CN110433776A - β-环糊精功能化磁性碳微球及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁微粒领域,尤其涉及一种β‑环糊精功能化磁性碳微球及制备方法。本发明的β‑环糊精功能化磁性碳微球为卵黄壳结构,壳层为碳层,中间空心层为刻蚀层,内核为纳米Fe3O4,所述碳层上接枝有β‑环糊精分子,所述β‑环糊精分子具有主客识别多环芳烃分子的空腔。β‑环糊精功能化磁性碳微球对多环芳烃分子具有较好的吸附性能。
Description
技术领域
本发明涉及磁微粒领域,尤其涉及一种β-环糊精功能化磁性碳微球及制备方法。
背景技术
磁固相萃取(MSPE)是以磁性或可磁化的材料作为吸附剂基质的一种分散固相萃取技术,其具有非常高的萃取能力和萃取效率。磁微粒广泛应用于细胞分离、药物转运、酶的固定化和目标有机物吸附分离,而MSPE技术在环境科学、食品科学、基因组学和蛋白组学等诸多领域中都展示了极高的应用前景。其中,磁微粒结构的吸附性能是MSPE应用的关键。
Yolk-shell结构材料具有较大的比表面积,而碳材料具有良好的生物相容性、热稳定性以及机械强度,在许多应用领域都有着广泛的发展前景。但是,仅采用碳层作为壳层使用时,往往会因为缺乏对目标物分子识别的选择性而导致萃取效果不理想。
发明内容
为了解决以上问题,本发明的目的是提供一种β-环糊精功能化磁性碳微球及制备方法,制备得到的β-环糊精功能化磁性碳微球对多环芳烃(PAHs)具有较好的吸附性能。
为实现上述目的,本发明所设计的β-环糊精功能化磁性碳微球的制备方法,包括步骤:
(1)制备Fe3O4@void@C磁性碳微球:
(1.1)前驱体微球:
向纳米Fe3O4分散液中依次加入间二苯酚、氨水、甲醛和正硅酸乙酯(TEOS),发生聚合反应,再经过洗涤和干燥后得到前驱体微球;
(1.2)前驱体微球的碳化和刻蚀处理:将前驱体微球置于管式炉内进行碳化处理得到碳化产物,将碳化产物置于碳酸钠溶液中进行刻蚀处理得到Fe3O4@void@C磁性碳微球;
(2)氧化Fe3O4@void@C磁性碳微球:将Fe3O4@void@C磁性碳微球置于双氧水溶液中氧化处理得到氧化产物;
(3)β-环糊精修饰:将氧化产物分散在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中,并向溶剂中加入β-环糊精(β-CD)和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)进行接枝反应得到β-环糊精功能化磁性碳微球(Fe3O4@void@C-β-CD微球)。
本发明首先通过氧化处理Fe3O4@void@C磁性碳微球引入官能团,利用HDI将β-环糊精分子接枝在碳层,制得β-环糊精功能化磁性碳微球。本发明的制备方法简单,得到的Fe3O4@void@C-β-CD微球不仅对多环芳烃分子具有较好的选择吸附性能,而且具有较好的循环吸附使用性能。
作为优选方案,所述步骤(3),按质量比,氧化产物:β-CD:HDI为1~2:1~2:2~4。
一种β-环糊精功能化磁性碳微球,其特征在于,所述β-环糊精功能化磁性碳微球为卵黄壳结构,壳层为碳层,中间空心层为刻蚀层,内核为纳米Fe3O4,所述碳层上接枝有β-环糊精分子,所述β-环糊精分子具有主客识别多环芳烃分子(PAHs)的空腔。
作为优选方案,所述β-环糊精功能化磁性碳微球的直径为50~200nm,所述刻蚀层的厚度为10~30nm。
作为优选方案,所述β-环糊精功能化磁性碳微球的碳层为多孔碳结构,碳层上的孔径为2~5nm。
作为优选方案,所述β-环糊精分子的接枝方法是,首先通过氧化碳层在碳层上引入官能团,然后利用六亚甲基二异氰酸酯将β-环糊精分子接枝在碳层。
