一种离子液体包覆的氨基硅烷化磁性氧化石墨烯复合材料制备及其在重金属中应用的制作方法

本发明属于食品样品中重金属检测
技术领域：
，具体涉及一种离子液体包覆的氨基硅烷化磁性氧化石墨烯纳米复合材料的制备及其在贝类样品中三种目标重金属检测中的应用，本发明同时提供了一种灵敏高效的食物样品中重金属离子的检测方法。
背景技术：
：近年来，化石燃料的燃烧、采矿、焚烧、化工生产以及不达标的工业废水排放等人类活动造成了海洋水体的严重污染，其中重金属污染被认为是最明显的污染形式。重金属离子不具有生物降解性，导致其长期存在于海洋生态系统中。重金属即使在极低浓度的情况下也可以通过食物链的生物富集作用到达人体，以致对心血管和肾脏产生危害。由于贝类是滤食性生物，这种进食方式导致其对重金属有很强的富集作用，易造成贝类食品重金属的超标。因此开发出一种快速，准确测定重金属的方法并应用于贝类样品的检测是十分必要的。分散磁性固相微萃取(d-mspe)是以磁性材料作为吸附剂，实现简便快速的富集萃取目标成分的一种样品预处理技术。氧化石墨烯(go)易于用合适的官能团改性，其表面含有丰富的亲水基团，如羟基，羰基，环氧基和羧基，使其能够良好地分散在水中，这些含氧的官能团同时可提供足够的吸附位点，对于重金属离子的吸附展现出了良好的吸附性能。然而氧化石墨烯属于纳米材料可以很好地分散在溶剂中，很难实现固-液分离。采用将氧化石墨烯进行磁化可以解决分离的问题，同时将磁性氧化石墨烯(mgo)进行氨基硅烷化以获得硅壳，得到氨基硅烷化的磁性氧化石墨烯（mgo@sio2-aptes），能够保护磁性氧化石墨烯的结构稳定性，保持良好的磁性，并引入大量的氨基以增加氢离子的数量以改善其与重金属离子之间的静电相互作用，以增强吸附效果与分离性能。离子液体(il)是近年来受到广泛关注的一种特殊性质的材料。具有蒸气压低、溶解性好、萃取能力强、稳定性好、结构可设计等优点。在一定程度上可以取代传统的挥发性有机溶剂，用于萃取和富集重金属离子。将氨基硅烷化磁性氧化石墨烯纳米复合材料进行离子液体包覆，即可以发挥原有材料的优异性能又能够使包覆后的复合材料具有良好的回收率和高富集系数，可以作为一种高效的吸附剂应用于重金属离子的分离和萃取领域。对于有具有复杂成分样品中的痕量重金属检查，进行单一的前处理方法往往不能满足仪器的检测要求。为了更大程度的提取重金属，需要对实际样品进行前处理，减小基质效应。本发明制备出了一种离子液体包覆的氨基硅烷化磁性氧化石墨烯(mgo@sio2-aptes-il)纳米复合材料，将其作为吸附剂结合分散磁性固相萃取技术，提取贝类样品中的三种目标重金属，结合高灵敏度的电感耦合等离子体质谱(icp-ms)定量分析，满足灵敏度高、准确度高的要求，为贝类中三种目标离子的检测提供了一种新的方法。技术实现要素：本发明的目的旨在克服现有技术缺陷，提供了一种新型磁固相萃取吸附剂的制备方法，并利用该吸附剂分散磁性固相微萃取富集和萃取贝类样品中cu(ii)、pb(ii)和cd(ii)。本发明是通过如下技术方案实现的：本发明提供一种磁性纳米复合材料，所述的磁性纳米复合材料通过如下方法制备所得：（1）由氧化石墨烯、六水合氯化铁、四水合氯化亚铁在碱性溶液中制备磁性氧化石墨烯；（2）由磁性氧化石墨烯、正硅酸乙酯、3-氨基丙基三乙氧基硅烷制备氨基硅烷化磁性氧化石墨烯；（3）由1-己基-3-甲基-1h-咪唑-3-六氟磷酸盐和氨基硅烷化磁性氧化石墨烯在甲醇中制备磁性吸附剂离子液体包覆的氨基硅烷化磁性氧化石墨烯；优选地，步骤（1）中所述的氧化石墨烯、六水合氯化铁、四水合氯化亚铁的质量比为：1∶4.32～5.00∶1.60～3.80。