用于检测微囊藻毒素的磁性聚合离子液体及其制备方法和应用
用于检测微囊藻毒素的磁性聚合离子液体及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种磁性聚合物，尤其涉及用于检测微囊藻毒素的磁性聚合离子液体 及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 微囊藻毒素（MC)是蓝藻水华暴发所产生的肝毒素，是强烈的肝脏肿瘤促进剂。目 前，已经发现MC的异构体达70多种，存在较为普遍，其中毒性较大的是MC-LR。随着水体的 富营养化，蓝藻水华和赤潮的对水体环境的危害已成我国关注的重大环境安全问题之一。
[0003] 微囊藻毒素是蓝藻水华产生的次生代谢产物。目前，中国生活饮用水卫生标准（GB 5749-2006)中，微囊藻毒素含量限制为1 μ g/L，该标准对饮用水源水的水质量提出了更高 的要求。微囊藻毒素的危害主要有3点：1)由于MC的毒性作用的靶向器官为肝脏，所以 它会通过诱发肝炎、肝癌而使人体患上肝病危害健康；2)人们接触被微囊藻毒素污染的水 后，可引起眼睛，皮肤过敏，急性肠胃炎等；3)导致急性肝衰竭。
[0004] 目前，微囊藻毒素的测定方法主要有液相色谱法（HPLC)、液质联用法（LC-MS)、 HPLC-电喷雾电离质谱法（HPLC-ESI-MS)等。其中，高效液相色谱法（HPLC)是最常用的MC 分析方法之一。由于水体的中微囊藻毒素常以痕量形式存在以及干扰物质的存在，因此必 须先将水样通过分离、萃取、吸附、富集等手段进行预处理，通过一定的净化洗脱方法，再将 洗脱液进样检测，从而定性和定量。紫外检测器成本较低，适合筑建合适的HPLC-UV检测系 统对环境水中的MC进行检测。
[0005] 磁性聚合物粒子具有较好的磁化强度、化学稳定性、分散性、热稳定性、低毒性以 及易功能化等优点。它是一种通过将功能单体、交联剂、引发剂等通过聚合反应得到的具有 吸附作用的功能聚合物。该复合材料可以通过外加磁场实现快速分离吸附，还具有稳定的 物化性质和机械性能，目前已被广泛应用于固相萃取、色谱分离、电化学传感器等。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种具有高吸附容量、具有良好选择吸附能力的用于检测微囊藻毒 素的磁性聚合离子液体。
[0007] -种磁性聚合离子液体，它是由载体、功能单体、交联剂在引发剂作用下聚合形成 的颗粒状材料，所述功能单体为1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐，所述交联剂为1，4-丁 烷-3, 3' -双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐。
[0008] 优选地，所述磁性聚合离子液体的粒径为450~500nm ;进一步地，粒径为500nm。
[0009] 优选地，所述载体为MAPS修饰的Fe3O4OSiO 2, Fe3O4OSiO2表示SiO 2包覆的Fe 304颗 粒，为表述方便，简写为Fe3O4OSiO 2-MAPS。
[0010] 优选地，所述MAPS修饰的Fe3O4OSiO^粒径为30~35nm。
[0011] 本发明还提供了一种所述磁性分子印迹聚合离子液体的制备方法，包括以下步 骤：
[0012] 将MAPS修饰的Fe3O4IgSiO^散于溶剂中，依次加入功能单体、交联剂和引发剂，在 无氧条件下进行聚合反应，反应完成后收集产物，产物经洗涤、真空干燥，即制得所述磁性 聚合离子液体。
[0013] 优选地，所述聚合反应的温度为28~32°C，时间为20~25h ;更优选，温度为 30°C，时间为24h。
[0014] 优选地，所述功能单体、交联剂和引发剂的摩尔重量比Immol : 3~5mmol : 55~ 65mg;更优选，功能单体、交联剂和引发剂的摩尔重量比lmmol : 4mmol : 60mg。
[0015] 优选地，所述载体与功能单体的重量摩尔比为0. 05~0. 15g : 0. 4~0. 6mmol ; 更优选，载体与功能单体的重量摩尔比为〇. Ig : 〇. 5_〇1。
[0016] 优选地，所述引发剂为偶氮二异丁腈。
[0017] 本发明又提供了所述磁性聚合离子液体在检测微囊藻毒素中的应用。
[0018] 本发明以1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐为功能单体，以1，4_ 丁烷-3， 3' -双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐为交联剂聚合制得的磁性聚合离子液体对MC-RR，MC-LR 能快速达到吸附平衡状态，同时具有较高的吸附容量和良好的选择吸附能力，MC-RR，MC-LR 的最大吸附量分别为10. 32 μ mol/g、10. 88 μ mol/g。结合磁性聚合离子液体的萃取和高效 液相色谱技术，检测水样中2种微囊藻毒素，低于国家规定的检出限。
【附图说明】
[0019] 图1为制备本发明磁性聚合离子液体的流程图。
[0020] 图 2 为 Fe3O4 (A)，Fe3O4OSiO2-MAPS (B)和 MPIL (C)的 TEM 图。
[0021] 图3为离子液体功能单体溴化1-乙烯基-3-乙基咪唑（a)及1-乙烯基-3-乙基 咪唑六氟磷酸盐（b)的红外光谱图。
[0022] 图4为离子液体交联剂溴化-1，4-丁烷-3, 3'-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐（a) 及1，4-丁烷-3, 3' -双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐（b)的红外光谱图。
[0023] 图 5 为 Fe3O4 (a)，Fe3O4OSiO2-MAPS (b)以及 MPIL (c)的红外光谱图。
[0024] 图 6 为 Fe3O4 (a)，Fe3O4OSiO2-MAPS (b)和 MPIL (c)热重曲线图。
[0025] 图7 (A)为磁性吸附效果图。
[0026] 图 7(B)为 Fe3O4 (a)、Fe3O4OSiO2-MAPS (b)和 MPIL(c)的磁滞回线图。
