一种毒品检测磁性纳米材料及制备方法和应用与流程

1.本发明属于磁固相萃取材料，尤其涉及一种用于检测污水中苯丙胺类毒品及其代谢物的磁性纳米材料及制备方法。


背景技术：

2.污水分析法也称污水流行病学，该方法在应用至地区毒品滥用评估时可通过测定生活污水中毒品原形或代谢物以推算污水厂覆盖人群的特定时间的平均毒品消耗量；也可通过对污水管网或地区河道中定点采样实时追查吸毒人员或制毒窝点。相比于传统毒品追踪的问卷调查法和社会流行病学分析法，污水流行病学作为一种新颖的毒情分析方法，不仅能够提供更加准确、持续、真实的毒品消耗量信息，更有可能实现对地区毒情的实时评估。
3.目前，用于污水中毒品富集的前处理方法包括液液萃取法和固相萃取法，液液萃取法在操作过程中需要大量使用挥发性的有机溶剂，会对环境及实验人员造成极大的危害；固相萃取法虽已大量报道用于毒品富集，然而用于固相萃取法的检测材料存在富集能力较弱，导致检测灵敏度低的问题，且在实际操作过程中还存在萃取过程耗时、对实验人员专业要求高以及需配备特殊装置等缺点，因此该方法无法大规模推广。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的第一目的是提供一种富集能力强、检测灵敏度高的毒品检测磁性纳米材料；本发明的第二目的在于提供上述磁性纳米材料的制备方法；本发明的第三目的在于提供上述毒品检测磁性纳米材料在污水中作为苯丙胺类毒品及其代谢物检测材料中的应用。
5.技术方案：本发明的一种毒品检测磁性纳米材料，所述磁性纳米材料为fe3o4@nsio2@msio2@pda；其中，fe3o4位于核心，fe3o4外层包裹nsio2组成核壳层，核壳层外部包裹msio2作为介孔层，介孔层外部包裹pda作为负载层。
6.进一步的。所述磁性纳米材料呈圆球形，直径为500～550nm；其中，核壳层的直径为450～480nm，介孔层的厚度为50～80nm。
7.本发明还保护所述的毒品检测磁性纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)制备fe3o4纳米粒；
9.(2)将fe3o4纳米粒超声分散于乙醇中，加入去离子水和浓氨水后，滴加正硅酸丁酯，继续搅拌，用磁铁分离得到fe3o4@nsio2纳米粒，洗涤，真空干燥后备用；
10.(3)将fe3o4@nsio2纳米粒和模板剂混合并超声分散于去离子水和三乙醇胺，机械搅拌后，加入含有正硅酸乙酯和异丙醇的环己烷溶液，搅拌反应后，磁铁分离颗粒，洗涤后，用含硝酸的乙醇溶液回流反应去除模板剂，得到fe3o4@nsio2@msio2纳米粒，真空干燥后备用；
11.(4)将fe3o4@nsio2@msio2纳米粒分散在乙醇和tris缓冲液中，滴加含有盐酸多巴
胺的去离子水溶液，机械搅拌反应后，真空干燥，磁铁分离得到fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料。
12.进一步的，所述步骤(2)中，fe3o4纳米粒与正硅酸丁酯的用量比为100mg：200～2000μl。
13.进一步的，所述步骤(3)中，fe3o4@nsio2纳米粒、模板剂和环己烷溶液的用量比为100mg：1.5～15g：10～100ml；其中，所述模板剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵或十六烷基三甲基碘化铵中的任一种。
14.进一步的，所述步骤(4)中，fe3o4@nsio2@msio2纳米粒和盐酸多巴胺的质量比为100：50～500。
15.本发明还进一步保护所述的毒品检测磁性纳米材料在污水中作为苯丙胺类毒品及其代谢物检测材料的应用。
16.进一步的，包括以下步骤：将生活污水调节ph至10～12，然后加入内标工作液和fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料，超声分散，振摇萃取，磁铁分离，洗脱液洗脱，氮气吹干，复溶液复溶得进样液；将进样液注入lc
‑
ms/ms中进行检测。
17.进一步的，每50ml的生活污水中，添加10～200mg的fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料。
18.进一步的，所述洗脱液采用含甲酸的乙腈溶液，其中，甲酸的体积分数为5～8％，采用的洗脱液体积为1～20ml，洗脱时间为0.5～15min。