优选地，步骤（1）中所述的碱性溶液的ph为10～12，通过加入氢氧化钠溶液或氨溶液调节ph；优选地，步骤（2）中所述的正硅酸乙酯、3-氨基丙基三乙氧基硅烷的体积比为：1∶3.81～6.50，两次用到的溶剂乙醇体积分别为25～75ml，50～150ml；优选地，步骤（3）中所述的1-己基-3-甲基-1h-咪唑-3-六氟磷酸盐和氨基硅烷化磁性氧化石墨烯质量比为：1∶3.0～5.0。制备离子液体包覆的氨基硅烷化磁性氧化石墨烯纳米复合材料的方法：将氧化石墨烯粉末分散在蒸馏水中，在氮气保护下机械搅拌，水浴加热；将六水合氯化铁、四水合氯化亚铁溶解在蒸馏水中制成溶液；当水浴温度升至70～80℃时，将此溶液加入到分散体中，剧烈搅拌。加入氢氧化钠溶液调节悬浮液的ph，并在70～80℃下机械搅拌60～120min，得到磁性氧化石墨烯。将正硅酸乙酯分散在蒸馏水中；搅拌，超声，形成均匀的悬浮液；将氧化石墨烯分散到无水乙醇中，然后在0～4℃的冰浴条件下加入上述均匀悬浮液，强力搅拌，加入氢氧化钠溶液调节悬浮液的ph。在0～4℃下继续反应10～14h；分离磁性材料，干燥；取上述产品加到无水乙醇中，氮气保护，机械搅拌，加入aptes，继续搅拌4～8h，得氨基硅烷化磁性氧化石墨烯。将氨基硅烷化磁性氧化石墨烯和1-己基-3-甲基-1h-咪唑-3-六氟磷酸盐加到10～75ml甲醇中，超声得离子液体包覆的氨基硅烷化磁性氧化石墨烯。本发明合成了离子液体包覆的氨基硅烷化磁性氧化石墨烯，离子液体的表面负载改善了吸附剂的吸附性能；足够的磁性可以使吸附在纳米复合材料上的目标离子用永磁体快速分离；氨基硅烷可以实现静电稳定，同时提供更好的目标离子反应的氨基。总之，纳米复合材料中的每一种材料在分散磁性固相萃取过程中都起着重要的作用，采用该吸附剂进行前处理能够达到icp-ms准确定量的要求。本发明制备的离子液体包覆的氨基硅烷化磁性氧化石墨烯纳米复合材料作为磁固相萃取吸附剂，并结合icp-ms，用于检测贝类样品中三种目标重金属离子含量的方法，其具体步骤如下：（1）贝类样品的预处理：贝类样品冷冻干燥，粉碎。将贝类冻干粉末转移到微波消解罐中进行消解；之后蒸发至干燥，复溶，过滤，使用容量瓶定容，制得样品溶液；（2）磁固相萃取富集浓缩过程：在步骤（1）处理的实际样品中加入磁性纳米复合材料，超声处理，涡旋，分离，用外加磁铁分离，弃去上清液，得残渣；（3）重金属离子洗脱过程：于残渣中加入硝酸溶液超声，涡旋，分离，得上清液备用；（4）将（3）中最终获得的的上清液过滤膜进行icp-ms分析，测定痕量pb（ⅱ）、cu（ⅱ）、cd（ⅲ）重金属离子。优选地，步骤（1）中，贝类冻干粉末称重0.2～4g；消解液组成：硝酸(65%，v/v)3～7ml，过氧化氢(30%)2～5ml；复溶溶剂：蒸馏水，容量瓶定容至50ml；优选地，步骤（2）中，超声处理时间：3～8min，涡旋时间3～6min；优选地，步骤（3）中，涡旋时间：2～8min；硝酸(5%，v/v)3～20ml；优选地，步骤（4）中，微孔滤膜孔径为0.22μm。具体地，本发明可以采用如下方法制备：（1）贝类样品的预处理：贝类样品冷冻干燥，粉碎，之后转移到微波消解罐中进行消解。之后蒸发至干燥，复溶，过滤，使用容量瓶定容，制得样品溶液；（2）d-mspe富集浓缩过程：取步骤（1）的样品溶液10～50ml，调节溶液的ph值为6后，加入磁性纳米复合材料10～50mg，超声处理2～10min，涡旋3～8min。