一种亲水性甲基丙烯酰胺聚合物整体柱的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于分离与分析检测技术领域，具体涉及一种亲水性甲基丙烯酰胺聚合物 整体柱的制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002] 纳米粒子指粒径在100nm以内的粒子（又称超微颗粒），处于原子簇和宏观物体 交界的过渡区域，具有独特的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。目前，纳米粒子 已在工业、医药和材料等领域有广泛应用，特别是纳米金颗粒（AuNPs)，由于其具有较高的 电子密度、介电特性和催化作用，能与多种生物大分子结合且不影响其生物活性等优点，被 用于光催化、光学显微镜的探针、拉曼光谱信号的增强、生物传感、细胞成像、靶向药物的传 递以及恶性肿瘤的诊断和治疗等领域。然而，纳米颗粒物的广泛使用导致其以多种渠道进 入生物组织和环境中，对人体的健康构成潜在威胁。研究人员通过模拟，预计在未来十年 内环境水体中纳米金和银的浓度可能分别高达140ngI71和80ngL'研究表明，纳米粒 子对生命体的不良影响甚至毒性与纳米粒子的形状、粒径大小和改性基团有直接关系。因 此，检测环境样品，特别是水体环境中的微量纳米金对于环境污染检测和纳米粒子的生物 安全性研究具有一定的实际意义。
[0003] 由于实际样品中纳米颗粒物的浓度比较低，而且基质较为复杂，所以在测定前往 往需要借助于合适的样品前处理技术，以达到分离基质和富集目标分析物的目的。通常用 于纳米颗粒物分离/富集的离心、过滤、透析等物理方法，存在耗时长，操作繁琐，易造成纳 米粒子团聚等不足。针对这些问题，分析化学家们探索了一些新型的样品前处理方法，如化 学衍生法、液相萃取法、浊点萃取法、固相萃取法以及固相萃取和液相萃取方法的联用等。 采用双氧水氧化纳米银颗粒（AgNPs)，建立的基于荧光探针和银离子的作用间接测定食品 防腐剂和纺织品中AgNPs的方法，具有操作简单、成本低廉等优点，但该方法检测限比较高 (14ygI71)，无法实现环境样品中痕量AgNPs的分析。采用液液微萃取技术结合紫外/拉 曼光谱，可检测肝组织和河水样品中的纳米金，但其精密度较差。浊点萃取分离富集AgNPs 的方法，具有富集倍数高、检测限低、抗干扰能力强等优点，但是样品在检测前需要消解，前 处理过程较为繁琐，且易引入外来污染。采用C-18硅胶颗粒作为固相填充柱材料进行分离 富集，随后采用液相萃取的方式进行解吸，结合了固相萃取较强的抗干扰能力和液相萃取 较高的富集倍数的优点，同时保持了纳米金的原始形貌；基于纳米颗粒物和阳离子交换树 脂的静电作用，以阳离子交换树脂作为填充材料的固相萃取方法，在保持纳米颗粒物形态 的条件下分离富集了环境水中的纳米金、银和钯，但这两种方法都存在解吸时间较长（大 于3小时）、操作繁琐（要将固相萃取填料转移）等问题。
[0004] 整体柱毛细管微萃取是近年来发展非常迅速的一种微萃取技术，具有样品消耗量 小、分析时间短和易于在线联用等优点，具备分离富集纳米颗粒物的能力。聚合物整体柱作 为固相微萃取材料的一类，具有分离快速高效、生物相容性好、制备简单和易于在线联用等 优点，因此在无机离子、有机小分子和生物大分子的分离富集上均有广泛应用。