殼聚糖修飾的還原氧化石墨烯納米材料的制備方法及該材料的應(yīng)用
【專利摘要】一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨烯納米材料的制備方法，屬于新型納米吸附材料制備技術(shù)領(lǐng)域。其包括以下步驟：將氧化石墨烯加入到乙二醇中超聲剝離，以獲得分散均勻的氧化石墨烯分散液；在上述氧化石墨烯分散液中加入殼聚糖，持續(xù)劇烈攪拌，將二者充分混合；上述混合液在高溫下進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)；待上述混合物冷卻至室溫后，用大量去離子水和乙醇混合洗滌、干燥即得。本發(fā)明的有益效果：原材料廉價(jià)易得，成本低，方法簡單，無需復(fù)雜儀器設(shè)備，便于廣泛應(yīng)用。所合成殼聚糖?還原氧化石墨烯復(fù)合材料比表面積大，表面可結(jié)合位點(diǎn)增加，吸附容量大、吸附性能高、重復(fù)利用率高，適用于基質(zhì)復(fù)雜樣品尤其是植物樣品的高效凈化。
【專利說明】
殼聚糖修飾的還原氧化石墨烯納米材料的制備方法及該材料 的應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于新型納米吸附材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及殼聚糖修飾的還原氧化石 墨稀納米材料的制備方法及該材料的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 茶葉由于其獨(dú)特的保健功效，在世界范圍內(nèi)的廣受消費(fèi)者的喜愛。作為直接食用 或飲用的農(nóng)產(chǎn)品，茶葉中的農(nóng)藥殘留問題備受關(guān)注。為保證消費(fèi)者的權(quán)益，政府不斷加強(qiáng)茶 葉樣品中農(nóng)藥殘留的監(jiān)測力度，使得監(jiān)測樣品數(shù)量大大增加、樣品分析時(shí)間越來越短。然而 茶葉基質(zhì)成分復(fù)雜，茶多酚、咖啡堿和色素等物質(zhì)對茶葉中農(nóng)藥殘留檢測造成嚴(yán)重干擾，同 時(shí)會縮短檢測設(shè)備儀器壽命，因此，有效去除基質(zhì)中的干擾物質(zhì)，同時(shí)保留被檢測目標(biāo)物的 前處理方法非常重要。
[0003] 常用于茶葉的凈化吸附劑有Florisi 1、Ci8、丙基乙二胺（Primary secondary amine, PSA)、石墨化炭黑(graphitized carbon black, GCB)。目前通常需要兩種或多種 吸附劑聯(lián)合使用，以達(dá)到較好的凈化效果。造成試劑用量大、步驟繁瑣、耗時(shí)、成本高等缺 點(diǎn)，使得檢測效率低，不利于大量樣品分析。因此亟待開發(fā)一種具有超高吸附性能，能同時(shí) 吸附多種高含量基質(zhì)成分的新型材料。
[0004] 氧化石墨稀（Graphene oxide，G0)，作為一種新型的碳材料，具有大比表面積，無 空間阻礙的二維結(jié)構(gòu)等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，是一種理想的吸附材料。然而，由于其易堆 積，從而失去大部分的比表面積，大大降低了其吸附性能。通過對其表面及邊緣的羥基、羧 基和環(huán)氧基等含氧官能團(tuán)進(jìn)行修飾，即通過化學(xué)反應(yīng)對其進(jìn)行共價(jià)或非共價(jià)鍵修飾，獲得 具有特異功能化石墨烯材料，改變其表面特性，是一種提高其吸附性能有效手段。殼聚糖， 甲殼素的部分脫乙?；a(chǎn)物，其基本單元為2-氨基-2-脫氧-β-D-葡萄糖，是纖維素之外 的第二大天然聚合物，其分子表面帶有大量的-OH和-NH 2,能夠與帶負(fù)電荷的物質(zhì)產(chǎn)生靜電 作用從而達(dá)到吸附的目的。由于其來源廣泛、價(jià)格廉價(jià)、自身具有無毒、生物可降解性和相 容性、易于改性等特征，近幾年被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。
