一种分子印迹磁性纳米纤维膜及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于分子印迹技术领域，具体涉及一种分子印迹磁性纳米纤维膜及其制备方法和应用。


背景技术：

2.常规方法如液液萃取和固相萃取常被用于对中药材样品有毒有害物质的富集和分离，由于中药样品成分复杂且待测物含量低，现有c18、c8和硅胶等固相萃取剂对特定分子缺乏选择性，富集分离效果并不明显；离子交换型固相萃取剂可用于弱酸性或弱碱性物质的纯化，但其选择性范围仍较广；分子印迹技术可实现目标分子的特异性识别，然而用于固相萃取的分子印迹聚合物存在残留模板分子易泄漏的问题，且其制备过程易受模板分子溶解性等理化性质的限制，以马兜铃酸等具有毒性的物质作为模板分子导致人体和环境污染。
3.分子印迹溶胶-凝胶技术是通过溶胶-凝胶过程，把印迹分子引入到无机、无机-有机网络结构中，获得了具有较高稳定性的印迹聚合物，并且该聚合物表现出较好亲和性。所得聚合物具有粒径小、比表面积大和特异选择性等特点，其三维网络空间结构具有很好的吸附性能。分子印迹溶胶-凝胶技术兼顾了溶胶-凝胶和分子印迹二者的优点，有机高分子聚合物的机械稳定性差及易溶胀这一缺点在该技术中得到了很好的解决。静电纺丝技术利用静电力从纺丝溶液中产生细纤维，此方法产生的纤维直径比传统纺纱工艺更细，以及具有更大的表面积和更高的孔隙率。静电纺丝技术与分子印迹技术结合，即赋予了静电纺丝膜特异性吸附能力，同时也增大了分子印迹聚合物的比表面积，提高了吸附容量和传质速率。超顺磁性纳米粒子具有良好的尘物相容性和特殊的磁学效应，被广泛应用分离领域。静电纺丝超顺磁性高分子纳米纤维膜集合了电纺丝纳米纤维膜材料与超顺磁性纳米粒子的特性，为发展具有磁性分离与识别膜材料提供了新思路。


技术实现要素：

[0004][0005]
本发明的目的在于提供磁性分子印迹纳米纤维膜，可用于马兜铃酸的去除。
[0006]
本发明的技术方案是一种分子印迹磁性纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
[0007]
步骤a：磁性纳米粒子的制备；
[0008]
步骤b：将模板分子溶解于有机溶剂中，加入功能单体进行预聚合，然后加入50～ 200mg磁性纳米粒子、交联剂和引发剂；超声溶解脱气，除氧，震荡条件下30～80℃反应 8～48h；将沉淀物分离，乙酸-甲醇溶液洗脱模板，干燥；得到磁性分子印迹聚合物(mip)；所述模板分子为马兜铃酸的结构类似物三聚氰胺或灭蝇胺；所述交联剂为三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(trim)或二甲基丙烯酸乙二醇酯(egdma)；所述功能单体为4-乙烯基吡啶或甲基丙烯酸(maa)；所述引发剂为偶氮二异丁腈(aibn)；所述有机溶剂为体积比为3︰1的乙腈-甲醇；
[0009]
步骤c：将mip加入到pva溶液中得到pva纺丝溶液；在电压8～23kv、纺丝距离为8～20cm、流速10～40μl/min和相对湿度40～50％的条件下进行静电纺丝0.5～10h，纺丝结束后得到分子印迹纳米纤维膜(minfms)；
[0010]
步骤d：将minfms浸泡在质量浓度1～6％的戊二醛(ga)水溶液中，交联10～60 min后，将所述分子印迹纳米纤维膜真空干燥8～24h，密封得到交联后的分子印迹纳米纤维膜；所述水溶液中硫酸质量浓度1～8％。
[0011]
