技术领域
本发明属于食品安全技术领域。更具体地，涉及是一种磁性镉离子印迹聚合物及其制备方法。
背景技术
镉是一种毒性很强的金属元素，镉污染具有极强的蓄积性和不可逆性，能通过吸烟和饮食进入体内，对人体健康威胁非常大。因此镉污染的检测处理具有重要的意义。
但是，一般农产品样品中镉的含量都很低、且样品基体复杂，直接检测痕量镉元素存在一定的困难，为了避免基体效应的干扰，提高分析方法的灵敏度，在检测分析前必须对镉进行分离、纯化和富集。
目前，国内外常用的金属离子分析前处理方法有固相萃取、液-液萃取、共沉淀法和离子交换法等。这些方法各有优缺点，固相萃取因具有回收率高、节省溶剂，易与现代分析仪器联用等优点而被广泛地应用于分离富集痕量元素。传统的固相萃取吸附剂主要为螯合树脂、键合硅胶、活性碳等，因需要装柱、过柱的操作而使得过程繁琐、费时费力，同时存在吸附容量小、所需材料花费高、对离子的吸附选择性差等不足。当前开发具有高选择性、高特异性的固相萃取剂成为研究的热点。
近些年，国内离子印迹技术已经有很多的报道，但是，报道比较多的主要是Ni、Pb等离子，磁性离子印迹的报道却很少，尤其是针对镉离子的磁性离子印迹聚合物。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足，以乙烯基修饰的Fe3O4@SiO2为磁性载体，Cd2+为模板，甲基丙烯酸（MAA）和丙烯酰胺（AM）为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）为交联，偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，制备得到一种 Cd2+印迹聚合物微球；能够对农产品样品中的痕量镉进行富集和分离，减少基质对检测结果的影响，提高检测的准确性。而且，离子印迹聚合物具有制备简单、成本低、对模板离子具较高的选择性等优点，将磁性纳米粒子与印迹技术结合制备的磁性离子印迹聚合物，不仅具有离子印迹聚合物选择性高的优点，还可以在外加磁场作用下实现快速分离，提高了富集和分离的效率。
本发明另一目的是提供一种磁性镉离子印迹聚合物。
本发明的再一目的是提供所述磁性镉离子印迹聚合物的制备方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种磁性镉离子印迹聚合物，是以乙烯基修饰的Fe3O4@SiO2为磁性载体，Cd2+为模板，甲基丙烯酸、丙烯酰胺和乙烯基吡啶中任意两种的组合为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）为交联剂，偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂制备得到。
具体优选地，所述磁性镉离子印迹聚合物的制备方法包括如下步骤：
S1.通过共沉淀法制备Fe3O4磁性载体；
S2.通过聚乙二醇PEG200作为分散剂以提高Fe3O4颗粒的分散稳定性，利用正硅酸四乙酯的水解在Fe3O4颗粒表面包裹上二氧化硅（SiO2）层，形成了Fe3O4@SiO2微粒；
S3.通过乙烯基三甲氧基硅烷和十六烷基三甲基溴化铵对Fe3O4@SiO2微粒进行修饰，得到了Fe3O4@SiO2-C=C；
S4.以Cd2+为模板，甲基丙烯酸、丙烯酰胺和乙烯基吡啶中任意两种的组合为功能单体，在乙腈/水混合溶液中进行预聚合后，加入Fe3O4@SiO2-C=C（即磁性载体乙烯基修饰的Fe3O4@SiO2）、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）和引发剂偶氮二异丁腈（AIBN），在80～90℃下回流8～12h（优选为85℃下回流10h），制备得到磁性镉离子印迹聚合物（即Cd2+印迹聚合物微球）。
另外，作为一种具体优选的可实施方案，所述磁性镉离子印迹聚合物的制备方法包括如下步骤：
S1.制备Fe3O4颗粒：
S11.在通氮气条件下，将Fe3Cl3·6H2O和FeCl2·4H2O溶于超纯水，在恒温磁力搅拌条件下加热搅拌至70～90℃；加入氨水和PEG200，加热搅拌2～4h；
S12.步骤S1反应结束，冷却至室温，用磁铁分离去除上清液后，乙醇和超纯水各洗涤2～4次，于50～70℃干燥，研磨得到Fe3O4粉末；
S2.制备Fe3O4@SiO2：
称取Fe3O4粉末分散到蒸馏水、乙醇和氨水的混合溶液中，再滴加TEOS，常温下搅拌5～7h，即可得到Fe3O4@SiO2颗粒；
S3.制备Fe3O4@SiO2-C=C：
S31.将Fe3O4@SiO2颗粒再分散到蒸馏水和乙醇的混合溶液中，加入含有CTAB的氨水，之后再加入TEOS和VTES，搅拌5～7h；
