一种磁性核壳分子印迹材料及制备和应用、电化学传感器及应用、氯胺酮的检测方法

1.本发明涉及毒品检测技术领域，尤其涉及一种磁性核壳分子印迹材料及制备和应用、电化学传感器及应用、氯胺酮的检测方法。


背景技术：

2.氯胺酮(2-邻氯苯基-2-甲基氨基环己酮，kt)是五氯苯酚的衍生物(chen et al.，2013)，是k粉的主要成分。它是一种著名的麻醉剂，也可作为致幻剂使用，引起幻觉和精神分裂症。临床表现包括言语不清、头晕、神志不清、亢奋、幻觉、视觉、幻听、运动功能障碍、抑郁，以及药物作用下的奇怪危险行为。因此，多国正在限制kt的使用，并将其作为危险的精神药物进行管制。然而，kt也被开发用于治疗抑郁症，这增加了近年来kt应用的普遍性和复杂性。随着这种危险的药物进入市场，有必要开发快速、简便地检测kt的新技术。
3.到目前为止，kt检测方法包括液相色谱-质谱法、气相色谱法、固相液相色谱-串联质谱法、高效液相色谱-串联质谱法、固相萃取和分光光度法等。然而，这些方法所用生物检材中干扰物会影响检测结果，检测周期长，无法完成现场快速检测。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种磁性核壳分子印迹材料及制备和应用、电化学传感器及应用、氯胺酮的检测方法，检测周期短，适用于现场快速检测。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种磁性核壳分子印迹材料的制备方法，包括以下步骤：
7.将甲基丙烯酸、模板分子、四氧化三铁、交联剂、引发剂和有机溶剂混合，在微波辅助作用下，进行聚合反应，得到磁性核壳分子印迹材料；所述模板分子为氯胺酮。
8.优选的，所述氯胺酮和甲基丙烯酸的摩尔比为1:(2～8)。
9.优选的，所述氯胺酮与四氧化三铁的摩尔比为1:(3～8)。
10.优选的，所述交联剂包括乙二醇二甲基丙烯酸酯；所述交联剂与氯胺酮的摩尔比为(20～40):1；所述引发剂包括偶氮二异丁腈；所述引发剂与氯胺酮的摩尔比为(30～40):1。
11.优选的，所述聚合反应的温度为60～80℃，时间为2～12h。
12.本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的磁性核壳分子印迹材料。
13.本发明提供了上述技术方案所述磁性核壳分子印迹材料在检测污水中氯胺酮中的应用。
14.本发明提供了一种磁性分子印迹电化学传感器，包括玻碳电极和负载于所述玻碳电极表面的磁性核壳分子印迹材料；所述磁性核壳分子印迹材料为上述技术方案所述磁性核壳分子印迹材料。
15.本发明提供了上述技术方案所述磁性分子印迹电化学传感器在检测污水中氯胺
酮中的应用。
16.本发明提供了一种污水中氯胺酮的检测方法，包括以下步骤：
17.将氯胺酮甲醇溶液与磁性核壳分子印迹材料混合，进行吸附，测量吸附后所得上清液中氯胺酮的浓度，计算污水中氯胺酮的含量；所述磁性核壳分子印迹材料为上述技术方案所述磁性核壳分子印迹材料。
18.本发明提供了一种磁性核壳分子印迹材料的制备方法，包括以下步骤：将甲基丙烯酸、模板分子、四氧化三铁、交联剂、引发剂和有机溶剂混合，在微波辅助作用下，进行聚合反应，得到磁性核壳分子印迹材料；所述模板分子为氯胺酮。本发明以甲基丙烯酸(maa)为功能单体，以氯胺酮为模板分子，模板分子与功能单体结合形成孔洞孔穴结构，去除模板分子后，聚合物形成与模板分子空间构型相匹配的孔穴，这种孔穴再一次与模板分子及其类似物相作用时会表现出特异识别性。因此，所制备的fe3o4@mips内部存在形状、大小、官能团与模板分子kt相同的空腔，故能够特异性吸附氯胺酮kt，能够作为吸附剂富集生活污水中的kt，将其应用于磁电极表面，作为电化学传感器检测生活污水中的kt含量，实现同时吸附与电化学检测氯胺酮kt。
