离子液体和低共熔溶剂磁性固相萃取用于染料及蛋白质的分离分析研究

摘要

磁性固相萃取技术(Magnetic solid phase extraction, MSPE)是以功能化磁性纳米材料作为萃取剂的现代分离分析技术，它具有操作简单和分离迅速的优点，还可以结合微流控芯片进行高通量自动化检测分析物。　　离子液体(Ionic liquid, IL)和低共熔溶剂(Deep eutectic solvent, DES)是广受关注的绿色溶剂，具有极低的蒸气压和可设计性结构以及良好的生物相容性，将其修饰在磁性吸附剂表面可增强与分析物之间的相互作用，这种修饰后的磁性纳米材料作为萃取剂可以获得更高的萃取性能。因此，将低共熔溶剂或离子液体与磁性固相萃取技术相结合可以为萃取分离领域提供新思路。　　本文成功合成了两种绿色溶剂——离子液体和低共熔溶剂，结合磁性固相萃取技术，探究了染料和蛋白质的萃取分离分析新方法。主要研究内容如下：　　(1)离子液体修饰二硫化钼及还原氧化石墨烯磁性复合材料用于水溶液中染料的分离分析　　设计合成了一种咪唑基离子液体(IL)，对由二硫化钼(MoS2)和还原氧化石墨烯(RGO)组成的磁性纳米复合材料(mag-MoS2-RGO)进行表面改性，作为磁性萃取剂(mag-MoS2-RGO-IL)，结合磁固相萃取技术(MSPE)用于水溶液中染料的萃取分离分析。使用X射线衍射仪(XRD)、振动样品磁强计(VSM)、热重分析仪(TGA)、Zeta电位分析仪、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)对mag-MoS2-RGO-IL的物理化学性质和外表形貌进行了系统性表征。在筛选实验中，mag-MoS2-RGO-IL对不同染料(苋菜红、橙黄Ⅱ、亚甲蓝和甲基绿)的萃取性能均优于mag-MoS2-RGO，且对亚甲蓝的萃取容量最高。因此，以亚甲蓝作为目标染料分析物，研究mag-MoS2-RGO-IL在磁性萃取分离过程中的性能。在影响因素探究实验中，考察了染料溶液初始浓度、萃取时间、溶液pH值和萃取温度对于萃取容量的影响。在最优条件下，萃取容量可达143.9mg/g。使用吸附动力学和吸附等温线模型拟合了多组萃取实验数据，结果表明，mag-MoS2-RGO-IL对亚甲蓝的萃取属于发生在均匀表面的单分子层化学吸附。萃取剂经过5次重复使用后对亚甲蓝的萃取率依然有78%，说明其有良好的再生性。方法学研究证实该方法具有良好的重复性、精密度和稳定性。分析实际水样的回收率范围为87.0-98.8%，且相对标准偏差均小于5.2%。得益于复合结构和磁性Fe3O4，这种稳定的萃取剂可以从水溶液中被快速分离。所提出的方法为水溶液中的染料分离分析提供了新思路。　　选用(3-丙烯酰胺丙基)三甲基氯化铵和木糖醇合成了一种新型低共熔溶剂(APTMAC-Xyl，DES)，将其聚合修饰在磁性碳纳米管(M-CNT)表面，获得磁性萃取剂(M-CNT@PDES)，对牛血清白蛋白(BSA)进行磁性固相萃取(MSPE)。系统性表征了该萃取剂的物理性质和形态特征。然后优化了几种可能影响萃取容量的条件，如溶液pH值、BSA的初始浓度、萃取时间、溶液离子强度和萃取温度。实验结果表明，聚合低共熔溶剂的修饰层可以显著提升对BSA的萃取容量，最优条件下萃取容量为225.15mg/g。此外，采用浓度为0.20mol/L的NaCl-PBS溶液作为洗脱液时，洗脱率可达81.22%。圆二色谱实验(CD)证实在萃取和洗脱过程中BSA的二级结构未见明显改变。再生性实验和实际牛血清样品应用结果表明，M-CNT@PDES具有优秀的耐用性和实际应用能力。所提出的方法在生物大分子的预浓缩方面具有良好的应用前景。　　(3)甲基丙烯酸-苄基季铵盐系列聚合低共熔溶剂修饰磁性环糊精用于卵清蛋白的分离分析　　采用典型的加热搅拌法合成了六种基于甲基丙烯酸的低共熔溶剂(DES)，其中作为氢键受体的苄基季铵盐的碳链长度和卤原子有所不同。将低共熔溶剂聚合(PDES)修饰在改性后的磁性环糊精纳米材料表面(M-β-CD@PDES)，用于卵清蛋白(OVA)的磁性固相萃取分离分析。系统性表征了该萃取剂的物理性质和形态特征。实验探究了不同萃取条件下(初始OVA浓度、萃取时间、溶液pH值和萃取温度)M-β-CD@PDES对于OVA的萃取容量的影响。优化萃取条件后，M-β-CD@PDES对OVA的萃取容量可达到151.62mg/g。重复性实验结果显示，M-β-CD@PDES经过6次循环使用后对OVA依然有108mg/g左右的萃取容量。通过萃取鸡蛋清实际样品中OVA的凝胶电泳实验证实了所合成萃取剂的实用性能。所提出的方法在生物样品分离分析中具有良好的可行性。　　(2)聚合低共熔溶剂修饰磁性碳纳米管用于牛血清白蛋白的分离分析　　选用(3-丙烯酰胺丙基)三甲基氯化铵和木糖醇合成了一种新型低共熔溶剂(APTMAC-Xyl，DES)，将其聚合修饰在磁性碳纳米管(M-CNT)表面，获得磁性萃取剂(M-CNT@PDES)，对牛血清白蛋白(BSA)进行磁性固相萃取(MSPE)。系统性表征了该萃取剂的物理性质和形态特征。然后优化了几种可能影响萃取容量的条件，如溶液pH值、BSA的初始浓度、萃取时间、溶液离子强度和萃取温度。实验结果表明，聚合低共熔溶剂的修饰层可以显著提升对BSA的萃取容量，最优条件下萃取容量为225.15mg/g。此外，采用浓度为0.20mol/L的NaCl-PBS溶液作为洗脱液时，洗脱率可达81.22%。圆二色谱实验(CD)证实在萃取和洗脱过程中BSA的二级结构未见明显改变。再生性实验和实际牛血清样品应用结果表明，M-CNT@PDES具有优秀的耐用性和实际应用能力。所提出的方法在生物大分子的预浓缩方面具有良好的应用前景。

