一种新型磁性柱[5]芳烃多孔聚合物BrBP[5]-MNP及其制备方法和应用

本发明属于材料，具体涉及一种新型磁性柱[5]芳烃多孔聚合物(brbp[5]-mnp)的合成及构建基于brbp[5]-mnp的磁固相萃取辅助高效液相色谱-串联质谱(brbp[5]-mnp mspe-hplc-ms/ms)的新方法，并应用于环境水样和生物基质样本中全氟化合物(pfcs)的检测。

背景技术：

1、全氟化合物(pfcs)属于一类人工合成的有机化合物，c-f键的高键能使得pfcs具有优异的化学稳定性，因此被广泛应用于各种消费品及工业生产中。目前，pfcs已在室内灰尘、地表水、土壤及生物体等多种复杂基质中广泛检出。这些化合物能够通过直接接触以及在食物链中的传递对生物体造成多重毒性影响，包括肝毒性、生殖毒性和致癌性等，引起了全球范围内的广泛关注。随着pfoa、pfos以及长链pfcs的限制生产和使用，导致了全球制造业正逐渐从长链pfcs转向短链pfcs，预示着短链pfcs在未来可能产生更大的影响，相较于长链pfcs，短链pfcs具有较少的累积性和生物持久性。但是短链pfcs具有更强的挥发性，这使得它们更容易通过大气进行长距离传输。目前针对短链pfcs的治理方法和相关法规却被忽视。在环境和生物样本中，pfcs通常以极低的水平存在，同时伴随着复杂多变的基质效应，这使得其检测与分析变得复杂和具有挑战性。传统的检测方法往往难以准确、可靠地测定其含量。所以样品前处理显得尤为重要，通过前处理有效富集痕量的pfcs，降低干扰物质的影响，提高检测方法的灵敏度和准确性。传统的前处理技术存在一些不容忽视的缺点：液液萃取涉及多个复杂的步骤，操作过程相对繁琐；而在有机溶剂的回收和再生环节，往往需要消耗大量的能源和时间，且处理不当还可能对环境造成污染；同时液液萃取过程中有时会出现乳化或分层现象，导致目标物质与溶剂分离困难。固液萃取也存在溶剂消耗大、传质阻力高、操作条件复杂、成本较高等缺点。

2、磁性固相萃取(mspe)是基于液-固相色谱理论，以磁性或可磁化的材料作为吸附剂，用于从溶液中吸附目标物质。在磁固相萃取过程中，当吸附达到平衡后，可利用外加磁场，快速而有效地将磁性吸附材料和溶液进行分离，然后使用解吸液将目标化合物洗脱下来，经过氮吹浓缩后再进行检测。mspe不仅展现出优秀的萃取能力和萃取效率，而且能够在短时间使用少量的吸附剂，实现痕量化合物的萃取。磁固相萃取具有分离快速、操作简单、溶剂消耗少、萃取效率高等优点，可用于复杂基质中痕量pfcs的分析与检测。

3、为了快速且准确地检测环境样本中的pfcs并实现有效富集，多种新型吸附剂被开发。高效吸附剂对pfcs表现出良好的选择性吸附能力，能够从复杂环境基质中特异性地提取目标污染物，从而提高了富集效率和分析的准确性。传统吸附剂如碳纳米管、活性炭和氧化石墨烯等材料有局限，如难分离、高再生成本，仍然需要不断设计和合成新的吸附剂材料，开发高灵敏、高选择性的方法来检测和去除环境中的pfcs。

4、2008年日本化学家ogoshi等首次成功合成了结构对称、苯酚对位桥联的柱状大环低聚物—柱[5]芳烃，它比传统的大环化合物更有发展潜力。相比冠醚和杯芳烃，柱芳烃具有更高的对称性和刚性，可以选择性地与客体结合。相比于环糊精和葫芦脲，它更易选择性地在一个或两个特定的位置上官能化，从而改变主客体结合特性。柱[n]芳烃(p[n]a)作为一种新型的柱状宿主分子，凭借其独特的高度对称的刚性结构、富含电子的空腔以及易于修饰的特性，在吸附和分离领域展现出了广阔的应用前景。其丰富的主客体性质使得p[n]a能够与各类客体分子实现高效络合，从而成为分子识别、吸附分离等领域的得力工具。同时p[n]a的易于修饰性也为构建多孔聚合物等新型材料提供了极大的便利。

