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1 2009 年第 67 卷化学学报 Vol. 67, 2009 第 24 期, 2833~2839 ACTA CHIMICA SINICA No. 24, 2833~2839 研究论文 多壁碳纳米管表面过氧化苯甲酰印迹复合材料的制备及固相萃取应用 张朝晖 *,a,b 张华斌 a 罗丽娟 a 胡宇芳 ( a 吉首大学化学化工学院吉首 ) ( b 湖南大学化学生物传感与计量国家重点实验室长沙 ) a 聂丽华 b 摘要以过氧化苯甲酰 (BOP) 为模板分子, 甲基丙烯酸 (MAA) 为功能单体, 乙二醇二甲基丙烯酸酯 (EGDMA) 为交联剂, 采用热聚合法在多壁碳纳米管 (MWNTs) 表面制备印迹聚合物 (MWNTs-MIPs). 采用红外 热重分析和扫描电镜等技术对印迹聚合物结构进行表征. 结果表明印迹聚合层成功接枝到 MWNTs 表面. 采用液相色谱考察该分子印迹聚合物对过氧化苯甲酰的吸附特性. 结果表明该印迹聚合物对过氧化苯甲酰表现出特异性吸附, 该印迹聚合物对模板分子存在一种结合位点, 其最大表观结合量为 µmol/g. 作为固相富集材料, 该印迹聚合物成功用于富集面粉中微量过氧化苯甲酰, 浓度富集因子为 526. 关键词分子印迹聚合物 ; 多壁碳纳米管 ; 过氧化苯甲酰 ; 高效液相色谱 Preparation and Application of Multi-walled Carbon Nanotube Surface Benzoyl Peroxide Imprinted Composite Solid-phase Extraction Materials Zhang, Zhaohui*,a,b Zhang, Huabin a Luo, Lijuan a Hu, Yufang a Nie, Lihua b ( a College of Chemistry and Chemical Engineering, Jishou University, Jishou ) ( b State Key Laboratory of Chemo/Biosensing & Chemometrics, Hunan University, Changsha ) Abstract A novel composite imprinted material based on multi-wall carbon nanotubes (MWNT) was synthesized successfully with a surface polymerization method using benzoyl peroxide (BPO) as a template molecule, methacrylic acid (MAA) as functional monomers, ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) as cross-linkers. The molecularly imprinted polymers (MIP) based on the surface of MWNT was characterized by infrared spectroscopy (IR), differential thermal analysis (DTA) and scanning electron microscopy (SEM), and the results suggested that MIP was grafted to the surface of MWNT successfully. The adsorption amount of benzoyl peroxide by MIP was measured by high performance liquid chromatography (HPLC) and equilibrium binding experiment. A kind of binding site was observed for MIP to BPO with the maximum apparent binding constant of µmol/g. Being used as solid-phase extraction materials, the imprinted polymers extracted benzoyl peroxide from flour successfully with the concentration enrichment factor of 526. Keywords molecularly imprinted polymer; multi-walled carbon nanotube; benzoyl peroxide; high performance liquid chromatography 过氧化苯甲酰 (BPO) 是一种广泛使用的小麦面粉和 玉米淀粉等的增白剂和改良剂. 但添加过量 BPO, 对面 * zhaohuizhang77@hotmail.com Received May 30, 2009; revised July 16, 2009; accepted August 26, 湖南省自然科学基金 (No. 08JJ4004) 湖南省教育厅优秀青年基金(No. 07B061) 湖南大学化学传感与计量国家重点实验室开放基金和吉首大学研究生科研创新基金 (No. JGY200901) 资助项目.