目录

第1章 绪 论

1.1 离子液体

1.1.1离子液体的定义及其发展历程

1.1.2离子液体的类型以及合成步骤

1.1.3离子液体的特点及其应用

1.2 低共熔溶剂

1.2.1低共熔溶剂的定义

1.2.2低共熔溶剂的类别和合成方法

1.2.3低共熔溶剂的特点及其应用

1.3 磁性固相萃取技术

1.3.1磁性固相萃取技术概述

1.3.2磁性固相萃取剂的分类

1.3.3磁性固相萃取技术的应用

1.3.4问题与展望

1.4 染料

1.4.1染料的概述及其危害

1.4.2亚甲蓝

1.5 蛋白质

1.5.1蛋白质的定义以及纯化意义

1.5.2蛋白质的纯化方法

1.6 本课题的研究意义和研究内容

1.6.1本课题的研究意义

1.6.2本课题的研究内容

第2章 离子液体修饰二硫化钼及还原氧化石墨烯磁性复合材料用于水溶液中染料的分离分析

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂与仪器

2.2.2 磁性固相萃取剂的合成

2.2.3 磁性固相萃取剂的表征

2.2.4 磁性固相萃取实验

2.2.5 水样前处理

2.3结果与讨论

2.3.1 mag-MoS2-RGO-IL纳米复合材料的表征

2.3.2 磁性固相萃取剂和目标染料的选择

2.3.3 影响萃取量因素探究实验

2.3.4 固相萃取吸附动力学

2.3.5 固相萃取吸附等温线

2.3.6 固相萃取吸附热力学

2.3.7 磁性萃取剂的再生性能实验

2.3.8 方法学考察

2.3.9 实际样品分析

2.3.10 与其他文献中萃取剂的比较

2.4小结

第3章 聚合低共熔溶剂修饰磁性碳纳米管用于牛血清白蛋白的分离分析

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂与仪器

3.2.2 磁性固相萃取剂的合成

3.2.3 磁性固相萃取剂的表征

3.2.4 磁性固相萃取实验

3.2.5 小牛血清样本前处理

3.3 结果与讨论

3.3.1 磁性萃取剂的构建

3.3.2 磁性萃取剂的表征

3.3.3 影响萃取量因素探究实验

3.3.4 萃取容量的比较

3.3.5 萃取剂洗脱实验

3.3.6 萃取剂再生性实验

3.3.7 方法学考察

3.3.8 实际样品分析

3.3.9 与其他文献中萃取剂的比较

3.4小结

第4章 甲基丙烯酸-苄基季铵盐系列聚合低共熔溶剂修饰磁性环糊精用于卵清蛋白的分离分析

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 磁性固相萃取剂的合成

4.2.3 磁性固相萃取剂的表征

4.2.4 磁性固相萃取实验

4.2.5 鸡蛋清样本前处理

4.3 结果与讨论

4.3.1 磁性萃取剂的表征

4.3.2 萃取剂的性能比较实验

4.3.3 影响萃取量因素探究实验

4.3.4 重复性实验

4.3.5 方法学考察

4.3.6 实际样品分析

4.4 小结

结论与展望

1. 结论

2. 本论文创新之处

3. 展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 部分化合物的表征

致谢