通过使用外部磁体在离心管底部分离材料，去除上清液，得残渣；（3）重金属离子洗脱过程：向残渣中加入0.5～5ml硝酸溶液(5%，v/v)，超声2～10min，涡旋3～8min，分离，得上清液，取样引入icp-ms中进行分析；（4）icp-ms测定样品中痕量pb（ⅱ）、cu（ⅱ）、cd（ⅲ）重金属离子；（4.1）icp-ms测定，操作条件：icp-ms工作参数参数值射频功率1550w等离子体氩气流速15lmin-1辅助氩气流速1lmin-1雾化器氩气流速1lmin-1采样深度7.0mm采样锥/截取锥孔直径nickel1.0mm/0.4mm扫描模式peak-hopping积分时间/质量0.2s数据采集时间50s整合模式peakarea峰测定次数3内标元素ge，in，bi（4.2）将（3）中最终获得的的上清液过滤膜(0.22μm)进行icp-ms分析，测定痕量pb（ⅱ）、cu（ⅱ）、cd（ⅲ）重金属离子。本发明使用mgo@sio2-aptes-il新型纳米复合材料作为磁性纳米吸附剂，该种磁性纳米材料结合了离子液体，具有超顺磁性、环境污染程度低、水分散性良好等优点，实验室条件下可以完整合成，且可重复利用。本研究利用d-mspe的方法对具有痕量重金属的贝类样品进行前处理，能够达到检测的要求，针对吸附剂与重金属的吸附与解吸过程我们通过响应面拟合的bbd(box-behnken设计)方法，得到了各参数的最优条件，本实验建立的方法满足灵敏度高、准确度高的要求，且样品预处理步骤简便，预富集过程高效，抗基质干扰能力强，为贝类中三种目标离子的检测提供了一种新颖、有效的方法，表明该新型纳米复合材料在贝类样品重金属检测领域有着广泛的应用前景。附图说明图1为go、mgo、mgo@sio2-aptes、mgo@sio2-aptes-il的红外光谱图。图2为go（a）、mgo（b）、mgo@sio2(c，二氧化硅包覆的磁性氧化石墨烯)、mgo@sio2-aptes(d)、mgo@sio2-aptes-il(e)的扫描电镜图。图3为go（a）、mgo（b）、mgo@sio2(c)、mgo@sio2-aptes(d)、mgo@sio2-aptes-il(e)的透射电镜图。图4为mgo、mgo@sio2-aptes-il的磁滞回线图。图5为go、mgo、mgo@sio2-aptes-il的x射线衍射图。图6为go、mgo@sio2-aptes-il的x射线光电子能谱图：c1s(a),n1s(b)高分辨率扫描图以及全扫描能谱图。图7为mgo@sio2-aptes-il对三种目标离子吸附的再生性能图。图8为萃取-解吸过程中的参数优化响应曲面图。具体实施方式以下结合实施例对本发明做出进一步的说明，这些实施例仅用于说明本发明，但不构成对本发明的任何限制，任何在本发明权利要求保护范围内所做的有限次修改、仍在本发明的权利要求保护范围之内。实施例1：贝类样品中pb（ⅱ）、cu（ⅱ）、cd（ⅲ）重金属离子分析测定（1）mgo@sio2-aptes-il纳米复合材料的合成（1.1）mgo的合成采用化学共沉淀法合成了mgo纳米复合材料，将0.5克氧化石墨烯（go）粉末与100ml蒸馏水加至三颈圆底烧瓶中，机械搅拌直至水浴温度升至70℃；之后，将2.16g六水合氯化铁和0.80g四水合氯化亚铁溶解在40ml蒸馏水中；然后，将该溶液在70℃剧烈搅拌下加入分散体中。添加naoh溶液将悬浮液的ph值调节至12，将混合物在70℃下机械搅拌60分钟；该反应体系在氮气保护条件下进行；冷却至室温后，使用磁体从混合物中收集固相产物，并分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤三次，然后在60℃下真空干燥6小时。（1.2）mgo@sio2-aptes的合成将6.3ml的蒸馏水和2.1ml的正硅酸乙酯加入到烧杯中。