19.本发明制备的磁性纳米材料fe3o4@nsio2@msio2@pda，同时具备核壳和介孔结构；其中采用表面包覆二氧化硅的四氧化三铁作为核壳层，一方面四氧化三铁提供的磁性方便纳米颗粒在制备和应用过程中的分离收集，另一方面表面的二氧化硅可以起到保护四氧化三铁的作用，达到避免四氧化三铁被氧化而使磁球磁性下降的效果；进一步，在核壳层表面包覆介孔二氧化硅层，介孔结构能够极大地提高纳米颗粒的比表面积，提供更多的吸附位点；在吸附相同量化合物的时候，介孔结构的引入能够有效地降低材料的使用量。
20.本发明的具体应用过程中，将fe3o4@nsio2@msio2@pda直接置于生活污水中进行苯丙胺类毒品的吸附，一方面材料为纳米尺度，其在水中分散较为均匀，增加了材料与水中目标被吸附物质的接触；另外，由于介孔层表面负载了聚多巴胺，聚多巴胺中的残余的酚羟基和氨基既可以增强材料在水中的浸润性，又可以通过π
‑
π和氢键相互作用吸附具有芳香环的化合物，比如苯丙胺类毒品。因富集毒品范围的限制，本发明的fe3o4@nsio2@msio2@pda纳米材料适合吸附生活污水中广泛存在的苯丙胺类毒品，与传统的吸附材料相比，萃取速度更快。
21.有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明制备的fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料，具有吸附量大和可多次重复使用的性能优势，整体制备工艺简单，操作要求低；所得材料通过磁固相萃取和液质联用的检测方式，可以大幅提升检测灵敏度，测定的如甲基苯丙胺等物质的结果与商品化固相萃取柱进行富集的分析方法所得结果一致，本发明的材料和测试过程可替代现有检测材料和方法，易于大规模推广，具有重大的实际应用价值。
附图说明
22.图1为实施例1制备的fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料的电镜表征图；
23.图2为实施例1制备的fe3o4磁球、fe3o4@nsio2@msio2和fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料的ft
‑
ir表征图；
24.图3为fe3o4@nsio2@msio2@pda的磁滞回归曲线图；
25.图4为5种苯丙胺类毒品的mspe
‑
lc
‑
ms/ms的检测结果图；
26.图5为样品液ph值对磁固相萃取吸附的影响；
27.图6为fe3o4@nsio2@msio2@pda用量对磁固相萃取吸附的影响；
28.图7为吸附时间对磁固相萃取吸附的影响；
29.图8为磁固相萃取洗脱步骤中洗脱溶剂的筛选结果图；
30.图9为磁固相萃取洗脱步骤中洗脱液体积的筛选结果图；
31.图10为磁固相萃取洗脱步骤中洗脱时间的筛选结果图；
32.图11为检测样品中无机离子浓度对磁固相萃取的影响；
33.图12为检测样品中sds浓度对磁固相萃取的影响；
34.图13为fe3o4@nsio2@msio2@pda的重复使用性考察。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
36.实施例1
37.fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料的制备
38.第一步、将4.05g fecl3·
6h2o、11.56g乙酸铵、1.12g二水合柠檬酸溶于210ml乙二醇中，170℃剧烈搅拌1h，将反应后的溶液转移到衬有特氟龙的不锈钢高压釜中，200℃反应16h，高压釜自然冷却至室温后，将合成得到的黑色纳米fe3o4粒子用乙醇和去离子水交替洗涤3次，在60℃真空烘箱中干燥，备用。
39.第二步、称取100mg合成的fe3o4纳米颗粒，将其均匀分散在60ml乙醇中，加入25ml去离子水和3.125ml质量浓度为28％的浓氨水溶液，超声30min后室温搅拌15min，滴加400μl的正硅酸丁酯(tbos)后继续搅拌12h，反应结束，磁铁分离收集合成得到的fe3o4@nsio2纳米粒，乙醇和去离子水交替洗涤3次，50℃真空干燥过夜，备用。
40.第三步、称取100mg合成得到的fe3o4@nsio2纳米粒和3.0g的十六烷基三甲基溴化铵(ctab)，超声分散于60ml去离子水和0.18ml三乙醇胺(tea)中，60℃机械搅拌1h，加入20ml含有质量浓度5％的正硅酸乙酯(teos)和质量浓度2.5％异丙醇混合物的环己烷溶液，在60℃搅拌12h，磁铁分离得到磁性固体产物，乙醇和去离子水洗涤3次，将所得磁性固体产物用硝酸/乙醇溶液在75℃下萃取回流8h，共回流3次，磁铁分离合成得到的fe3o4@nsio2@msio2纳米粒，50℃真空干燥后，备用。