然而，到目 前为止，还没有聚合物整体柱用于纳米颗粒物分离的报道，因此，开展整体柱毛细管微萃取 分离富集纳米粒子的新方法，具有重要的学术意义和现实意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种可用于纳米粒子分离富集的亲水性甲基丙烯酰胺聚合 物整体柱，同时，可将亲水性甲基丙烯酰胺聚合物整体柱毛细管微萃取（monolithicCME) 与ICP-MS在线联用检测环境水样中纳米粒子的方法。该方法可以实现纳米粒子的在线分 析(样品无需消解)，在萃取过程中保持了纳米粒子本身的形貌，具有选择性较好、抗基体干 扰能力强、操作简单、快速的优点，适合于以羧酸基为稳定基的纳米粒子的分离富集。
[0006] 本发明的目的通过下述技术方案实现： 一种亲水性甲基丙烯酰胺聚合物整体柱的制备方法，包括如下步骤： (1) 对管径为1mm的毛细管进行预处理； (2) 将110mg的丙烯酰胺、120mg的N，N' -亚甲基双丙烯酰胺、0? 08mL的4-乙烯 基吡啶、0.6mL的十二醇和AIBN加入到0.75mL的二甲基亚砜中，形成混合溶液；所述AIBN 在混合溶液中的含量为lwt% ; (3) 对步骤（2)制备的混合溶液进行超声处理，然后将其注入到步骤（1)预处理后的的 毛细管中，用硅胶垫将其两端密封后，在50-70°C反应12-24h，，用甲醇冲洗，即得亲水性 甲基丙烯酰胺聚合物整体柱。
[0007] 所述步骤（1)中的预处理依次包括活化和键合双键。
[0008] 所述活化为：依次用超纯水冲洗毛细管10min, 1. 0molI71的NaOH冲洗毛细管2 h，超纯水冲洗毛细管30min，1.0molPHCl冲洗毛细管2h，超纯水冲洗毛细管至中性， 再在氮气保护下，于160°C干燥5h。
[0009] 所述键合双键为：将体积比为1:1的乙醇与甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷的混合 溶液注入到活化后的毛细管中，两端封口后，60°C烘箱中反应12h。
[0010] 一种利用上述方法制备的亲水性甲基丙烯酰胺聚合物整体柱检测水样中纳米粒 子的方法：先将含有纳米粒子的水样以0.25mLmirT1的速度流经水性甲基丙烯酰胺聚合 物整体柱进行，再用40g/L半胱胺酸溶液以0.05mLmirT1的速度进行解吸，通过ICP-M测 定解吸液中的纳米粒子的含量。
[0011] 所述纳米粒子为含有羧基的纳米贵金属粒子。
[0012] 所述含有羧基的纳米贵金属粒子为含有羧基的纳米Au粒子或纳米Ag粒子。
[0013] 当亲水性甲基丙烯酰胺聚合物整体柱的长度为2. 5cm时，所述水样的体积为lmL。
[0014] 所述水样的pH值为5. 5。
[0015] 采用原位合成法制备一种强亲水性甲基丙烯酰胺聚合物整体柱 (poly(AA-VP-Bis)，用该毛细管整体柱对Au或AgNPs进行吸附，解吸，用ICP-MS检测解吸 液中的纳米金或银。
[0016] 上述整体柱的制备方法具体包括如下步骤： (1) 采用水、NaOH和HC1依次对毛细管进行活化并键合双键； (2) 以丙烯酰胺（AA)和4-乙烯基吡啶（4-VP)为单体，以N，N' -亚甲基双丙烯酰胺 (Bis)为交联剂，以偶氮二异丁腈（AIBN)为引发剂，采用原位合成法使用步骤（1)活化过的 毛细管制备强亲水性甲基丙烯酰胺聚合物整体柱。
[0017] 优选的，步骤（1)为：选用玻璃毛细管（10cmXlmm)，依次用超纯水冲洗10min， 1.0molI71的NaOH冲洗2h，超纯水冲洗30min，1.0molI^HCl冲洗2h，超纯水冲洗 30min至中性后，在氮气保护下于160°C干燥5h;再注入体积比为1:1的乙醇/甲基丙 烯酰氧基三甲氧基硅烷（Y-MAPS)对毛细管内壁进行双键的键合。