一种利用β-环糊精功能化磁性碳微球分离富集和检测痕量多环芳烃分子的方法,其特征在于,包括步骤:向样品中加入β-环糊精功能化磁性碳微球和NaCl,震荡吸附后,将吸附有多环芳烃分子的β-环糊精功能化磁性碳微球磁性分离,移去上清液,将吸附有多环芳烃分子的β-环糊精功能化磁性碳微球浸入乙腈溶剂中,超声解吸处理后,得到解吸液,最后利用HPLC技术检测解吸液的中多环芳烃含量。
与现有的HPLC检测痕量物质技术相比,本发明首先通过Fe3O4@void@C-β-CD微球富集PAHs,然后将吸附有PAHs的Fe3O4@void@C-β-CD微球浸入适量的乙腈溶剂中,超声解吸得到含有PAHs的乙腈溶液,乙腈溶液中PAHs的浓度高于原始的样品中PAHs的浓度,然后再利用HPLC即可检测出乙腈溶液中PAHs。本发明利用Fe3O4@void@C-β-CD微球分离富集和检测痕量PAHs,提高了PAHs分析的灵敏度。
作为优选方案,所述样品为10~20ml,所述β-环糊精功能化磁性碳微球为5~15mg,所述氯化钠为2~4g,所述乙腈溶剂为1~2ml。
附图说明
图1为β-环糊精功能化磁性碳微球的制备流程图;
其中1为纳米Fe3O4,2为刻蚀层,3为碳层,4为β-环糊精分子;
图2为β-环糊精分子的接枝原理示意图;
图3为β-环糊精分子与PAHs分子的主客体识别示意图;
图4为Fe3O4@SiO2@C(a)、Fe3O4@void@C(b)、Fe3O4@void@C-COOH(c)和Fe3O4@void@C-β-CD(d)的红外光谱图;
图5为Fe3O4@void@C-β-CD的热重分析曲线;
图6为Fe3O4@void@C-β-CD的透射电镜图;
图7为Fe3O4@void@C-β-CD的孔径分布图;
图8为6次循环使用Fe3O4@void@C-β-CD的回收率柱形图;
图9为Fe3O4@void@C-β-CD对不同种类目标物的回收率柱形图;
图10为利用Fe3O4@void@C-β-CD微球分离富集和检测茶叶样品中痕量PAHs的流程示意图;
图11为茶叶样品和经过Fe3O4@void@C-β-CD微球处理的茶叶样品的HPLC色谱图。
具体实施方式
为更好地理解本发明,以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。
为解决现有磁性碳微球对目标物分子的选择性识别性能差的问题,本发明提供一种β-环糊精功能化磁性碳微球及制备方法,本发明首先通过一锅法制备出磁性前驱体微球,经过高温碳化和刻蚀,得到yolk-shell结构(卵黄壳结构)磁性碳微球,并以壳层的碳层作为载体,经过氧化引入官能团后,进行β-CD修饰,得到了β-CD功能化磁性碳微球磁性碳微球。以下将通过具体的实施例来对本发明的β-环糊精功能化磁性碳微球的制备方法的优选方式以及利用Fe3O4@void@C-β-CD微球分离富集和检测痕量PAHs的方法作详细地说明。
实施例
β-环糊精功能化磁性碳微球的制备方法,结合图1所示,包括步骤:
(1)制备Fe3O4@void@C磁性碳微球:
(1.1)前驱体微球:
称取0.25g的纳米Fe3O4置于装有150mL乙醇和50mL超纯水的三颈烧瓶中,超声10min分散得到纳米Fe3O4分散液,向纳米Fe3O4分散液中加入0.4g间二苯酚和5mL氨水、在30℃条件下搅拌1h,加入0.6mL甲醛和1.8mL TEOS,继续搅拌6h后,升温至80℃,搅拌反应8h,利用磁分离技术,将磁性微球分离出来,并用乙醇和水分别洗涤三次,真空干燥箱中60℃干燥得到前驱体微球;
(1.2)前驱体微球碳化和刻蚀处理:将前驱体微球置于管式炉内,在N2保护下,以1℃/min的速率升温至600℃,保持3h,取出得到碳化产物,再将碳化产物置于0.6mol/L碳酸钠溶液中,80℃水浴中搅拌反应1h进行刻蚀处理得到Fe3O4@void@C磁性碳微球;
(2)氧化Fe3O4@void@C磁性碳微球:取0.15g Fe3O4@void@C磁性碳微球置于15mL浓度为20%的双氧水溶液中,在40℃下搅拌氧化处理3h,利用磁分离技术分离出微球,用超纯水洗涤3次,真空干燥箱60℃干燥得到氧化后的Fe3O4@void@C磁性碳微球;
