本發(fā)明屬于分離與分析檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種巰基丁二酸修飾的納米金改性聚合物整體柱及其制備方法，及其用于毛細(xì)管微萃取與電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用對(duì)復(fù)雜樣品中的稀土元素進(jìn)行在線分析檢測(cè)。

背景技術(shù)：

稀土元素由于具有一些特殊的性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)(磁性材料、催化材料)、農(nóng)業(yè)(稀土微肥)及生物醫(yī)學(xué)(核磁共振造影劑)等領(lǐng)域，稀土元素的大量使用，會(huì)使其不可避免地釋放到環(huán)境中，通過(guò)在食物鏈中積累對(duì)生物體產(chǎn)生重要影響。研究表明，長(zhǎng)期攝入低劑量的稀土元素會(huì)引起腦部蓄積，誘發(fā)毒性效應(yīng)，使神經(jīng)受挫、智商降低；稀土元素也會(huì)影響生命體的代謝途徑和多種生物酶的活性，尤其是鑭和釓會(huì)阻塞細(xì)胞中鈣的離子通道；另外，稀土元素還會(huì)侵入生殖細(xì)胞，破壞人的生殖能力。因此，環(huán)境和人體中稀土元素的檢測(cè)具有重要意義。

電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-M S)由于具有靈敏度高、線性范圍寬和可多元素同時(shí)檢測(cè)等特點(diǎn)，被認(rèn)為是稀土元素分析的強(qiáng)大技術(shù)手段。但是，當(dāng)ICP-MS被用于實(shí)際樣品中稀土元素的直接分析時(shí)，會(huì)遇到樣品中稀土元素濃度過(guò)低(亞ng L^-1水平)以及樣品基質(zhì)復(fù)雜等問(wèn)題，從而會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，測(cè)定前常常需要輔以合適的樣品前處理技術(shù)，以達(dá)到凈化基質(zhì)、消除干擾、分離富集目標(biāo)分析物的目的。目前已用于稀土元素分離富集的樣品前處理技術(shù)有液相萃取、固相萃取和毛細(xì)管微萃取等。其中，液相萃取常常用到有機(jī)試劑，操作復(fù)雜，固相萃取雖然簡(jiǎn)便快速，避免使用有機(jī)試劑，但也存在消耗樣品量大、不利于自動(dòng)化等缺點(diǎn)，而毛細(xì)管微萃取具有吸附容量大、樣品消耗少、傳質(zhì)速度快和易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

納米粒子由于粒徑小、比表面積大，具有量子效應(yīng)和表面效應(yīng)等許多特殊性質(zhì)，在毛細(xì)管整體柱改性方面具有很大的應(yīng)用潛力。利用納米粒子改性整體柱可以增加其機(jī)械強(qiáng)度，提高對(duì)目標(biāo)分析物的選擇性，增加吸附容量，擴(kuò)大整體柱的使用范圍等。納米粒子的種類包括：碳納米材料、SiO₂納米材料、金屬及金屬氧化物納米材料、聚合物納米材料等。其中，納米金由于能夠與巰基和氨基形成共價(jià)鍵，因此可以通過(guò)巰基或氨基將納米金牢牢結(jié)合到整體柱表面，然后再對(duì)納米金進(jìn)行不同的功能基修飾，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)分析物的萃取。目前納米金改性的整體柱已經(jīng)被用于生物樣品中多肽及蛋白質(zhì)等生物大分子的分離，但是在無(wú)機(jī)金屬離子的分離檢測(cè)方面的應(yīng)用非常少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是制備一種可用于稀土元素分離富集的納米金改性的聚合物整體柱，建立聚合物整體柱毛細(xì)管微萃取(monolithic CME)與電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)在線聯(lián)用分析復(fù)雜樣品中稀土元素的新方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)海水和人全血中稀土元素的在線分析，并顯著地提高了整體柱對(duì)稀土元素的吸附容量，該方法具有高靈敏度、高樣品通量、低樣品消耗以及較寬的pH適用范圍和較強(qiáng)的抗基體干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，適合于微量復(fù)雜基體樣品中痕量/超痕量稀土元素的分析。

本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種巰基丁二酸修飾的納米金改性聚合物整體柱的制備方法，包括以下步驟：

(1)依次采用水、NaOH、水、HCl、水和WD-70對(duì)毛細(xì)管進(jìn)行活化；

(2)將甲基丙烯酸縮水甘油酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、環(huán)己醇、十二醇和偶氮二異丁腈混合后超聲，然后注入步驟(1)活化好的毛細(xì)管中，用硅膠墊將毛細(xì)管兩端密封，然后在60℃反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后，用乙醇沖洗未反應(yīng)的單體和致孔劑，得到聚合物整體柱；

