一种共价键合重金属离子探针的树脂微球及其应用

本发明涉及重金属检测领域，具体涉及一种共价键合重金属离子探针的树脂微球及其应用。

背景技术：

1、近年来，随着我国工业化和城市化的不断发展，重金属污染已成为主要环境问题之一。环境中的重金属通过迁移转化，累积到动植物体中，严重威胁食品安全。为了检测环境样品或食品中的重金属含量，技术人员通常采用基于实验室操作的仪器分析方法来进行测定，这些方法涉及采样、预处理等复杂步骤，导致检测效率较低而无法实时获得结果，发展重金属的快速检测方法已成为污染分析和污染控制领域的迫切需求。

2、手持式x射线荧光光谱仪可以一次性快速检测多种重金属元素，但是只能测得重金属总量，无法区分重金属形态，而重金属形态相较于重金属总量，具有更重要的环境与食品安全意义。例如，环境中六价铬的毒性与危害远大于三价铬，因此六价铬的含量是更为有效的环境质量指标；此外，目视比色法是另一种快速检测重金属离子的方法，它基于被测溶液的颜色或加入显色剂后生成的有色溶液的颜色，利用有色物质对特定波长光的吸收特性，通过比较有色溶液的颜色深度来确定被测重金属含量。这种方法需要与标准色阶比较，目视找出色泽最相近的标准色，从而确定定量分析结果。但是，目视比色法的主观误差会降低检测准确度，因此通常只适用于均相溶液的检测，对于复杂样品如土壤、废渣、废水、食品等，检测过程仍需要进行样品预处理以提取特定重金属的特定形态。

3、因此，实现重金属快速检测的核心问题，是对样品中被关注的重金属形态进行快速提取、富集与分离。现有的酸/碱、中性盐、络合浸提等化学提取法通常要在实验室进行，步骤较复杂；同时，需要使用大量液相提取剂，导致被测重金属溶液的浓度较低，从而降低检测信号的灵敏度。sherif a.el-safty等人以多孔微米级铝硅酸盐结构为载体、二苯碳酰二肼为六价铬捕获剂和显色剂，制备了一种介观吸附材料，用于六价铬的去除和检测。这项技术的关键是物理吸附阳离子表面活性剂至铝硅酸盐载体表面，形成正电荷表面，再进一步通过氢键吸附二苯碳酰二肼。但是，由于二苯碳酰二肼与载体之间是物理吸附作用，在六价铬的去除与检测过程中会出现洗脱现象，材料的稳定性和可靠性较差，导致检测结果的准确度较差。(shenashen,m.a.；shahat,a.j.hazard.mater.2013,244,726-735)。

4、螯合树脂和阳离子交换树脂也常用于提取和富集重金属，它们通过螯合作用或阳离子交换来达到吸附重金属的目的。但是，这类树脂材料在进行后续的仪器分析检测时，需要先将目标重金属洗脱下来，不仅要使用大量的洗脱液，且步骤较繁琐。公开号为cn101381426的发明专利申请公开了一种键合双硫腙树脂及其制备方法，制备过程将聚合物单体聚合、硝化后还原生成大孔氨基树脂，然后通过重氮化反应并键合双硫腙形成螯合树脂。这种共价键合的制备方法，使双硫腙功能基的稳定性较负载型(物理吸附)树脂显著有所提高，但螯合树脂的均一性不足，只能用于重金属的分离与富集，后续检测仍需洗脱分析物再进行检测，不能直接进行快速检测。

5、由此可知，目前的化学试剂、多孔材料及螯合/离子交换树脂提取重金属的方法，均不适用于复杂样品中重金属的快速检测。

技术实现思路

1、本发明提供一种共价键合重金属离子探针的树脂微球，其可以选择性的结合重金属离子，生成的产物具有特异性光谱信号，且重金属离子均匀富集在树脂微球表面和内部。无需从树脂微球上洗脱，可被便携式光谱仪或显微镜直接检测，得到准确的定量分析结果。这种材料和检测方法集重金属的提取、富集、分离与检测于一体，为重金属离子的快速检测提供了有效的技术手段。