[0027] 图 8 为 Fe3O4 (a)，Fe3O4OSiO2-MAPS (b)和 MPIL (c)的 XRD 图。
[0028] 图9为MPIL对MC-RR (a)和MC-LR (b)的吸附量-时间曲线图。
[0029] 图10为MPIL的一级动力学模型图。
[0030] 图11为MPIL的二级动力学模型图。
[0031] 图12为南湖水样品经萃取后的液相谱图；
[0032] 其中，a :为未加微囊藻毒素的南湖水样品经MPIL萃取后的HPLC谱图；b :为加入 10 μ g/L微囊藻毒素的南湖水样品经MPIL萃取后的HPLC谱图；图中（1)为MC-RR，（2)为 MC-LR0
【具体实施方式】
[0033] I、磁性载体的制备
[0034] 取 0· Olmol FeCl2 ·4Η20 和 0· 02mol FeCl3 ·6Η20 溶于 80mL 去离子水中，使用恒压 漏斗慢慢滴加 IOmL NH3 · H20,80°C下反应30min，冷却至室温，磁场分离出Fe3O4，用水洗涤 至中性，60°C真空干燥12h，得到Fe 304。
[0035] 取300mg Fe3O4分散于40mL乙醇和IOmL水中，超声15min后加入5mL浓氨水、2mL 正硅酸乙酯TE0S，室温搅拌12h，磁场分离，依次用0. lmol/L稀盐酸、水洗涤固体，60°C真空 干燥 12h，得到 Fe3O4OSiO2。
[0036] 取250mg Fe3O4OSiO2，分散于50mL无水甲苯和5mL 3_(异丁稀酰氧）丙基三甲氧 基硅烷（MAPS)中，N2环境下70°C下回流12h，外加磁场分离并用水洗涤固体，制得Fe 3O4O SiO2-MAPS0
[0037] 2、功能单体的制备
[0038] 取0· 05mol 1-乙烯基咪挫、0· 05mol溴乙烧分散于15毫升甲醇中，60 °C下搅 拌15h，冷却后混合物加入至500ml乙醚中，滤出沉淀，在室温下干燥，制得溴化1-乙烯 基-3-乙基咪唑（IL 3)。1H NMR(400MHz，DMS0，ppm) :9.74(s，1H)，8.27(s，1H)，8.00(s，1H)， 6· 00 (dd，1H)，5· 37 (dd，1H)，5· 32 (dd，2H)，4· 25 (q，2H)，I. 41 (t，3H) ;13C NMR(400MHz，DMSO， ppm) :135. 04,128. 85,123. 09,119. 31，108. 87,44. 83,15. 06
[0039] 取0. 05mol溴化I-乙烯基-3-乙基咪挫，0. 05mol順奸6分散于50ml水中，室温搅 拌12h，过滤出固体，用水洗涤后室温干燥，制得1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐（IL 1)。 1H NMR(400MHz, DMSO, ppm) ：9. 78 (s, 1H) ,8. 38 (s, 1H), 7. 93 (s, 1H), 7. 28 (dd, 1H), 5. 94 (dd, lH)，5.42(dd，2H)，4.32(q，2H)，1.45(t，3H) ;13C NMR(400MHz，DMS0，ppm) :135·24，129·04， 123. 29,119. 32,108. 88,44. 80,16. 56)
[0040] 合成路线如下：
[0041]
[0042] 3、交联剂的制备
[0043] 取0.1mol 1-乙烯基咪挫，0. 05mol 1，4_二溴丁烧分散于30ml甲醇中，60°C下搅 拌15h，冷却后倒入IL乙醚中，室温干燥，制得溴化1，4-丁烷-3, 3' -双-1-乙烯基咪唑 (IL4)。1H NMR (400MHz，DMSO, ppm) :9.74 (s，lH)，8.28 (s，lH)，8.02 (s，lH)，7.34 (dd，lH)， 6.00(d，lH)，5.42(d，lH)，4.30(s，2H)，1.87(s，2H) ;13C NMR(400MHz，DMS0，ppm) :135.48， 128. 93,123. 28,119. 19,108. 72,48. 39,25. 75
[0044] 取0.05111〇1溴化1，4-丁烷-3,3'-双-1-乙烯基咪唑，0.1111〇1順4??6分散于501111 水中，室温揽拌12h，过滤出固体，用水洗绦后用水干燥，制得1，4- 丁烧3, 3'-双-I-乙烯基 咪唑六氟磷酸盐（IL2)。1H NMR(400MHz，DMS0，ppm) :9.76(s，1H)，8.38(s，1H)，8.22(s，1H)， 7. 35(dd，1H)，6· 05(d，1H)，5· 43(d，1H)，4· 32(s，1H)，I. 82(s，2H) ;13C NMR(400MHz，DMSO， ppm) :135. 38,128. 92,123. 48,119. 59,108. 82,48· 49,25· 85
[0045] 合成路线如下：
[0046]
[0047] 4、磁性聚合离子液体的制备
[0048] 取 0· Ig Fe3O4OSiO2-MAPS 分散于 30mL(甲苯 + 乙腈=I : 1)，依次加入 0· 5mmol 离子液体功能单体卜乙烯基-3-乙基咪挫六氟磷酸盐（IL1)、2. Ommol离子液体交联剂1， 4-丁烷3, 3' -双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐（IL2)、30mg偶氮二异丁腈（AIBN)，通氮气 15min除氧，密封，60°C下搅拌24h，磁场分离产物，用甲醇-乙酸溶液（体积比9 : 1)洗涤， 30°C真空干燥24h，制得磁性聚合离子液体（MPIL)。上述磁性聚合离子液体（MPIL)的制备 流程如图1。
[0049] 5、形貌表征
[0050] 采用透射电镜对磁性聚合离子液体的形貌进行观察。由图2(A)所示，Fe3O 4磁性纳 米颗粒尺寸均一，呈球形，粒径约为15nm ;从图2(B)可以看出，SiO2包覆Fe 304并键合MAPS 后，Fe3O4IgSiO2-MAPS粒径增加到30~35nm ;由图2 (C)所示，经过修饰后的磁性聚离子液体 微球有粘连现象，并且外壳厚度增大，粒径达到450 ~500nm，说明成功制备了 MPIL。