S32.将步骤S31的产物磁分离并洗涤除去CTAB后，在70～90℃丙酮溶液中回流20～30h，即可得到Fe3O4@SiO2-C=C（即乙烯基修饰的Fe3O4@SiO2微球），用乙醇和蒸馏水反复洗涤，并干燥；
S4.制备磁性离子印迹聚物：
S41.将CdCl2·5/2H2O、功能单体分散到致孔剂和水的混合溶液中，室温下搅拌80～100min进行预聚合，加入Fe3O4@SiO2-C=C（乙烯基修饰的Fe3O4@SiO2微球粉末）、EGDMA和AIBN，在80～90℃下回流搅拌8～12h；
S42.步骤S41的产物用磁分离并用乙醇洗涤除去未反应物，用HCl溶液进行洗脱，再用蒸馏水多次洗涤，于65℃下干燥，得到磁性镉离子印迹聚合物（M-IIP）。
其中，优选地，步骤S11所述Fe3Cl3·6H2O和FeCl2·4H2O摩尔比为1：0.1～1。
更优选地，步骤S11所述Fe3Cl3·6H2O和FeCl2·4H2O的摩尔比为1：0.6。
优选地，步骤S11所述Fe3Cl3·6H2O和超纯水用量比为0.005～0.02mol：50ml。
更优选地，步骤S11所述Fe3Cl3·6H2O和超纯水的用量比为0.01mol：50ml。
优选地，步骤S11所述超纯水：氨水：PEG200体积比为40～60：3～6：1。
更优选地，步骤S11所述超纯水：氨水：PEG200的体积比为50：5：1。
优选地，步骤S11所述在恒温磁力搅拌条件下加热搅拌至80℃；所述加入氨水和PEG200后，加热搅拌3h。
优选地，步骤S12所述乙醇和超纯水各洗涤3次，于60℃干燥。
优选地，步骤S2所述Fe3O4粉末：蒸馏水：乙醇：氨水：TEOS=0.01～0.2g：15～25ml：5～15ml：1～3ml：0.01～0.2ml。
更优选地，步骤S2所述Fe3O4粉末：蒸馏水：乙醇：氨水：TEOS=0.1g：20ml：10ml：2ml：0.1ml。
优选地，步骤S2所述搅拌6h。
优选地，步骤S31所述蒸馏水：乙醇：含有CTAB的氨水：TEOS：VTES的体积比为90～110：40～60：8～12：3～5：3～4。
更优选地，步骤S31所述蒸馏水：乙醇：含有CTAB的氨水：TEOS：VTES的体积比为100：50：10：4：3.7。
优选地，步骤S2所述蒸馏水：步骤S31所述蒸馏水的体积比为0.5～2：0.5～2。
更优选地，步骤S2所述蒸馏水：步骤S31所述蒸馏水的体积比为1：1。
优选地，步骤S31所述含有CTAB的氨水中CTAB的浓度为0.1～0.3g/ml。
更优选地，步骤S31所述含有CTAB的氨水中CTAB的浓度为0.2g/ml。
优选地，步骤S31所述搅拌6h。
优选地，步骤S32所述在80℃丙酮溶液中回流24h。
优选地，步骤S41所述CdCl2·5/2H2O：功能单体：致孔剂：水=0.4～0.6mmol： 3～5mmol：30～50ml：5～15ml。
更优选地，步骤S41所述CdCl2·5/2H2O：功能单体：致孔剂：水=0.5mmol：4mmol：40ml：10ml。
优选地，步骤S41所述CdCl2·5/2H2O：Fe3O4@SiO2-C=C：EGDMA：AIBN的质量比为0.05～0.1：0.5～0.75：1.5～2：0.1～0.2。
更优选地，步骤S41所述CdCl2·5/2H2O：Fe3O4@SiO2-C=C：EGDMA：AIBN的质量比为0.092：0.5：1.98：0.15。
优选地，步骤S41所述功能单体为甲基丙烯酸、丙烯酰胺和乙烯基吡啶中任意两种的组合。
更优选地，步骤S41所述功能单体为甲基丙烯酸和丙烯酰胺的组合。
优选地，所述甲基丙烯酸和丙烯酰胺的摩尔比为3：1。
优选地，步骤S41所述致孔剂为乙腈/水溶液或乙腈/DMF/水溶液。
更优选地，步骤S41所述致孔剂为乙腈/水溶液。
优选地，步骤S41所述室温下搅拌90min进行预聚合。
优选地，步骤S41所述在85℃下回流搅拌10h。
优选地，步骤S42所述于65℃下干燥。
另外，由上述制备方法制备得到的磁性镉离子印迹聚合物，以及该磁性镉离子印迹聚合物在在镉污染样品中镉（尤其是痕量镉）的检测、富集和/或分离方面的应用，也都在本发明的保护范围之内。
本发明具有以下有益效果：
本发明以乙烯基修饰的Fe3O4@SiO2为磁性载体，Cd2+为模板，甲基丙烯酸（MAA）和丙烯酰胺（AM）为最佳功能单体组合，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）为交联，偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，制备得到一种 Cd2+印迹聚合物微球；能够对农产品样品中的痕量镉进行富集和分离，减少基质对检测结果的影响，提高检测的准确性，而且由于样品的中的镉并不是游离状态，对农产品样品进行消化后能使用该方法，在食品、农产品样品的检测领域具有较为广泛良好的应用前景。