2、一种共价键合重金属离子探针的树脂微球，其中，重金属离子探针通过共价键键合在所述树脂微球的表面和内部，所述树脂微球为固相合成树脂。

3、优选地，所述重金属离子探针与树脂微球之间通过酰胺键、酯键、醚键、硫醚键、胺键或碳硅键连接。

4、根据本发明，所述共价键合重金属离子探针的树脂微球中，所述重金属离子探针均匀分布在树脂微球的表面和内部，本发明所述的均匀分布是指，在同一微球中，单位容积重金属离子探针负载浓度的相对标准偏差为小于等于10％，优选地，单位容积重金属离子探针负载浓度的相对标准偏差为小于等于8％，更优选地，单位容积重金属离子探针负载浓度的相对标准偏差为小于等于5％；不同树脂微球之间，单位容积活性官能团负载浓度的相对标准偏差为小于等于20％，优选地，单位容积活性官能团负载浓度的相对标准偏差为小于等于10％，更优选地，单位容积活性官能团负载浓度的相对标准偏差为小于等于6％。例如，在同一微球中，单位容积重金属离子探针负载浓度的相对标准偏差为0.1％-3％。不同树脂微球之间，单位容积活性官能团负载浓度的相对标准偏差为0.5％-5％。

5、根据本发明，所述共价键合重金属离子探针的树脂微球是通过将具有反应性活性基团(可称为活性基团a)的树脂微球与具有反应性活性基团(可称为活性基团b)的重金属离子探针发生反应而制备得到。

6、根据本发明的实施方案，所述树脂微球的表面和内部均具有可以与探针分子发生键合反应的活性基团(即活性基团a)，所述活性基团包括氨基、羧基、巯基、羟基和/或卤原子，所述活性基团的负载量为0.1-2.0毫摩尔/克，或0.2-1.5毫摩尔/克。单位容积的负载浓度为0.1-10微摩尔/微升。

7、根据本发明的实施方案，所述活性基团b(与重金属离子探针相连)为可以与活性基团a发生反应的基团，例如羧基、氨基、巯基等。

8、根据本发明的实施方案，所述活性基团在所述树脂微球的表面和内部均匀分布。本发明中所述的均匀分布是指，在同一微球中，单位容积活性基团浓度的相对标准偏差为小于等于3％。不同树脂微球之间，单位容积活性基团浓度的相对标准偏差为小于等于5％。

9、根据本发明的实施方案，所述树脂微球在水相和有机相均发生溶胀，所述溶胀度例如为1-100毫升/克，1-80毫升/克，或1.5-50毫升/克。

10、优选地，所述树脂微球包括聚硅氧烷、聚乙烯、聚苯乙烯或聚丙烯酰胺的自交联树脂微球，或者聚乙二醇与聚硅氧烷、聚乙烯、聚苯乙烯或聚丙烯酰胺交联的树脂微球。

11、所述聚硅氧烷、聚乙烯、聚苯乙烯或聚丙烯酰胺的自交联树脂微球为交联聚硅氧烷树脂微球、交联聚乙烯树脂微球、交联聚苯乙烯树脂微球或交联聚丙烯酰胺树脂微球。

12、所述聚乙二醇与聚硅氧烷、聚乙烯、聚苯乙烯或聚丙烯酰胺交联的树脂微球为聚硅氧烷-聚乙二醇交联树脂微球、聚乙烯-聚乙二醇交联树脂微球、聚苯乙烯-聚乙二醇交联树脂微球或聚丙烯酰胺-聚乙二醇交联树脂微球。

13、根据本发明的实施方案，所述树脂微球分子量为200-500000克/摩尔。

14、根据本发明的实施方案，所述树脂微球的交联度为0.5-3％，例如1-2％。

15、根据本发明的实施方案，所述树脂微球的直径为1-500微米，例如20-400微米，50-300微米。

16、在本发明的一个实施方案中，所述树脂微球为聚苯乙烯自交联树脂，交联度为0.5-2％，分子量为5000-20000克/摩尔，溶胀度为1-10毫升/克，直径为50-500微米。