2 2834 化学学报 Vol. 67, 2009 粉的营养 卫生方面都有不良的影响, 会破坏面粉中固有的胡萝卜素, VA, VE, VB 1, VB 2. 人们长期食用含有过量 BPO 的面粉会造成维生素缺乏, 引起某种疾病. 同时过量的 BPO 会产生的苯甲酸 (BA), 也会严重危害人们的身体健康 [1~3]. 目前国内外 BPO 和 BA 的检测都是采用高效液相色谱 (HPLC-UV) 或高效液相色谱 - 质谱联用 (HPLC-MS) 方法, 这些方法在检测前都需要进行复杂的预处理, 且富集效果并不理想 [4], 因此对过氧化苯甲酰检测需要研究一种新的净化 富集技术. 分子印迹技术的引入能够弥补上述净化 富集缺陷. 分子印迹技术是制备对特定分子具有选择性识别的聚合物的技术, 所制备的分子印迹聚合物具有专一选择性, 较强稳定性等优点 [5]. 近年来, 新型印迹材料不断出现, 如核 - 壳型印迹材料 [6], 溶胶 - 凝胶印迹材料 [7], 碳纳米管 - 印迹复合材料 (MWNTs-MIPs) [8,9] 等. MWNTs-MIPs 是以碳纳米管为基材, 结合表面印迹技术制备的复合材料, 这种材料既有碳纳米管超强的力学性能和电学性能, 又有印迹聚合物专一选择识别性能. 目前, MWNTs-MIPs 由于超强传递电子能力主要应用在电化 [8,10] 学研究分析, 但最近不少研究表明, 由于碳纳米管上每个碳原子上未参与杂化的 p 电子对相互之间形成跨越整个碳纳米管的共扼 p 电子云, 具有较强的吸附性能 [11]. BPO 分子结构中含有电子云密集的苯环, 因此 MWNTs- MIPs 也适用于固相萃取微量过氧化苯甲酰 ( 图 1). 本文以 MWNTs 为基体, BPO 为模板, 采用表面印迹技术在 MWNTs 表面接枝一层印迹材料. 对 MWNTs- MIPs 进行红外和热重表征, 并以 MWNTs-MIPs 为固相萃取材料, 实现在线固相萃取 - 高效液相色谱检测微量 BPO. 1 实验部分 1.1 实验仪器和药品 LC-10AD 型高效液相色谱 ( 日本岛津公司 ); WCT-2C 微机差热天平 ( 北京光学仪器厂 ); 757 型紫外可见分光光度计 ( 上海精密科学仪器有限公司 ); 空色谱柱 (50 mm 4.6 mm, 大连江申分离科技公司 ); 红外光谱仪 ( 德国 Bruker 公司 ). 多壁碳纳米管 (MWNTs, 深圳比尔科技公司, 外径为 30~40 nm, 纯度 95%); 过氧化苯甲酰 (BPO), 苯甲酸 (BA) 苯甲醛(BD) 苯乙酮(AP) 3- 氨基丙基三乙氧基硅烷 (APTES) 甲基丙烯酸(MAA) 乙二醇二甲基丙烯酸酯 (EGDMA) 偶氮二异丁腈(AIBN) 氯化亚砜 (SOCl 2 ) N,N- 二甲基甲酰胺 (DMF) 乙腈(ACN) 浓硝酸 乙酸 醋酸铵 甲醇 ( 色谱纯 ) 二次蒸馏水, 除特别说明外, 试剂均为分析纯. 图 1 在线 SPE-HPLC 分离分析装置示意图 Figure 1 Schematic diagram of the on-line solid phase extraction preconcentration coupled with HPLC 1.2 印迹聚合物的制备 碳纳米管的预处理取 0.5 g MWNTs 加入 50 ml 浓 HNO 3 中, 超声 10 min 后, 75 下回流搅拌 6 h, 再用二次蒸馏水稀释 10 倍, 然后用 0.22 µm 滤膜减压过滤, 滤饼用二次蒸馏水反复洗涤至中性, 最后于 80 真空干燥 24 h 得到羧基化碳纳米管 (MWNTs-COOH). 取 0.5 g MWNTs-COOH 加入到 50 ml SOCl 2 中, 超声 10 min, 70 温度下回流搅拌 24 h. 将反应后的溶液常压蒸馏去除多余的 SOCl 2, 再加入 1.5 ml (1.5 g) APTES 和 40 ml DMF, 超声 10 min, 然后在 40 下回流搅拌 12 h. 反应物用 0.22 µm 滤膜减压过滤, 滤饼分别用过量的乙腈, 去离子水洗涤, 最后在 80 真空干燥 24 h 得到氨基化碳纳米管 (APTES-MWNTs) 印迹碳纳米管的制备取 0.1 g APTES-MWNTs, 0.19 g BPO 和 0.28 g MAA 加入到 20 ml 乙腈中, 超声振荡 10 min, 再磁力搅拌 2 h, 然后加入 2.8 g EGDMA, 10 mg AIBN 和 80 ml 乙腈, 继续搅拌 10 min. 最后通 N 2 除 O 2, 60 下密封磁力搅拌反应 48 h. 反应物取出冷却至室温, r/min 离心收集, 用