具体的，所述步骤a的操作如下：(1)将fe3o4纳米粒子分散在体积分数为70～80％的乙醇溶液中，滴加四乙氧基硅烷(teos)和体积分数为25％的氨水，室温下搅拌反应 10～48h，反应结束后分离沉淀物；洗涤至中性；干燥，得fe3o4@sio2；(2)fe3o4@sio2分散于10％乙酸溶液中，加入3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(mps)，在40～60℃下搅拌反应10～24h，分离沉淀物，洗涤至中性，干燥，得磁性纳米粒子fe3o4@sio
2-nh2。
[0012]
具体的，步骤a中，所述干燥为50℃下真空烘干。
[0013]
其中，步骤a(1)中，依次用甲醇和超纯水洗涤至中性；步骤a(2)中，用乙醇洗涤至中性。
[0014]
进一步的，步骤a(1)中采用共沉淀法制备fe3o4磁纳米粒子：1～3g的fecl3·
6h2o 和0.1～1g的fecl2·
4h2o分别超声分散在超纯水溶液中，混合，70℃下加入体积分数25％的氨水，50～80℃搅拌条件下加入0.05～0.2g柠檬酸钠，反应结束后冷却至室温，收集fe3o4磁粒子，乙醇反复洗涤沉淀物中性。
[0015]
进一步的，步骤b中，所述交联剂与所述模板分子的摩尔比为5～20︰1；所述功能单体与所述模板分子摩尔比为2～10︰1。
[0016]
优选的，步骤b中，模板分子、功能单体、交联剂的质量比为1︰4︰12，引发剂占聚合体系的质量比为0.1％，磁性纳米粒子占聚合体系的质量比为0.5％。
[0017]
其中，步骤b中，预聚合时间为3～5h；超声溶解脱气5～20min；所述除氧为通氮10～ 15min；震荡速度为150～200rpm/min；所述干燥为55℃下真空烘干。
[0018]
进一步的，步骤c中，pva纺丝溶液的制备如下：将mip固体粉末在甲醇中超声分散均匀；pva和超纯水按照质量比为1︰10～25，在90℃加热搅拌直至完全溶解后冷却至室温；将前述两份溶液按照体积比1︰2～4混合，超声均匀，其中mip占pva的质量分数为10～40％。
[0019]
本发明还提供了上述方法制备得到的分子印迹纳米纤维膜。
[0020]
本发明还提供了所述分子印迹纳米纤维膜在吸附马兜铃酸或马兜铃酸类似物中的应用。
[0021]
本发明的有益效果在于：
[0022]
本发明将磁性纳米粒子、静电纺丝技术与分子印迹技术三种工艺相结合，成功制备了磁性分子印迹静电纺丝纳米纤维膜，不仅比表面积大、孔隙率高，且具有很好柔韧性、机械强度和稳定性好等优点，相对mips还具有与待测样易分离、较高的传质速率和结合容量，且还改善了静电纺丝纤维膜无特异性吸附的能力，省去了马兜铃酸提取和富集固相萃取装置，简化了操作步骤，可用于实际样品中马兜铃酸的富集和净化。本发明分子印迹纳米纤维膜对马兜铃酸具有良好的特异性吸附和重复利用性，可以通过分子印迹识别技术实现农产品中对马兜铃酸的专一性识别、高效分离及富集的应用，具有良好的吸附和分离性能，能够实现对马兜铃酸的特异性去除。
(其中硫酸浓度为8％，硫酸钠至饱和)中，交联60min，交联后的膜真空干燥24h，装入密封袋备用。
[0035]
马兜铃酸的提取和富集：称取1g的minfms于5ml的马兜铃酸溶液中，震荡吸附4 h后，先用甲醇简单洗掉上面的溶液，用洗脱液甲醇-乙酸溶液洗脱，测定洗脱液中马兜铃酸的游离浓度，回收率可达到98％。
[0036]
实施例2分子印迹纤维素膜的制备
[0037]
fe3o4纳米粒子的制备：采用共沉淀法制备fe3o4磁纳米粒子。分别称取2.12gfecl3·
6h2o和0.5g fecl3·
4h2o于10ml离心管中，各加入5ml超纯水，超声5min使其完全溶解。将二者均倒入装有90ml超纯水的250ml三颈烧瓶中，温度升到70℃时加入 6ml体积分数25％氨水，搅拌使其充分混匀，50℃下计时搅拌10min，加入0.05g柠檬酸钠继续搅拌10min。反应结束后冷却至室温，用磁铁收集fe3o4磁粒子，乙醇反复洗涤沉淀物至ph试纸显示中性。
[0038]