[0051] 6、红外光谱分析
[0052] 从图3和4中可以看到，ΙθβΟα?'ΙδδΟα?'ΙΙΘδαιΓ1处的吸收峰，分别归属于MP 上的C = C、C = N、C_N的伸缩振动峰，308501^1470(^1归属于咪挫环上阳离子的吸收峰。 其中，图3和图4的谱线a中，840CHT 1归属于离子液体上PFf^伸缩振动峰。
[0053] 图5谱线a中565CHT1为Fe 304纳米颗粒中Fe-O键的伸缩振动峰。从图5可以看出， Fe3O4IgSiO2-MAPS的红外光谱图中llOOcnT 1处有一个强吸收带，归属于Si-O的伸缩振动峰， 945CHT1为Si-OH的伸缩振动峰，说明Fe 3O4微球表面成功包覆了 SiO2，而1715011^630011-1 处的吸收峰对应的是MAPS上的C = 0、C = C的伸缩振动峰，表明MAPS已修饰到Fe3O4OSiO2 表面。
[0054] 图5谱线c为MPIL的红外光谱图，ΙδδΟα?'ΙΙΘδαιΓ1处的吸收峰，分别归属于MP 上的C = N、C-N的伸缩振动峰，840(31^1归属于离子液体上PF6的伸缩振动峰，同时还存在 Fe3O4OSiO2-MAPS 的特征峰（如 1630、1100〇1^)，说明成功制备了 MPIL。
[0055] 7、热重分析
[0056] 在N2条件下，从30°C升温至800°C对MPIL进行TGA分析。从图6中可见，Fe 304无明 显失重峰，仅失重7. 1%，说明其热稳定性良好。Fe3O4IgSiO2-MAPS在500°C附近的失重是其 表面修饰的MAPS所致，Fe 3O4OSiO2-MAPS失重较小，约为21. 4%。而MPIL从300°C后MIP逐 渐开始分解，失重量约为33. 2%，到600°C，聚合物的骨架完全分解，其失重量约为77. 7%， 剩余的物质是难分解的Fe3O4粒子。
[0057] 8、磁性分析
[0058] 利用振动样品磁强计（VSM)对Fe304、Fe 3O4IgSiO2-MAPS和MPIL进行磁性能分析。 从图7 (B)中可以看到，Fe304、Fe3O4OSiO 2-MAPS和MPIL的最大磁饱和度分别为70. 299emu/ g、18. 138emu/g和4. 739emu/g。这三种磁纳米微球都具有强磁化强度和超顺磁性，并在修 饰后仍具有较好的磁性。因此，在萃取实验中，可利用此特性用外加磁场将MPIL吸附剂迅 速从溶液中吸附分离出来。
[0059] 图7(A)是磁铁吸附照片。从图7(A)可以看到，MPIL颗粒分散于溶液中被外磁场 分离前后的照片。当不存在外磁场时，MPIL颗粒均匀分散于小瓶中并使溶液呈棕黄色，当 加入外磁场时，颗粒被迅速吸附在瓶壁上，在较短时间内溶液变澄清，这说明MPIL在外加 磁场情况下，可以达到快速分离的效果。
[0060] 9、XRD 分析
[0061] 如图 8 所示，在（220)、（311)、（400)、（440)、（511)和（440)处，可以看到较强的 Fe3O4的特征峰，衍射峰位置在磁性微球中没有发生变化，说明Fe 304的尖晶石型结构继续存 在于各样品中，并且Fe3O 4纳米粒子的晶体结构在修饰和聚合过程中没有改变。由图8也可 以看出，在[email protected] 2-MAPS(b)和MPIL(c)中2Θ =22°为非晶型SiO2的衍射峰。
[0062] 10、吸附性能分析
[0063] 取20mg磁性聚离子液体材料MPIL分别分散于20mL微囊藻毒素 MC-LR/MC-RR (均 购自德国Dr. Ehrenstorfor Gmbh试剂有限公司）甲醇溶液中，室温下搅拌lOmin，用磁铁分 离MPIL，用紫外可见分光光度计对上清液检测，吸附量通过如下公式计算： (Co - CjV
[0064] Q= -~- m
[0065] 式中，Q为MPIL的吸附量（μπιο?/g)，CQ、Ce分别为微囊藻毒素甲醇溶液的初始浓 度、MPIL吸附后微囊藻毒素的浓度（μ mol/L)，V为溶液的体积（L)，m为MPIL的质量（g)。
[0066] 如图9所示，MPIL对微囊藻毒素的吸附量随着吸附时间逐渐增大，IOmin达到饱和 吸附，吸附达到平衡，说明MPIL对微囊藻毒素的吸附具有快速的特点。MC-RR和MC-LR的最 大饱和吸附量差异不大，分别为10. 32 μ mol/g、10. 88 μ mol/g，说明MPIL具有稳定的吸附 性能。通过吸附量可看出，MPIL对2种微囊藻毒素都有吸附，为它们用于萃取和检测提供 了条件。
[0067] 11、吸附动力学分析
[0068] 为了进一步研宄MPIL对微囊藻毒素的吸附动力学，分别对MPIL的吸附量-时间 曲线进行吸附动力学模拟分析，分别采用一级动力学模型和二级动力学模型进行表征。由 两种模型的拟合系数R，来确定MPIL属于哪种吸附动力学过程。
[0069] 一级、二级动力学方程如下：
[0070] In(Qe-Qt) = InQfkit
[0071] t/Qt= l/k2Q22+t/Q2
[0072] 式中，QeS MPIL对MC-LR的平衡吸附量（μ mol/g)，Q t为t时刻MPIL对MC-LR的 吸附量（μ mol/g)，匕为一级速率常数（miiT1)，k2为一级速率常数（miiT1)。
[0073] 表1 MPIL的动力学一级模型和二级模型参数
[0074]
[0075] 如图10和11所示，准一级动力学模型拟合得到的关系图中，In(Qe-Q t)与t呈 线性关系，拟合系数为0.9913。准一级动力学模型拟合得到的关系图中，呈良 好的线性关系，拟合系数为〇. 9965。同时，准二级动力学吸附模型拟合得到的理论吸附量 (7.11ymol/g)与实验值10.88ymol/g)比较接近。由此可以推断，该MPIL磁性聚合物材 料的吸附过程为准二级动力学吸附。
[0076] 12、线性范围和检出限分析
[0077] 采用MPIL萃取和HPLC相结合，对水中的MC-RR、MC-LR进行检测研宄。取20mg MPIL加入到20mL已经含有2种微囊藻毒素的标准溶液中，室温搅拌lOmin，MPIL吸附水中 微囊藻毒素，磁场分离已经吸附完全的MPIL，用5mL乙腈/乙酸混合液（V : V = 9 : 1)洗 脱吸附在MPIL的微囊藻毒素，收集洗脱液，氮吹洗脱液至0. 5mL，高效液相色谱检测。在此 条件下，MC-RR、MC-LR的线性范围和检出限（S/N = 3)如表2所示。
