一种降解和测定四环素的功能材料及制备方法和应用

1.本发明涉及一种同时降解和测定四环素的功能材料及制备方法和应用，属于环境保护、发光检测技术领域。


背景技术：

2.四环素类抗生素(tetracyclines，tcs)是以四并苯为母核的一类抗生素，其中四环素、金霉素、土霉素等因广谱的抗菌效果和便宜的价格，作为消炎药、兽用药和养殖业饲料添加剂在过去数十年中被大量使用，是世界上使用最广泛、用量最大的一类抗生素。四环素类抗生素的大量使用，造成在畜禽体内、牛乳等中的残留，长期摄入四环素残留的食品会损害人的肺、胃肠、肾脏、皮肤和骨骼，特别是对儿童的牙齿，骨骼发育危害最大。大量使用的四环素类抗生素不能被生物体全部吸收，许多通过动物或人类的排泄物释放到地表水、地下水、土壤中，导致严重的生态破坏和环境污染。我国规定的四环素、土霉素在牛奶中的残留量应小于100 μg/l，在肌肉、肝、肾中残留量应小于100、300、600 μg/kg。美国fda规定四环素、土霉素在牛奶中的残留量分别小于80 μg/l 和30 μg/l。因此，简便、快速、准确检测环境和食品中的四环素污染对环境保护和健康安全至关重要。
3.目前四环素的去除主要有臭氧氧化、光催化降解、生物降解、超滤和反渗透膜处理等方法。中国专利公布号cn 109985647 a，2019年，曾虹燕等，一种高效降解四环素的磷酸银/金属氧化物复合光催化剂的制备方法，公开了一种磷酸银/金属氧化物复合光催化剂在模拟太阳光下降解四环素的方法；中国专利公布号cn 109926064 a，2019年，响应可见光彻底降解四环素的窄带光催化材料及制备方法，公开了一种利用可见光降解四环素的光催化材料；中国专利公布号cn 105478454 a，2016年，马玉龙等，一种去除制药菌渣中残留高浓度四环素的方法，公开了一种用金属离子催化臭氧氧化高浓度四环素的方法；中国专利公布号cn 111205477 a，2020年，刘湘等，一种zif
‑
67催化剂的制备及在降解四环素等抗生素上的应用，公开了一种zif
‑
67催化剂在双氧水的氧化条件下产生羟基自由基降解四环素的方法；中国专利公布号cn 107159094 a，2017年，陈安伟等，磁性氢氧化镁吸附剂去除废水中四环素的方法，公开了一种利用磁性氢氧化镁吸附剂去除四环素的方法；李伟英等报道了一种纳滤膜和反渗透膜去除水中四环素的方法（同济大学学报(自然科学版)，2013，41，735
‑
741）；中国专利公布号cn 107988095 a，2018年，任竹青等，一种高效降解四环素类抗生素的微生物菌剂及应用，公开了一种筛选屎肠球菌(enterococcus faecium)并与其它肠球菌一起降解四环素类抗生素的方法；中国专利公布号cn 110295128 a，2019年，郑艺等，一株四环素类抗生素降解菌及其应用，公开了一种四环素类抗生素降解菌hns2
‑5‑
2菌株并利用该菌株降解四环素类抗生素的方法。已报道的四环素分析法有免疫分析法、比色分析法、高效液相色谱法等。陈莉等报道了超高效液相色谱
‑
电喷雾串联质谱法同时测定土壤中四环素类抗生素及其降解产物（地学前缘，2019，6，1
‑
6）；中国专利公布号cn 101290306 a，2008年，闫宁环等，一种乳及乳制品中四环素类抗生素残留量的检测方法，公开了一种用超高效液相色谱
‑ꢀ
电喷雾串联三重四极杆质谱仪测定四环素类抗生素的方法；中国专利公布
号cn 110726836 a，2004年，刘智宏等，一种检测四环素类药物的酶联免疫试纸盒，公开了一种用酶标抗体吸光度法测定四环素类抗生素的方法。中国专利公布号cn 100338467 a，2020年，王毅谦等，一种用于定量测定四环素和诺氟沙星的时间分辨荧光免疫试纸条，公开了一种用时间分辨荧光免疫试纸条测定四环素的方法。
4.已报道的方法有的耗时长、有的需要复杂的设备，有必要开发简便、快速、灵敏的四环素类抗生素的测定方法。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的第一个目的是提供一种既能降解四环素同时又能发光检测四环素的材料，本发明的第二个目的是提供这种材料的制备方法，第三个目的是提供这种材料降解和检测四环素的应用方法。