41.第四步、将fe3o4@nsio2@msio2纳米粒100mg超声分散在20ml乙醇和20ml 10mm tris缓冲液(ph＝8.5)混合溶液中，滴加含有100mg盐酸多巴胺的去离子水60ml，室温搅拌5h后，磁铁分离磁纳米粒，50℃真空干燥后即得终产物fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料。
42.对制备的fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料进行表征。
43.通过扫描电子显微镜(sem)和透射电子显微镜(tem)表征了fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米颗粒的表面形貌和尺寸，分别参见图1中(a)和图1中(b)。用傅里叶红外(ft
‑
ir)表征证明了fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米颗粒含有二氧化硅和pda的成分，参见图2。fe3o4@nsio2@msio2@pda纳米粒子磁强度通过磁滞回归曲线进行考察，结果如图3所示。
44.sem和tem表征结果显示fe3o4@nsio2@msio2@pda纳米粒子均呈圆球形，fe3o4磁球直径大约在400nm左右，纳米粒子直径大约为500nm。tem呈现明显的核壳和介孔结构，核壳层和介孔层厚度均在70nm左右，pda包裹未明显增加厚度，但从sem图中均可以观察到少量的突起，可能是pda的聚集导致。根据fe3o4磁球和fe3o4@nsio2@msio2磁性核壳介孔二氧化硅和fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米颗粒的ft
‑
ir对比图，其中三种材料均显示了在552cm
‑1处fe3o4磁球的fe
‑
o
‑
fe振动峰，而3400和1600cm
‑1附近的峰为材料可能含有一定吸附水；相较于磁球，磁性介孔二氧化硅增加了1100cm
‑1附近的峰，该峰为si
‑
o
‑
si的伸缩振动峰，表明二氧化硅已成功键合在磁球表面；fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米颗粒红外图新增的2926cm
‑1为
‑
ch2的弯曲振动，新增的815，1503和1287cm
‑1以及有明显增长的1610和3345cm
‑1均与取代芳香环有关，另外3400cm
‑1附近的峰明显增大，表明有羟基和氨基存在。综合以上的结果，合成的fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米颗粒已成功在二氧化硅层表面键合有pda。
45.参见图3的磁滞回归曲线结果表明，fe3o4@nsio2@msio2@pda磁纳米粒呈现超顺磁性，饱和磁化强度约30emu/g。
46.实施例2
47.fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料的制备
48.第一步、将4.05g fecl3·
6h2o、11.56g乙酸铵、1.12g二水合柠檬酸溶于210ml乙二醇中，170℃剧烈搅拌1h，将反应后的溶液转移到衬有特氟龙的不锈钢高压釜中，200℃反应16h，高压釜自然冷却至室温后，将合成得到的黑色纳米fe3o4粒子用乙醇和去离子水交替洗涤3次，在60℃真空烘箱中干燥，备用。
49.第二步、称取100mg合成的fe3o4纳米颗粒，将其均匀分散在60ml乙醇中，加入25ml去离子水和3.125ml质量浓度为28％的浓氨水溶液，超声30min后室温搅拌15min，滴加200μl的正硅酸丁酯(tbos)后继续搅拌12h，反应结束，磁铁分离收集合成得到的fe3o4@nsio2纳米粒，乙醇和去离子水交替洗涤3次，50℃真空干燥过夜，备用。
50.第三步、称取100mg合成得到的fe3o4@nsio2纳米粒和1.5g的十六烷基三甲基溴化铵(ctab)，超声分散于60ml去离子水和0.18ml三乙醇胺(tea)中，60℃机械搅拌1h，加入10ml含有质量浓度5％的正硅酸乙酯(teos)和质量浓度2.5％异丙醇混合物的环己烷溶液，在60℃搅拌12h，磁铁分离得到磁性固体产物，乙醇和去离子水洗涤3次，将所得磁性固体产物用硝酸/乙醇溶液在75℃下萃取回流8h，共回流3次，磁铁分离合成得到的fe3o4@nsio2@msio2纳米粒，50℃真空干燥后，备用。
