反应时间过长，MIP的孔隙率减小，在溶液中也会形成非特异性、非接枝的聚合物，最终使得特异性识别能力降低。为了使其聚合反应完全，不会破坏MIP的结构以及防止交联剂发生自聚现象，从而使聚合程度充分以满足一定的孔体积、孔隙率，步骤（1）中所述的反应温度为30℃~80℃，反应时间2~48小时。

金属骨架化合物（MOFs）的孔隙率、孔径和比表面积决定其结合金属骨架化合物（MIP）中特异性结合位点的能力，MOFs比例过高，其上结合的MIP分子特异性空穴会因为空间效应而掩蔽，MOFs比例太低，MIP分子由于结合不完全，特异性吸附空穴不能暴露在材料表面而使复合材料的吸附容量和特异性降低。为了增加MOFs负载特异性吸附功能单体量，而又不至于负载完全导致MIP结构不稳定，步骤（3）中所述的MOFs与功能单体的质量比为1:1~5。

本发明所制备的复合材料具有吸附分离富集真菌毒素的特征。

本发明所述的MOFs结合分子印记聚合物复合材料是以5,7-二甲氧基香豆素作为模板分子。由于MIP的三维空穴与待分离测定物质的选择性与其立体空间、构象、末端组成等有关，采用表面自组装方法，使得结合位点可以更好地暴露于表面，易与目标物结合，从而可以很好的吸附目标物，提高其准确度与传质速率。该材料可以快速吸附食品中的真菌毒素，对目标物具有高的选择性、稳定性和使用寿命。本发明成本低廉，生产易于控制，制得的复合材料作为固相萃取的填料与液相色谱联用，适用于痕量真菌毒素的分离与富集。

具体实施方式

实施例1 制备一种金属骨架化合物结合分子印迹聚合物的复合材料

将1~2 g硝酸铜和0.5~1.0 g均苯三甲酸分别溶解于24 ml H₂O和24 ml乙醇（ETOH）中，然后装入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，分别在150℃~180℃下晶化12~24 h。冷却至室温后，离心处理，并用乙醇，甲醇溶液充分洗涤后过滤。最后在真空干燥箱中烘干得到Cu-BTC。

六水合氯化铁1.00~3.00 g溶于甲醇溶剂中，CuBTC 0.1~0.2 g加入到上述溶液中，得到悬浊液，放在室温下搅拌12~24 h；反应结束后，离心分离，用甲醇溶液提纯，得到准备粒子。准备粒子要纯化两次，用甲醇纯化1~4 h后在70℃热水中纯化2~4 h，然后真空干燥，在200~300℃条件下煅烧4~8 h，即得到MIL-100。

称取5.00~10 g珪球置于250 ml三颈烧瓶中，加入50.0~100.0 ml 30~38%甲烷磺酸水溶液，电磁揽拌，回流反应4~10 h后，将固体物质滤出，并用蒸馏水反复冲洗滤出的固体，直至水溶液呈中性，再置于真空干燥箱中，50~70℃干燥4~10 h。

称取1.0~2.0 g活化硅球，置于100 ml圆底烧瓶中，加入30~80 ml无水甲苯，逐滴加入4.6 ml N-[3-(三乙氧硅烷基）丙基]-4,5-双氢咪唑。在N₂保护下，90℃回流14 h。过滤，所得固体用丙酮洗涤，在真空条件下干燥12 h。

称取1.4 g上述产物置于100 ml圆底烧瓶中，加入40 ml无水乙醇，加入4.0 g 3-溴丙胺氢溴酸盐。在N₂保护下，90℃回流14 h。过滤，所得固体用乙醇洗涤，在真空条件下干燥12~24 h。

称取0.5~1.0 g的上述产物置于100 ml的圆底烧瓶中，加入20~50 ml乙醇和20~50ml的KHCO₃水溶液，室温揽拌20~50 min。过滤，所得固体用乙醇洗涤，在真空条件下干燥12~24 h，得到负载型离子液体前驱体。

80~100 mg (0.6 mmol) DMC（5,7-二甲氧基香豆素)置于25 ml圆底烧瓶中，逐滴加入1.5~2.0 ml DMF(N,N-二甲基甲酰胺），磁力揽拌15~30 min，至完全溶解。称取15~20mg MIL-100，加入圆底烧瓶并揽拌反应30~60 min；再加入100~150 mg负载型离子液体前驱体后加入1000~3000 uL (9.0 mmol) 的四乙氧基硅烷（TEOS），继续揽拌反应30~60 min；再加入100~500 uL 3molL^-1氨水，继续揽拌反应10~30 min。将圆底烧瓶置于30~60℃水浴中反应24~48 h，所得固体物质转入抽滤装置中，先用过量的DMF冲洗，再用过量的甲醇冲洗，从而洗去未参加聚合反应的模板分子和反应物。最后将所得到的粉末状固体物质放入真空干燥箱中干燥8~24 h，得到分子印迹聚合物复合前驱体。

将上述制备好的分子印迹聚合物复合前驱体进行洗脱，用甲醇+乙酸（9+1，v/v）反复萃取48 h，再用甲醇萃取12~24 h，直至萃取液中无DMC检出为止。在50~70℃下真空干燥12~24 h，用80~100目标准筛进行过筛，即得金属骨架化合物结合分子印迹聚合物的复合材料。