19.本发明所制备的fe3o4@mips具有较大的比表面积且其表面分布着大量的印迹位点(与目标分子相同官能团的空腔，对目标分子有特异性识别功能)，且由于fe3o4@mips核壳结构可控、单分散性高、吸附位点分布均匀、磁响应快，可快速吸附模板分子氯胺酮kt。
20.本发明以fe3o4为载体，能够合成分散均匀、膜层包覆均一的fe3o4@mips，具有强的吸附量、优异的选择性和良好的重复利用率，不仅能用来吸附生活污水中氯胺酮的含量(吸附量为33.95mg
·
g-1
)，还能够制备出高灵敏、高选择的电化学传感器。本发明利用方波伏安法对缓冲溶液中氯胺酮类毒品进行测定，结果表明，方法的检测灵敏度高，稳定性好，抗干扰能力强，线性范围为1
×
10-12
～4
×
10-4
mol
·
l-1
，检出限低至8.0
×
10-13
mol l-1
，且电极制备工艺简单可靠，检测周期短，适用于现场快速检测，不仅能够解决现有检测方法中生物检材中干扰物影响检测结果，检测周期长，无法完成现场快速检测的问题，还能解决在刑事侦查污水中氯胺酮(kt)微量药物的检测。
21.本发明在微波辅助下合成核壳结构的fe3o4@mips，微波辅助合成中的高能量以电磁波的形式传播，使得聚合物能够快速合成。此外，聚合物在聚合过程中被均匀加热，使得聚合物颗粒形状和大小均匀，减少印迹空腔的包埋现象，使得印迹空腔均匀分布在聚合物表面。
附图说明
22.图1为fe3o4(a)和fe3o4@mips(b)的tem图以及洗脱前fe3o4@mips(c)和洗脱后fe3o4@mips(d)的sem图；
23.图2为实施例1中fe3o4(a)和fe3o4@mips(b)的磁滞回线图；
24.图3为25℃下，fe3o4@mips和fe3o4@nips对不同浓度的kt(0.01～0.18mg
·
ml-1
)的吸附等温曲线(a)、fe3o4@mips和fe3o4@nips的langmuir分析图(b)和freundlich分析图(c)；
25.图4为fe3o4@mips和fe3o4@nips(5mg)对5mlkt(0.07mg
·
ml-1
)在25℃下的吸附动力学曲线(a)、拟一阶图(b)和拟二阶图(c)；
26.图5中(a)为在25℃时，fe3o4@mips/fe3o4@nips(5mg)对kt及干扰物去甲氯胺酮(nkt)、3,4-亚甲基二氧甲基苯丙胺(mdma)、甲基苯丙胺(ma)、多巴胺(da)、抗坏血酸(vc)和尿酸(ua)(浓度均为0.07mg
·
ml-1
)的吸附量，(b)为fe3o4@mips(5mg)对5ml 0.07mg
·
ml-1
kt重复6次的吸附量效果图；
27.图6为fe3o4@mips/mgce在5.0mmol
·
l-1
k3[fe(cn)6](含0.1moll-1
kcl)中对不同浓度kt(mol l-1
)的方波伏安图(a)和峰电流变化(δi)与kt浓度的对数的校准曲线图(b)，误差条表示n＝3时结果的标准差。
具体实施方式
[0028]
本发明提供了一种磁性核壳分子印迹材料的制备方法，包括以下步骤：
[0029]
将甲基丙烯酸、模板分子、四氧化三铁、交联剂、引发剂和有机溶剂混合，在微波辅助作用下，进行聚合反应，得到磁性核壳分子印迹材料；所述模板分子为氯胺酮。
[0030]
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
[0031]
本发明将甲基丙烯酸(maa)、模板分子、四氧化三铁、交联剂、引发剂和有机溶剂混合，在微波辅助作用下，进行聚合反应，得到磁性核壳分子印迹材料；所述模板分子为氯胺酮。在本发明中，所述氯胺酮和甲基丙烯酸的摩尔比优选为1:(2～8)，更优选为1:(4～6)；所述氯胺酮与四氧化三铁的摩尔比为1:(3～8)，更优选为1:(3～6)；所述四氧化三铁的直径优选为150～300nm。
[0032]
