一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及水生植物利用和治理技术领域，更具体的说是涉及一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料及其制备方法和应用。

背景技术：

环丙沙星属于第三代氟喹诺酮类抗生素，具有抗菌谱广、抗菌活性强、血液浓度高、生物利用率高、能迅速分解到各组织等特点而被广泛使用。由于抗生素在生物体内的吸收性较低，大部分被使用的药物会以母体药物形式排泄后进入环境，对环境造成潜在威胁。研究表明，动物使用的抗生素药物中的约25％-75％将从粪便中以母体药物或代谢物的形式排出体外，因此通过排泄物进入土壤或水生环境的抗生素，对环境产生深远的影响。

凤眼莲，又名水葫芦，繁殖能力强，成片生长，不仅会阻塞河道，影响农田灌溉和水上运输，还会与水体中的其它水生生物争夺光照、养分和生长空间，严重威胁水体的生物多样性，利用凤眼莲制备生物炭材料则能够有效减少其造成的环境危害并实现变害为宝。

分子印迹聚合物是通过分子印迹技术合成对目标分子具有特异性识别与选择性吸附的聚合物。表面分子印迹技术通过把分子识别位点建立在基质材料的表面，该技术很好的解决了传统本体聚合高度交联导致的目标分子结合能力小、不能完全去除、活性位点包埋过深、质量转移慢和吸附-脱附的动力学性能不佳等缺点。

多级孔碳材料是指同时具有微孔、介孔和大孔三种孔径结构的碳材料，由于其具有较高的比表面积、良好的化学稳定性、发达的孔道结构等特点成为一种理想的表面分子印迹基质材料，将其应用于环境治理是目前的研究热点。

因此，如何利用廉价的生物质资源，制备出吸附容量大、选择识别能力强的印迹吸附材料，进而利用印迹吸附材料从复杂水环境体系中有效识别和分离痕量抗生素是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明利用凤眼莲制备多级孔碳材料用作分子印迹基质材料，不仅可以有效地缓解资源短缺问题而且能够缓和环境污染问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)凤眼莲活性原料的制备

将凤眼莲从湖中打捞出来，去除茎叶，保留根部，用蒸馏水将凤眼莲根洗净，烘干并进行粉碎、过筛、研磨成粉末，将所述凤眼莲粉末加入到磷酸溶液中，边搅拌边加热，溶解完全后真空干燥得到凤眼莲活性原料；

(2)凤眼莲基磁性多级孔碳的制备

将所述凤眼莲活性原料与氯化铁的乙醇溶液混合均匀，在90-100℃的烘箱中真空烘干至恒重后置于管式炉中，在惰性气体保护下高温碳化磁化后冷却，洗涤、烘干得到凤眼莲基磁性多级孔碳；

(3)凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备

依次将环丙沙星、甲基丙烯酸加入到甲醇与水的混合溶液中，在惰性气体保护下超声40min，然后加入乙二醇双甲基丙烯酸酯，搅拌至完全混合后继续加入凤眼莲基磁性多级孔碳以及含聚乙烯吡咯烷酮的甲醇和水的混合溶液，在惰性气体保护下超声60min，继续加入2,2′偶氮二异丁基脒二盐酸盐，所得产物用永久磁铁收集,经洗涤、提取、真空干燥得到凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料。

在上述技术方案中，乙二醇双甲基丙烯酸酯起到交联剂的作用，聚乙烯吡咯烷酮由于具有优异的溶解性能，能够将上述几种物质很好的溶解，2,2′偶氮二异丁基脒二盐酸盐是水溶性引发剂，在聚合物聚合过程中起引发作用。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(1)中所述烘干温度为100-120℃，时间为12-24h；所述过筛粒径为100目。

上述技术方案的有益效果是：上述数值的限定，能够很好的为下一步化学活化以及多级孔碳材料的制备做准备。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(1)中凤眼莲粉末与磷酸溶液的质量比为1:1-4，其中磷酸溶液的浓度为10-20％。

上述技术方案的有益效果是：磷酸起到活化剂的作用，用于制造微孔以及增加孔隙率。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(1)中所述加热为60-70℃条件下水浴加热1-3h。