fe3o4@sio2的制备利用硅烷化试剂的水解：将制得的fe3o4纳米粒子于250ml三颈烧瓶中，加入12ml超纯水、48ml乙醇，超声20min，使其均匀分散。加入2ml体积分数25％氨水和1ml四乙氧基硅(teos)，室温下搅拌反应12h，反应结束后磁分离，用超纯水和甲醇反复洗涤数次至ph试纸显示中性，于50℃的真空下干燥，备用。
[0039]
fe3o4@sio
2-nh2的制备：将制备的fe3o4@sio2磁纳米粒子溶于加有60ml含10％乙酸溶液的超纯水中，加入200ul 3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(mps)，在60℃下搅拌反应10h，反应结束后用超纯水将得到的产物洗涤直至中性，50℃的真空下干燥24h，备用。
[0040]
马兜铃酸(aai)磁性分子印迹聚合物的制备：称取0.140mmol的马兜铃酸结构类似物β-谷甾醇于100ml的圆底烧瓶中，加入40ml乙腈-甲醇(3︰1，v/v)溶液，待模板分子溶解后加入甲基丙烯酸(与模板分子摩尔比为4︰1)，进行预聚合3h。再将100mg的 fe3o4@sio
2-nh2、二甲基丙烯酸乙二醇酯(与模板分子的摩尔比为20︰1)和20mg偶氮二异丁腈分散在上述溶液中。混合溶液在超声浴中脱气10min后用氮气鼓泡10min以除去氧气。密封水浴中震荡(150-200rpm/min)反应24h，反应温度60℃。用磁铁收集得到的黑色产物，依次用甲醇-乙酸溶液(7︰3，v/v)洗涤得到的聚合物，直至滤液通过hplc检测不到有aai的存在，55℃下真空烘干。
[0041]
非分子印迹聚合物(nip)的制备除不加模板外，其余步骤与分子印迹聚合物(mip)相同。
[0042]
(2)洗脱聚合物固体：将所述聚合物固体用甲醇冲洗3次后，40℃下真空干燥老化 6h后，将干燥后的聚合物至于100ml的圆底烧瓶中，20ml乙酸：甲醇(1︰5，v/v), 磁力搅拌3h，用甲醇冲洗几次，用甲醇冲洗后置于40℃下真空干燥6h，最后将聚合物置于索提中，用乙酸：甲醇(1︰8，v/v)溶液洗脱模板，直至紫外分光光度计检测不到模板分子。
[0043]
(3)纺丝液的配制：准确称取0.5g的pva于超纯水中，90℃加热搅拌直至完全溶解后冷却至室温，配制pva溶液，称取一定质量的适当过筛后的mips粉末(占pva的质量的30％)，将小颗粒的聚合物于甲醇中超声分散均匀。最后，将mip的甲醇分散液与pva 溶液超声混合(两者体积比为1︰2)，得5％的pva纺丝液，按照同样方法配非印迹纳米纤维膜(ninfms)5％的pva纺丝液。
[0044]
(4)静电纺丝纤维膜的制备：将配制好的pva纺丝溶液加入注射器内，在纺丝液浓度为5％，纺丝电压为8kv，纺丝距离为10cm，流速20μl/min，相对湿度50％条件下进行，得到
minfms。按照同样的方法制备非印迹纳米纤维膜(ninfms)。
[0045]
(5)静电纺丝纤维膜的交联：将制备的minfms(或ninfms)浸泡在2％的ga水溶液(其中硫酸浓度为2％，硫酸钠至饱和)中，交联10min，交联后的膜真空干燥10h，装入密封袋备用。
[0046]
实施例3分子印迹纤维素膜的制备
[0047]
(1)制备马兜铃酸磁性分子印迹聚合物：
[0048]
fe3o4纳米粒子的制备：采用共沉淀法制备fe3o4磁纳米粒子。分别称取2.31gfecl3·
6h2o和0.9g fecl3·
4h2o于10ml离心管中，各加入5ml超纯水，超声5min使其完全溶解。将二者均倒入装有90ml超纯水的250ml三颈烧瓶中，温度升到70℃时加入 10ml体积分数25％氨水，搅拌使其充分混匀，70℃下计时搅拌40min，加入0.1g柠檬酸钠继续搅拌20min。反应结束后冷却至室温，用磁铁收集fe3o4磁粒子，乙醇反复洗涤沉淀物至ph试纸显示中性。