在本发明中，所述交联剂优选包括乙二醇二甲基丙烯酸酯(egdma)；所述交联剂与氯胺酮的摩尔比优选为(20～40):1，更优选为(25～30):1；所述引发剂优选包括偶氮二异丁腈；所述引发剂与氯胺酮的摩尔比优选为(30～40):1。
[0033]
在本发明中，所述有机溶剂优选为甲醇；本发明对所述甲醇的用量没有特殊的限定，能够保证反应顺利进行即可。
[0034]
在本发明中，所述甲基丙烯酸、模板分子、四氧化三铁、交联剂、引发剂和有机溶剂混合的过程优选为将氯胺酮和甲基丙烯酸溶于有机溶剂中，超声10～30min后，在室温搅拌1～2h；向所得混合物中加入fe3o4，在30～50℃(更优选为40℃)下搅拌0.5～1.5h(更优选为1h)，分别加入交联剂和引发剂，通氮气3～8min，更优选为5min。本发明对所述搅拌的速率没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程能够将物料混合均匀即可。
[0035]
完成所述混合后，本发明将所得混合物转移到内衬聚四氟乙烯的反应釜中，进行聚合反应；所述微波条件优选由常压微波反应器提供。
[0036]
在本发明中，所述聚合反应的温度优选为60～80℃，更优选为70℃；时间优选为2～12h，更优选为5～10h。
[0037]
完成所述聚合反应后，本发明优选将所得产物依次进行洗脱和干燥，得到磁性核壳分子印迹材料(fe3o4@mips)；所述洗脱所用试剂优选为甲醇和乙酸混合液；所述甲醇和乙酸的体积比优选为(6～9):(1～4)，更优选为7:3，所述洗脱的时间优选为2～4h；本发明通过洗脱去除模板分子、未反应的功能单体maa和交联剂。本发明对所述干燥的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
[0038]
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的磁性核壳分子印迹材料。
[0039]
本发明提供了上述技术方案所述磁性核壳分子印迹材料在检测污水中氯胺酮中
的应用。
[0040]
本发明提供了一种磁性分子印迹电化学传感器，包括玻碳电极和负载于所述玻碳电极表面的磁性核壳分子印迹材料；所述磁性核壳分子印迹材料为上述技术方案所述磁性核壳分子印迹材料。本发明对所述玻碳电极没有特殊的限定，本领域熟知的市售玻碳电极均可。
[0041]
在本发明中，所述磁性分子印迹电化学传感器的制备方法优选包括：将所述磁性核壳分子印迹材料的分散液负载于玻碳电极，得到磁性分子印迹电化学传感器。
[0042]
在本发明中，所述磁性核壳分子印迹材料的分散液所用分散剂优选为水，所述分散液的制备过程优选为将磁性核壳分子印迹材料在水中超声分散20～50min，更优选为30min，得到分散液。在本发明中，所述磁性核壳分子印迹材料的水分散液的浓度优选为1mg/ml，所述磁性核壳分子印迹材料的水分散液在玻碳电极上的负载量优选为15μl。
[0043]
在本发明中，所述负载的过程优选为在玻碳电极(mgce)表面滴加所述分散液，复合10～20min，通过静电引力作用将磁性核壳分子印迹材料负载于玻碳电极表面。在本发明的实施例中，所述复合优选在红外光灯下进行。
[0044]
本发明提供上述技术方案所述磁性分子印迹电化学传感器在检测污水中氯胺酮中的应用。
[0045]
本发明提供了一种污水中氯胺酮的电化学检测方法，包括以下步骤：
[0046]
将氯胺酮甲醇溶液与磁性核壳分子印迹材料混合，进行吸附，测量吸附后所得上清液中氯胺酮的浓度，计算污水中氯胺酮的含量；所述磁性核壳分子印迹材料为上述技术方案所述磁性核壳分子印迹材料。
[0047]
本发明对所述氯胺酮甲醇溶液的浓度以及磁性核壳分子印迹材料的质量没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可。在本发明的实施例中，氯胺酮甲醇溶液为5ml系列浓度为(0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.12、0.15、0.18)mg