3 No. 24 张朝晖等 : 多壁碳纳米管表面过氧化苯甲酰印迹复合材料的制备及固相萃取应用 % (V/V) 乙酸乙腈溶液反复超声洗脱模板分子及未聚合的功能单体和交联剂, 然后用去离子水洗脱乙酸和乙腈, 离心, 收集产物于烘箱中 80 真空干燥. 用同样方法, 不加模板分子制备空白碳纳米管 - 印迹聚合物 (MWNTs-NIPs). 1.3 吸附性能研究称取 25 mg MWNTs-MIPs 置于吸附管中, 分别加入 10 ml 1.0 mmol/l BPO 的乙腈溶液. 室温下, 置于振荡器上振荡吸附. 每隔 30 min, 用紫外 - 可见分光光度计测定吸附后 BPO 溶液在 235 nm 处的吸光度, 计算吸附量. 采用同样测定方法, 分别加入 0.1~4.0 mmol/l BPO 溶液振荡吸附 12 h, 探讨 MWNTs-MIPs 的等温吸附线. 1.4 固相萃取性能 取 200 mg MWNTs-MIPs 或 MWNTs-NIPs 填充聚醚醚酮管 (10 mm 150 mm), 用玻璃棉封堵两端, 制成固相萃取柱. 再分别取 3 ml 1.0 mmol/l BPO, BA, BD 和 AP 的乙腈溶液装入上述准备好的固相萃取柱, 然后每次用 3 ml 乙腈以 1.5 ml/min 的速度抽滤洗脱, 接收滤液, 重新定容用紫外 - 可见分光光度计检测浓度, 计算回收率. 1.5 在线 SPE-HPLC 检测称取 200 mg MWNTs-MIPs 填充空色谱柱, 制作成样品富集柱 ( 在线固相萃取柱 ), 按图 1 所示连接到高效液相色谱仪内 [12]. 具体操作如下 : 首先当进样阀处于 Load 位时 ( 图 1a), 恒量泵以 1.0 ml/min 抽取样品溶液通过富集柱 30 min; 然后转换进样阀到 Inject 位 ( 图 1b), 色谱流动相连续不断地以 1.0 ml/min 的速度反向洗脱富集柱 2 min; 最后改变进样阀回到 Load 位, 样品溶液中的 BPO 被流动相洗脱至色谱柱内分离分析. 色谱条件 : 流动相为 0.1% 醋酸水溶液 - 乙腈 (82 18, V/V), 流速 1.0 ml/min; 色谱柱是 VP-ODS C 18 色谱柱 (150 mm 4.6 mm), 柱温 30 ; 紫外检测波长是 235 nm. 1.6 面粉样品在线检测 称取 3 份 2 g 食用面粉, 加入 1 ml 浓度分别为 1.0 µg/l, 2.0 µg/l 和 3.0 µg/l 的 BPO 的乙腈溶液, 再加入 30 ml 乙腈. 超声振荡 30 min 后抽滤分离, 滤液定容至 100 ml. 最后按 1.5 节中方法进行富集分离分析, 计算回收率. 2 结果与讨论 2.1 MWNTs-MIPs 的制备 碳纳米管表面修饰的方法有很多, 根据研究的需要, 可以枝接不同的官能团. 本论文研究方法采用酰胺化反应, 在多壁碳纳米管表面成功接枝 3- 氨基丙基三乙氧基硅烷, 再利用硅羟基与 MAA 的羧基发生酯化反应, 进而和 EGDMA 交联聚合制得共聚复合物, 使得 MWNTs 与 MIPs 之间成功实现共价键连接, 聚合过程如图 2. 本论文选取沉淀聚合法制备分子印迹聚合物, 在均相的印迹分子 功能单体 交联剂和引发剂的混合液中, 引发剂受到激发分解产生自由基, 并引发聚合形成线型和分支的低聚物, 然后低聚物通过交联成核从介质中析出, 这些核又相互聚结而形成聚合物粒子, 并通过捕捉低聚物和单体最终形成高交联的微球状聚合物 [13]. 该聚合反应所使用的功能单体 交联剂和引发剂可溶于乙腈, 但产生的聚合物不溶并沉淀. 该方法不需在反应体系中加入任何稳定剂, 印迹聚合物之所以能够稳定存在是由于其高交联的刚性表面, 在聚合物中与印迹分子结合的位点分布均匀, 结合系数高, 制备快速方便. 实验中印迹分子 功能单体 交联剂的比例为 [14]. 图 2 MWNTs-MIPs 的合成路线示意图 Figure 2 Procedure for preparing MWNTs-MIPs