[0049]
fe3o4@sio2的制备利用硅烷化试剂的水解：将制得的fe3o4纳米粒子于250ml三颈烧瓶中，加入20ml超纯水、80ml乙醇，超声40min，使其均匀分散。加入1ml体积分数25％氨水和2ml四乙氧基硅(teos)，室温下搅拌反应24h，反应结束后磁分离，用超纯水和甲醇反复洗涤数次至ph试纸显示中性，于50℃的真空下干燥，备用。
[0050]
fe3o4@sio
2-nh2的制备：将制备的fe3o4@sio2磁纳米粒子溶于加有100ml含10％乙酸溶液的超纯水中，加入400μl 3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(mps)，在50℃下搅拌反应16h，反应结束后用超纯水将得到的产物洗涤直至中性，50℃的真空下干燥24h，备用。
[0051]
马兜铃酸(aai)磁性分子印迹聚合物的制备：称取0.278mmol的马兜铃酸结构类似物 (1-10菲咯啉-4,7二甲酸)于100ml的圆底烧瓶中，加入50ml乙腈-甲醇(3︰1，v/v)溶液，待模板分子溶解后加入甲基丙烯酸(与模板分子摩尔比为4︰1)，进行预聚合4h。再将 200mg的fe3o4@sio
2-nh2、二甲基丙烯酸乙二醇酯(与模板分子的摩尔比为15︰1)和15mg 偶氮二异丁腈分散在上述溶液中。混合溶液在超声浴中脱气15min后用氮气鼓泡15min以除去氧气。密封水浴中震荡(200rpm/min)反应48h，反应温度40℃。用磁铁收集得到的黑色产物，依次用甲醇-乙酸溶液(8︰2，v/v)洗涤得到的聚合物，直至滤液通过hplc 检测不到有aai的存在，55℃下真空烘干。
[0052]
非分子印迹聚合物(nip)的制备除不加模板外，其余步骤与分子印迹聚合物(mip) 相同。
[0053]
(2)洗脱聚合物固体：将所述聚合物固体用甲醇冲洗3次后，40℃下真空干燥老化 6h后，将干燥后的聚合物至于100ml的圆底烧瓶中，20ml乙酸︰甲醇(1︰5，v/v), 磁力搅拌3h，用甲醇冲洗几次，用甲醇冲洗后置于40℃下真空干燥6h，最后将聚合物置于索提中，用乙酸：甲醇(1：8，v/v)溶液洗脱模板，直至紫外分光光度计检测不到模板分子。
[0054]
(3)纺丝液的配制：准确称取0.5g的pva于超纯水中，90℃加热搅拌直至完全溶解后冷却至室温，配制pva溶液，称取适当过筛后的mips粉末(占pva的质量的30％)，将小颗粒的聚合物于甲醇中超声分散均匀。最后，将mip的甲醇分散液与pva溶液超声混合(两者体积比为1:2)，得10％的pva纺丝液，按照同样方法配非印迹纳米纤维膜(ninfms)5％的pva纺丝液。
[0055]
(4)静电纺丝纤维膜的制备：将配制好的pva纺丝溶液加入注射器内，在纺丝液浓
度为5％，纺丝电压为23kv，纺丝距离为20cm，流速20μl/min，相对湿度50％条件下进行，得到minfms。按照同样的方法制备非印迹纳米纤维膜(ninfms)。
[0056]
(5)静电纺丝纤维膜的交联：将制备的minfms(或ninfms)浸泡在2％的ga水溶液(其中硫酸浓度为2％，硫酸钠至饱和)中，交联10min，交联后的膜真空干燥10h，装入密封袋备用。
[0057]
实施例4分子印迹纤维素膜的制备
[0058]
(1)制备马兜铃酸磁性分子印迹聚合物：
[0059]
fe3o4纳米粒子的制备：采用共沉淀法制备fe3o4磁纳米粒子。分别称取2.78gfecl3·
6h2o和1.0g fecl3·
4h2o于10ml离心管中，各加入5ml超纯水，超声5min使其完全溶解。将二者均倒入装有90ml超纯水的250ml三颈烧瓶中，温度升到70℃时加入 15ml体积分数25％氨水，搅拌使其充分混匀，60℃下计时搅拌40min，加入0.2g柠檬酸钠继续搅拌30min。反应结束后冷却至室温，用磁铁收集fe3o4磁粒子，乙醇反复洗涤沉淀物至ph试纸显示中性。