·
ml-1
的氯胺酮甲醇溶液；所述磁性核壳分子印迹材料的质量优选为5mg。
[0048]
在本发明中，所述吸附的温度优选为20～50℃，时间优选为2～4h，更优选为2.5h；所述吸附优选在恒温震荡器中进行。本发明对所述震荡的速率没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
[0049]
完成所述吸附后，本发明优选利用磁铁吸附所得产物中磁性分子印迹聚合物，取出上清液，测量上清液中氯胺酮的浓度，计算污水中氯胺酮的含量。本发明优选利用紫外光分光光度计测量上清液中氯胺酮的浓度；本发明对所述测量以及计算的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
[0050]
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
[0051]
实施例1
[0052]
将0.05mmol kt和0.2mmol maa溶于8ml甲醇中，超声30min，在室温圆底烧瓶中搅拌2h，向所得混合物中加入70mg fe3o4，在40℃搅拌1h，加入2.0mmol交联剂(egdma)和2mmol引发剂(aibn)，通n25 min，将所得混合物转移到内衬聚四氟乙烯的反应釜中，反应温度为
70℃，在常压微波反应器中反应2h，聚合后，用甲醇:乙酸(体积比为7:3)溶液洗脱2h，干燥过夜，得到核壳分子印迹材料，记为fe3o4@mips。
[0053]
对比例1
[0054]
与实施例1的区别仅在于：省略加入kt的过程，所制备的磁性材料记为fe3o4@nips。
[0055]
表征及性能测试
[0056]
1)对实施例1中fe3o4和fe3o4@mips进行tem测试，对实施例1中洗脱前后的fe3o4@mips进行sem测试，所得结果见图1；图1为fe3o4(a)和fe3o4@mips(b)的tem图以及洗脱前fe3o4@mips(c)和洗脱后fe3o4@mips(d)sem图。从图1中(a)可以看出，磁性fe3o4呈现均匀的球形颗粒，由图1中(b)可知，fe3o4@mips呈核壳结构，分子印迹聚合物均匀的将磁性fe3o4包裹在内部。由图1中(c)和(d)可知，洗脱前聚合物的表面较为均匀，将模板分子kt洗脱之后，在聚合物表面留下了粗糙的印迹孔穴。
[0057]
2)图2为实施例1中fe3o4(a)和fe3o4@mips(b)的磁滞回线，插图为没有外加磁场和有外加磁场时fe3o4@mips溶液的色散和分离情况。从图2看出，fe3o4的饱和磁化值大于fe3o4@mips，是因为在fe3o4@mips的外表包裹了一层印迹聚合物，导致它的磁化值降低。内插图表明聚合物材料能在30s内快速聚集在磁铁附近。
[0058]
3)配置5ml不同浓度kt的甲醇溶液((0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.12、0.15、0.18)mg
·
ml-1
)若干份，分别加入5mg实施例1制备的fe3o4@mips和对比例1制备的fe3o4@nips，所得混合物放置于25ml锥形瓶中，在恒温震荡器中震荡吸附150min，利用磁铁吸附所得产物中磁性分子印迹聚合物，取出上清液，利用紫外光分光光度计测量上清液中kt的浓度，得到kt的吸附动力学曲线。图3为25℃下，fe3o4@mips和fe3o4@nips对不同浓度的kt(0.01～0.18mg
·
ml-1
)的吸附等温曲线(a)、fe3o4@mips和fe3o4@nips的langmuir分析图(b)和freundlich分析图(c)；由图3中a可知，吸附剂对kt的吸附量为0.01～0.18mg
·
ml-1
。在此范围内，fe3o4@mips对kt的吸附量远远高于fe3o4@nips。随着kt浓度的增加，吸附容量增大。当浓度为0.18mg
