CN115318252A - 一种纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球的制备方法及应用 - Google Patents

一种纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球的制备方法及应用，属于环境吸附材料制备技术领域。包括：以纳米粘土水铝英石为功能单体，体系中加入模板分子、分散剂，以海藻酸钠为交联剂反应后洗脱制备得到印迹微球。该方法具有工艺简单，成本低等优点。本发明制备的纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球对环丙沙星抗生素具有较强的特异性吸附和分离能力，有效避免了现有环丙沙星抗生素吸附材料所存在的难回收、特异性吸附量低等问题。在环丙沙星抗生素的吸附和污染治理领域具有广阔应用前景。

Description

一种纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球的制备方法及 应用
技术领域：
本发明属于环境吸附材料制备技术领域，具体涉及一种纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球的制备方法及应用。
背景技术：
环丙沙星抗生素是治疗人类和动物细菌感染的有效药物，也是畜牧业和农业的促生剂，在生产和生活中被广泛使用。但环丙沙星抗生素在人和动物体内难以完全代谢和吸收，大部分环丙沙星会以原始药物或不完全代谢的形式排出并进入环境，这些污染物在环境中浓度低(<ppm)，难以去除，通过不断地累积，可能造成灾难性的后果。如环境中的细菌或病毒长期暴露在环丙沙星抗生素下，导致细菌对这些药物的耐药性增加。此外，抗生素耐药基因的发展和随后的传播往往会对生态系统产生严重影响。考虑到水体中含有大量的抗生素残留，且水体抗生素浓度往往低于其它有机物/无机物，因此对水中的抗生素进行选择性吸附分离对该类污染物的治理具有重要意义。
分子印迹技术被用于检测和去除抗生素污染物。该技术是利用功能单体模拟酶-底物或抗体-抗原之间的相互作用，对模板分子(也称印迹分子)进行专一识别的技术。其中，功能单体对模板分子的选择性识别是基于二者在化学基团及空间结构上的互相匹配，其识别作用主要包括孔穴空腔形状的匹配、氢键作用、静电引力作用、疏水作用和螯合作用等。功能单体对模板的识别吸附能力是决定印迹材料性能好坏的关键因素。
目前已有大量的材料用于分子印迹材料的研究中，如金属有机框架，金属纳米材料，有机聚合物和粘土矿物材料等。中国发明专利《大环内酯类抗生素分子印迹磁性金属有机骨架复合材料的制备与应用方法》(公布号：CN 114011388A)公开了一种磁性金属有机框架制备分子印迹材料的制备方法，该材料结合了金属有机框架的优良孔隙特性和分子印迹聚合物的高度选择性，该复合材料对大环内酯类抗生素具有较快的吸附速度，在30-60min内能达到吸附动力学平衡；但由于该材料的工艺设计复杂，制备原料价格昂贵，不利于印迹技术的实际应用。中国专利《一种埃洛石为模板可控制备中空分子印迹纳米棒的制备方法》(公布号：CN 103816875B)公开了一种埃洛石为模板可控制备中空分子印迹纳米棒的制备方法。该方法采用储量丰富、廉价易得的天然矿物埃洛石为功能单体，通过硅烷化反应，将乙烯基接枝于埃洛石表面，通过表面原位沉淀聚合制备中空分子印迹纳米棒。该方法制得的印迹材料具有良好的热稳定性和化学稳定性，但该印迹纳米棒对氯霉素吸附量为65μmol/g，与纳米合成材料相比优势不明显。中国发明专利《一种抗生素分子印迹吸附膜的制备方法及应用》(公布号：CN 110327903A)公开了一种抗生素分子印迹吸附膜的制备方法及应用，该发明将抗生素模板和甲基丙烯酸、二乙烯苯溶解在琼脂糖粉末中，制备分子印迹膜。该发明获得的分子印迹膜亲水性好，对水体中的磺胺类抗生素吸附量可达到140mg/g。该报道的分子印迹材料大量使用有机化工原料和聚合物，其制备的分子印迹材料虽具有较好的印迹效果，但在制备过程中使用了不可再生的石油基有机聚合物，在实际使用时对水体环境具有潜在危害。
综上所述，目前用于抗生素吸附用途的分子印迹材料的制备和应用主要存在以下问题：1.分子印迹材料的制备工艺复杂，原料成本高昂，使用时会对环境产生二次污染。2.分子印迹材料吸附效果不佳，选择性分离效果差，难以实际应用。因此，针对分子印迹材料存在的主要问题，亟需寻找一种成本低，绿色环保，对抗生素具有较好印迹效果的分子印迹材料。