[0005] 目前，殼聚糖與氧化石墨烯或石墨烯主要通過交聯(lián)、接枝或物理混合等方法制備 得到殼聚糖-石墨烯復(fù)合材料，用于重金屬離子的檢測（CN105004773A)和污水處理 (CN103447013B，CN103394332A)等領(lǐng)域。然而，上述合成方法存在步驟復(fù)雜、消耗試劑繁多、 實(shí)驗(yàn)條件難控等缺點(diǎn)，并且得到的殼聚糖-石墨烯復(fù)合材料不適用于茶葉農(nóng)藥殘留分析前 處理過程。開發(fā)出適用于茶葉農(nóng)藥殘留前處理的高效吸附凈化材料是一個(gè)挑戰(zhàn)。
[0006] 本發(fā)明利用價(jià)格低廉的殼聚糖，與氧化石墨烯通過高溫溶劑熱還原的方法，合成 得到殼聚糖-還原氧化石墨稀納米材料。該合成方法簡單且實(shí)驗(yàn)條件可控、成本低、無需特 殊復(fù)雜設(shè)備。制備的殼聚糖-還原氧化石墨烯材料具有大的比表面積、增加了表面可結(jié)合位 點(diǎn)，大大提高了吸附性能。該材料作為一種高效的茶葉基質(zhì)凈化吸附材料，用于茶葉農(nóng)藥殘 留分析前處理過程中。同時(shí)該材料也適用于其他復(fù)雜基質(zhì)樣品的前處理，具有很好的實(shí)際 應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明旨在提供一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨烯納米材料的制備方法，并將該 納米材料作為一種高效的茶葉復(fù)雜基質(zhì)凈化材料，對茶葉基質(zhì)中茶多酚、咖啡堿和色素等 高含量組分進(jìn)行有效吸附去除，進(jìn)一步用于茶葉多種農(nóng)藥殘留分析。該材料具有吸附速率 快、吸附容量大、吸附性能好等特點(diǎn)，建立一種基于殼聚糖-還原氧化石墨烯的茶葉多農(nóng)藥 殘留分析新的前處理方法。
[0008] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 所述的一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料的制備方法，其特征在于包括以下 步驟： (1) 將氧化石墨烯加入到乙二醇中超聲剝離，以獲得分散均勻的氧化石墨烯分散液； (2) 在上述氧化石墨烯分散液中加入殼聚糖，持續(xù)劇烈攪拌，將二者充分混合； (3) 上述混合液在高溫下進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)； (4) 待上述混合物冷卻至室溫后，用大量去離子水和乙醇混合洗滌、干燥得到殼聚糖修 飾的還原氧化石墨稀納米材料。
[0009] 所述的一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料的制備方法，其特征在于所述 的步驟(1)中超聲處理?xiàng)l件為:超聲功率為50 W，超聲時(shí)間為0.5h~2h 所述的一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料的制備方法，其特征在于所述的步 驟(2)中殼聚糖分子量為3~5 kDa，氧化石墨烯與殼聚糖的質(zhì)量比為1:1~20:1，持續(xù)劇烈 攪拌時(shí)間為0.5~2h。
[0010] 所述的一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料的制備方法，其特征在于所述 的步驟(3)中溶劑熱溫度為120~230 °C，溶劑熱時(shí)間為5~25h。
[0011] 所述的一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料的制備方法，其特征在于所述 的步驟(3)中溶劑熱溫度為150~200 °C，溶劑熱時(shí)間為10~20h。
[0012] 所述的殼聚糖修飾的還原氧化石墨烯納米材料在茶葉農(nóng)藥殘留前處理的應(yīng)用。
[0013] 所述的應(yīng)用，其特征在于包括以下步驟： (1) 在粉碎好的茶葉中，加入有機(jī)試劑進(jìn)行提取，經(jīng)均質(zhì)儀均質(zhì)、斡旋、離心之后，得到 上清液； (2) 在步驟（1)得到的上清液中，加入一定量的殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材 料，斡旋靜置，離心，取上清液，用于儀器分析，準(zhǔn)確定性、定量農(nóng)藥殘留。