[0078] 表2微囊藻毒素的线性范围、检出限
[0079]
[0081] 可见，本方法低于国际规定的检出限I yg/L，适用于对于微囊藻毒素的检测。
[0082] 13、水样的分析检测
[0083] MPIL用于嘉兴南湖水样、杭州西湖水样中2种的萃取，结合HPLC进行分析检测，具 体过程如下：
[0084] 取20mg磁性离子液体材料MPIL分别加入到20mL水样中，MPIL吸附水中微囊藻 毒素，室温搅拌lOmin，磁场分离已经吸附藻类毒素的MPIL材料，用5mL乙腈/乙酸混合液 (V : V = 9 : 1)洗脱吸附在MPIL的微囊藻毒素，收集洗脱液，氮吹洗脱液至0.5mL，高效 液相色谱检测。
[0085] 液相色谱条件：色谱柱为Dionex Acclaim? 120 (250_X 4. 6_，5 μ m)，流动相为乙 腈：0. 2%甲酸水溶液=35 : 65(v : V)，流速：lmL/min，柱温25°C，检测波长238nm，进样 量 20 μ L0 MC-RR、MC-LR 的保留时间分另Ij 5. 6、12. 8min〇
[0086] 如图12所示，可看出水样中都没检测到2种微囊藻毒素，为了考察方法的可行 性，采用加标回收法，对样品水中添加5 μ g/L、10 μ g/L的微囊藻毒素浓度进行实验，结果 见图12和表3所示，MPIL能够对水中的2种微囊藻毒素进行吸附，并且吸附后的2种微囊 藻毒素能很好地从MPIL中洗脱下来，说明MPIL对微囊藻毒素有很好的吸附作用。从表3 可见，MC-LR、MC-RR的MPIL检出限分别为0. 6 μ g/L，0. 8 μ g/L，回收率分别为92. 63 %~ 99. 62%，92· 89%~98. 25%，RSD 为 3. 2%~4· 7%、3· 8%~4. 9%，结果表明 MPIL 材料适 用于水样2种微囊藻毒素的检测。
[0087] 表3 MPIL萃取水样中的微囊藻毒素的测定（η = 3)
[0088]
[0089] 实验结果表明，MPIL对MC-RR，MC-LR能快速达到吸附平衡状态，同时具有较高 的吸附容量和良好的选择吸附能力，MC-RR，MC-LR的最大吸附量分别为10. 32 ymol/g、 10. 88 μmol/g。结合磁性聚合离子液体的萃取和高效液相色谱技术，检测水样中2种微囊 藻毒素，并低于国家规定的检出限，说明该磁性聚合物与高效液相色谱联用取得了满意的 结果。
【主权项】
1. 一种磁性聚合离子液体，它是由载体、功能单体、交联剂在引发剂作用下聚合形成的 颗粒状材料，其特征在于，所述功能单体为1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐，所述交联剂 为1，4-丁烷-3, 3' -双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐。2. 如权利要求1所述的磁性聚合离子液体，其特征在于，粒径为450~500nm。3. 如权利要求1所述的磁性聚合离子液体，其特征在于，所述载体为MAPS修饰的 Fe3O4OSiO2,Fe3O4OSiO2表示SiO2包覆的Fe304颗粒。4. 如权利要求1所述的磁性聚合离子液体，其特征在于，所述MAPS修饰的[email protected] 的粒径为30~35nm。5. 如权利要求1-4任一所述磁性聚合离子液体的制备方法，包括以下步骤： 将MAPS修饰的Fe3O4OSiO2分散于溶剂中，依次加入功能单体、交联剂和引发剂，在无氧 条件下进行聚合反应，反应完成后收集产物，产物经洗涤、真空干燥，即制得所述磁性聚合 离子液体。6. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应的温度为60~80°C，时 间为20~25h。7. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述功能单体、交联剂和引发剂的摩尔 重量比Immol: 3 ~5mmol: 55 ~65mg〇8. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述载体与功能单体的重量摩尔比为 0. 05 ~0. 15g: 0. 4 ~0.Bmmol〇9. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂为偶氮二异丁腈。10. 如权利要求1-4任一所述的磁性聚合离子液体在检测微囊藻毒素中的应用。
【专利摘要】本发明公开了用于检测微囊藻毒素的磁性聚合离子液体及其制备方法和应用，该磁性聚合离子液体，是由载体、功能单体、交联剂在引发剂作用下聚合形成的颗粒状材料，所述功能单体为1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐，所述交联剂为1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐。本发明以1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐为功能单体，以1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐为交联剂聚合制得的磁性聚合离子液体对MC-RR，MC-LR能快速达到吸附平衡状态，同时具有较高的吸附容量和良好的选择吸附能力，MC-RR，MC-LR的最大吸附量分别为10.32μmol/g、10.88μmol/g。
【IPC分类】B01J20/285, H01F1/44, H01F1/42, C08F292/00, G01N30/06, C08F226/06, B01J20/30
【公开号】CN104892869
【申请号】CN201510354227
【发明人】李蕾, 曾延波, 阮佳, 刘海清, 张剑, 曹红