水铝英石(1～2SiO2·Al2O3·5～6H2O)是自然界中最常见的纳米粘土矿物之一，广泛产出于火山土壤等地质环境中，在我国及世界各地有着丰富的储量。同时，水铝英石也可通过简单的水热反应在实验室进行批量合成。
发明内容：
为克服现有技术的上述不足，本发明人首先寻找适合的材料。水铝英石具有独特的纳米球状结构(单颗粒外径约3.5～5nm)、高比表面积(达到300～500m2/g)和高活性的表面羟基，这可为目标污染物提供足够的印迹位点，是一种潜在的印迹微球功能单体材料。因此，若能以水铝英石为功能单体代替昂贵的纳米合成材料用于印迹微球材料制备，有望获得制备成本低、印迹功效佳、吸附效果好的印迹微球吸附材料。基于此，本发明人研发一种纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球制备方法：直接利用水铝英石独特的纳米球状结构与本身所具有的表面羟基对环丙沙星进行印迹，极大的增加了与环丙沙星的印迹位点；并以环保可再生的β-环糊精为分散剂，海藻酸钠为交联剂代替石油基聚合物材料，从而在高效利用绿色资源的同时有效避免了潜在的二次污染。该方法简单易行，成本低廉，可对纳米粘土高效利用，且无潜在环境危害。
本发明的第一个目的是提供一种纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球的制备方法，包括以下步骤：
a.将功能单体纳米粘土水铝英石和分散剂超声溶解于水溶液中得到溶液1，搅拌均匀，形成分子印迹单体；
b.将模板分子加入溶液1中，搅拌均匀得到溶液2，使模板分子与分子印迹单体充分结合，形成印迹位点；
c.向溶液2加入交联剂海藻酸钠搅拌交联，并缓慢滴加于氯化钙溶液中，逐渐形成微球；
d.将形成的微球用洗脱液洗掉模板分子，冷冻干燥后得到具有模板分子印迹位点的印迹微球。
优选地，所述的纳米粘土水铝英石是实验室合成高纯度水铝英石，按照以下步骤制备：
a.称取Na4SiO4·H2O后用超纯水溶解得到0.01～1M Na4SiO4·H2O储备液；
b.称取AlCl3·6H2O后用超纯水溶解后得到0.01～1MAlCl3储备液；
c.磁力搅拌AlCl3储备液的同时加入Na4SiO4·H2O储备液，合成前驱体；
d.反应生成的NaCl经离心去除，得到的白色前体移入反应釜进行加热；
f.产物冷却后透析，用超纯水更换，渗析后的水铝英石悬浮液经冷冻干燥得到纳米粘土水铝英石。
更优选地，所述磁力搅拌的速度为200～1000rpm，室温下继续搅拌1h合成前驱体。
更优选地，所述的NaCl经离心去除，其中离心条件为500～4000r/min，5～10min。
更优选地，所述移入反应釜进行加热，其条件为100℃反应48h。
更优选地，所述的用超纯水更换，是用5L超纯水换7次(4天96h)。
优选地，所述的模板分子为环丙沙星抗生素；所述的分散剂为β-环糊精。
更优选地，所述的溶液1中，纳米粘土水铝英石和β环糊精的质量比为1:1～1:6。
更优选地，所述环丙沙星抗生素和β环糊精的摩尔比为1:1～1:6。
更优选地，所述海藻酸钠和环丙沙星抗生素的摩尔比为1:6～1:10。
优选地，所述的洗脱液为甲醇/乙酸溶液，并且甲醇和乙酸体积比为7:3～9:1。
本发明的第二个目的是提供上述方法制备得到的纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球。
本发明的第三个目的是提供上述的纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球在吸附、固液分离或抗生素检测中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明对水铝英石独特多孔结构和其表面基团进行高效利用，以此制备出高吸附性能和优异选择性的印迹微球材料。并且水铝英石这一资源量大、成本比较低廉的天然纳米颗粒，作为功能单体，有效代替了昂贵的合成纳米材料，降低了成本。
(2)本发明利用β-环糊精与水铝英石形成共聚体，能有效抑制水铝英石的团聚现象。环丙沙星分子可以通过范德华和疏水相互作用等驱动力部分吸附在β-环糊精的疏水空腔中。水铝英石/β-环糊精共聚体与海藻酸钠交联形成了三维网状结构，使水铝英石/β-环糊精共聚体表面大幅增加与环丙沙星的接触面积，有利于提高印迹微球材料的吸附性能。