[0014] 所述的應(yīng)用，其特征在于所述的步驟（1)中有機(jī)試劑為乙腈、甲醇、丙酮、石油醚、 正己烷、二氯甲烷或乙酸乙酯中的一種或兩種以上任意比例混合的混合物。
[0015] 所述的應(yīng)用，其特征在于所述的步驟(2)中殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材 料的量為10~200 mg。
[0016] 所述的一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料，其特征在于所述的殼聚糖修 飾的還原氧化石墨烯納米材料作為有效成分，還包含農(nóng)產(chǎn)品前處理過程中可接受的其他材 料。
[0017] 本發(fā)明的有益效果:原材料廉價(jià)易得，成本低，方法簡單，無需復(fù)雜儀器設(shè)備，便于 廣泛應(yīng)用。所合成殼聚糖-還原氧化石墨烯復(fù)合材料比表面積大，表面可結(jié)合位點(diǎn)增加，吸 附容量大、吸附性能高、重復(fù)利用率高，適用于基質(zhì)復(fù)雜樣品尤其是植物樣品的高效凈化。
【附圖說明】
[0018] 圖1為殼聚糖修飾的還原氧化石墨烯納米材料的合成示意圖。
[0019] 圖2殼聚糖-還原氧化石墨烯材料表征圖。a)氧化石墨烯和殼聚糖-還原氧化石墨 稀的FT-IR圖譜;b)氧化石墨稀和殼聚糖-還原氧化石墨稀的Zeta電位。
[0020] 圖3為殼聚糖修飾的還原氧化石墨烯納米材料的茶葉基質(zhì)凈化前后效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了更好的理解本發(fā)明中殼聚糖-還原氧化石墨烯納米新材料的合成方法以及應(yīng) 用，下面通過實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但是本發(fā)明的應(yīng)用不僅僅局限于以下的具體實(shí)施 例。
[0022] 實(shí)施例1 通過改進(jìn)的Hummers方法制得氧化石墨稀材料后，取250 mg氧化石墨稀材料在30 mL乙 二醇溶劑中超聲分散，超聲功率為50W，超聲時(shí)間為2 hJO mg殼聚糖(分子量為3 kDa)加入 到氧化石墨烯分散液中，持續(xù)攪拌0.5 h。將混合物放置于160 °C的烘箱中，溶劑熱10 h。以 去離子水和乙醇混合洗滌，離心、干燥即得到殼聚糖-還原氧化石墨烯納米材料。合成示意 圖見附圖1。
[0023]干燥得到的殼聚糖-還原氧化石墨烯材料的傅里葉變換紅外表征如附圖2所示，從 圖中可以看出G0在3402 cnf1附近羥基的寬峰以及1735 cnf1處形成的羰基（C=0)消失。同 時(shí)，在1560 cnf1出現(xiàn)了酰胺的氨基（N-H)的吸收峰，1716 cnf1附近的吸收峰對應(yīng)了酰胺 鍵（NH-C0)中的C=0的伸縮振動。而1072 cnf1和1189 cnf1的峰應(yīng)是C-0-C伸縮振動產(chǎn)生。 另外通過Zeta電勢電位測定表明（附圖2)，G0的電動電勢為-15.3 ± 0.4 mv，經(jīng)殼聚糖修飾 后，G0表面的羧基與氨基形成酰胺鍵，同時(shí)G0被還原導(dǎo)致其表面含氧官能團(tuán)減少，殼聚糖-還原氧化石墨稀材料的Zeta電位明顯增加(-3.4 ± 0.6 mv)。綜上所述，成功合成得到了殼 聚糖-還原氧化石墨烯材料。
[0024] 實(shí)施例2 通過改進(jìn)的Hummers方法制得氧化石墨稀材料后，取250 mg氧化石墨稀材料在30 mL乙 二醇溶劑中超聲分散，超聲功率為50W，超聲時(shí)間為0.5 11。12.5 mg殼聚糖(分子量為4 KDa) 加入到氧化石墨烯分散液中，持續(xù)攪拌1.5 h。將混合物放置于120 °C的烘箱中，溶劑熱25 h。以去離子水和乙醇混合洗滌，離心、干燥即得到殼聚糖-還原氧化石墨烯納米材料。
[0025] 實(shí)施例3 通過改進(jìn)的Hummers方法制得氧化石墨稀材料后，取250 mg氧化石墨稀材料在30 mL乙 二醇溶劑中超聲分散，超聲功率為50W，超聲時(shí)間為1 11。250 mg殼聚糖(分子量為5 KDa)加 入到氧化石墨烯分散液中，持續(xù)攪拌2 h。將混合物放置于230 °C的烘箱中，溶劑熱5 h。以去 離子水和乙醇混合洗滌，離心、干燥即得到殼聚糖-還原氧化石墨烯納米材料。