上述技术方案的有益效果是：水浴加热过程能够促进材料的活化。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(1)中所述干燥为100-120℃条件下真空干燥12-24h。

上述技术方案的有益效果是：在上述温度以及时间段内干燥，保证活化后的凤眼莲粉末的干燥。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(2)中凤眼莲活性原料与氯化铁的乙醇溶液的质量比为3:20，其中氯化铁的乙醇溶液的浓度为0.02-0.1g/ml。

上述技术方案的有益效果是：加入氯化铁的乙醇溶液目的是为了制备磁性多级孔碳。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(2)中所述高温碳化磁化是以5-8℃/min的速率升温至600-800℃，碳化磁化2-3h。

上述技术方案的有益效果是：通过对碳化过程中的温度和时间的控制，实现对碳化材料孔型结构的控制，合成具有高比表面积和孔容积的活性碳，并使其具有良好的机械稳定性、热稳定性和再生性能。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(2)中所述洗涤为用体积比为1:1的乙醇/蒸馏水洗涤产物。

上述技术方案的有益效果是：能够保证溶于水和溶于乙醇的杂质被彻底洗涤干净。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(3)中环丙沙星与甲基丙烯酸的摩尔比为1:3-4。

上述技术方案的有益效果是：甲基丙烯酸在这里起到功能单体的作用。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(3)中环丙沙星的浓度为20-30mol/l。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(3)中环丙沙星与乙二醇双甲基丙烯酸酯的摩尔比为为1:8-10。

上述技术方案的有益效果是：乙二醇双甲基丙烯酸酯起到交联剂的作用。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(3)中所述凤眼莲基磁性多级孔碳材料的浓度控制在0.2-0.4g/100ml。

上述技术方案的有益效果是：凤眼莲基磁性多级孔碳材料在表面印迹吸附材料的制备中是基质，上述浓度是成功制备表面印迹材料的前提条件。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(3)中环丙沙星与2,2′偶氮二异丁基脒二盐酸盐的比例为1mmol:0.6g。

优选的，在上述一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法中，步骤(3)中所述提取是用甲醇和乙酸体积比为9:1的混合液索氏提取24h，直到洗脱液中检测不到环丙沙星。

上述技术方案的有益效果是：用甲醇和乙酸体积比为9:1的混合液索氏提取24h，保证模板分子提取彻底。

本发明还公开了一种上述方法制备得到的凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料；以及一种上述方法制备得到的凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的应用，所述表面印迹材料用于环境中环丙沙星的选择性识别与分离。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明采用凤眼莲为原料，利用其繁殖力强、易于获得、碳元素含量丰富以及表面官能团丰富等优势来制备得到多级孔碳材料，并将其用作分子印迹基质材料，不仅可以有效的缓解资源短缺问题而且能够缓和环境污染问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明表面印迹材料(mmips)悬浮在水中(左边)和在外加磁场作用下(右边)的照片；

图2附图为磁性凤眼莲多级孔碳和表面印迹材料(mmips)在室温时的磁滞回线图；

图3附图为本发明凤眼莲粉末和凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的红外光谱图；

图4附图为本发明印迹材料和非印迹材料吸附环丙沙星的吸附等温线图；

图5附图为本发明印迹材料和非印迹材料吸附环丙沙星的吸附动力学图；

图6附图为本发明印迹材料和非印迹材料分别在非模板分子磺胺嘧啶(sd)、四环素(tc)存在下争吸附模板分子环丙沙星的吸附能力图。

图7附图为本发明印迹材料在单一cip溶液以及抗生素分子的混合溶液中对cip的吸附容量示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)凤眼莲活性原料的制备

将凤眼莲从湖中打捞出来，去除茎叶，保留根部；用蒸馏水将凤眼莲根洗净，烘干并进行粉碎，用100目筛子过筛；凤眼莲烘干温度100℃-120℃，时间为12-24h，研磨成粉末，备用；