4 2836 化学学报 Vol. 67, 红外表征 图 3 是 MWNTs, APTES-MWNTs, MWNTs-MIPs 的红外光谱图. 在图 3c 中, 3525 cm -1 处有明显的 N H 伸缩振动吸收, 图 3b 中, 1675 cm -1 处有明显的酰胺 (C N) 伸缩振动峰, 表明碳纳米管表面成功发生酰胺化反应 ; 图 3c 中 1725 cm -1 处有明显的酯羰基峰. 这是因为 MWNTs-MIPs 高分子层是由 EGDMA 和 MAA 共聚而来, 交联的聚合物必然带有 C=O cm -1 附近是 Si O 骨架峰 ; 图 3b 处的 3065 cm -1 和图 3c 处的 3068 cm -1 处的峰归属于饱和碳的 C H 伸缩振动, 这是来自 APTES 的亚甲基以及 EGDMA 和 MAA 的甲基. 图 4 MWNTs (a) 和 MWNTs-MIPs (b) 的热重分析谱图 Figure 4 TGA spectra of MWNTs (a) and MWNTs-MIPs (b) 图 3 MWNTs (a), APTES-MWNTs (b) 和 MWNTs-MIPs (c) 的红外光谱图 Figure 3 IR spectra of MWNTs (a), APTES-MWNTs (b) and MWNTs-MIPs (c) 2.3 热重表征 通过 MWNTs 和 MWNTs-MIPs 热重分析得到图 4. 从图中可知 MWNTs 的曲线呈持平状, 这表明 MWNTs 结构非常稳定. 而 MWNTs-MIPs 在 25~100 间, MIPs 有一定的质量快速挥发, 这是聚合物中易挥发性溶剂, 主要是乙腈和水. 在 100~290 间, 聚合物质量没有挥发现象, 曲线呈持平状, 这表明聚合物结构在 100~290 间非常稳定. 在 290~380 间, 聚合物快速大量地挥发, 这是因为聚合物部分被燃烧分解. 在 380 以后, 聚合物分解后的易挥发部分完全挥发, 其它部分在 600 以内不再挥发. 因此 MWNTs-MIPs 的热分解温度为 290. 对比 MWNTs 的挥发以失重率来评价印迹聚合物的接枝率, 可以计算出接枝率约为 73%. 2.4 形貌表征 用扫描电镜观察碳纳米管接枝前后的形貌, 从图 5 可以看出, 未接枝的 MWNTs 为呈单一的纳米管状或小的束状, 管径大约为 30 nm. 当经过 MIPs 接枝之后, 比较两个扫描电镜图可知, 在同样的放大 倍下观察, 管径明显变粗. 这表明 MIPs 成功接枝到 MWNTs 表面. 图 5 MWNTs (a) 和 MWNTs-MIPs (b) 的扫描电镜图 Figure 5 SEM image of MWNTs (a) and MWNTs-MIPs (b) 2.5 吸附性能表征 BPO 在 MWNTs-MIPs 上的吸附动力学曲线图 6 为 MWNTs-MIPs 对 1.0 mmol/l BPO 的吸附动力学曲线. 从图 6 可知 MWNTs-MIPs 对 BPO 的吸附量随着时间的增加而增加, 当时间达到 150 min 时, 整个吸附过程达到平衡. 从图中可知动力学曲线的斜率逐渐变小, 表明吸附速率随时间增加而变小. 这是因为 BPO 与 MWNTs-MIPs 的结构内印迹孔穴之间高度配合和记忆效果达到饱和, 吸附呈现平衡状态 吸附等温线图 7 为 MWNTs-MIPs 对不同浓度的 BPO 在乙腈溶液的吸附等温线. 由图 7 可知, MWNTs-MIPs 的吸附量随 BPO 浓度的增加而增加, 比较 MWNTs-MIPs 和 MWNTs-NIPs 的吸附可以得出 MWNTs-MIPs 对 BPO 的