[0026] 實(shí)施例4 取2.0 g磨碎后的茶葉放入50ml的離心管中，加入去離子水3mL、乙腈15 mL，均質(zhì)2min 后，加入5.Og氯化鈉，渦旋混勻，離心取得上層液，得到茶葉基質(zhì)提取液。將一定量殼聚糖-還原氧化石墨稀材料(25 mg，由實(shí)施例1制得)加入到一定量茶葉基質(zhì)提取液(如2mL)中，禍 旋2min，離心分離，取上層液過0.22μπι微孔濾膜過濾后轉(zhuǎn)移至將進(jìn)樣瓶，通過高效液相色譜 分析該材料對茶葉基質(zhì)中咖啡堿和常見兒茶素類的凈化效果。由附圖3中看出，未經(jīng)凈化的 提取液顏色為深綠色，殼聚糖修飾的還原氧化石墨烯納米材料凈化后茶葉乙腈提取液的顏 色呈淺黃色，說明殼聚糖-還原氧化石墨烯材料可有效吸附葉綠素類化合物，具有很好的凈 化效果。
[0027] 實(shí)施例5 在2.0 g磨碎后的茶葉樣品放入50ml的離心管中，加入去離子水3 mL，添加克百威、3-羥基克百威、異丙威、啶蟲脒、吡蟲啉、噻蟲嗪、氯噻啉、茚蟲威、嘧菌酯、烯酰嗎啉、噻嗪酮、 克螨特、辛硫磷和乙草胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，添加濃度為0.1 mg/L，靜置30min后，加入乙腈15mL，均 質(zhì)2min，加入5 · Og氯化鈉，禍旋混勾，5000rpm離心10min。取2mL上清液加入10mg~100mg實(shí) 施例1制得的殼聚糖-氧化石墨稀材料，禍旋lmin凈化，4000rpm離心5min使液固分離，將上 層液過〇.22μπι微孔濾膜過濾后轉(zhuǎn)移至進(jìn)樣瓶，進(jìn)行儀器分析。液相色譜條件:HSS T3柱 (100 X 2.1 mm i.d·，1.8 μπι particle size)，柱溫和樣品溫度分別設(shè)置為40和4°C，流 速為0.25 mL min-S進(jìn)樣體積為3.0 yL。流動相為水(0.1%甲醇和1 mmol L-1甲酸銨）（A 相）和甲醇(0.1%甲醇和1 mmol Γ1甲酸銨）（B相）；梯度洗脫程序:0-9 min，90 % A;10-12 min，0 % A ;12.1-14 min，90 % A。質(zhì)譜條件:正離子掃描方式（ESI+) MRM測定;離子噴霧 電壓為5.5 kV;離子源溫度為550°C;碰撞氣(氬氣)50 L 1Γ1;脫溶劑氣(氮?dú)?50 L 1Γ1;駐 留時(shí)間采用sMRM模式。在此條件下，考察了殼聚糖-還原氧化石墨烯材料吸附前后的基質(zhì) 效應(yīng)。采用如下公式：
其中，基質(zhì)效應(yīng)可分為偏小（± 0-20%)，中等（± 20-50%)以及強(qiáng)烈（±> 50%)， 當(dāng)基質(zhì)效應(yīng)小于或等于±20%可忽略。
[0028]從表1可以看出，未經(jīng)凈化的茶葉中15種農(nóng)藥表現(xiàn)出較強(qiáng)基質(zhì)效應(yīng)，然而在經(jīng)過通 過殼聚糖-還原氧化石墨烯納米材料凈化后，乙草胺、嘧菌酯、噻嗪酮、克百威、吡蟲啉、氯噻 啉、異丙威、茚蟲威、辛硫磷和噠螨靈等10種農(nóng)藥的基質(zhì)效應(yīng)減小至-40%到10%之間，其中有 7種農(nóng)藥的基質(zhì)效應(yīng)可以忽略。殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料能顯著提高凈化效 果，減少基質(zhì)效應(yīng)。
[0029] 表1 14種農(nóng)藥的基質(zhì)效應(yīng)
14種農(nóng)藥在0.1 mg kg<的加標(biāo)水平下，回收率依次為94.51%、100.44%、97.05%、 94·25%、87·23%、93·77%、93·87%、98·87%、97·25%、95·46%、98·11%、90·57%、91·97%、97·50%; 相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.23%~11.08%，按3倍信噪比（S/N)計(jì)算，14種農(nóng)藥最小檢出限(LOD) 為5yg L-ijOyg L-1 之間。