·
ml-1
时，fe3o4@mips对kt的吸附量达到饱和，计算吸附量为33.95mg
·
g-1
,fe3o4@mips的吸附量为fe3o4@nips(13.9mg
·
g-1
)的2.44倍。这证明fe3o4@mips含有大量的特异性kt分子识别位点。kt在fe3o4@nips上的吸附主要归因于非特异性识别位点。
[0059]
为了了解kt在fe3o4@mips上的吸附机理，分别采用langmuir和freundlich等温吸附模型描述fe3o4@mips的吸附平衡。langmuir和freundlich吸附等温模型构建的等温曲线分别对应图3中(b)和(c)，参数见表1。
[0060]
表1 fe3o4@mips吸附kt的langmuir和freundlich等温吸附模型参数
[0061]
[0062]
表1中拟合曲线的相关系数表明，langmuir模型(r2＝0.97107)比freundlich模型(r2＝0.95029)更适合描述fe3o4@mips对kt的吸附。因此，fe3o4@mips对kt的吸附属于单分子吸附。结果表明，kt吸附在fe3o4@mips吸附剂表面均匀，吸附剂表面活性区的能量分布均匀。
[0063]
4)配置5ml浓度为0.07mg
·
ml-1
的kt甲醇溶液若干份，分别加入5mg实施例1制备的fe3o4@mips，所得混合物放置于25ml锥形瓶中，在恒温震荡器中震荡特定时间，利用磁铁吸附所得产物中磁性分子印迹聚合物，取出上清液，利用紫外光分光光度计在特定时间(25，50，75，100，125，150)min内采样测量上清液中kt的浓度，得到kt的吸附动力学曲线。图4为fe3o4@mips和fe3o4@nips(5mg)对5mlkt(0.07mg
·
ml-1
)在25℃下的吸附动力学曲线(a)、拟一阶图(b)和拟二阶图(c)；从图4中a可以看出，fe3o4@mips对kt的吸附量随时间增加，并在一定时间内趋于稳定。而fe3o4@nips对kt的吸附量增加不大，说明fe3o4@mips对kt的亲和力强于fe3o4@nips。fe3o4@mips对kt的吸附量在125min内达到吸附平衡。fe3o4@nips的变化趋势与fe3o4@mips大致相同。然而，由于fe3o4@nips表面没有与氯胺酮匹配的结构空腔，亲水性基团作用形成的非特异性结合点吸收kt，fe3o4@nips产生的平衡吸附量较小，能在短时间内达到饱和状态。
[0064]
为了分析fe3o4@mips的吸附动力学，采用准一级和准二级动力学模型拟合吸附数据，两种动力学模型的相关参数如表2所示。
[0065]
表2 fe3o4@mips/mgce吸附kt的动力学参数
[0066][0067][0068]
由表2可知，准二阶动力学模型(r2＝0.97859)的相关系数大于一阶动力学模型(r2＝0.9485)。同时，与准一级动力学的理论q
c1
(47.857mg
·
g-1
)相比，准二级动力学的理论q
c2
(24.096mg
·
g-1
)更接近实验值23.9mg
·
g-1
。显然，拟二阶动力学模型更适合描述kt的吸附。
[0069]
5)在25℃条件下，fe3o4@mips和fe3o4@nips作为吸附剂分别对kt以及干扰物nkt、mdma、ma、da、vc和ua进行吸附测定，吸附剂的用量为5mg，吸附时间为150min，kt以及干扰物甲醇溶液的浓度均为0.07mg
·
ml-1
，测试吸附剂对kt以及干扰物的吸附量，所得结果见图5中(a)，去甲氯胺酮(nkt)是kt的类似物，其分子结构与kt相似。由于fe3o4@mips内部存在形状、大小，官能团与模板分子kt相同的空腔，即存在与nkt结构相似的空腔，故fe3o4@mips对nkt的吸附量与对kt的类似。对于mdma、ma、da、vc和ua，fe3o4@mips和fe3o4@nips对其吸附容量相似，主要是fe3o4@mips对mdma、ma、da、vc、ua是非特异性结合位点，与fe3o4@nips的吸附原理相似。