51.第四步、将fe3o4@nsio2@msio2纳米粒100mg超声分散在20ml乙醇和20ml 10mm tris缓冲液(ph＝8.5)混合溶液中，滴加含有50mg盐酸多巴胺的去离子水60ml，室温搅拌5h后，磁铁分离磁纳米粒，50℃真空干燥后即得终产物fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米颗粒。
52.实施例3
53.fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料的制备
54.第一步、将4.05g fecl3·
6h2o、11.56g乙酸铵、1.12g二水合柠檬酸溶于210ml乙二
quad lc
‑
ms质谱仪(美国agilent公司)分析。
68.液相色谱条件：色谱柱为agilent zorbax eclipse plus c
18
(50mm
×
2.1mm，1.8μm)；流动相a为0.1％甲酸水溶液，流动相b为乙腈；流速为0.3ml/min；柱温为40℃；进样体积为5μl；梯度洗脱程序如表1所示。
69.表1 色谱梯度洗脱程序
[0070][0071]
质谱条件：离子源为esi电喷雾离子源；正离子检测模式；毛细管电压为3.5kv；离子源温度为300℃；脱溶剂气温度为250℃；脱溶剂气流速为11l/min；锥孔反吹气流速为5l/min；脱溶剂气体为n2；碰撞气体为n2；扫描方式为mrm；根据质谱扫描结果确定各待测物的mrm监测通道具体见表2。
[0072]
表2 各待测物的mrm监测通道
[0073][0074]
[0075]
参见图4的色谱图，可知通过此方法可以对污水中的5种目标物(包括苯丙胺(amp)、甲基苯丙胺(mamp)、3,4
‑
亚甲双氧甲基苯丙胺(mdma)、3,4
‑
亚甲双氧苯丙胺(mda)和甲卡西酮(mc))进行检测。
[0076]
方法学验证
[0077]
方法学验证主要包括线性、准确度和精密度、基质效应和回收率。
[0078]
1.线性
[0079]
取步骤(1)所述的标准品储备液适量，加入到纯水中，分别配制成含amp、mamp、mdma、mda和mc的浓度为1、5、10、25、50、100、200、500ng/l的样品溶液(n＝2)，按步骤(2)和步骤(3)操作，以目标物峰面积与内标峰面积之比为横坐标(x)，目标物浓度与内标浓度之比为纵坐标(y)，用加权最小二乘法(权重系数：1/y2)进行线性回归运算，求得的线性回归方程，并计算相关系数(r)。结果如表3所示，r均大于0.99，线性数据符合要求。
[0080]
表3 mspe
‑
uplc
‑
ms/ms法测定各目标物的标准曲线
[0081][0082]
2.准确度和精密度
[0083]
对4个浓度点进行准确度和精密度检测(n＝6)，浓度包括1ng/l(定量下限)、10ng/l(低浓度质量控制)、50ng/l(中浓度质量控制)、200ng/l(高浓度质量控制)。准确度用误差表示，通过线性计算出实测浓度，比较实测浓度和添加浓度之间差值与添加浓度的百分比。精密度考察了重复试验后的变化，用相对标准偏差表示。试验结果如表4所示，各浓度准确度差值百分比均在
±
5％之内，精密度均在15％范围内，符合要求。
[0084]
表4 mspe
‑
uplc
‑
ms/ms法测定各目标物的准确度与精密度
[0085][0086]
3.基质效应和绝对回收率
[0087]
对3个浓度点进行基质效应和回收率考察(n＝6)，浓度包括10ng/l(低浓度质量控制)、50ng/l(中浓度质量控制)、200ng/l(高浓度质量控制)。基质效应的考察是通过分别将纯水和污水经磁固相萃取后，加入含有标准品的复溶液复溶，所得进样液经步骤(3)分析，对比目标物的峰面积；绝对回收率的考察是通过不同浓度加标污水样经步骤(2)提取后与对应浓度标准品溶液进行步骤(3)分析，对比目标物的峰面积。结果如表5所示，在不同考察浓度下，各化合物绝对回收率在20％
‑
50％之间，表明污水基质对材料吸附造成一定的影响；基质效应结果表明，所研究的5种化合物均表现为基质增强效应。
[0088]
表5 mspe
‑
uplc
‑
ms/ms法测定各目标物的绝对回收率
[0089][0090]
将本实施例6个污水厂的生活污水进行分析，检测其中的苯丙胺类毒品。同时，选用商品化固相萃取柱(oasis prime mcx固相萃取柱，60mg，美国waters公司)进行对比检测。
[0091]