(3)β-环糊精修饰:取0.1g氧化后的Fe3O4@void@C磁性碳微球分散在50mL DMF溶剂中,并向溶剂中加入0.2gβ-CD,搅拌1h后加入0.4mL HDI,90℃搅拌反应12h,利用磁分离技术分离出微球,用超纯水洗涤3次,真空干燥箱60℃干燥得到β-环糊精功能化磁性碳微球(Fe3O4@void@C-β-CD),β-环糊精接枝的反应原理结合图2所示。
本实施例得到的Fe3O4@void@C-β-CD微球的结构如图1所示,Fe3O4@void@C-β-CD为卵黄壳结构,壳层为碳层3,中间为空心层2,内核为Fe3O4分子1,碳层3上接枝有β-环糊精分子4,β-环糊精分子4具有主客识别PAHs的空腔,β-环糊精分子4与PAHs的主客识别机理结合图3所示。
将本实施例得到的Fe3O4@void@C-β-CD微球以及Fe3O4@SiO2@C微球、Fe3O4@void@C微球、Fe3O4@void@C-COOH微球进行红外光谱检测,结果如图4所示,Fe3O4@SiO2@C(a)、Fe3O4@void@C(b)、Fe3O4@void@C-COOH(c)和Fe3O4@void@C-β-CD(d),由图4可以看出,4种材料在575cm-1均有一个明显Fe-O的特征吸收峰,与图4(a)相比较,图4(b)中Si-O-Si的伸缩振动峰1099cm-1消失,说明模板SiO2的刻蚀过程成功,图4(c)中,出现了-COOH振动峰1725cm-1,说明,材料被氧化成功,而图4(d)中,1042cm-1为C-O-C的对称伸缩振动峰,1630cm-1处为C=O的吸收峰,2925cm-1处为C-H的振动峰,均说明了β-CD被成功修饰。图5为Fe3O4@void@C-β-CD的热重分析曲线,从图5可以看出,Fe3O4@void@C-β-CD分别在300℃和650℃失重,表明,材料具有良好的热稳定性,其中,300℃的失重归属于磁微粒表面修饰材料的热分解,而600℃的失重归属于碳层在高温下碳化的程度加大。所以,该磁材料具有良好的热稳定性,适用于磁固相萃取过程。图6为Fe3O4@void@C-β-CD的透射电镜图,从图6可以看出Fe3O4@void@C-β-CD具有明显的yolk-shell结构,微粒的直径均为100nm左右,刻蚀层约20nm。Fe3O4@void@C-β-CD的孔径分布图如图7所示,由图可知Fe3O4@void@C-β-CD的孔径主要分布在2~5nm之间,属于一类介孔材料。将10mg的Fe3O4@void@C-β-CD作为吸附材料重复使用,对每一次的结果做出记录,验证该Fe3O4@void@C-β-CD的可重复使用性,结果如图8所示,在循环使用6次后,回收率下降在5%以下,Fe3O4@void@C-β-CD采用碳材料作为载体,因此具有良好的物理稳定性,能多次重复利用并保证萃取效率。另外,从常见的污染物中选取了邻苯二甲酸二丁酯、对氨基苯酚、2-萘酚、甲萘威作为目标物,与菲和芘两种多环芳烃一起配制混合标准水溶液,并利用Fe3O4@void@C-β-CD作为磁萃取介质进行磁固相萃取,结果如图9所示,相较于邻苯二甲酸二丁酯、对氨基苯酚、2-萘酚、甲萘威,Fe3O4@void@C-β-CD对菲和芘具有更为良好的回收率,说明Fe3O4@void@C-β-CD对多环芳烃具有较好的吸附选择性。
结合图10所示,将上述得到的Fe3O4@void@C-β-CD微球检测茶叶样品中痕量PAHs的方法,包括步骤:向20ml茶叶样品中加入10mg的Fe3O4@void@C-β-CD微球和3g的NaCl,震荡吸附30min后,将吸附有PAHs的Fe3O4@void@C-β-CD微球磁性分离,移去上清液,将吸附有PAHs的Fe3O4@void@C-β-CD微球浸入1ml乙腈溶剂中,超声解吸15min处理后经0.22μL滤膜过滤后得到解吸液,最后利用HPLC技术检测分析解吸液的成分。