(3)本发明所制备的印迹微球材料具有优异的环丙沙星吸附能力，对其吸附去除率可达93％，可广泛应用于吸附、固液分离及抗生素检测等领域，有效解决吸附剂回收难的问题，具有广阔的应用前景。本发明的方法具有成本低廉、流程简单、高效、无二次污染等优势。
附图说明
图1为本发明印迹微球的扫描电子显微镜(SEM)照片。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：纳米粘土矿物水铝英石的制备
本发明的一个优选例是按照以下方式制备纳米粘土矿物水铝英石：
a.称取0.4M Na4SiO4·H2O于500～5000mL烧杯中用超纯水溶解后，移入2000mL的容量瓶，超纯水定容，得到Na4SiO4·H2O储备液。
b.称取0.3MAlCl3·6H2O于500～5000mL烧杯中用超纯水溶解后，移入2000mL的容量瓶，超纯水定容，得到AlCl3溶液；
c.称取800gAlCl3储备液，磁力搅拌(700rpm)的同时加入1200gNa4SiO4·H2O储备液。室温下继续搅拌1h合成前驱体。
d.反应生成的NaCl经离心(4000r/min，10min)去除，得到的白色前体移入反应釜，100℃反应48h。
f.产物冷却后透析，用5L超纯水换7次(4天96h)，渗析后的水铝英石悬浮液经冷冻干燥后转移到样品瓶。
实施例2：纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球1的制备
(1)取实施例1制备得到的纳米粘土水铝英石0.5g加入1000ml烧瓶中，加入700ml超纯水磁力搅拌充分，转速300rpm；随后加入2mmolβ-环糊精反应2h，再加入5mmol环丙沙星(模板分子)反应12h，使模板分子与功能单体充分结合，反应后的溶液加入3g海藻酸钠(交联剂)并搅拌2h；
(2)用蠕动泵将(1)中的溶液逐滴加入到5％氯化钙溶液中形成小球并继续搅拌4h，将成球好的小球用超纯水洗至中性。
(3)将洗至中性的小球加入到甲醇：乙酸体积比为7:3的洗脱液中，洗脱3次，每次12h。洗脱完毕后用甲醇冲洗附着在表面的乙酸，最后用超纯水洗至中性并冷冻干燥即可得到印迹材料。
实施例3：纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球2的制备
(1)取实施例1制备得到的纳米粘土水铝英石0.15g加入500ml烧瓶中，加入200ml超纯水磁力搅拌充分，转速300rpm；随后加入4mmolβ-环糊精反应3h，再加入10mmol环丙沙星(模板分子)反应12h，使模板分子与功能单体充分结合，反应后的溶液加入2g海藻酸钠(交联剂)并搅拌3h；
(2)用蠕动泵将(1)中的溶液逐滴加入到5％氯化钙溶液中形成小球并继续搅拌2h，将成球好的小球用超纯水洗至中性。
(3)将洗至中性的小球加入到甲醇：乙酸体积比为7:3的洗脱液中，洗脱3次，每次12h。洗脱完毕后用甲醇冲洗附着在表面的乙酸，最后用超纯水洗至中性并冷冻干燥即可得到印迹微球材料。
实施例4：纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球3的制备
(1)取实施例1制备得到的纳米粘土水铝英石0.3g加入1000ml烧瓶中，加入500ml超纯水磁力搅拌充分，转速300rpm；随后加入5mmolβ-环糊精反应4h，再加入2mmol环丙沙星(模板分子)反应12h，使模板分子与功能单体充分结合，反应后的溶液加入3g海藻酸钠(交联剂)并搅拌4h；
(2)用蠕动泵将(1)中的溶液逐滴加入到5％氯化钙溶液中形成小球并继续搅拌2h，将成球好的小球用超纯水洗至中性。
(3)将洗至中性的小球加入到甲醇：乙酸体积比为9:1的洗脱液中，洗脱3次，每次12h。洗脱完毕后用甲醇冲洗附着在表面的乙酸，最后用超纯水洗至中性并冷冻干燥即可得到印迹微球材料。
对比例1：制备纳米粘土水铝英石/海藻酸钠未印迹微球
该对比例制备一种纳米粘土水铝英石/海藻酸钠未印迹微球，制备方法除不加环丙沙星模板分子外，其他过程与实施例3制备印迹材料的方法相同。
实验1
取实施例2、实施例3、实施例4、对比例1所制备得到的微球各20mg分别置于50mL的环丙沙星溶液(100mg/L)中，在25℃下振荡24h取样分析浓度，用紫外可见分光光度计在275nm计算吸附量和去除率，实验重复3次，结果如表1所示。
吸附量q的计算公式如式(1-1)所示：
Figure BDA0003763720390000081