5 No. 24 张朝晖等 : 多壁碳纳米管表面过氧化苯甲酰印迹复合材料的制备及固相萃取应用 2837 图 6 MWNTs-MIPs 的吸附动力学曲线 Figure 6 Adsorption capacity-adsorption time curve of MWNTs-MIPs 吸附量明显高于 MWNTs-NIPs 的吸附量. 这表明在预聚合阶段模板分子与功能单体由于氢键作用结合形成配合物, 配合物对模板分子具有印迹效果, 交联聚合后形成稳定坚固的三维空穴. 因此, 影响了整个吸附过程的主要因素是 BPO 与 MAA 的氢键作用. 图 7 MWNTs-MIPs (a) 和 MWNTs-NIPs (b) 的吸附等温线图 Figure 7 Adsorption isotherm of MWNTs-MIPs (a) and MWNTs-NIPs (b) [6] 对上述吸附实验数据进行 Scatchard 吸附模型拟合, Scatchard 方程为 : Q/C=(Q max -Q)/K d 式中 K d 是接合位点的平衡解离常数 ; Q max 是结合位点的最大表观结合量 ; C 表示吸附平衡液的平衡浓度. 以 Q/C 对 Q 作图可得到图 8 中的线性关系, 表明 MWNTS-MIPs 在研究浓度范围内存在一种对 BPO 吸附的结合位点. 对其进行拟合得到方程, 根据斜率和截距可以求得亲和位点解离常数 K d 为 mmol/l, 亲和位点的最大表观结合量 Q max 为 µmol/g. 2.6 MWNTs-MIPs 对 BPO 及其相似物的固相萃取 通过 BPO 及其结构相似物的固相萃取, 结果如表 1 所示. 结果表明 MWNTs-MIPs 柱对印迹分子 BPO 的保 图 8 MWNTs-MIPs 的 Scatchard 线性拟合曲线 Figure 8 Scatchard plots of MWNTs-MIPs 留要远远大于其它类似物 ; 从洗脱次数来看, BPO 需要 6 次 3 ml 乙腈来洗涤才能到达 90% 以上, 而洗脱 BA, BD 和 AP 只需 3 次就可以. 从分子结构上来看四种物质都具有苯基和羰基, 但从分子量大小来看, BPO 的分子量基本上是 BA, BD 和 AP 的两倍. 因此推断 BPO 空间结构要大于其它三者, 对于一般的吸附剂对其吸附要更难, 因而应该较其它三种类似物先洗脱出来, 但事实恰好相反. 由此可知, MWNTs-MIPs 因为氢键作用对这四种物质都具有吸附作用, 只是 MWNTs-MIPs 具有与 BPO 结构相互补的印迹孔穴, 使得吸附以后便牢牢结合, 解吸附过程要相对复杂一些. 因此, 在分子印迹中, 尺寸效应也是一个重要的因素. 所以制备的 MWNTs-MIPs 有对物质结构识别的选择性, 能够实现对 BPO 的选择性吸附. 2.7 MWNTs-MIPs 对 BPO 及其类似物的混合溶液的在线固相萃取图 9 是在线固相萃取分析浓度分别为 10 µg/l BPO, BA, BD 和 AP 混合溶液的色谱图, 从图 9 可以看出 MWNTs-MIPs 对混合液中的 BPO 有强烈的富集作用, 峰面积由原来未富集之前的 1453 变成富集后的 , 浓度富集因子达到了 526; 混合物中 BPO 的含量由未富集之前的 24% 变成了富集后的 86%, 选择富集因子为 4%. 对面粉进行在线富集检测时, 面粉样品中的 BPO 被 MWNTs-MIPs 富集, 结果发现直接进样 20 µl 面粉样液, 检测不出来 BPO, 说明浓度低于检测限 ; 而固相萃取后富集大量体积的面粉样液在 HPLC 中能检测到 BPO, 且由表 2 可看出回收率达到了 89.15%~93.24%. 说明 MWNTs-MIPs 对面粉中的 BPO 有很好的富集效果. 3 结论本文以 BPO 为模板, 在多壁碳纳米管表面成功研制了具有高度选择识别能力的 MWNTs-MIPs. 采用红