将上述材料加入到浓度为10％-20％的磷酸溶液中搅拌，水葫芦粉末与磷酸溶液(活化剂)的质量比为1:1-4，在温度60℃-70℃条件下，水浴加热1-3h；在温度为100℃-120℃条件下，真空干燥12-24h，得到凤眼莲活性原料；

(2)凤眼莲基磁性多级孔碳的制备

将上述得到的凤眼莲活性原料与浓度为0.02-0.1g/ml氯化铁的乙醇溶液按照质量比为3:20的比例混合，充分搅拌混合均匀，在90-100℃烘箱中真空烘干至恒重，将上述材料装入管式炉中，在惰性气体氩气保护下，气体流速为40-90ml/min，以5-8℃/min升温速率升温600-800℃，碳化磁化时间为3h，自然冷却后，将管式炉中的产物取出，用体积比为1:1的乙醇/蒸馏水洗涤产物，烘干得到凤眼莲基磁性多级孔碳。

(3)凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的制备

按照环丙沙星:甲基丙烯酸摩尔比为1:(3-4)(mol/mol)，依次将环丙沙星、甲基丙烯酸加入到体积比为3:1的甲醇与水的混合液中，将环丙沙星的浓度控制在20-30mol/l，上述混合液在氮气保护下超声40min；随后向上述混合液中按照摩尔比环丙沙星：乙二醇双甲基丙烯酸酯(egdma)为1:(8-10)(mol/mol)的比例加入乙二醇双甲基丙烯酸酯(egdma)，机械搅拌完全混合后继续加入凤眼莲基磁性多级孔碳材料以及含0.02g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)的甲醇和水的混合溶液，其中甲醇与水体积比为3:1，其中控制凤眼莲基磁性多级孔碳材料在整个溶液体系中的浓度为0.2-0.4g/100ml，上述混合体系在氮气保护下超声60min，随后向上述溶液中加入2,2′偶氮二异丁基脒二盐酸盐(aiba)，按照环丙沙星：2,2′偶氮二异丁基脒二盐酸盐(aiba)用量比例为1:0.6(mmol/g)，上述混合液在氮气保护下室温反应15h；

上述所得产物用nd-fe-b永久磁铁收集，用无水乙醇和蒸馏水多次洗涤，然后用甲醇和乙酸为9:1(v/v)的混合液索氏提取24h，至到洗脱液中检测不到环丙沙星分子，60℃真空干燥至恒重。

凤眼莲基磁性多级孔碳表面非印迹材料的制备方法同上，只是过程中不加环丙沙星。

参见附图1-3为对本发明制备得到的凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料进行的检测如下：

图1为表面分子印迹材料(mmips)悬浮在水中(左边)和在外加磁场作用下(右边)的照片，从图中可以看出，mmips在水中有良好的分散性和磁分离效能，mmips均匀分散于水中，在外加磁场的作用下20s内能够将其从水中快速分离，表明mmips有良好的回收再生性能。

图2为磁性凤眼莲多级孔碳和mmips在室温时的磁滞回线，从图2可以看出两条曲线的形状以及变化趋势类似，并且都是关于原点对称，表明磁性凤眼莲多级孔碳和表面印迹材料(mmips)都具有超顺磁性，室温下磁性凤眼莲多级孔碳和mmips的饱和磁化强度(ms)分别为12.285emu.g^-1和7.466emu.g^-1。

图3为凤眼莲(a)、凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料(b)的红外光谱图，凤眼莲(a)、凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料(b)相应的红外特征峰可以用来验证一些存在的官能团。从图3(a)中可知，在3410cm^-1和1628cm^-1处的吸收峰为凤眼莲羟基(-oh)峰和ch、ch2中c-h键伸缩吸收峰，1422cm^-1和1050cm^-1处的吸收峰为凤眼莲c＝o伸缩振动峰；从图3(b)中可知，595cm^-1和520cm^-1处都出现了fe3o4纳米粒子的fe-o键特征吸收峰，在1710cm^-1和1210cm^-1处的吸收峰是羧基中c＝o的伸缩振动、egdma酯基中c-o的对称振动。

下面结合具体实施方案对本发明制备得到的凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料的应用做进一步说明：