17、根据本发明，所述重金属探针为特异性探针，其与重金属离子反应生成的产物具有特征的光谱信号。优选地，所示特征信号为光吸收、荧光或拉曼信号。

18、根据本发明的实施方案，所述重金属探针包含信号基团和识别基团。优选地，所述信号基团为生色基团、荧光基团或拉曼振动基团。

19、根据本发明的实施方案，所述生色基团为碳碳双键、三键、芳香基团、羰基、醌基、偶氮基或氧化偶氮基中的一种、两种或多种，还或者，为上述不饱和基团的共轭组合；

20、根据本发明的实施方案，所述荧光基团为丹磺酰、氨基萘酰亚胺、硼-二吡咯亚甲基、喹啉、香豆素、荧光素或罗丹明中的一种、两种或多种的衍生物；

21、根据本发明的实施方案，所述拉曼振动基团为含有碳碳双键、羰基、炔基、偶氮、硝基、氰基的基团。

22、根据本发明的实施方案，所述识别基团为带有孤对电子的杂原子基团，所述识别基团为信号基团的组成部分，或与信号基团共轭连接，或为信号基团的取代基。

23、根据本发明的实施方案，所述识别基团选自偶氮、吡啶、醚、硫醚、羟基、羰基、肼基、氨基或胺基中的一种、两种或多种的组合。

24、优选地，所述重金属探针为六价铬探针、二价镉探针、二价铅探针、二价汞探针、三价砷探针。

25、根据本发明的实施方案，所述六价铬探针例如为二苯碳酰二肼、邻苯氨基甲酸、二苯胺磺酸。所述二价镉探针例如为2-(o-羟基苯基)苯并噁唑、双硫腙、紫尿酸铵。所述二价铅探针例如为二溴羟基苯基卟啉、(蒽-9-亚胺基)氮-甲基乙胺、4-(2-吡啶偶氮)间苯二酚。所述二价汞探针例如为1-偶氮苯-3-(5-溴-2-吡啶)-三氮烯、苯基重氮氨基偶氮苯、(氮-邻苯甲酸亚胺基)罗丹明酰胺。所述三价砷探针例如为二乙氨基二硫代甲酸银、二硫代二安替比林甲烷、甲基绿。

26、本发明还提供一种制备共价键合重金属离子探针的树脂微球的方法，包括，将具有反应性活性基团(活性基团a)的树脂微球与具有反应性活性基团(活性基团b)的重金属离子探针进行固相合成反应，所述反应性活性基团之间发生反应，得到共价键合重金属离子探针的树脂微球。

27、在本发明的一个实施方式中，采用固相合成方法将六价铬探针通过共价键连接在树脂微球上。例如，所述树脂微球选自活性官能团为氨基的固相树脂，通过固相酰胺缩合反应将二苯碳酰二肼键合至树脂微球的内部和表面，所述树脂微球与二苯碳酰二肼之间通过酰胺键连接。示例性的方法如下：将带有氨基的树脂微球与4-(2-n-叔丁氧羰肼基)苯甲酸进行反应，之后在酸性条件下水解，再和1,1'-羰基二咪唑以及苯肼进行反应，得到键合二苯碳酰二肼的树脂微球。

28、在本发明的一个实施方式中，采用固相合成方法将所述二价镉探针通过共价键连接在树脂微球上。例如，所述树脂微球选自活性官能团为氨基的固相树脂，通过固相酰胺缩合反应将双硫腙键合至树脂微球的内部和表面，所述树脂微球与双硫腙之间通过酰胺键连接。示例性的方法如下：将带有氨基的树脂微球与4-(2-n-叔丁氧羰肼基)苯甲酸进行反应，之后在酸性条件下水解，再和n,n'-硫羰基二咪唑和苯肼进行反应。之后加入氢氧化钾溶液进行反应，得到键合双硫腙的树脂微球。