[0030]同樣，采用實(shí)施例2和3制得的殼聚糖-還原氧化石墨烯材料進(jìn)行如實(shí)施例5相同的 試驗(yàn)，最后也能達(dá)到如實(shí)施例5相同的技術(shù)效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料的制備方法，其特征在于包括以下步 驟： (1) 將氧化石墨烯加入到乙二醇中超聲剝離，以獲得分散均勻的氧化石墨烯分散液； (2) 在上述氧化石墨烯分散液中加入殼聚糖，持續(xù)劇烈攪拌，將二者充分混合； (3) 上述混合液在高溫下進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)； (4) 待上述混合物冷卻至室溫后，用大量去離子水和乙醇混合洗滌、干燥得到殼聚糖修 飾的還原氧化石墨稀納米材料。2. 如權(quán)利要求1所述的一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料的制備方法，其特 征在于所述的步驟(1)中超聲處理?xiàng)l件為:超聲功率為50W，超聲時(shí)間為0.5h~2h。3. 如權(quán)利要求1所述的一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料的制備方法，其特 征在于所述的步驟(2)中殼聚糖分子量為3~5 kDa，氧化石墨稀與殼聚糖的質(zhì)量比為1:1~ 20:1，持續(xù)劇烈攪拌時(shí)間為0.5~2h。4. 如權(quán)利要求1所述的一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料的制備方法，其特 征在于所述的步驟(3)中溶劑熱溫度為120~230 °C，溶劑熱時(shí)間為5~25h。5. 如權(quán)利要求1所述的一種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料的制備方法，其特 征在于所述的步驟(3)中溶劑熱溫度為150~200 °C，溶劑熱時(shí)間為10~20h。6. -種通過權(quán)利要求1所述的方法制得的殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料在茶 葉農(nóng)藥殘留前處理的應(yīng)用。7. 如權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于包括以下步驟： (1) 在粉碎好的茶葉中，加入有機(jī)試劑進(jìn)行提取，經(jīng)均質(zhì)儀均質(zhì)、斡旋、離心之后，得到 上清液； (2) 在步驟（1)得到的上清液中，加入一定量的殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材 料，斡旋靜置，離心，取上清液，用于儀器分析，準(zhǔn)確定性、定量農(nóng)藥殘留。8. 如權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于所述的步驟（1)中有機(jī)試劑為乙腈、甲醇、丙 酮、石油醚、正己烷、二氯甲烷或乙酸乙酯中的一種或兩種以上任意比例混合的混合物。9. 如權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于所述的步驟(2)中殼聚糖修飾的還原氧化石墨 稀納米材料的量為10~200 mg。10. -種殼聚糖修飾的還原氧化石墨稀納米材料，其特征在于包含權(quán)利要求1~5任一 項(xiàng)所述的殼聚糖修飾的還原氧化石墨烯納米材料作為有效成分，還包含農(nóng)產(chǎn)品前處理過程 中可接受的其他材料。
【文檔編號】B01J20/24GK106076267SQ201610413232
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月13日 公開號201610413232.9, CN 106076267 A, CN 106076267A, CN 201610413232, CN-A-106076267, CN106076267 A, CN106076267A, CN201610413232, CN201610413232.9
【發(fā)明人】馬桂岑, 張明露, 陳紅平, 劉新, 魯成銀
【申請人】中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所