参考现有方法，商品化固相萃取柱前处理方法设定为生活污水用盐酸调至ph＝2，然后用玻璃纤维滤纸过滤，取50ml滤液，加入工作内标溶液，充分振摇混合均匀；以4ml/min的速度进行萃取，萃取完成后先用甲醇4ml淋洗，后用含5％氨水的乙腈溶液4ml洗脱(流速1ml/min)，洗脱液用氮气吹干，复溶液涡旋复溶，离心得上清进样液。
[0092]
两种方法测得的甲基苯丙胺对比结果如表6所示，对比结果，本方法与现有技术的分析方法测得结果较为接近，其中，s1和s4的差值绝对值低于0.5，表明本发明可以替代已商品化的固相柱进行生活污水中苯丙胺类毒品的分析。
[0093]
表6 本实施例的纳米磁性材料与商品化固相萃取柱测得甲基苯丙胺结果
[0094][0095]
实施例5
[0096]
污水溶液ph值的影响
[0097]
采用实施例1制备的fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米材料，具体的处理过程同实施例的步骤(2)，不同之处在于污水溶液ph值不同。
[0098]
在污水中吸附苯丙胺类毒品，溶液的ph值是影响吸附效果的重要因素之一，这是
因为水溶液的ph值不仅会影响吸附剂表面官能团的状态，还会影响目标分子在溶液中的存在形式。因此，本实施例考察了在纯水的不同ph值(ph＝2
‑
12)中fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米颗粒对5种苯丙胺类毒品的吸附，结果如图5所示，结果表明在强酸性条件下(ph≤4)，本材料对5种毒品几乎无吸附，随着ph的增加(ph≥4)，fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米颗粒对5种毒品目标分析物的吸附能力逐渐增强，当ph＝11时，fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米颗粒的吸附达到最好的效果。因此，将污水溶液ph调节至11进行后续实验。
[0099]
实施例6
[0100]
材料用量和吸附时间的影响
[0101]
为研究不同材料用量对毒品吸附效果的影响，在含5种毒品10ng/ml的溶液(10ml)中分别加入了2、5、8、10、15和20mg进行吸附考察，如图6所示，随着材料用量的上升，吸附率逐渐升高，当材料用量达到1mg/ml时，吸附效率达到平衡。
[0102]
对吸附时间(5
‑
30min)进行了考察。如图7所示，在吸附时间5
‑
15min的时间内，吸附率略微上升，15min后吸附率一直保持恒定，表明5种苯丙胺类毒品可被所制备的fe3o4@nsio2@msio2@pda磁性纳米颗粒快速吸附。且在实验中，选择15min进行样品吸附。
[0103]
实施例7
[0104]
洗脱液类型、体积和洗脱时间的影响
[0105]
由图5的结果可知，苯丙胺类毒品化合物在酸性条件下无法吸附，代表其在酸性条件下能够被洗脱。因此，在酸性条件下，考察了不同含甲酸和不同极性的洗脱剂(水、甲醇和乙腈)对洗脱效果的影响，结果如图8所示，含乙腈较另外两种洗脱剂的洗脱能力更优。且含甲酸量为5％时，洗脱能力最强。因此。后续研究用含5％甲酸的乙腈溶液作为洗脱剂。
[0106]
洗脱液体积越大，洗脱效率越高，但为兼顾后续氮气吹干时间，应尽可能的选用最少的体积。考察了不同的洗脱剂体积(2
‑
10ml)对洗脱效果的影响，结果如图9所示，当洗脱液体积≥5ml时已达到洗脱平衡。因此实验中洗脱液的体积选择5ml。
[0107]
洗脱时间是决定洗脱效果的另外一个重要因素，最少的洗脱时间能够提高实验人员的便捷性，发明人考察了1
‑
5min内洗脱液的洗脱效果。结果如图10所示，采用高速涡旋仪涡旋洗脱时，3min后即可达到洗脱平衡。本发明方法洗脱时间选择高速涡旋3min。
[0108]
实施例8
[0109]
离子强度及表面活性剂的影响
[0110]
由于研究的基质为生活污水，其中含有大量的无机离子以及表面活性剂，在纯水中添加不同浓度的无机离子(氯化钠，0
‑
200mm)和表面活性剂(十二烷基磺酸钠，0
‑
200mm)对吸附率进行考察。如图11所示，无机离子考察结果表明，无机离子浓度低于50mm时，离子浓度对磁固相萃取材料的影响较弱；当浓度高于50mm时，对吸附率稍有影响，吸附率下降了约10％。此外，如图12所示，随着表面活性剂浓度升高，磁纳米材料的吸附率逐渐下降，下降的吸附率较少。
[0111]
材料重复使用性
[0112]
重复使用性是磁固相萃取剂的一个重要特点，这极大地体现了磁固相萃取方法的经济性。对材料的重复使用性进行了考察，结果如图13所示，在重复5次使用后，材料对水中5种苯丙胺类毒品的吸附效率未见明显降低，表明了本发明材料的优越的重复使用性。