[0070]
验证fe3o4@mips对kt的吸附重复性和稳定性：使用fe3o4@mips对kt进行洗脱-吸附循环实验，连续进行6次循环(n＝1、2、3、4、5、6)；，其中fe3o4@mips的用量为5mg，kt的甲醇溶
液的浓度为0.07mg
·
ml-1
，每次吸附时间为150min；吸附结束后采用紫外分光光度计记录平衡时上清液kt的浓度；然后使用甲醇:乙酸(体积比为9:1)混合液作为洗脱液对fe3o4@mips洗脱1h；在每个洗脱-吸附循环实验后重复测量fe3o4@mips对kt的吸附量，所得结果见图5中(b)。由图5中(b)可知，在六次的吸附循环实验后，fe3o4@mips的吸附效率仅降低了10.96％。吸附效率降低的原因可能是由于结合位点的分解或是堵塞。以上结果表明，本发明所制备的fe3o4@mips具有比较好的重复性。
[0071]
应用例1
[0072]
将实施例1制备的fe3o4@mips在去离子水中超声分散30min，得到分散液(1mg
·
ml-1
)，在抛光的玻碳电极表面滴入10μl分散液，在红外光灯下干燥15min，得到磁性分子印迹电化学传感(fe3o4@mips/mgce)。
[0073]
1)利用方波伏安法swv(电位范围为-0.2v～0.6v，振幅0.025v，频率为15hz)测量应用例1制备的fe3o4@mips/mgce对kt的电化学响应和校准曲线，溶液选择5.0mmol
·
l-1
k3[fe(cn)6](含0.1mol
·
l-1
kcl)溶液，将所制备的fe3o4@mips/mgce在不同浓度kt(mol
·
l-1
，kt的浓度分别为a:0，b:1
×
10-12
，c:6
×
10-12
，d:2
×
10-11
，e:4
×
10-10
，f:8
×
10-10
，g:2
×
10-9
，h:1
×
10-8
，i:1
×
10-7
，j:1
×
10-6
，k:1
×
10-5
，l:4
×
10-4
，对应曲线从上到下表示的浓度)中进行测试，所得结果见图6。
[0074]
如图6中a所示，峰值电流随kt浓度的增加而减小；由图6中b可知，峰值电流变化
△
i与kt浓度对数的线性范围为1
×
10-12
～4
×
10-4
mol l-1
。方程为δi＝3.88992lgc
kt
(μmol l-1
)+26.4674(r2＝0.99188)。δi＝i
0-ic，其中i0和ic分别为kt浓度为0和cμmol-1
时的电流。检出限(lod)按3sb/m计算为8
×
10-13
mol l-1
，其中sb为空白量的标准差，m为校准曲线的斜率；说明本发明的检测方法显示了相对较低的lod和较好的动态范围。
[0075]
2)将应用例1制备的fe3o4@mips/mgce用于生活污水(云南大学宿舍区南苑5号楼生活污水)中kt的检测：收集10ml生活污水，在4℃冰箱中保存24h，离心，取1ml上清液待用，然后用5.0mmol
·
l-1
k3[fe(cn)6](含0.1mol
·
l-1
kcl)将生活污水稀释5倍，进行电化学分析。使用标准添加方法将系列固定浓度的kt甲醇溶液(0.05μmol l-1
、0.25μmol l-1
、0.5μmol l-1
、1μmol l-1
和5μmol l-1
)添加到生活污水样品中测定kt的浓度，分析结果列于表3。
[0076]
表3 fe3o4@mips/mgce测定生活污水样品中kt含量(n＝3)
[0077]
[0078][0079]
由表3可知，回收率为98.4～110％，rsd《2.9％。结果表明，该传感器可用于实际水样中kt的可靠测定。
[0080]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。