29、本发明还提供上述共价键合重金属离子探针树脂微球的用途，其用于重金属离子的检测。

30、根据本发明，所述重金属离子包括六价铬、二价镉、二价铅、二价汞、三价砷离子等。

31、本发明还提供上述共价键合六价铬探针树脂微球的用途，其用于六价铬的检测。

32、本发明还提供上述共价键合二价镉探针树脂微球的用途，其用于二价镉的检测。

33、根据本发明的实施例方案，所述共价键合重金属离子探针树脂微球用于环境样品、食品、保健品、化妆品中的重金属的检测检测。

34、根据本发明的实施例方案，所述共价键合六价铬探针树脂微球用于环境样品、食品、保健品、化妆品中的六价铬的检测检测。

35、根据本发明的实施例方案，所述共价键合二价镉探针树脂微球用于环境样品、食品、保健品、化妆品中的六价铬的检测检测。

36、优选地，所述环境样品包括土壤、水体和固体废弃物，所述食品包括蔬菜、大米、水果以及动植物制品。

37、本发明还提供一种检测重金属离子的方法，包括：将所述共价键合重金属离子探针树脂微球与待检测样品混合一段时间，再分离得到该树脂微球，用光谱仪或显微镜对上述获得的树脂微球进行检测，再参照标准曲线，即可以得到所述待检测样品中重金属的含量。

38、根据本发明的实施例方案，在进行检测前，先制作标准曲线，所述标准曲线为光谱信号与浓度的标准曲线。

39、本发明还提供一种检测六价铬的方法，包括：将所述共价键合六价铬探针树脂微球与待检测样品混合一段时间，再分离得到该树脂微球，用光谱仪或显微镜对上述获得的树脂微球进行检测，再参照标准曲线，即可以得到所述待检测样品中六价铬的含量。

40、本发明还提供一种检测二价镉的方法，包括：将所述共价键合二价镉探针树脂微球与待检测样品混合一段时间，再分离得到该树脂微球，用光谱仪或显微镜对上述获得的树脂微球进行检测，再参照标准曲线，即可以得到所述待检测样品中二价镉的含量。

41、根据本发明，所述光谱仪或显微镜可以为紫外可见分光光度计、荧光光谱仪、拉曼光谱仪、单色显微镜、彩色显微镜、荧光显微镜或拉曼显微镜。

42、优选地，所述光谱仪或显微镜基于所述六价铬与六价铬探针发生化学反应后得到的络合物的发光性质进行选择。

43、优选地，所述光谱仪或显微镜基于所述二价镉与二价镉铬探针发生化学反应后得到的络合物的发光性质进行选择。

44、本发明还提供一种含有重金属离子的树脂微球，其由本发明所述的共价键合重金属探针的树脂微球与重金属离子络合而成。

45、根据本发明的实施方案，所述含有重金属离子的树脂微球中，所述重金属离子在树脂微球上富集的浓度为0.1-1000毫克/克，例如0.30-300微克/克。

46、例如，对于六价铬离子，所述六价铬离子在树脂微球上富集的浓度可为0.30-60微克/克，例如1.0-20微克/克。

47、例如，对于二价镉离子，所述二价镉离子在树脂微球上富集的浓度可为4.0-320微克/克，例如10-100微克/克。

48、优选的，所述含有重金属离子的树脂微球，单个树脂微球的内部与表面、树脂微球与微球之间的检测信号差异性在20％以内。

49、根据本发明的实施方案，对于含有六价铬离子的树脂微球，单个树脂微球的内部与表面、树脂微球与微球之间的检测信号差异性在1-10％以内。

50、根据本发明的实施方案，对于含有二价镉离子的树脂微球，单个树脂微球的内部与表面、树脂微球与微球之间的检测信号差异性在5-20％以内。

51、有益效果

52、本发明提供了一种集重金属离子捕获、富集、分离和检测于一体的树脂材料及其制备方法。本发明所述的树脂材料整体具有良好的均一性，保证了检测的重现性和准确度。重金属离子探针与树脂微球之间为共价键合，而不是物理吸附，因此重金属离子探针以及所捕获的重金属离子不会出现脱附现象。

53、本发明的树脂材料结合光谱/成像分析方法，可以实现样品中重金属离子浓度/含量的准确测定。本发明的检测方法适用范围广泛，操作步骤简单、快速，能够用于环境样品、食品、保健品、化妆品中重金属离子污染的的快速检测。