低共熔溶剂在复杂样品分离分析及光化学传感中的研究与应用

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低共熔溶剂(Deep eutectic solvent,DES)因具有合成简单、毒性低、绿色环保等特性,在分离分析领域受到广泛推崇,被盛赞为当代新型“绿色溶剂”。DES主要由氢键供体和氢键受体按照一定摩尔比组成,可根据被分析物的理化性质、检测技术和分离方法的不同,设计并合成能解决目标需求的功能型DES。将含有多种官能团的DES对磁性纳米颗粒进行功能化修饰,并结合磁固相萃取(Magnetic solid-phase extraction,MSPE)技术用于对混合体系中目标分析物的分离,具有操作简单、吸附效率高等优点。具有类表面活性剂性质的DES,与双水相体系(Aqueous two-phase system,ATPS)萃取技术相结合,可以构建新型的双胶束两相分离体系。DES作为荧光增敏剂,可用于与金属纳米簇构建新型的荧光传感检测体系。将DES修饰在类酶活性的纳米材料上可构建基于DES调控的纳米酶比色探针。本论文设计合成了多种具有不同功能化和特殊属性的新型DES,并与MSPE、ATPS、荧光传感和比色传感测定技术相结合,构建了对复杂样品中目标分析物的分离分析新体系和新方法。主要研究内容如下:(1)基于三元巯基型低共熔溶剂修饰的磁性氧化石墨烯固相萃取分离水中汞离子设计合成了巯基功能化的三元低共熔溶剂(THS-DES),并负载在磁性氧化石墨烯上,制备出基于巯基功能化的纳米复合材料(THS-DES@M-GO)。结合MSPE技术,将THS-DES@M-GO用于水溶液中Hg2+的分离分析。在最佳条件下,THS-DES@M-GO对溶液中Hg2+的R%高达99.91%。方法学考察显示本研究所建立的固相萃取分离方法具有良好的精密度、重复性和稳定性。热力学实验研究表明,THS-DES@M-GO对Hg2+的吸附模式与Langmuir模型吻合良好,最大吸附容量为215.1mg·g-1。重复利用研究表明,94.94%的Hg2+能从吸附剂上洗脱下来,经过七次重复过程后,依旧保持对Hg2+有90.23%的去除率。所拟方法可用于去除实际含汞污水。(2)基于三元多官能团型低共熔溶剂修饰的磁性多壁碳纳米管固相萃取胰蛋白酶设计合成了三元多官能团型低共熔溶剂(TMFG-DES),并将其修饰在磁性多壁碳纳米管上,制备出磁性纳米复合材料(Mn Fe2O4-MWCNTs@DES1)。结合MSPE技术,将其用于胰蛋白酶(Try)的萃取分离分析。采用响应面优化法(RSM)及Box-Behnken Design模型对萃取吸附条件进行优化。在最佳条件下,Mn Fe2O4-MWCNTs@DES1对Try的最大吸附容量为1020.1 mg·g-1。吸附热力学和动力学研究显示,该吸附模型与Langmuir等温吸附模型和拟二阶动力学模型吻合。机理研究表明,静电相互作用、氢键作用和螯合作用是吸附的主要驱动力。对洗脱后的Try活性进行分析,结果表明,Try的酶催化活性、构象和二级结构都未出现显著改变。Mn Fe2O4-MWCNTs@DES1可以从牛胰粗提物中提取分离Try。所拟方法在生物大分子分离纯化中具有较好的应用前景。(3)基于低共熔溶剂的双胶束两相体系用于萃取分离染料合成了具有类表面活性剂性能的两种类型DESs:DL/PEG400和[N8881]Cl/PEG400。结合ATPS技术,设计一种基于亲/疏水性DESs的双胶束两相体系(DES/DES-AMTPS)。选择三种典型的染料作为目标分析物以评估该体系在分离分析领域的应用。采用单因素和RSM法对萃取条件进行优化,在最佳条件下,超过95.00%的日落黄和99.75%的苏丹红(Ⅲ)分布在富含胶束相中,而其余的亚甲基蓝则分布在含胶束较少相。机理研究表明,物质之间的亲疏水性和静电相互作用是促使染料在DES/DES-AMTPS体系中分离的主要驱动力。本研究还实现了染料在两相间的反萃取和[N8881]Cl/PEG400的回收及重复使用。(4)基于低共熔溶剂荧光增强效应构建铜纳米簇荧光法测定铁离子设计合成了由酒石酸稳定的铜纳米团簇(Aci-Cu NCs),基于DES的荧光增敏功能,研究得出Aci-Cu NCs在DES介质的荧光强度得到显著增强。实验验证了Aci-Cu NCs在DES介质中以胶束-簇集体形式存在。将基于DES增敏的Aci-Cu NCs@DES荧光检测体系用于测定溶液中Fe3+,在最佳条件下,定量检测浓度区间为1-20μM,最低检出限(LOD)为0.0374μM。选择性实验和实际应用研究结果显示,该体系对实际样品中Fe3+具有特异性识别能力。本研究结果为新型荧光检测体系的建立提供了新思路。(5)基于低共熔溶剂修饰的二氧化锰纳米片用于DNA的比色测定将DES修饰在二氧化锰纳米片上制备出具有类氧化酶活性的新型纳米材料(DES/Mn O2)。该材料能够将无色的3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)氧化成蓝色产物(ox TMB),并在652 nm处有吸收峰。DNA可通过氢键和静电相互作用吸附在DES/Mn O2表面,从而抑制DES/Mn O2对TMB的氧化活性。根据上述原理,本研究建立了一种基于DES/Mn O2-TMB比色传感体系并用于对DNA进行定量测定。在最佳条件下,DES/Mn O2-TMB体系对DNA的定量检测浓度区间为10-100μg·m L-1,LOD为0.37μg·m L-1。选择性实验结果表明,该体系对DNA具有优良的选择性。实际样本分析结果显示,该方法可用于牛全血DNA的检测。本研究所建立的基于DES/Mn O2-TMB体系在生物技术领域具有广泛的应用前景。
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