将混合物搅拌3分钟并再超声处理1分钟以形成均匀的悬浮液。接下来，将0.5g的mgo添加到49.5ml的无水乙醇中，然后在0℃冰浴条件下添加以上均匀的悬浮液；剧烈搅拌10分钟后，在搅拌下向混合物中滴加2.0ml氨溶液；最后，在01℃继续反应10小时。使用外部永磁体收集固相产物，并分别用蒸馏水和乙醇洗涤三次，最后在60℃下真空干燥6小时；将0.5g上述产物添加到150ml无水乙醇中，于氮气保护条件以及70℃下机械搅拌，将8ml的aptes（3-氨基丙基三乙氧基硅烷）加入到悬浮液中后，继续搅拌4h。通过外部磁体吸附收集固相，先后使用水和乙醇各洗涤八遍以除去剩余的aptes，60℃真空干燥箱干燥8h，得到mgo@sio2-aptes。（1.3）mgo@sio2-aptes-il纳米复合材料的合成将0.3gmgo@sio2-aptes与0.1g1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐添加到10ml甲醇中，超声30min，通过外部磁体吸附收集固相后，先后使用水和乙醇各洗涤三遍，60℃真空干燥箱干燥8h，得到mgo@sio2-aptes-il。（2）贝类样品的预处理准备贝类样品（鲍鱼，扇贝和贻贝等）。将贝类软组织与壳分离，用蒸馏水冲洗以去除沉淀物和其他杂质。然后，将软组织匀浆，称量，为样品的总湿重。将复合样品冷冻干燥，记录干重。然后将干燥的复合样品粉碎成粉末，在-20℃下保存。然后，将贝类冻干粉末0.2g转移到聚四氟乙烯消解罐中，加入3ml硝酸(65%，v/v)和2ml过氧化氢(30%)，之后将消解罐密封并放入微波消解仪中，进行消解；消解程序如下所示；首先，在十分钟内升温至110℃，保持5min；然后，在十分钟内升温至180℃，保持30min；最后，在19min内将容器降温至70℃；将每个容器中的溶液转移到聚乙烯容量瓶中，复溶，过滤，定容至50ml，作为分散磁性固相萃取程序的样品。（3）d-mspe富集浓缩过程取步骤（2）所得的30ml样品溶液，调节溶液的ph值为5.6；将25.6mg离子液体包覆的氨基硅烷化磁性氧化石墨烯加入到该样品溶液中，超声处理6.3min并涡旋3min，以确保重金属完全吸附在吸附剂上；通过使用外部磁体分离磁性纳米复合材料，弃去上清液，得残渣。（4）重金属离子洗脱过程向残渣中加入3.0ml7%(v/v)硝酸，超声洗脱目标离子6.5min，涡旋混合3min以从纳米复合材料表面洗脱重金属；将磁性纳米复合材料以（3）中相同方法与溶液分离，获得上清液，之后引入icp-ms进行后续分析。（5）icp-ms测定（5.1）操作条件：icp-ms工作参数参数值射频功率1550w等离子体氩气流速15lmin-1辅助氩气流速1lmin-1雾化器氩气流速1lmin-1采样深度7.0mm采样锥/截取锥孔直径nickel1.0mm/0.4mm扫描模式peak-hopping积分时间/质量0.2s数据采集时间50s整合模式peakarea峰测定次数3内标元素ge，in，bi（5.2）将（4）中最终获得的的上清液过滤膜(0.22mm)进行电感耦合等离子体质谱（icp-ms）分析，测定痕量pb（ⅱ）、cu（ⅱ）、cd（ⅲ）重金属离子。验证方法（1）icp-ms分析性能优化条件下使用mgo@sio2-aptes-il纳米复合材料作为吸附剂从贝类样品中提取3种目标重金属的开发方法的分析性能见表1。校准曲线使用离子浓度分别为0.05-200μgl-1的一系列pb（ⅱ）、cu（ⅱ）、cd（ⅲ）混合标准溶液制作。所有回归系数（r）均高于0.9998，有效线性范围为定量限至200μgl-1。