【申请人】嘉兴学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月23日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种磁性聚合物，尤其涉及用于检测微囊藻毒素的磁性聚合离子液体 及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 微囊藻毒素（MC)是蓝藻水华暴发所产生的肝毒素，是强烈的肝脏肿瘤促进剂。目 前，已经发现MC的异构体达70多种，存在较为普遍，其中毒性较大的是MC-LR。随着水体的 富营养化，蓝藻水华和赤潮的对水体环境的危害已成我国关注的重大环境安全问题之一。
[0003] 微囊藻毒素是蓝藻水华产生的次生代谢产物。目前，中国生活饮用水卫生标准（GB 5749-2006)中，微囊藻毒素含量限制为1 μ g/L，该标准对饮用水源水的水质量提出了更高 的要求。微囊藻毒素的危害主要有3点：1)由于MC的毒性作用的靶向器官为肝脏，所以 它会通过诱发肝炎、肝癌而使人体患上肝病危害健康；2)人们接触被微囊藻毒素污染的水 后，可引起眼睛，皮肤过敏，急性肠胃炎等；3)导致急性肝衰竭。
[0004] 目前，微囊藻毒素的测定方法主要有液相色谱法（HPLC)、液质联用法（LC-MS)、 HPLC-电喷雾电离质谱法（HPLC-ESI-MS)等。其中，高效液相色谱法（HPLC)是最常用的MC 分析方法之一。由于水体的中微囊藻毒素常以痕量形式存在以及干扰物质的存在，因此必 须先将水样通过分离、萃取、吸附、富集等手段进行预处理，通过一定的净化洗脱方法，再将 洗脱液进样检测，从而定性和定量。紫外检测器成本较低，适合筑建合适的HPLC-UV检测系 统对环境水中的MC进行检测。
[0005] 磁性聚合物粒子具有较好的磁化强度、化学稳定性、分散性、热稳定性、低毒性以 及易功能化等优点。它是一种通过将功能单体、交联剂、引发剂等通过聚合反应得到的具有 吸附作用的功能聚合物。该复合材料可以通过外加磁场实现快速分离吸附，还具有稳定的 物化性质和机械性能，目前已被广泛应用于固相萃取、色谱分离、电化学传感器等。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种具有高吸附容量、具有良好选择吸附能力的用于检测微囊藻毒 素的磁性聚合离子液体。
[0007] -种磁性聚合离子液体，它是由载体、功能单体、交联剂在引发剂作用下聚合形成 的颗粒状材料，所述功能单体为1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐，所述交联剂为1，4-丁 烷-3, 3' -双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐。
[0008] 优选地，所述磁性聚合离子液体的粒径为450~500nm ;进一步地，粒径为500nm。
[0009] 优选地，所述载体为MAPS修饰的Fe3O4OSiO 2, Fe3O4OSiO2表示SiO 2包覆的Fe 304颗 粒，为表述方便，简写为Fe3O4OSiO 2-MAPS。
[0010] 优选地，所述MAPS修饰的Fe3O4OSiO^粒径为30~35nm。
[0011] 本发明还提供了一种所述磁性分子印迹聚合离子液体的制备方法，包括以下步 骤：
[0012] 将MAPS修饰的Fe3O4IgSiO^散于溶剂中，依次加入功能单体、交联剂和引发剂，在 无氧条件下进行聚合反应，反应完成后收集产物，产物经洗涤、真空干燥，即制得所述磁性 聚合离子液体。
[0013] 优选地，所述聚合反应的温度为28~32°C，时间为20~25h ;更优选，温度为 30°C，时间为24h。
[0014] 优选地，所述功能单体、交联剂和引发剂的摩尔重量比Immol : 3~5mmol : 55~ 65mg;更优选，功能单体、交联剂和引发剂的摩尔重量比lmmol : 4mmol : 60mg。
[0015] 优选地，所述载体与功能单体的重量摩尔比为0. 05~0. 15g : 0. 4~0. 6mmol ; 更优选，载体与功能单体的重量摩尔比为〇. Ig : 〇. 5_〇1。
[0016] 优选地，所述引发剂为偶氮二异丁腈。
[0017] 本发明又提供了所述磁性聚合离子液体在检测微囊藻毒素中的应用。
[0018] 本发明以1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐为功能单体，以1，4_ 丁烷-3， 3' -双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐为交联剂聚合制得的磁性聚合离子液体对MC-RR，MC-LR 能快速达到吸附平衡状态，同时具有较高的吸附容量和良好的选择吸附能力，MC-RR，MC-LR 的最大吸附量分别为10. 32 μ mol/g、10. 88 μ mol/g。结合磁性聚合离子液体的萃取和高效 液相色谱技术，检测水样中2种微囊藻毒素，低于国家规定的检出限。
【附图说明】
[0019] 图1为制备本发明磁性聚合离子液体的流程图。
[0020] 图 2 为 Fe3O4 (A)，Fe3O4OSiO2-MAPS (B)和 MPIL (C)的 TEM 图。
[0021] 图3为离子液体功能单体溴化1-乙烯基-3-乙基咪唑（a)及1-乙烯基-3-乙基 咪唑六氟磷酸盐（b)的红外光谱图。
[0022] 图4为离子液体交联剂溴化-1，4-丁烷-3, 3'-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐（a) 及1，4-丁烷-3, 3' -双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐（b)的红外光谱图。
[0023] 图 5 为 Fe3O4 (a)，Fe3O4OSiO2-MAPS (b)以及 MPIL (c)的红外光谱图。
[0024] 图 6 为 Fe3O4 (a)，Fe3O4OSiO2-MAPS (b)和 MPIL (c)热重曲线图。
[0025] 图7 (A)为磁性吸附效果图。
[0026] 图 7(B)为 Fe3O4 (a)、Fe3O4OSiO2-MAPS (b)和 MPIL(c)的磁滞回线图。