5、pfcs的主要分析技术有液相色谱-串联质谱(lc-ms/ms)、气相色谱-串联质谱(gc-ms/ms)和表面辅助激光解吸/电离飞行时间质谱(maldi-tof-ms)等。lc-ms/ms凭借其高效能、高选择性和高灵敏度等特点，已成为测定环境样品中痕量污染物的主要技术手段。

技术实现思路

1、为了解决传统检测pfcs的方法难以准确、可靠地测定其含量的问题，本发明通过傅克烷基化反应将溴乙氧基柱[5]芳烃与4,4'-二氯甲基联苯(bcmbp)进行交联，生成柱[5]芳烃多孔聚合物(brbp[5])，加入fe3o4纳米粒子进行磁化处理，制备了新型磁性柱[5]芳烃多孔聚合物(brbp[5]-mnp)，并构建了基于该磁性柱[5]芳烃多孔聚合物的磁固相萃取辅助高效液相色谱-串联质谱方法(brbp[5]-mnp mspe-hplc-ms/ms)检测复杂基质样品中的pfcs。该方法不仅对长链的pfcs具有显著的吸附效果，同时针对分子尺寸较小的pfcas(c6-c7)与pfsas(c4-c7)，也具有较好的吸附性能，成功应用于小鼠肝脏样本与环境水样中11种pfcs的检测，为富集pfcs提供了新的思路与技术手段。

2、为实现上述目的，本发明提供一种磁性柱[5]芳烃多孔聚合物brbp[5]-mnp，所述brbp[5]-mnp以fe3o4为核心，在fe3o4纳米粒子外部包覆柱[5]芳烃多孔聚合物brbp[5]，所述brbp[5]的结构式如下：

3、

4、本发明还提供了所述brbp[5]-mnp的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)制备1,4-双(2-溴乙氧基)苯

6、在0℃的冰水浴条件下，将对苯二酚二羟乙基醚和三苯基膦加入无水乙腈中，接着在氮气保护下缓慢加入四溴化碳，然后将反应体系恢复至室温，室温搅拌3-6h至溶液澄清透明。反应完成后，加入冷水淬灭反应。将产物纯化、干燥得到1,4-双(2-溴乙氧基)苯。

7、(2)制备柱[5]芳烃

8、将多聚甲醛加入到1,4-双(2-溴乙氧基)苯的无水1,2-二氯乙烷溶液中。随后，加入三氟化硼乙醚(bf3·o(c2h5)2)，室温搅拌4-8h。待反应完成后，用冷水淬灭反应。将产物纯化、干燥得到柱[5]芳烃。

9、(3)制备fe3o4纳米粒子

10、将fecl3·6h2o和醋酸钠溶于乙二醇中。将得到的均匀黄色溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，密封加热至200℃。反应8-12h后，冷却至室温。将产物洗涤、干燥得到fe3o4纳米粒子。

11、(4)制备brbp[5]-mnp

12、将fe3o4纳米粒子加入二氯甲烷中，超声使fe3o4均匀分散，接着加入柱[5]芳烃和联苯二氯苄(bcmbp)，继续超声使其溶解，随后在氮气气氛下缓慢加入无水三氯化铁。将该反应混合物在50-100℃冷凝回流搅拌24-72h(优选在80℃冷凝回流搅拌48h)。反应完成后，冷却至室温，过滤，收集固体，洗涤、干燥得到brbp[5]-mnp。

13、优选地，步骤(1)中，对苯二酚二羟乙基醚与三苯基膦的摩尔比为1:(2-3)，三苯基膦与四溴化碳的摩尔比为1:1；最佳地，对苯二酚二羟乙基醚、三苯基膦与四溴化碳的摩尔比为5:12:12。