该方法以空白信号强度标准偏差的三倍定义为检测限（lods，3σ），分别为2.42，3.36和3.75ngl-1，，以及以空白信号强度标准偏差的十倍定义为定量限（loqs，10σ），分别为8.09，11.20，12.50ngl-1，分别对应pb（ⅱ）、cu（ⅱ）、cd（ⅲ）。通过分析10μgl-1的加标空白贝类样品来评估所开发方法的精密度，确定相对标准偏差（rsd）低于5%（n=6）。表明所开发的方法分析精密度良好，且足够灵敏。表1icp-ms检测系统的分析性能数据（2）实际样品加样回收率贝类样品实际样品加样回收率见表2，表3及表4，通过向贝类样品中添加重金属标准溶液计算方法的加样回收率，确定回收率范围在95.35～99.49之间（n=3），由此得出由该方法得出的分析结果可靠。表2贝类样品中铜(ⅱ)的加样回收率（n=3）表3贝类样品中镉(ⅱ)的加样回收率（n=3）表4贝类样品中铅(ⅱ)的加样回收率（n=3）（3）对二氧化硅修饰的磁性氧化石墨烯的表征mgo@sio2-aptes-il采用傅里叶变换红外光谱（ft-ir）、扫描电子显微镜（sem）、透射电子显微镜（tem）、振动样品磁强计（vsm）、x射线衍射（xrd）、x射线光电子能谱（xps）进行表征。（3.1）ft-ir图1为go、mgo、mgo@sio2-aptes、mgo@sio2-aptes-il的红外光谱图，其在一定程度上能够反映四种材料之间官能团和元素的变化。在go的光谱图中，3440，1717cm-1处的吸收峰分别对应-oh的伸缩振动以及c=o的伸缩振动，可能属于羧基或氢氧根基团；1624，1397，1079cm-1处的吸收峰则对应c-o-c的伸缩振动；在mgo的光谱图中，1383、587cm-1处出现的吸收峰对应fe-o键振动，证实了fe3o4的合成，go被有效磁化；在mgo@sio2-aptes的光谱图中，1092、796、471cm-1处新出现的吸收峰分别对应si-o-si键的反对称伸缩振动、对称伸缩振动以及si-o键的弯曲振动，3420cm-1处出现的中强峰为部分被-oh覆盖的-nh的伸缩振动，由于-nh的合成，该峰的峰宽增加，强度降低，1551cm-1处出现的吸收峰为-nh的面内弯曲振动，由此可证实材料的氨基硅烷化，从而能够保护内部磁芯，提高材料的稳定性以及可重复利用性，并且，氨基的加入为重金属离子的吸附提供了更多的作用位点；在mgo@sio2-aptes-il光谱图中，基于上述特征峰之外，于842.33cm-1出现新的吸收峰，对应p-f键伸缩振动，证实了离子液体的成功修饰，离子液体中的咪唑环能够与重金属离子产生静电作用与弱相互作用从而改善纳米复合材料的吸附性能。因此，红外光谱研究为mgo@sio2-aptes-il纳米复合材料的成功合成提供了充分的证据。（3.2）sem图2为go、mgo、mgo@sio2、mgo@sio2-aptes、mgo@sio2-aptes-il的扫描电镜图。图2a观察到了go纳米片具有褶皱形式和透明薄膜的高比表面积的层状结构特征。go的这种起皱结构可导致大的表面积和高的提取能力。由图2b可以看出，go表面有大量形状不规则铁晶体颗粒紧密附着，表明了磁性的成功修饰。图2c显示表面较光滑，表明二氧化硅的成功涂覆。由于aptes分子大小的限制，mgo@sio2-aptes的sem图像（图2d）无法观察到与图2c的区别，纳米复合材料最终形态mgo@sio2-aptes-il（图2e）的成功合成将通过其他特征方法如ft-ir和xps来证明。（3.3）tem通过tem观察了go、mgo、mgo@sio2、mgo@sio2-aptes、mgo@sio2-aptes-il的形貌。