(3)依次采用胱胺二鹽酸鹽、丙胺和二硫蘇糖醇對(duì)步驟(2)制備好的聚合物整體柱進(jìn)行改性；

(4)向步驟(3)改性好的聚合物整體柱中通入納米金溶液直至整根柱子變成紅色、流出液呈現(xiàn)粉紅色為止；

(5)用巰基丁二酸溶液沖洗步驟(4)得到的整體柱以獲得表面富含羧基的整體柱，然后用高純水沖洗，即得到巰基丁二酸修飾的納米金改性聚合物整體柱，即poly(GMA-EDMA-AuNPs-MSA)整體柱。

步驟(1)具體為：依次用超純水、1.0mol·L^-1的NaOH溶液、超純水、1.0mol·L^-1的HCl溶液、超純水對(duì)毛細(xì)管進(jìn)行沖洗，然后用氬氣吹干；將體積比為1:1的WD-70與乙醇的混合溶液沖至毛細(xì)管內(nèi)，兩端用硅膠封住，置于70℃烘箱內(nèi)反應(yīng)，然后用乙醇將毛細(xì)管內(nèi)未反應(yīng)的試劑沖洗出來(lái)，再用氬氣將毛細(xì)管吹干備用。

步驟(1)中，所述毛細(xì)管為20cm×530μm的熔融石英毛細(xì)管，依次用超純水沖洗10min、1.0mol·L^-1的NaOH溶液沖洗2h、超純水沖洗30min、1.0mol·L^-1的HCl溶液沖洗2h、超純水沖洗30min，烘箱內(nèi)反應(yīng)的時(shí)間為12h。

步驟(3)具體為：首先用pH＝9的胱胺二鹽酸鹽溶液沖洗步驟(2)制備成的聚合物整體柱，然后用硅膠墊將柱子兩端封住，置于50℃的水浴鍋中反應(yīng)；重復(fù)以上操作兩次；然后用高純水沖洗整體柱，再用pH＝11的丙胺溶液沖洗整體柱，硅膠墊封住柱子兩端后置于50℃的水浴鍋中反應(yīng)；最后用pH＝9的二硫蘇糖醇溶液沖洗整體柱，使二硫鍵斷裂，得到巰基衍生化的整體柱。

所述的巰基丁二酸修飾的納米金改性聚合物整體柱中納米金的粒徑為13nm。

一種巰基丁二酸修飾的納米金改性聚合物整體柱，由上述制備方法制備得到。

上述巰基丁二酸修飾的納米金改性聚合物整體柱用于稀土元素的富集和檢測(cè)。

一種利用上述巰基丁二酸修飾的納米金改性聚合物整體柱對(duì)稀土元素進(jìn)行分析檢測(cè)的方法，包括以下步驟：

(1)將含有待測(cè)稀土元素的樣品溶液pH調(diào)節(jié)至5，通入巰基丁二酸修飾的納米金改性聚合物整體柱，然后通入HNO₃溶液進(jìn)行解吸，解吸液通過(guò)流動(dòng)注射儀在線泵入ICP-MS進(jìn)行測(cè)定；

(2)將未加入待測(cè)元素的高純水按步驟(1)操作，并用ICP-MS進(jìn)行測(cè)定，所得信號(hào)值作為空白值。

所述的樣品溶液為海水或人全血消解液。

本發(fā)明采用化學(xué)改性制備了納米金修飾的poly(GMA-EDMA)整體柱，并以納米金為中間配體，在其表面修飾對(duì)稀土元素具有親和性的巰基丁二酸，由于納米金具有較大的比表面積，可以顯著增加整體柱表面的功能基含量，從而提高整體柱的吸附容量，該整體柱具有制備重現(xiàn)性良好、耐基質(zhì)干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。將該聚合物毛細(xì)管整體柱微萃取與ICP-MS聯(lián)用，可實(shí)現(xiàn)海水樣品中稀土元素的直接分離富集檢測(cè)，以及人全血消解之后的檢測(cè)。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果：

