一种磁性蛋黄壳氮磷掺杂碳纳米笼材料的制备及其用于短裸甲藻毒素的检测

技术领域

本发明涉及一种基于MOF衍生的磁性蛋黄壳氮磷掺杂碳纳米笼材料的制备方法及其用于海水中短裸甲藻毒素的检测。

背景技术

蓝藻是一种广泛分布的光能自养型微生物，其在繁殖过程中或即将死亡时会释放出一种化学物质藻毒素，对水生生物和哺乳动物产生威胁。藻毒素是有害蓝藻水华爆发中出现频率最高，造成危害最严重的污染物。水体中藻毒素检测的方法主要是高效液相色谱法和液相色谱-质谱联用法。高效液相色谱法灵敏度较低，测定时需对大体积水样进行富集。液相色谱-质谱联用法具有较高的灵敏度，是目前藻毒素最常用的检测方法。但随着藻毒素污染范围的不断扩大，需要分析的实际样品种类越来越复杂，含量也越来越低，因此在仪器进样分析前，需要进行一定程度的样品前处理，以降低样品基质干扰，提高分析方法灵敏度，减少仪器污染，从而确保分析结果的可靠。

固相萃取是利用吸附材料对待测样品采用吸附、清洗、洗脱等过程进行选择性富集、分离、净化的前处理技术。由Waters Co于1978提出，其工作原理是吸附剂和被测物之间的相互作用。它高效、可靠、试剂消耗少等优点使得其在环境分析中得到了广泛的应用。但是，SPE萃取小柱存在易堵塞、操作过程复杂、耗时较长等缺点。因此，针对该缺陷，选用磁性功能粒子作为吸附剂的策略，省去离心、过滤等操作，可大大简化样品的预处理过程。

碳基纳米材料因其独特的化学和物理性质（包括高稳定性、良好的机械强度）在分析检测应用中显示出巨大的潜力。然而，碳材料的疏水性和缺乏活性位点限制其吸附应用。本发明旨在建立一种复杂基质中痕量短裸甲藻毒素的前处理检测方法。以ZIF-67为自牺牲模板，以天然环保的植酸作为保护刻蚀剂及磷源，绿色可控的设计了一种蛋黄壳结构的氮磷掺杂碳纳米笼材料。本发明所得材料具备独特的分层多孔结构、高稳定性、强磁性、吸附性能良好。氮磷元素的掺杂不仅使材料拥有大量的吸附位点，而且改善了碳材料的表面疏水性，有利于提高在复杂基质中痕量藻毒素的富集萃取。因此，将材料用于复杂实际样品中短裸甲藻毒素的前处理过程，是可靠、有效的。

发明内容

本发明通过煅烧法简单合成了一种磁性蛋黄壳结构氮磷掺杂碳纳米笼吸附剂材料（yolk-shell-structured nitrogen and phosphorus codoped carbon nanocages，Y-N,P-CNCs）。蛋黄壳结构的磁性氮磷掺杂碳纳米笼作为吸附材料不仅具有高的比表面积，而且氮磷元素的掺杂使其拥有大量的吸附位点，并且提高其在水中的分散性。蛋黄壳结构使其具备独特的分层多孔结构，大大减少目标物与吸附剂的传质距离。同时，其强的磁响应有利于该吸附剂材料在吸附解析过程中实现快速简便的固液分离。结合MSPE-HPLC-MS/MS，将所制得的磁性蛋黄壳结构氮磷掺杂碳纳米笼材料应用于海水中短裸甲藻毒素的吸附富集，在最优条件下对短裸甲藻毒素进行了有效吸附，所建立的检测方法检测限低、线性范围宽。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

1 一种Y-N,P-CNCs材料的合成方法，其包括如下步骤：

1.1 ZIF-67的制备

1.1.1 称取3.2 g 2-甲基咪唑溶于70 mL甲醇中，超声充分溶解；再另取1.4 g Co(NO

1.1.2 反应完成后，将所得产物用甲醇离心洗涤至无色，离心洗涤转速为8000rpm，时间为5 min。所得产物在60 ℃条件下干燥12 h，得到了ZIF-67。