[0060]
fe3o4@sio2的制备利用硅烷化试剂的水解：将制得的fe3o4纳米粒子于250ml三颈烧瓶中，加入20ml超纯水、70ml乙醇，超声30min，使其均匀分散。加入5ml体积分数25％氨水和3ml四乙氧基硅(teos)，室温下搅拌反应36h，反应结束后磁分离，用超纯水和甲醇反复洗涤数次至ph试纸显示中性，于50℃的真空下干燥，备用。
[0061]
fe3o4@sio
2-nh2的制备：将制备的fe3o4@sio2磁纳米粒子溶于加有120ml含10％乙酸溶液的超纯水中，加入600ul 3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(mps)，在60℃下搅拌反应24h，反应结束后用超纯水将得到的产物洗涤直至中性，50℃的真空下干燥24h，备用。
[0062]
马兜铃酸(aai)磁性分子印迹聚合物的制备：称取0.196mmol的马兜铃酸结构类似物 (三聚氰胺)于100ml的圆底烧瓶中，加入60ml乙腈-甲醇(3︰1，v/v)溶液，待模板分子溶解后加入甲基丙烯酸(与模板分子摩尔比为4︰1)，进行预聚合5h。再将200mg的 fe3o4@sio
2-nh2、二甲基丙烯酸乙二醇酯(与模板分子的摩尔比为25︰1)和20mg偶氮二异丁腈分散在上述溶液中。混合溶液在超声浴中脱气15min后用氮气鼓泡15min以除去氧气。密封水浴中震荡(150-200rpm/min)反应48h，反应温度60℃。用磁铁收集得到的黑色产物，依次用甲醇-乙酸溶液(8︰2，v/v)洗涤得到的聚合物，直至滤液通过hplc检测不到有aai的存在，55℃下真空烘干。
[0063]
非分子印迹聚合物(nip)的制备除不加模板外，其余步骤与分子印迹聚合物(mip) 相同。
[0064]
(2)洗脱聚合物固体：将所述聚合物固体用甲醇冲洗3次后，70℃下真空干燥老化 6h后，将干燥后的聚合物至于100ml的圆底烧瓶中，40ml乙酸：甲醇(1：5，v/v), 磁力搅拌4h，用甲醇冲洗几次，用甲醇冲洗后置于60℃下真空干燥8h，最后将聚合物置于索提中，用乙酸：甲醇(1：8，v/v)溶液洗脱模板，直至紫外分光光度计检测不到模板分子。
[0065]
(3)纺丝液的配制：称取pva于超纯水中，90℃加热搅拌直至完全溶解后冷却至室温，配制pva溶液，称取过筛后的mips粉末(占pva的质量的30％)，将小颗粒的聚合物于甲醇中超声分散均匀。最后，将mip的甲醇分散液与pva溶液超声混合(两者体积比为1:4)，得6％的pva纺丝液，按照同样方法配非印迹纳米纤维膜(ninfms)5％的pva 纺丝液。
[0066]
(4)静电纺丝纤维膜的制备：将配制好的pva纺丝溶液加入注射器内，在纺丝液浓
度为6％，纺丝电压为15kv，纺丝距离为15cm，流速40μl/min，相对湿度50％条件下进行，得到minfms。按照同样的方法制备非印迹纳米纤维膜(ninfms)。
[0067]
(5)静电纺丝纤维膜的交联：将制备的minfms(或ninfms)浸泡在3％的ga水溶液(其中硫酸浓度为5％，硫酸钠至饱和)中，交联20min，交联后的膜真空干燥10h，装入密封袋备用。
[0068]
图1为实施例4马兜铃酸分子印迹聚合物的扫描电镜示意图，图中聚合物颗粒均一，褶皱较多；图2为实施例4展马兜铃酸分子印迹纳米纤维膜的扫描电镜示意图，图中纤维状态良好，直径均匀，聚合物也均匀的分散在纳米纤维内部。
[0069]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。