基于本發(fā)明制備的納米金修飾的聚合物整體柱毛細(xì)管對(duì)稀土元素的良好吸附性能，提出了poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱毛細(xì)管微萃取與電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用分析復(fù)雜基質(zhì)樣品中稀土元素的新方法，該方法可實(shí)現(xiàn)海水(無(wú)需消解)和人全血(消解之后)中稀土元素的在線分析，與未經(jīng)納米金改性的整體柱相比，吸附容量提高了3-6.5倍，抗基體干擾能力強(qiáng)、靈敏度高和較寬的pH適用范圍等優(yōu)點(diǎn)，適合于微量復(fù)雜基體樣品中痕量/超痕量稀土元素的分析。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1所制備的poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱的掃描電鏡(SEM)圖(500μm)。

圖2為實(shí)施例1所制備的poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱的掃描電鏡(SEM)圖(200μm)。

圖3為實(shí)施例1所制備的poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱的掃描電鏡(SEM)圖(100nm)。

圖4為實(shí)施例1所制備的poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱的掃描電鏡(SEM)圖(100nm)。

圖5為實(shí)施例1所制備的poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱的X射線能譜(EDS)圖。

圖6-圖9為實(shí)施例1所制備的poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱用于毛細(xì)管微萃取的條件優(yōu)化圖；其中，圖6為樣品溶液pH值的優(yōu)化圖，圖7為樣品溶液流速的優(yōu)化圖，圖8為洗脫液中硝酸濃度的優(yōu)化圖，圖9為進(jìn)樣體積的優(yōu)化圖。

圖10為實(shí)施例1所制備的poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱用于毛細(xì)管微萃取時(shí)對(duì)腐殖酸的耐干擾情況圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但這些實(shí)施例僅限于說(shuō)明本發(fā)明，并不能限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1：巰基丁二酸修飾的納米金改性的毛細(xì)管整體柱的制備

(1)毛細(xì)管的預(yù)活化過(guò)程：選用熔融石英毛細(xì)管(20cm×530μm)，依次用超純水沖洗10min、1.0mol·L^-1的NaOH溶液沖洗2h、超純水沖洗30min、1.0mol·L^-1HCl溶液沖洗2h、超純水沖洗30min至中性，然后用氮?dú)獯蹈?。將WD-70與乙醇的混合溶液(體積比為1:1)沖入毛細(xì)管內(nèi)，兩端用硅膠墊封住，置于70℃烘箱內(nèi)反應(yīng)12h，然后用乙醇將毛細(xì)管中未反應(yīng)的試劑沖出來(lái)，再用氬氣將毛細(xì)管內(nèi)部吹干備用。

(2)poly(GMA-EDMA)整體柱的制備：采用熱引發(fā)原位聚合法合成整體柱，將140mg的GMA、120mg的EDMA、0.66mL的環(huán)己醇、0.09mL的十二醇和1％的AIBN混合，超聲10min后，注入步驟(1)活化好的毛細(xì)管中，然后用硅膠墊將毛細(xì)管兩端密封，在60℃反應(yīng)12h，待反應(yīng)結(jié)束后，用乙醇沖洗掉未反應(yīng)的單體和致孔劑；

(3)整體柱表面修飾納米金：配制濃度為1.0mol·L^-1的胱胺二鹽酸鹽溶液并用NaOH水溶液調(diào)節(jié)pH至9，在室溫下將該溶液以5μL·min^-1的流速?zèng)_洗步驟(2)中制備好的poly(GMA-EDMA)整體柱1h，然后用硅膠墊將柱子兩端封住，置于50℃的水浴鍋反應(yīng)1h。上述修飾過(guò)程要重復(fù)兩次以獲得最大的轉(zhuǎn)化率，之后用高純水沖洗整體柱至中性。再配制濃度為1.0mol·L^-1的丙胺溶液并用鹽酸水溶液調(diào)pH至11，以5μL·min^-1的流速?zèng)_洗整體柱1h，硅膠封住兩端后，仍置于50℃水浴鍋反應(yīng)1h，以與整體柱內(nèi)剩余的環(huán)氧基進(jìn)行反應(yīng)。然后配制0.2mol·L^-1DTT并用氫氧化鈉水溶液調(diào)pH至9，在室溫下以3μL·min^-1流速?zèng)_洗整體柱2h，使得二硫鍵斷裂，獲得巰基衍生化的毛細(xì)管整體柱，之后用高純水將整體柱沖洗至中性，再將納米金溶液通過(guò)富含巰基的整體柱材料，直到流出液變成粉紅色為止。

(4)巰基丁二酸修飾的納米金改性整體柱的制備：將濃度為50mmol·L^-1的巰基丁二酸溶液以0.1mL·min^-1的速度緩慢流過(guò)實(shí)施例3中得到的整體柱以獲得poly(GMA-co-EDMA-AuNPs-MSA)，將制備好的整體柱兩端各截去長(zhǎng)約2-3cm有較大死體積的部分，然后將其均勻切成2cm長(zhǎng)的整體柱，備用。