6.发明内容：为实现上述第一个目的，本发明所采用的技术方案为：一种功能材料是包括铽离子（tb
3+
）、3
‑
羟基
‑2‑
吡啶甲酸（hpa）、银纳米粒子（agnp）通过溶剂热反应制备而成。
7.其中，所述的功能材料为多孔的网络包裹纳米粒子状，所述纳米粒子为银纳米粒子，所述银纳米粒子的粒径为50
‑
200 nm。
8.其中，所述的功能材料以银纳米粒子为催化中心，铽离子为发光中心，利用催化降解四环素的反应敏化铽离子的发光。
9.其中，所述的功能材料通过银纳米粒子催化氧气和/或过氧化氢产生活性氧自由基降解四环素。
10.其中，所述的功能材料通过银纳米粒子的激元共振效应增强铽离子的发光测定四环素。
11.其中，所述的功能材料具有发光指示功能，能通过铽离子的发光强度指示四环素的含量，发光强度与降解率成正比，也能发光指示四环素降解过程中的降解率。
12.为实现上述第二个目的，本发明还提供上述的功能材料的制备方法，第一步制备银纳米粒子，将硝酸银水溶液与聚乙烯吡咯烷酮水溶液混合后加入到乙二醇中，将混合溶液转移到内衬四氟乙烯的不锈钢反应釜中，于180
‑
200℃下反应5
‑
24小时，冷却至室温后离心分离沉淀，沉淀洗涤后于60
‑
80℃干燥后得银纳米粒子。第二步制备功能材料，向3
‑
羟基
‑2‑
吡啶甲酸的n, n
‑
二甲基甲酰胺溶液中加入硝酸铽水溶液，磁力搅拌溶液10分钟混合后，向该混合溶液中加入超声分散在乙醇中的银纳米粒子，搅拌溶液20分钟后，将混合物密封在四氟乙烯内衬的反应釜中，在130
‑
150℃下反应3
‑
6小时，冷却到室温离心分离沉淀，用无水乙醇和纯水洗涤沉淀，沉淀在60℃下干燥得到功能材料。
13.其中，所述混合液中的铽离子：3
‑
羟基
‑2‑
吡啶甲酸：银纳米粒子的摩尔比为1：1：1
‑
5。
14.为实现上述第三个目的，本发明提供了所述的功能材料在降解四环素和/或测定四环素含量中的应用。
15.具体地，降解四环素的方法：将功能材料加入到含有四环素的样品溶液中，更优的将功能材料和过氧化氢溶液加入到含有四环素的样品溶液中，混合均匀，样品溶液中四环素在功能材料的作用下被降解，降解的程度与溶液的吸光度成正比，测定溶液的吸光度值
获得降解率，或者根据降解的程度与溶液的发光强度成正比，测定溶液的发光强度获得四环素的降解率。
16.具体地，测定四环素的方法：1）首先将一定量的功能材料溶液分别加入到一系列已知浓度的标准四环素溶液中，混合均匀放置30分钟，测定545 nm波长下铽离子的荧光强度，绘制荧光强度与四环素浓度的工作曲线；2）然后将一定量的功能材料溶液加入到含四环素的样品溶液中，混合均匀放置30分钟，在紫外灯下观察其发光颜色并与已知浓度的标准四环素溶液的发光颜色比较，目视比色测定四环素的含量；或用荧光分光光度计测定545 nm的荧光强度，根据上述荧光强度与标准四环素浓度的工作曲线以及测得样品的荧光强度获得四环素的浓度。
17.有益效果：与现有技术相比，本发明的功能材料具有以下优点：1）本发明的功能材料既能降解四环素也能同时发光指示四环素的含量，具有降解发光双功能。
18.2）本发明的功能材料利用银纳米粒子的激元共振效应和降解反应双增强铽离子的发光，提高了测定灵敏度。
19.3）本发明的功能材料利用稀土离子的发光检测四环素，稀土离子长的荧光寿命允许通过时间分辨荧光技术消除各种非特异性荧光的干扰，具有高的信噪比，避免了样品溶液中常见的背景荧光的干扰，对生物样品中四环素的测定具有优势。
20.4）本发明的功能材料的制备方法简单、无需复杂的有机合成。
附图说明
21.图1 agnps 和降解和测定四环素的功能材料agnp
‑
hpa
‑
tb的扫描电镜图；图2 降解和测定四环素的功能材料agnp
‑
hpa
‑
tb作用四环素的紫外可见光谱；图3 降解和测定四环素的功能材料agnp
‑
hpa
‑
tb降解四环素的降解曲线；图4 降解和测定四环素的功能材料agnp
‑
hpa
‑
tb降解四环素的发光强度变化；图5 降解和测定四环素的功能材料agnp
‑
hpa
‑
tb发光检测四环素。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