本发明中具体实施方案中吸附性能评价利用静态吸附试验完成。

将10ml环丙沙星溶液加入离心管中，分别向其中加入5.0mg环丙沙星分子印迹材料和非印迹材料，室温水浴中静止，考察溶液初始浓度和接触时间对环丙沙星吸附容量的影响，吸附达平衡后，印迹材料(mmips)或非印迹材料(mnips)用nd-fe-b永久磁铁分离，吸附后溶液中残留的环丙沙星浓度用紫外可见分光光度计在波长276nm处测得。计算得吸附容量(q)

q＝[(c0-ce)v]/w

c0(mmol/l)和ce(mmol/l)分别为环丙沙星的初始浓度和平衡时的浓度，v(ml)和w(mg)分别为溶液体积和吸附材料的用量。

试验例1：取10ml初始浓度在0.0005mmol/l-0.1mmol/l的环丙沙星溶液加入到离心管中，分别加入5.0mg环丙沙星分子印迹材料和非印迹材料，将测试溶液置于室温水浴锅中静置24h，用紫外可见分光光度计测定吸附后溶液中残留的环丙沙星分子的浓度，计算吸附容量。

图4所示表明，吸附容量随着浓度的升高而增加，分子印迹材料和非印迹材料对环丙沙星饱和吸附容量分别为2850μg/g和1550μg/g，研究表明，与非印迹材料相比，环丙沙星分子印迹材料有更大的吸附容量，表现出良好的特异性识别性能，说明印迹材料中存在与环丙沙星分子相匹配的活性位点。

试验例2：取10ml初始浓度为0.05mmol/l的环丙沙星溶液加入到离心管中，加入5.0mg环丙沙星分子印迹材料和非印迹材料，将测试溶液置于室温条件下水浴锅中分别静置5、10、30、45、60、90、120和150min，随后测定吸附后溶液中环丙沙星的浓度，计算出吸附容量。

从图5中可知，随着吸附时间的增加，吸附容量迅速增加，50min后吸附达到平衡，在整个吸附时间范围内，环丙沙星分子印迹材料对环丙沙星的吸附容量大于非印迹材料对环丙沙星吸附容量，结果表明，印迹材料比非印迹材料表现出更高的吸附能力和更快的传质能力。

试验例3：选取与环丙沙星(cip))结构类似的抗生素化合物(如磺胺嘧啶sd、四环素tc)作为竞争物质来评价环丙沙星分子印迹材料的选择性。分别向单一0.2mmol/l环丙沙星溶液中加入0.2mmol/l的磺胺嘧啶、四环素溶液中形成双组分溶液，同时分别加入10.0mg环丙沙星分子印迹材料和非印迹材料，温度为室温，吸附时间为24h，吸附达到平衡时，印迹材料(mmips)或非印迹(mnips)用nd-fe-b永久磁铁分离，吸附后溶液中残留的每种抗生素类化合物的浓度用hplc测定。

图6为本发明进一步研究模板结构对分子印迹材料目标结合的重要性，用竞争吸附实验来考察，表示出了在双组分溶液中，印迹材料和非印迹材料对环丙沙星的吸附容量。从图中可以看出，在竞争抗生素存在的条件下，印迹材料对环丙沙星仍然显示较高的吸附容量，结果表明印迹材料在结构类似抗生素干扰的条件下对模板环丙沙星分子(cip)仍有较高的选择性吸附能力。

试验例4：表面分子印迹的再生性能凤眼莲基磁性多级孔碳表面印迹材料吸附cip达到平衡后，用永磁铁将印迹材料从溶液中分离，除去上清液，用甲醇和醋酸的混合溶液(9:1，v/v)作为洗脱剂，取10.0ml洗脱剂超声条件下60min对印迹材料进行洗脱。按照上述方法五次吸附/解吸附循环。

从图7可以看出，经五次再生后的印迹材料在单一cip溶液以及结构相似抗生素分子的混合溶液中对cip的吸附容量分别降低了12.11％和18.76％，表明制备的该表面印迹材料具有优异的再生性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。