1.2. Y-ZIF67@CoPA的制备

1.2.1 称取0.3 g-0.5 g上述制得的ZIF-67粉末及0.3 g-0.5 g的聚乙烯吡咯烷酮，溶入300 mL-500 mL的甲醇，搅拌中加入400 mL的0.5-2.0 mM的植酸溶液，常温搅拌反应1 h。

1.2.2 反应完成后，将溶液转移至离心管中，用甲醇离心洗涤至中性，离心洗涤转速为5000 rpm，时间为5 min。

1.2.3 离心洗涤完成后，将所得产物在60 ℃干燥12 h，得到Y-ZIF67@CoPA材料。

1.3蛋黄壳磁性氮磷掺杂碳纳米笼( Y-N,P-CNCs )的制备

1.3.1 称取2.0 g上述制得Y-ZIF67@CoPA粉末，在通有Ar/H

2 将所得的Y-N,P-CNCs材料用做磁性固相萃取（MSPE）吸附剂材料，结合HPLC-MS/MS，检测海水短裸甲藻毒素的含量。具体步骤如下：

2.1 将 20 mL 标准水溶液（250 pg/mL）或样品溶液加入 50 mL 离心管中。然后，取 0.5 mg 磁性 Y-N,P-CNCs 粉末分散到 20 mL 制备的溶液中。

2.2 为了促进短裸甲藻毒素吸附到吸附剂上，使用震荡将混合物吸附10 min。接下来，在外部磁场的帮助下分离以收集吸附剂，并弃去上清液。

2.3 用 3 mL 乙酸乙酯/乙腈（80%/20%，v/v）在涡旋下 15 min，将分析物从吸附剂中解吸，并通过磁分离收集洗脱液。收集的洗脱液在室温下用氮气干燥，并用 0.5 mL 甲醇复溶，用于 HPLC-MS/MS 分析。

本发明的优点是：

1）本发明方法操作简便、反应绿色友好、成本低且反应产物稳定。制备的Y-N,P-CNCs具有较大的比表面积（72.93 m

2）本发明所得材料通过氮磷元素掺杂改善了常规碳材料的疏水性，增加材料的吸附活性位点，从而提高其在水中吸附性能。同时，所制备的材料具有优异的化学稳定性及机械稳定性，能够实现多次重复利用（每次使用后，吸附材料在甲醇中洗涤三次，然后在真空下干燥。经过10次提取和再利用循环后，回收率高达86%）。蛋黄壳结构其具备独特的分层多孔结构，大大减少目标物与吸附剂的传质距离。

3）本发明所制备的磁性氮磷掺杂碳纳米笼为蛋黄壳结构（外部的壳为钴磷化合物，内部蛋黄为金属钴与氮掺杂的碳纳米材料的复合物），可以提供大的比表面积，以及其分级孔的纳米结构设计有利于暴露更多的活性位点和缩短目标物传质距离。此外，氮磷杂原子的掺杂可改善碳材料的疏水性和提供更多的活性位点，提高吸附性能。碳化的主体结构拥有良好的化学稳定性，并与目标物的苯环之间形成强烈的π-π和疏水相互作用，在复杂基质的分离检测中拥有良好的应用前景。

附图说明

图1为Y-N,P-CNCs材料的透射电镜图；

图2为Y-N,P-CNCs材料应用于磁性固相萃取的短裸甲藻毒素的pH优化图；

图3为Y-N,P-CNCs材料应用于磁性固相萃取的短裸甲藻毒素的吸附剂用量优化图；

图4为Y-N,P-CNCs材料应用于磁性固相萃取的短裸甲藻毒素的吸附时间优化图；

图5为Y-N,P-CNCs材料应用于磁性固相萃取的短裸甲藻毒素的解析液优化图；

图6为Y-N,P-CNCs材料应用于磁性固相萃取的短裸甲藻毒素的洗脱时间优化图；

图7为本发明所得Y-N,P-CNCs材料对短裸甲藻毒素萃取后进样的色谱图（a）和分别加入10 pg/mL (b)、50 pg/mL (c)、250 pg/mL (d) 短裸甲藻毒素标准品的色谱图；

图8为Y-N,P-CNCs材料对短裸甲藻毒素的循环使用性能；

图9为Y-N,P-CNCs材料和CNCs材料的吸附等温曲线。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明进一步详细说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