所制備的poly(GMA-co-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱的掃描電鏡圖如圖1-4所示，由圖1和圖2可以看出，柱床結(jié)構(gòu)均勻，與毛細(xì)管壁結(jié)合緊密，沒(méi)有脫壁現(xiàn)象，毛細(xì)管整體柱由大小均勻的微球以及相互貫穿的通孔組成，保證了良好的滲透性；放大80000倍時(shí)(如圖3所示)，可以看到納米金顆粒均勻地分散在整體柱表面，沒(méi)有團(tuán)聚現(xiàn)象，說(shuō)明納米金改性成功；圖4是納米金改性前的整體柱表面，上面沒(méi)有顆粒狀物質(zhì)。

所制備的所制備的poly(GMA-co-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱Au含量采用EDS元素分析法測(cè)得Au的質(zhì)量百分比為29.61％(如圖5所示)，進(jìn)一步說(shuō)明納米金成功鍵合到整體柱上。

實(shí)施例2:poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱在稀土元素檢測(cè)上的應(yīng)用

將實(shí)施例1制備的poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱用于毛細(xì)管微萃取與ICP-MS聯(lián)用建立monolithic CME-ICP-MS檢測(cè)稀土元素的方法

1)首先對(duì)毛細(xì)管微萃取的條件進(jìn)行優(yōu)化，如圖6-圖9所示，采用單一變量法逐一優(yōu)化毛細(xì)管微萃取的條件，最后確定的最優(yōu)條件為樣品溶液pH值為5，上樣流速為0.1mL·min^-1，樣品體積為0.5mL，洗脫劑為HNO₃，洗脫劑濃度和體積分別為0.5mol·L^-1、0.02mL。

2)在最優(yōu)條件下對(duì)常見(jiàn)干擾離子(如表1)和腐殖酸(圖10)對(duì)稀土元素富集和檢測(cè)的影響進(jìn)行了考察，結(jié)果表明，該方法在進(jìn)行實(shí)際樣品分析時(shí)具有較好的選擇性和分離基體的能力，可用于海水的直接分析以及消解后的人全血的分析。

表1納米金改性整體柱用于毛細(xì)管微萃取實(shí)驗(yàn)時(shí)共存離子的耐受濃度

3)對(duì)poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱的制備重現(xiàn)性和使用壽命進(jìn)行了考察。對(duì)整體柱的制備重現(xiàn)性進(jìn)行了考察，在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下考察了同一批次(n＝7)及不同批次(n＝7)制備的整體柱對(duì)目標(biāo)稀土元素的萃取回收率，并計(jì)算其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。同一批次內(nèi)RSD(n＝7)在3.4％(Nd)-5.2％(Lu)之間，不同批次的RSD(n＝7)在2.7％(Ho)-6.0％(Sm)之間。此外，用0.04mL 0.5mol·L^-1的硝酸以0.1mL·min^-1的流速?zèng)_洗柱床，即可實(shí)現(xiàn)整體柱的再生。在最優(yōu)條件下，該整體柱可重復(fù)使用165次以上而萃取效率沒(méi)有明顯下降。

4)為考察poly(GMA-EDMA-Au NPs-MSA)整體柱對(duì)稀土元素的吸附容量是否顯著提高，在最優(yōu)條件下對(duì)比了沒(méi)有納米金改性的整體柱poly(GMA-EDMA-IDA)和納米金改性的整體柱poly(GMA-EDMA-AuNPs-MSA)對(duì)稀土元素的吸附容量，對(duì)比結(jié)果如表2所示，由表中可以看出，納米金改性后的整體柱吸附容量增加了3-6.5倍，證明納米金確實(shí)起到了增多功能基的作用。

表2納米金改性前后整體柱對(duì)稀土元素的吸附容量對(duì)比

5)將本方法用于海水和健康人全血的分析，三次測(cè)量結(jié)果的平均值列于表3和表4中。分別對(duì)樣品進(jìn)行了低、中、高三個(gè)濃度水平的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，其加標(biāo)回收率在80-116％之間，表明本方法可以用于海水樣品和復(fù)雜生物樣品中痕量/超痕量稀土元素的分析。

表3海水中稀土元素的檢測(cè)結(jié)果和加標(biāo)回收結(jié)果

表4人全血中稀土元素的檢測(cè)結(jié)果和加標(biāo)回收結(jié)果

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。