结合如图11所示,a表示HPLC直接检测茶叶样品的色谱图,b表示将茶叶样品经过Fe3O4@void@C-β-CD微球处理后再进行HPLC检测的色谱图,从图11中可以看出,Fe3O4@void@C-β-CD微球对PAHs有很好的分离富集效果,说明本发明Fe3O4@void@C-β-CD微球分离富集和检测茶叶样品中痕量PAHs的方法有效提高了茶叶中PAHs液相色谱分析的灵敏度。
实施例2
为了探究实施例1步骤(3)β-环糊精修饰中选取合适的HDI添加量,将HDI添加量分别设定为0.2ml、0.4ml以及0.6ml。将得到的Fe3O4@void@C-β-CD进行性状和回收率的考察,结果如下表1所示:
表1 HDI加入量对磁微粒的影响
从表1可见,当加入的HDI量为0.2~0.4mL时,聚合物具有较好的吸附性能和磁性,加入0.4mL为最优。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种β-环糊精功能化磁性碳微球的制备方法,包括步骤:
(1)制备Fe3O4@void@C磁性碳微球:
(1.1)前驱体微球:
向纳米Fe3O4分散液中依次加入间二苯酚、氨水、甲醛和正硅酸乙酯,发生聚合反应,再经过洗涤和干燥后得到前驱体微球;
(1.2)前驱体微球的碳化和刻蚀处理:将前驱体微球置于管式炉内进行碳化处理得到碳化产物,将碳化产物置于碳酸钠溶液中进行刻蚀处理得到Fe3O4@void@C磁性碳微球;
(2)氧化Fe3O4@void@C磁性碳微球:将Fe3O4@void@C磁性碳微球置于双氧水溶液中氧化处理得到氧化产物;
(3)β-环糊精修饰:将氧化产物分散在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中,并向溶剂中加入β-环糊精和六亚甲基二异氰酸酯进行接枝反应,得到β-环糊精功能化磁性碳微球。
2.根据权利要求1所述的β-环糊精功能化磁性碳微球的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,按质量比,氧化产物:β-环糊精:六亚甲基二异氰酸酯为1~2:1~2:2~4。
3.一种β-环糊精功能化磁性碳微球,其特征在于,所述β-环糊精功能化磁性碳微球为卵黄壳结构,壳层为碳层,中间空心层为刻蚀层,内核为纳米Fe3O4,所述碳层上接枝有β-环糊精分子,所述β-环糊精分子具有主客识别多环芳烃分子的空腔。
4.根据权利要求3所述的β-环糊精功能化磁性碳微球,其特征在于,所述β-环糊精功能化磁性碳微球的直径为50~200nm,所述刻蚀层的厚度为10~30nm。
5.根据权利要求3所述的β-环糊精功能化磁性碳微球,其特征在于,所述β-环糊精功能化磁性碳微球的碳层为多孔碳结构,碳层上的孔径为2~5nm。
6.根据权利要求3所述的β-环糊精功能化磁性碳微球,其特征在于,所述β-环糊精分子的接枝方法是,首先通过氧化碳层在碳层上引入官能团,然后利用六亚甲基二异氰酸酯将β-环糊精分子接枝在碳层。
7.一种利用权利要求3~6中任一项所述的β-环糊精功能化磁性碳微球分离富集和检测痕量多环芳烃分子的方法,其特征在于,包括步骤:向样品中加入β-环糊精功能化磁性碳微球和氯化钠,震荡吸附后,将吸附有多环芳烃分子的β-环糊精功能化磁性碳微球磁性分离,移去上清液后将吸附有多环芳烃分子的β-环糊精功能化磁性碳微球浸入乙腈溶剂中,超声解吸处理后得到解吸液,最后利用高效液相色谱技术检测解吸液中多环芳烃含量。
8.根据权利要求7所述的利用β-环糊精功能化磁性碳微球分离富集和检测痕量多环芳烃分子的方法,所述样品为10~20ml,所述β-环糊精功能化磁性碳微球为5~15mg,所述氯化钠为2~4g,所述乙腈溶剂为1~2ml。
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