式中，qt为t时刻印迹微球材料对环丙沙星的吸附量(mg/g)，C0和Ct分别为初始时刻和t时刻溶液中环丙沙星的浓度(mg/L)，V为溶液体积(L)，m为复合物印迹微球材料质量(g)，实际试验时，控制液固比，即V/m＝1L/g。
去除率计算公式如式(2-2)所示：
Figure BDA0003763720390000082
式中R为复合物对环丙沙星去除率(％)，C0和Ct分别为初始时刻和t时刻溶液中环丙沙星的浓度(mg/L)。
表1各微球材料对环丙沙星的吸附结果
分组 实施例2 实施例3 实施例4 对比例1
吸附量(mg/g) 212.75 233.75 224 153.5
去除率(％) 85.1 93.5 89.6 61.2
由表1可知，本发明制得的印迹微球材料(实施例2-4)对环丙沙星的吸附性能远高于非印迹微球材料(对比例1)。
实验2
配置不同浓度(10、20、30、40、50、60、70、80、90、100mg/L)的环丙沙星溶液200mL，然后加入实施例3制备得到的印迹微球材料20mg后，在25℃下振荡24h取样分析浓度，并计算吸附量(方法同实验1)，结果如表2所示。
表2印迹微球材料对环丙沙星的不同浓度吸附结果
浓度(mg/L) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
吸附量(mg/g) 103 178 264 337 414 456 539 595 631 635
由表2可知，随着溶液中环丙沙星浓度的提升，印迹微球的吸附量也随之提高，其最大吸附量达到635mg/g，具有极佳的吸附效果。
实验3
对实施例3制备得到的印迹微球内部结构和形态通过扫描电子显微镜(SEM)(Zeiss Sigma300，德国)测定，结果如图1所示。本发明成功制备了一种具有三维网状结构的印迹微球，水铝英石均匀分散在海藻酸钠链上，有效避免团聚现象，显著增加了与环丙沙星分子的接触面积，保证环丙沙星分子的有效吸附。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将功能单体纳米粘土水铝英石和分散剂超声溶解于水溶液中得到溶液1，搅拌均匀，形成分子印迹单体；
b.将模板分子加入溶液1中，搅拌均匀得到溶液2，使模板分子与分子印迹单体充分结合，形成印迹位点；
c.向溶液2加入交联剂海藻酸钠搅拌交联，并缓慢滴加于氯化钙溶液中，逐渐形成微球；
d.将形成的微球用洗脱液洗掉模板分子，冷冻干燥后得到具有模板分子印迹位点的印迹微球。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的纳米粘土水铝英石是实验室合成高纯度水铝英石，按照以下步骤制备：
a.称取Na4SiO4·H2O后用超纯水溶解得到0.01～1M Na4SiO4·H2O储备液；
b.称取AlCl3·6H2O后用超纯水溶解后得到0.01～1MAlCl3储备液；
c.磁力搅拌AlCl3储备液的同时加入Na4SiO4·H2O储备液，合成前驱体；
d.反应生成的NaCl经离心去除，得到的白色前体移入反应釜进行加热；
f.产物冷却后透析，用超纯水更换，渗析后的水铝英石悬浮液经冷冻干燥得到纳米粘土水铝英石。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的模板分子为环丙沙星抗生素，所述的分散剂为β-环糊精。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的溶液1中，纳米粘土水铝英石和β环糊精质量比为1:1～1:6。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述环丙沙星抗生素和β环糊精摩尔比为1:1～1:6。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠和环丙沙星抗生素摩尔比为1:6～1:10。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的洗脱液为甲醇/乙酸溶液，并且甲醇和乙酸体积比为7:3～9:1。
8.由权利要求1-7任一项制备得到的纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球。
9.权利要求8所述的纳米粘土水铝英石/海藻酸钠印迹微球在吸附、固液分离或抗生素检测中的应用。
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