23.实施例1 降解和测定四环素的功能材料agnp
‑
hpa
‑
tb的制备银纳米粒子制备：向4 ml乙二醇中，分别加入1 ml 0.1 m agno3水溶液和4 ml含0.04 g聚乙烯吡咯烷酮的水溶液，搅拌20分钟，溶液转移到内衬四氟乙烯的不锈钢反应釜中，在180℃下加热5小时，冷却至室温后离心分离沉淀，沉淀用无水乙醇洗涤6次，在80℃下干燥1小时后得如图1a所示的银纳米粒子，粒径约50
‑
200 nm。
24.agnp
‑
hpa
‑
tb的制备：向5 ml n, n
‑
二甲基甲酰胺（dmf）中，依次加入1 ml 30 mm 3
‑
羟基
‑2‑
吡啶甲酸的dmf溶液，1 ml 20 mm tb(no3)3水溶液，搅拌混合后，加入2 ml含0.01克上述制备的银纳米粒子的乙醇溶液，磁力搅拌均匀得到混合液，混合液中铽离子：3
‑
羟基
‑2‑
吡啶甲酸：银纳米粒子的摩尔比为1：1：1，搅拌10分钟，混合液被转入不锈钢反应釜中，在130
°
c反应5小时，冷却至室温，离心分离沉淀，沉淀用乙醇和纯水洗涤3次后，置于60
℃干燥箱烘干后备用。图1b是制备的agnp
‑
hpa
‑
tb的扫描电镜图，agnp
‑
hpa
‑
tb材料显网络包裹纳米粒子状，尺寸约0.5
‑
2微米。
25.实施例2 降解和测定四环素的功能材料agnp
‑
hpa
‑
tb材料的制备向5 ml n, n
‑
二甲基甲酰胺（dmf）中，依次加入1 ml 30 mm 3
‑
羟基
‑2‑
吡啶甲酸的dmf溶液，1 ml 20 mm tb(no3)3水溶液，搅拌混合后，加入2 ml含0.05 g实施例1制备的银纳米粒子的乙醇溶液，磁力搅拌均匀，混合液中铽离子：3
‑
羟基
‑2‑
吡啶甲酸：银纳米粒子的摩尔比为1：1：5，搅拌10分钟，混合液被转入不锈钢反应釜中，在140
°
c反应5小时，冷却至室温，离心分离沉淀，沉淀用乙醇和纯水洗涤3次后，置于60℃干燥箱烘干后备用。图1c是制备的agnp
‑
hp
‑
tb的扫描电镜图，agnp
‑
hpa
‑
tb材料显网络包裹纳米粒子状，尺寸约1
‑
2微米。
26.实施例3 功能材料agnp
‑
hpa
‑
tb降解四环素的应用取10 μl 0.01 m盐酸四环素水溶液和10 μl实施例2制备的agnp
‑
hpa
‑
tb悬浮液（0.3 mg/ml），加入到970 μl hepes（n
‑2‑
羟乙基哌嗪
‑
n '
‑2‑
乙磺酸）缓冲溶液（10 mm，ph 7）中，再加入10 μl 10 mm过氧化氢溶液，混合均匀反应20分钟后，每间隔几分钟测定四环素溶液的紫外可见吸收光谱。图2是四环素在agnp
‑
hpa
‑
tb作用下的紫外可见吸收光谱图，四环素在275 nm，358 nm的吸收峰消失，说明四环素被完全降解。图3是四环素的降解曲线，四环素的吸光度随着反应的进行不断降低，在不使用过氧化氢的情况下，120分钟后实施例1和2制备的agnp
‑
hpa
‑
tb分别降解四环素约40%和50%（图3a），在使用过氧化氢的情况下，120分钟后实施例1和2制备的agnp
‑
hpa
‑
tb分别降解四环素约55%和80%（图3b）。随着反应的进行，tb
3+
的荧光强度（at 545 nm）不断增强，与降解程度（降解率）成正比（图4）。
27.实施例4 功能材料agnp
‑
hpa
‑
tb发光检测四环素的应用取10 μl实施例2制备的agnp
‑
hpa
‑
tb悬浮液（0.3 mg/ml），和10 μl 10 mm过氧化氢溶液加到970 μl hepes缓冲溶液(10 mm，ph 7)中，将10 μl不同浓度的盐酸四环素水溶液依次加入到hepes缓冲溶液中配制成含四环素0，0.05，0.5，1，2，3.5，5和10 μm的标准四环素溶液，混合均匀反应30分钟后，在278 nm激发下测定545 nm的荧光强度。图5是tb
3+
荧光强度与四环素浓度的线性关系图，tb
3+
荧光强度与四环素浓度成正比，检测限为0.01 μm。由于降解反应对铽离子发光具有增强作用，其它物质对测定无干扰，测定四环素具有好的选择性。测定未知四环素样品的荧光强度，运用线性关系图得到四环素样品的含量。