[0027] 图 8 为 Fe3O4 (a)，Fe3O4OSiO2-MAPS (b)和 MPIL (c)的 XRD 图。
[0028] 图9为MPIL对MC-RR (a)和MC-LR (b)的吸附量-时间曲线图。
[0029] 图10为MPIL的一级动力学模型图。
[0030] 图11为MPIL的二级动力学模型图。
[0031] 图12为南湖水样品经萃取后的液相谱图；
[0032] 其中，a :为未加微囊藻毒素的南湖水样品经MPIL萃取后的HPLC谱图；b :为加入 10 μ g/L微囊藻毒素的南湖水样品经MPIL萃取后的HPLC谱图；图中（1)为MC-RR，（2)为 MC-LR0
【具体实施方式】
[0033] I、磁性载体的制备
[0034] 取 0· Olmol FeCl2 ·4Η20 和 0· 02mol FeCl3 ·6Η20 溶于 80mL 去离子水中，使用恒压 漏斗慢慢滴加 IOmL NH3 · H20,80°C下反应30min，冷却至室温，磁场分离出Fe3O4，用水洗涤 至中性，60°C真空干燥12h，得到Fe 304。
[0035] 取300mg Fe3O4分散于40mL乙醇和IOmL水中，超声15min后加入5mL浓氨水、2mL 正硅酸乙酯TE0S，室温搅拌12h，磁场分离，依次用0. lmol/L稀盐酸、水洗涤固体，60°C真空 干燥 12h，得到 Fe3O4OSiO2。
[0036] 取250mg Fe3O4OSiO2，分散于50mL无水甲苯和5mL 3_(异丁稀酰氧）丙基三甲氧 基硅烷（MAPS)中，N2环境下70°C下回流12h，外加磁场分离并用水洗涤固体，制得Fe 3O4O SiO2-MAPS0
[0037] 2、功能单体的制备
[0038] 取0· 05mol 1-乙烯基咪挫、0· 05mol溴乙烧分散于15毫升甲醇中，60 °C下搅 拌15h，冷却后混合物加入至500ml乙醚中，滤出沉淀，在室温下干燥，制得溴化1-乙烯 基-3-乙基咪唑（IL 3)。1H NMR(400MHz，DMS0，ppm) :9.74(s，1H)，8.27(s，1H)，8.00(s，1H)， 6· 00 (dd，1H)，5· 37 (dd，1H)，5· 32 (dd，2H)，4· 25 (q，2H)，I. 41 (t，3H) ;13C NMR(400MHz，DMSO， ppm) :135. 04,128. 85,123. 09,119. 31，108. 87,44. 83,15. 06
[0039] 取0. 05mol溴化I-乙烯基-3-乙基咪挫，0. 05mol順奸6分散于50ml水中，室温搅 拌12h，过滤出固体，用水洗涤后室温干燥，制得1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐（IL 1)。 1H NMR(400MHz, DMSO, ppm) ：9. 78 (s, 1H) ,8. 38 (s, 1H), 7. 93 (s, 1H), 7. 28 (dd, 1H), 5. 94 (dd, lH)，5.42(dd，2H)，4.32(q，2H)，1.45(t，3H) ;13C NMR(400MHz，DMS0，ppm) :135·24，129·04， 123. 29,119. 32,108. 88,44. 80,16. 56)
[0040] 合成路线如下：
[0041]
[0042] 3、交联剂的制备
[0043] 取0.1mol 1-乙烯基咪挫，0. 05mol 1，4_二溴丁烧分散于30ml甲醇中，60°C下搅 拌15h，冷却后倒入IL乙醚中，室温干燥，制得溴化1，4-丁烷-3, 3' -双-1-乙烯基咪唑 (IL4)。1H NMR (400MHz，DMSO, ppm) :9.74 (s，lH)，8.28 (s，lH)，8.02 (s，lH)，7.34 (dd，lH)， 6.00(d，lH)，5.42(d，lH)，4.30(s，2H)，1.87(s，2H) ;13C NMR(400MHz，DMS0，ppm) :135.48， 128. 93,123. 28,119. 19,108. 72,48. 39,25. 75
[0044] 取0.05111〇1溴化1，4-丁烷-3,3'-双-1-乙烯基咪唑，0.1111〇1順4??6分散于501111 水中，室温揽拌12h，过滤出固体，用水洗绦后用水干燥，制得1，4- 丁烧3, 3'-双-I-乙烯基 咪唑六氟磷酸盐（IL2)。1H NMR(400MHz，DMS0，ppm) :9.76(s，1H)，8.38(s，1H)，8.22(s，1H)， 7. 35(dd，1H)，6· 05(d，1H)，5· 43(d，1H)，4· 32(s，1H)，I. 82(s，2H) ;13C NMR(400MHz，DMSO， ppm) :135. 38,128. 92,123. 48,119. 59,108. 82,48· 49,25· 85
[0045] 合成路线如下：
[0046]
[0047] 4、磁性聚合离子液体的制备
[0048] 取 0· Ig Fe3O4OSiO2-MAPS 分散于 30mL(甲苯 + 乙腈=I : 1)，依次加入 0· 5mmol 离子液体功能单体卜乙烯基-3-乙基咪挫六氟磷酸盐（IL1)、2. Ommol离子液体交联剂1， 4-丁烷3, 3' -双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐（IL2)、30mg偶氮二异丁腈（AIBN)，通氮气 15min除氧，密封，60°C下搅拌24h，磁场分离产物，用甲醇-乙酸溶液（体积比9 : 1)洗涤， 30°C真空干燥24h，制得磁性聚合离子液体（MPIL)。上述磁性聚合离子液体（MPIL)的制备 流程如图1。
[0049] 5、形貌表征
[0050] 采用透射电镜对磁性聚合离子液体的形貌进行观察。由图2(A)所示，Fe3O 4磁性纳 米颗粒尺寸均一，呈球形，粒径约为15nm ;从图2(B)可以看出，SiO2包覆Fe 304并键合MAPS 后，Fe3O4IgSiO2-MAPS粒径增加到30~35nm ;由图2 (C)所示，经过修饰后的磁性聚离子液体 微球有粘连现象，并且外壳厚度增大，粒径达到450 ~500nm，说明成功制备了 MPIL。
[0051] 6、红外光谱分析