6 2838 化学学报 Vol. 67, 2009 表 1 MWNTs-MIPs 固相萃取柱对过氧化苯甲酰 苯甲酸 苯甲醛 苯乙酮累积回收率 Table 1 Cumulative recoveries from the loading BPO, BA, BD and AP onto MWNTs-MIPs Analogue Polymer Cumulative percentage quantity extracted/% BPO BA BD AP MIPs NIPs MIPs NIPs MIPs NIPs MIPs NIPs 图 9 BPO 及其类似物的混合溶液的色谱图 Figure 9 Chromatograms of standard mixture solution of BPO and structurally related compounds a: Direct injection 20 µl standard mixed solution, b: 30 ml standard mixed solution online solid-phase extraction preconcentration, concentration of mixed solution was 10 µg/l, (1) BD, (2) AP, (3) BA, (4) BPO 表 2 面粉中不同含量的 BPO 的回收率 Table 2 Recoveries of different content BPO in flour Spiked level/(ng g -1 ) Recoveries of BPO/% 外光谱和热重分析等技术研究该印迹聚合物的性能, 结果表明该复合材料具有较稳定的结构, 较好的选择识别吸附能力, 对其进行 Scatchard 模型分析, 结果表明复合材料具有一种对 BPO 的结合位点, 最大表观结合量为 µmol/g; 利用 MWNTs-MIPs 填充固相萃取柱进行在线固相萃取富集分析面粉中微量 BPO, 浓度富集因子达 526. References 1 Li, J.-C.; Lu, M.-X.; Li, L.; Rotich, H. K.; Chen, S.-F. Chin. J. Anal. Chem. 2002, 30, 833 (in Chinese). ( 李金昶, 路明昕, 李力, Rotich H. K., 陈淑范, 分析化学, 2002, 30, 833.) 2 Qile, M.-G.; Wang, P.-L.; Zhang, J.-W.; Li, W.; Zheng, H. Chem. 2004, (1), 67 (in Chinese). ( 其乐木格, 汪佩兰, 张静伟, 李伟, 郑恒, 化学通报, 2004, (1), 67.) 3 Ren, Q.; Huang, J.-L. Chin. J. Anal. Chem. 2004, 32, 221 (in Chinese). ( 任清, 黄建立, 分析化学, 2004, 32, 221.) 4 Yang, W.-P.; Zhang, Z.-J.; Hun, X. Talanta 2004, 62, Xiong, Y.; Wang, H.; Jin, L.; Feng, G.-L.; Zhang, S.-Z.; Yang, Y.-J. Acta Chim. Sinica 2009, 67, 442 (in Chinese). ( 熊芸, 王宏, 靳磊, 冯桂龙, 张圣祖, 杨亚江, 化学学报, 2009, 67, 442.) 6 Liu, Q.-Y.; Li, W.-Y.; He, X.-W.; Chen, L.-X.; Zhang, Y.-K. Acta Chim. Sinica 2008, 66, 56 (in Chinese). ( 刘秋叶, 李文友, 何锡文, 陈朗星, 张玉奎, 化学学报, 2008, 66, 56.) 7 Marx, S.; Zaltsman, A.; Turyan, I.; Mandler, D. Anal. Chem. 2004, 76, 120.

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