用同样的比例和方法制取MOFs结合的非印迹聚合物，除了不加模板分子DMC（5,7-二甲氧基香豆素)

取洁净的空的固相萃取柱底部放入聚四氟乙烯垫片，将制得的复合材料0.1~0.5 g填充至固相萃取小柱，保证其在柱内分布均匀，在顶部再压入一个聚四氟乙烯垫片来固定填料，将其连接到固相萃取装置，即可作为固相萃取填充剂对真菌毒素进行浓缩、富集、分离。

实施例2 可用于快速检测黄曲霉毒素的分子印迹聚合物材料

80~100 mg (0.6 mmol) DMC（5,7-二甲氧基香豆素)置于25 ml圆底烧瓶中，逐滴加入1.5~2.0 ml DMF(N,N-二甲基甲酰胺），磁力揽拌15~30 min，至完全溶解。再加入100~150 mg负载型离子液体后加入1000~3000 uL (9.0 mmol)的四乙氧基硅烷（TEOS），继续揽拌反应30~60 min；再加入100~500 uL 3molL^-1氨水，继续揽拌反应10~30 min。将圆底烧瓶置于30~60℃水浴中反应24~48 h，所得固体物质转入抽滤装置中，先用过量的DMF冲洗，再用过量的甲醇冲洗，从而洗去未参加聚合反应的模板分子和反应物。最后将所得到的粉末状固体物质放入真空干燥箱中干燥8~24 h，得到分子印迹聚合物前驱体。

将上述制备好的DMC分子印迹聚合物前驱体进行洗脱，用甲醇+乙酸（9+1，v/v）反复萃取48 h，再用甲醇萃取12~24 h，直至萃取液中无DMC检出为止。在50~70℃下真空干燥12~24 h，用80~100目标准筛进行过筛，即得黄曲霉毒素分子印迹聚合物。

用同样的比例和方法制取非印迹聚合物，除了不加模板分子DMC（5,7-二甲氧基香豆素)

将上述实施例1制得的复合材料和实施例2制得的聚合物材料1~5 mg

分别置于不同浓度的DMC甲醇标准液中，在室温下保持一定的时间后离心取上清液稀释后进行吸光度值检测，最后计算吸附容量。同时平行做非印迹聚合物对DMC的吸附选择性实验，随着DMC浓度的升高，吸附容量逐渐增大，最后逐渐保持平衡。在相同浓度下，复合材料的吸附容量大于不结合金属骨架化合物黄曲霉毒素分子印记聚合物的吸附容量和非印迹聚合物的吸附容量。

Claims

1.制备金属骨架化合物结合分子印迹聚合物的复合材料，其特征在，该材料制备具体包括以下步骤：

（1）为了特异性合成分子印迹聚合物前驱体，在N,N-二甲基甲酰胺溶液（DMF）中加入替代模板、功能单体、交联剂、引发剂，得到前驱体；所述的替代模板为香豆素-3-羧酸乙酯、香豆素-3-甲酸乙酯、5,7-二甲氧基香豆素、4-溴甲基-6,7二甲氧基香豆素的其中一种或几种；所述的功能单体为甲基丙烯酸、丙烯酰胺、2-已烯基吡啶、2-已烯基吡啶-丙烯酰胺、2-已烯基吡啶-甲基丙烯酸的其中一种或几种；所述的交联剂为四氢呋喃、三乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷、三甲基丙烯酸酯或乙二醇二甲基丙烯酸酯的其中一种或几种；所述的引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二戊腈、氨水的其中一种或几种；

（2）为了合成MOFs结合分子印迹聚合物复合材料，把MOFs加入（1）中制备印记聚合物前驱体的DMF溶液中，通过自组装热聚合，最后得到复合印迹材料MOFs表面形成一层具有氢键键合能力的MIP分子层；所述的MOFs为Cu-BTC、ZIF-8、MIL-100、MIL-101的其中一种或几种。

2.如权利要求1所述的聚合物的制备方法，为了使合成的MIP分子层具有特殊的溶胶-凝胶性质，利于抽滤洗脱，其特征在于，步骤（1）中所述的替代模板、交联剂、引发剂的比例为1:12~17:1~6。

3.如权利要求1所述的制备的聚合物，为了使聚合物具有高的吸附容量和特异性，其特征在于，步骤（1）中所述的替代模板与功能单体的比例为1:1~2。

4.如权利要求1所述的制备的聚合物，为了使聚合物的聚合反应完全，聚合程度充分，其特征在于，步骤（1）中所述的反应温度为30℃~80℃，反应时间2~48小时。

5.如权利要求1所述的制备的聚合物，为了使分子印迹聚合物的特异性吸附空穴与金属骨架化合物刚性结构相匹配，实现有效负载，其特征在于，步骤（2）中所述MOFs与功能单体的质量比为1:1~5。

6.根据权利要求1-5的制备方法制备的一种金属骨架化合物结合分子印迹聚合物的复合材料，其特征在于，用于对真菌毒素的快速检测。