[0052] 从图3和4中可以看到，ΙθβΟα?'ΙδδΟα?'ΙΙΘδαιΓ1处的吸收峰，分别归属于MP 上的C = C、C = N、C_N的伸缩振动峰，308501^1470(^1归属于咪挫环上阳离子的吸收峰。 其中，图3和图4的谱线a中，840CHT 1归属于离子液体上PFf^伸缩振动峰。
[0053] 图5谱线a中565CHT1为Fe 304纳米颗粒中Fe-O键的伸缩振动峰。从图5可以看出， Fe3O4IgSiO2-MAPS的红外光谱图中llOOcnT 1处有一个强吸收带，归属于Si-O的伸缩振动峰， 945CHT1为Si-OH的伸缩振动峰，说明Fe 3O4微球表面成功包覆了 SiO2，而1715011^630011-1 处的吸收峰对应的是MAPS上的C = 0、C = C的伸缩振动峰，表明MAPS已修饰到Fe3O4OSiO2 表面。
[0054] 图5谱线c为MPIL的红外光谱图，ΙδδΟα?'ΙΙΘδαιΓ1处的吸收峰，分别归属于MP 上的C = N、C-N的伸缩振动峰，840(31^1归属于离子液体上PF6的伸缩振动峰，同时还存在 Fe3O4OSiO2-MAPS 的特征峰（如 1630、1100〇1^)，说明成功制备了 MPIL。
[0055] 7、热重分析
[0056] 在N2条件下，从30°C升温至800°C对MPIL进行TGA分析。从图6中可见，Fe 304无明 显失重峰，仅失重7. 1%，说明其热稳定性良好。Fe3O4IgSiO2-MAPS在500°C附近的失重是其 表面修饰的MAPS所致，Fe 3O4OSiO2-MAPS失重较小，约为21. 4%。而MPIL从300°C后MIP逐 渐开始分解，失重量约为33. 2%，到600°C，聚合物的骨架完全分解，其失重量约为77. 7%， 剩余的物质是难分解的Fe3O4粒子。
[0057] 8、磁性分析
[0058] 利用振动样品磁强计（VSM)对Fe304、Fe 3O4IgSiO2-MAPS和MPIL进行磁性能分析。 从图7 (B)中可以看到，Fe304、Fe3O4OSiO 2-MAPS和MPIL的最大磁饱和度分别为70. 299emu/ g、18. 138emu/g和4. 739emu/g。这三种磁纳米微球都具有强磁化强度和超顺磁性，并在修 饰后仍具有较好的磁性。因此，在萃取实验中，可利用此特性用外加磁场将MPIL吸附剂迅 速从溶液中吸附分离出来。
[0059] 图7(A)是磁铁吸附照片。从图7(A)可以看到，MPIL颗粒分散于溶液中被外磁场 分离前后的照片。当不存在外磁场时，MPIL颗粒均匀分散于小瓶中并使溶液呈棕黄色，当 加入外磁场时，颗粒被迅速吸附在瓶壁上，在较短时间内溶液变澄清，这说明MPIL在外加 磁场情况下，可以达到快速分离的效果。
[0060] 9、XRD 分析
[0061] 如图 8 所示，在（220)、（311)、（400)、（440)、（511)和（440)处，可以看到较强的 Fe3O4的特征峰，衍射峰位置在磁性微球中没有发生变化，说明Fe 304的尖晶石型结构继续存 在于各样品中，并且Fe3O 4纳米粒子的晶体结构在修饰和聚合过程中没有改变。由图8也可 以看出，在[email protected] 2-MAPS(b)和MPIL(c)中2Θ =22°为非晶型SiO2的衍射峰。
[0062] 10、吸附性能分析
[0063] 取20mg磁性聚离子液体材料MPIL分别分散于20mL微囊藻毒素 MC-LR/MC-RR (均 购自德国Dr. Ehrenstorfor Gmbh试剂有限公司）甲醇溶液中，室温下搅拌lOmin，用磁铁分 离MPIL，用紫外可见分光光度计对上清液检测，吸附量通过如下公式计算： (Co - CjV
[0064] Q= -~- m
[0065] 式中，Q为MPIL的吸附量（μπιο?/g)，CQ、Ce分别为微囊藻毒素甲醇溶液的初始浓 度、MPIL吸附后微囊藻毒素的浓度（μ mol/L)，V为溶液的体积（L)，m为MPIL的质量（g)。
[0066] 如图9所示，MPIL对微囊藻毒素的吸附量随着吸附时间逐渐增大，IOmin达到饱和 吸附，吸附达到平衡，说明MPIL对微囊藻毒素的吸附具有快速的特点。MC-RR和MC-LR的最 大饱和吸附量差异不大，分别为10. 32 μ mol/g、10. 88 μ mol/g，说明MPIL具有稳定的吸附 性能。通过吸附量可看出，MPIL对2种微囊藻毒素都有吸附，为它们用于萃取和检测提供 了条件。
[0067] 11、吸附动力学分析
[0068] 为了进一步研宄MPIL对微囊藻毒素的吸附动力学，分别对MPIL的吸附量-时间 曲线进行吸附动力学模拟分析，分别采用一级动力学模型和二级动力学模型进行表征。由 两种模型的拟合系数R，来确定MPIL属于哪种吸附动力学过程。
[0069] 一级、二级动力学方程如下：
[0070] In(Qe-Qt) = InQfkit
[0071] t/Qt= l/k2Q22+t/Q2
[0072] 式中，QeS MPIL对MC-LR的平衡吸附量（μ mol/g)，Q t为t时刻MPIL对MC-LR的 吸附量（μ mol/g)，匕为一级速率常数（miiT1)，k2为一级速率常数（miiT1)。
[0073] 表1 MPIL的动力学一级模型和二级模型参数
[0074]
[0075] 如图10和11所示，准一级动力学模型拟合得到的关系图中，In(Qe-Q t)与t呈 线性关系，拟合系数为0.9913。准一级动力学模型拟合得到的关系图中，呈良 好的线性关系，拟合系数为〇. 9965。同时，准二级动力学吸附模型拟合得到的理论吸附量 (7.11ymol/g)与实验值10.88ymol/g)比较接近。由此可以推断，该MPIL磁性聚合物材 料的吸附过程为准二级动力学吸附。
[0076] 12、线性范围和检出限分析
[0077] 采用MPIL萃取和HPLC相结合，对水中的MC-RR、MC-LR进行检测研宄。取20mg MPIL加入到20mL已经含有2种微囊藻毒素的标准溶液中，室温搅拌lOmin，MPIL吸附水中 微囊藻毒素，磁场分离已经吸附完全的MPIL，用5mL乙腈/乙酸混合液（V : V = 9 : 1)洗 脱吸附在MPIL的微囊藻毒素，收集洗脱液，氮吹洗脱液至0. 5mL，高效液相色谱检测。在此 条件下，MC-RR、MC-LR的线性范围和检出限（S/N = 3)如表2所示。