一种磁性蛋黄壳结构氮磷掺杂碳纳米笼材料的合成方法，其包括以下步骤：

1) ZIF-67的制备

a)称取3.2 g 2-甲基咪唑溶于70 mL甲醇中，超声1 min充分溶解；再另取1.4 gCo(NO

b)反应完成后，将所得产物用甲醇离心洗涤至无色，离心洗涤转速为8000 rpm，时间为5 min。所得产物在60 ℃条件下干燥12 h，得到了ZIF-67。

2) Y-ZIF67@CoPA的制备

a)称取0.3 g上述制得的ZIF-67粉末及0.3 g的聚乙烯吡咯烷酮，溶入300 mL的甲醇，搅拌中加入400 mL的1.5 mM的植酸溶液，常温搅拌反应1 h。

b)反应完成后，将溶液转移至离心管中，用甲醇离心洗涤至中性，离心洗涤转速为5000 rpm，时间为5 min。

c)离心洗涤完成后，将所得产物在60 ℃干燥12 h，得到Y-ZIF67@CoPA材料。

3) 蛋黄壳磁性氮磷掺杂碳纳米笼( Y-N,P-CNCs )

a)称取2.0 g上述制得Y-ZIF67@CoPA粉末，在通有Ar/H

图1为Y-N,P-CNCs的 TEM (透射电子显微镜) 图，从图中可以清楚地看到材料的形态结构为蛋黄壳结构的碳纳米笼。

应用实例

将实施例1合成的材料作为磁性固相萃取材料，结合HPLC-MS/MS，应用于海水中的短裸甲藻毒素的萃取，在设定的色谱方法下，优化吸附剂用量、pH、萃取时间、解析液、解吸时间。为了获得最佳的提取效果，在20.0 mL 的 250 pg mL

在最优的条件下，对海水中的藻毒素进行检测。具体步骤如下：

1.将 20 mL 标准水溶液（250 pg/mL）或样品溶液加入 50 mL 离心管中。 然后，取 0.5 mg 磁性 Y-N,P-CNCs 粉末分散到 20 mL 制备的溶液中。

2.为了促进短裸甲藻毒素吸附到吸附剂上，使用震荡将混合物吸附10 min。 接下来，在外部磁场的帮助下分离以收集吸附剂，并弃去上清液。

3.用 3 mL 乙酸乙酯/乙腈（80%/20%，v/v）在涡旋下 15 min，将分析物从吸附剂中解吸，并通过磁分离收集洗脱液。收集的洗脱液在室温下用氮气干燥，并用 0.5 mL 甲醇复溶，用于 HPLC-MS/MS 分析。

4.色谱条件：流动相A（体积分数0.1%的甲酸和50 mM的甲酸铵水溶液）和B（纯甲醇）；在Hypersil GOLD色谱柱（5 μm粒径，150×2.1mm）上用5%的 A 相和95%的B 相进行等度洗脱，流速为200 μL min

5.在最优的条件下，对方法进行线性范围、检测线、灵敏度等的考察。

所得方法具有线性范围宽 (5.0-1000.0 pg·mL

图7：该材料进行萃取并通过加标实验进行验证。该方法的加标回收率为 83.5 -105.4%，说明方法准确性良好，重现性佳。其中海水加标样品的典型色谱图如图7所示。

图8：对制备的Y-N,P-CNCs材料进行了循环使用次数的实验。在最佳MSPE条件下，经过10次的循环使用，回收率高达86%。结果表明，磁性Y-N,P-CNCs是非常稳定和可回收的。

如图9 所示， Y-N,P-CNCs材料和CNC材料对BTX-1的最大吸附量分别为412.5和228.8 ug g

氮磷元素掺杂提高了材料的亲水性，有利于材料分散在水介质中，与目标物更好的接触。同时蛋黄壳结构其具备独特的分层多孔结构，大大减少目标物与吸附剂的传质距离。这些特质使得对 BTX-1 的吸附动力学曲线中，所开发的Y-N,P-CNCs材料在10 min 内就达到了吸附平衡，而传统的CNCs材料需20 min才能达到吸附平衡，证明 Y-N,P-CNCs 材料可实现快速吸附。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。