从图3a可以明显看出，go呈层叠的片状，具有高透明度和起皱边缘。如图3b所示，mgo纳米复合材料截面中的暗点是fe3o4晶体颗粒，它们均匀地分布在go的光滑表面上。从图3c可以看出，二氧化硅层已经被涂覆在mgo表面上。与sem相同，由于aptes分子大小的限制，图3d、3e的形态变化较小，通过其他表征方法如ft-ir、xps来证明aptes和离子液体的修饰作用。（3.4）vsm如图4所示，使用vsm研究了室温下mgo和mgo@sio2-aptes-il的磁性。两种材料的磁滞回线呈s形，且表现出可忽略的矫顽力和剩余磁化强度，表明合成的该纳米复合材料具有超顺磁性。mgo的饱和磁化强度值为26.44emug-1，mgo@sio2-aptes-il的饱和磁化强度值为17.40emug-1。磁化后的石墨烯表面进行了后续修饰，从而导致mgo@sio2-aptes-il复合材料的磁化强度降低，这种磁化强度降低的趋势反映了一种由于磁性组分减少而导致的正常现象。然而，17.40emug-1的饱和磁化强度足以使mgo@sio2-aptes-il能够从溶液中通过使用外部磁体进行快速的磁性分离。因此，该特征提供了在外部磁场下从溶液中回收磁性复合物的简便有效途径。（3.5）xrd在5-90°的2θ角度范围内的x射线衍射（xrd）研究了表面修饰改性对磁性的影响。图5显示了go、mgo和mgo@sio2-aptes-il三种纳米复合材料的x射线衍射图，2θ=14.23来源于go，而2θ=19.16，30.12，35.64，43.33，53.71，57.08，62.72和74.49处的衍射峰分别对应于（111），（220），（311），（400），（422），（511），（440）和（533）反射，显示了纳米复合材料中fe3o4的典型特征峰。这些峰的位置与标准曲线（jcpds88–0315）一致。并且，mgo@sio2-aptes-il图谱中的特征峰，与mgo保持相同，可以证明材料中存在磁性fe3o4的晶体结构，表明氨基硅烷层以及离子液体是无定形的，并且fe3o4的结晶度在修饰过程之后得以保留。（3.6）xps用高分辨率的x射线光电子能谱对go以及合成的mgo@sio2-aptes-il进行了表征。c1s(a)，n1s(b)的xps谱图及元素分析结果如图6所示。由于石墨碳的存在，go的光谱在284.8ev显示主峰，显示在处的其他四个峰。285.9，286.8，287.9和289.0ev的其他四个峰分别对应c-oh，c-o-c，c=o和o-c=o键。mgo@sio2-aptes-il的c1s光谱共解析为284.7ev(c−candc−h),285.4ev(c−oh,c−o−si,c−n),286.7ev(c−o−c),287.8ev(c=o)四个峰。mgo@sio2-aptes-il的n1s光谱解析为两个峰，分别位于399.4和401.8ev处，分别分配给游离氨基（-nh2）和质子化的胺（-nh3+）。c1s光谱成功证实了aptes和离子液体的成功修饰。从图6c可以看出，mgo@sio2-aptes-il中的fe，f，o，n，c，p和si元素明显存在，证实了离子液体的成功修饰。（4）fe3o4-go@sio2纳米复合材料的可重用性对于实际应用，这种新型吸附剂的再生和再循环是必不可少的。在这项工作中，所用的吸附剂可用2%（v/v）的hno3，水和无水乙醇洗涤数次，然后在60℃的真空干燥箱中干燥8小时，以进一步循环利用。由图7可以看出材料循环使用次数以及对应的回收率的关系，在4个吸附和洗脱循环中回收率的降低幅度小于10%，这表明吸附剂保持稳定，可以使用至少4次。当前第1页12