[0078] 表2微囊藻毒素的线性范围、检出限
[0079]
[0081] 可见，本方法低于国际规定的检出限I yg/L，适用于对于微囊藻毒素的检测。
[0082] 13、水样的分析检测
[0083] MPIL用于嘉兴南湖水样、杭州西湖水样中2种的萃取，结合HPLC进行分析检测，具 体过程如下：
[0084] 取20mg磁性离子液体材料MPIL分别加入到20mL水样中，MPIL吸附水中微囊藻 毒素，室温搅拌lOmin，磁场分离已经吸附藻类毒素的MPIL材料，用5mL乙腈/乙酸混合液 (V : V = 9 : 1)洗脱吸附在MPIL的微囊藻毒素，收集洗脱液，氮吹洗脱液至0.5mL，高效 液相色谱检测。
[0085] 液相色谱条件：色谱柱为Dionex Acclaim? 120 (250_X 4. 6_，5 μ m)，流动相为乙 腈：0. 2%甲酸水溶液=35 : 65(v : V)，流速：lmL/min，柱温25°C，检测波长238nm，进样 量 20 μ L0 MC-RR、MC-LR 的保留时间分另Ij 5. 6、12. 8min〇
[0086] 如图12所示，可看出水样中都没检测到2种微囊藻毒素，为了考察方法的可行 性，采用加标回收法，对样品水中添加5 μ g/L、10 μ g/L的微囊藻毒素浓度进行实验，结果 见图12和表3所示，MPIL能够对水中的2种微囊藻毒素进行吸附，并且吸附后的2种微囊 藻毒素能很好地从MPIL中洗脱下来，说明MPIL对微囊藻毒素有很好的吸附作用。从表3 可见，MC-LR、MC-RR的MPIL检出限分别为0. 6 μ g/L，0. 8 μ g/L，回收率分别为92. 63 %~ 99. 62%，92· 89%~98. 25%，RSD 为 3. 2%~4· 7%、3· 8%~4. 9%，结果表明 MPIL 材料适 用于水样2种微囊藻毒素的检测。
[0087] 表3 MPIL萃取水样中的微囊藻毒素的测定（η = 3)
[0088]
[0089] 实验结果表明，MPIL对MC-RR，MC-LR能快速达到吸附平衡状态，同时具有较高 的吸附容量和良好的选择吸附能力，MC-RR，MC-LR的最大吸附量分别为10. 32 ymol/g、 10. 88 μmol/g。结合磁性聚合离子液体的萃取和高效液相色谱技术，检测水样中2种微囊 藻毒素，并低于国家规定的检出限，说明该磁性聚合物与高效液相色谱联用取得了满意的 结果。
【主权项】
1. 一种磁性聚合离子液体，它是由载体、功能单体、交联剂在引发剂作用下聚合形成的 颗粒状材料，其特征在于，所述功能单体为1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐，所述交联剂 为1，4-丁烷-3, 3' -双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐。2. 如权利要求1所述的磁性聚合离子液体，其特征在于，粒径为450~500nm。3. 如权利要求1所述的磁性聚合离子液体，其特征在于，所述载体为MAPS修饰的 Fe3O4OSiO2,Fe3O4OSiO2表示SiO2包覆的Fe304颗粒。4. 如权利要求1所述的磁性聚合离子液体，其特征在于，所述MAPS修饰的[email protected] 的粒径为30~35nm。5. 如权利要求1-4任一所述磁性聚合离子液体的制备方法，包括以下步骤： 将MAPS修饰的Fe3O4OSiO2分散于溶剂中，依次加入功能单体、交联剂和引发剂，在无氧 条件下进行聚合反应，反应完成后收集产物，产物经洗涤、真空干燥，即制得所述磁性聚合 离子液体。6. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应的温度为60~80°C，时 间为20~25h。7. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述功能单体、交联剂和引发剂的摩尔 重量比Immol: 3 ~5mmol: 55 ~65mg〇8. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述载体与功能单体的重量摩尔比为 0. 05 ~0. 15g: 0. 4 ~0.Bmmol〇9. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂为偶氮二异丁腈。10. 如权利要求1-4任一所述的磁性聚合离子液体在检测微囊藻毒素中的应用。
【专利摘要】本发明公开了用于检测微囊藻毒素的磁性聚合离子液体及其制备方法和应用，该磁性聚合离子液体，是由载体、功能单体、交联剂在引发剂作用下聚合形成的颗粒状材料，所述功能单体为1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐，所述交联剂为1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐。本发明以1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐为功能单体，以1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐为交联剂聚合制得的磁性聚合离子液体对MC-RR，MC-LR能快速达到吸附平衡状态，同时具有较高的吸附容量和良好的选择吸附能力，MC-RR，MC-LR的最大吸附量分别为10.32μmol/g、10.88μmol/g。
【IPC分类】B01J20/285, H01F1/44, H01F1/42, C08F292/00, G01N30/06, C08F226/06, B01J20/30
【公开号】CN104892869
【申请号】CN201510354227
【发明人】李蕾, 曾延波, 阮佳, 刘海清, 张剑, 曹红
【申请人】嘉兴学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月23日
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