14、优选地，步骤(2)中，1,4-双(2-溴乙氧基)苯、多聚甲醛与bf3·o(c2h5)2的摩尔比为1:(0.5-3):(0.5-1.5)；最佳地，1,4-双(2-溴乙氧基)苯、多聚甲醛与bf3·o(c2h5)2的摩尔比为1:1:1。

15、优选地，步骤(3)中，fecl3·6h2o和醋酸钠的摩尔比为1:(1-6)，fecl3·6h2o和乙二醇的用量比为20mmol:(50-150)ml；最佳地，fecl3·6h2o和醋酸钠的摩尔比为1:4，fecl3·6h2o和乙二醇的用量比为20mmol:100ml。

16、优选地，步骤(4)中，fe3o4和二氯甲烷的用量比为10mg:1ml，柱[5]芳烃、联苯二氯苄、三氯化铁的摩尔比为1:(4-12):(20-50)；最佳地，柱[5]芳烃、联苯二氯苄与三氯化铁的摩尔比为1:8:25。

17、本发明还提供了一种基于所述brbp[5]-mnp的磁固相萃取辅助高效液相色谱-串联质谱检测pfcs含量的方法：

18、(1)色谱条件

19、色谱柱：c18柱；

20、流动相a：5mmol/l乙酸铵水溶液，流动相b：乙腈；

21、流速：0.4ml/min；

22、柱温：40℃；

23、梯度洗脱条件：

24、

25、

26、(2)质谱条件

27、采用电喷雾(esi)电离源，在负离子模式进行电离，建立多反应监测模式(mrm)对各pfcs进行分析；雾化气流量：3l/min，加热气流量：10l/min，干燥气流量：10l/min，接口温度：300℃，dl温度：250℃，加热块温度：400℃，每个mrm驻留时间为12ms。

28、(3)磁固相萃取

29、将brbp[5]-mnp与样品溶液混合后，进行2-15min(优选8min)涡旋操作，使brbp[5]-mnp对pfcs进行充分吸附。外置磁铁将brbp[5]-mnp与溶液分离后，用纯水洗涤brbp[5]-mnp以除去表面未吸附的pfcs。向brbp[5]-mnp中加入解吸液甲醇，涡旋3-15min(优选5min)，将brbp[5]-mnp所吸附的pfcs解吸下来。利用磁铁将brbp[5]-mnp和溶液分离后，取一定量溶液，浓缩至干，再加入甲醇复溶，取复溶后的溶液进行hplc-ms/ms检测。

30、所述吸附剂brbp[5]-mnp与解吸液甲醇的用量比为(5-20)mg:(3-13)ml，优选的用量比为12mg:5ml。

31、优选地，取复溶后的溶液进行hplc-ms/ms检测时，使用内标法定量，以13c8-pfoa和13c8-pfos作为内标物。

32、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

33、1、本发明将柱[5]芳烃与4,4'-二氯甲基联苯进行交联，制得的聚合物即具有柱[5]芳烃高度对称的柱状结构、富电子空腔以及丰富的主客体化学性质，也具有bcmbp的刚性结构，进一步增强了聚合物的稳定性和多孔性。

34、2、本发明首次将磁性纳米粒子与柱[5]芳烃聚合物结合，制得磁性吸附剂，不仅对c8-c14的长链pfcs具有优异的吸附性能，而且对分子尺寸较小的pfcas(c6-c7)与pfsas(c4-c7)也具有良好吸附效果，其吸附回收率在80％以上。

35、3、本发明的磁性吸附剂，制备过程简单，成本低廉，吸附效果理想，吸附完成后容易从体系中有效分离，可循环利用，适用于工业化生产。

36、4、本发明构建了一种磁固相萃取辅助高效液相色谱-串联质谱的新方法，可同时对11种pfcs进行定量分析，且可用于湖水、雨水等实际水样以及小鼠肝脏等复杂生物基质中pfcs的检测，对于准确评估其环境暴露水平和健康风险具有重要意义。