[0018] 优选的，步骤（2)为：将110 11^的44，120 11^的祀8,0.08 1^的4-￥?，0.6 1^的 十二醇，1%AIBN溶于0. 75mL的二甲基亚砜（DMS0)中，超声10min后，注入步骤（1)已活 化好的毛细管中，然后用硅胶垫将其两端密封，并在60°C反应16h，待反应结束后，用甲 醇冲洗未反应的单体和模板分子。使用前将其截成2. 5cm长的毛细管柱用于后续的分离 萃取操作。
[0019] 上述亲水性甲基丙烯酰胺聚合物整体柱可用于环境水样中纳米粒子的检测。
[0020] -种将本发明制备的甲基丙烯酰胺聚合物整体柱与CME-ICP-MS联用分析环境水 样中纳米粒子的方法：将1mL含有纳米粒子的样品溶液（pH= 5. 5)，以0. 25mLmirT1的 速度流过甲基丙烯酰胺聚合物整体柱，用4%半胱胺以0.05mLmirT1的速度对吸附在柱材 料上的目标分析物进行解吸，解吸液通过ICP-MS进行测定。将不含纳米颗粒的高纯水按相 同的步骤操作，并用ICP-MS进行测定，所得信号值作为方法的空白，其中，AuNPs的回收率 达90%以上，整体柱可重复使用20次而萃取效率没有明显下降。
[0021] 本发明采用原位聚合法制备具有强亲水性的甲基丙烯酰胺聚合物整体柱作为毛 细管微萃取的柱床，基于AuNPs和整体柱之间可逆的弱作用力进行AuNPs的分离富集，以 避免和消除在样品萃取时可能产生的纳米颗粒物的不可逆作用造成的柱床堵塞和测定困 难，具有分离快速高效、制备简单、萃取效率高等优点，具有非常好的应用前景。将聚合物毛 细管整体柱微萃取与ICP-MS联用，可达到快速、高选择性地分离、富集并检测环境水样中 的痕量纳米金，对于环境污染检测和纳米粒子的生物安全性研究具有重要意义。
[0022] 目前，应用于纳米粒子的检测方法包括原子光/质谱法、电化学方法、紫外光谱法 和拉曼光谱法等。相比之下，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS)具有检出限低、线性范围宽、 待测元素的浓度与其存在的形式无关等优点，特别是采用耐高盐和悬浮物的Babington雾 化器（亚微米）可以直接检测纳米颗粒，因此在无机元素、金属及氧化物和纳米颗粒物分析 方面均具有独特的优势。研究发现，在ICP-MS中，当颗粒物的粒径小于2 时，悬浮进样 方式可以得到与均相溶液进样类似的结果。对于粒径小于20nm的纳米金，直接进样与样 品经消解后进样两种方式，测定结果无明显区别，该方法可以避免纳米颗粒物在消解过程 中引入空白及损失目标分析物的可能，同时简化了操作过程。
[0023] 图1-2分别为整体柱进行萃取和解吸时，CME-ICP-MS在线装置示意图，其中，泵1 用于驱动溶液流经整体柱进行萃取、解吸和将溶液带入ICP-MS仪器内，泵2用于降低仪器 的记忆效应，在实验中泵是整个萃取装置的驱动力，而阀（A和B)用于流路通道的切换，完 成不同的实验目的。以泵1为驱动力，使整体柱进行萃取，泵2将洗脱剂带入仪器进行冲洗， 此时，CME-ICP-MS在线装置示意图如图1所示；萃取完成后，阀切换至图2所示位置，整体 柱进行解吸，此时，A通道与ICP-MS连通；解吸完成后，阀重新切换至图1所示位置，进行整 体柱的再生。
[0024] 本发明相对于现有技术具有如下优点和效果： (1)本发明提供的制备方法具有快速、高效、便捷、成本低、环境友好及可大量制备并重 复使用