本专利可以提高通过固相萃取剂对镉离子的特异性吸附能力，在联用现代仪器进行检测时，可避免基体效应的干扰，提高检测的灵敏度和准确性为痕量镉的检测提供了参考依据。
而且，离子印迹聚合物具有制备简单、成本低、操作要求低、对模板离子具较高的选择性等优点，将磁性纳米粒子与印迹技术结合制备的磁性离子印迹聚合物，不仅具有离子印迹聚合物选择性高的优点，还可以在外加磁场作用下实现快速分离，避免了离心、过滤等繁琐操作，提高了富集和分离的效率。
附图说明
图1为不同组合的功能单体的单位吸附量的比较。
图2为不同比例的甲基丙烯与丙烯酰胺对吸附量的影响。
图3为不同致孔剂的单位吸附量的比较。
图4为不同比例的模板分子与单体对吸附量的影响。
图5不同交联剂的量对吸附量的影响。
图6为不同磁性材料的用量对吸附量的影响。
图7为Fe3O4（A）和M-IIP（B）的磁滞回线。
图8为磁性镉离子印迹聚合物（M-IIP）不同初始浓度镉的吸附量的比较。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
所用仪器：原子吸收光谱仪(AA800)，磁力搅拌器(ZNCL-G-C)，鼓风干燥箱（SFG-02.400），恒温摇床(ZWY-100H)，振动样品磁强计 YPC7-VSM-130、超声波清洗仪(SB-4200DTD)；
以下试剂均为分析纯：氯化镉、甲基丙烯酸（MAA）、丙烯酰胺（AM）、乙腈、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、偶氮二异丁腈(AIBN)、氯化铁、氯化亚铁、氨水、乙二醇（PEG200）、正硅酸四乙酯（TEOS）、乙烯基三甲氧基硅烷(VTES)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、乙醇。
镉标准溶液（标准品）。
实施例 1 磁性镉离子印迹聚合物的制备方法
磁性镉离子印迹聚合物的制备方法，包括如下步骤：
S1.制备Fe3O4颗粒：
称取0.02mol Fe3Cl3·6H2O、0.012molFeCl2·4H2O置于250ml三角瓶中，通氮气条件下溶于100ml超纯水，在恒温磁力搅拌器加热搅拌至80℃，加入10ml氨水和2ml PEG200，加热搅拌3h，反应结束，冷却至室温，用磁铁分离去除上清液后，乙醇和超纯水各洗涤3次，于60℃烘箱干燥，研磨得到Fe3O4粉末；
S2.制备Fe3O4@SiO2：
称取0.5g Fe3O4粉末分散到100ml蒸馏水、50ml乙醇和10ml氨水的混合溶液中，再滴加0.5ml TEOS，常温下搅拌6h，即可得到Fe3O4@SiO2颗粒；
S3.制备Fe3O4@SiO2-C=C：
将Fe3O4@SiO2颗粒再分散到100ml蒸馏水和50ml乙醇的混合溶液中，加入10ml含有2g CTAB的氨水，之后再加入4ml TEOS和3.7ml VTES，搅拌6h，将上述产物磁分离并洗涤除去CTAB后，在80℃丙酮溶液中回流24h，即可得到Fe3O4@SiO2-C=C（即乙烯基修饰的Fe3O4@SiO2微球），用乙醇和蒸馏水反复洗涤，并干燥；
S4.制备磁性离子印迹聚物：
称取0.5mmol CdCl2·5/2H2O、一定量的双功能单体——甲基丙烯酸和丙烯酰胺分散到40ml致孔剂和10ml的水的溶液中，室温下搅拌90min进行预聚合，加入一定量的Fe3O4@SiO2-C=C（乙烯基修饰的Fe3O4@SiO2微球粉末）、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)和0.15g偶氮二异丁腈（AIBN），在85℃下回流搅拌10h，产物用磁分离并用乙醇洗涤除去未反应物，用HCl溶液进行洗脱，再用蒸馏水多次洗涤，于65℃下干燥，得到磁性镉离子印迹聚合物（M-IIP）。
实施例 2 制备工艺的优化——功能单体（甲基丙烯酸和丙烯酰胺）种类的选择
1、制备方法同实施例1，不同之处在于步骤S4中所使用的功能单体——甲基丙烯酸和丙烯酰胺，分别替换为以下不同的组合：
（1）甲基丙烯酸；
（2）乙烯基吡啶；
（3）丙烯酰胺；
（4）甲基丙烯酸和乙烯基吡啶；
（5）甲基丙烯酸和丙烯酰胺；
（6）丙烯酰胺和乙烯基吡啶。
通过比较不同组合功能单体对镉的吸附量来对功能单体进行筛选。
2、结果如附图1所示，在磁性镉离子印迹聚合物（M-IIP）的制备中，双功能单体制备的离子印迹聚合物吸附量均高于单功能单体制备的离子印迹的吸附量，在双功能单体的组合中，采用甲基丙烯酸和丙烯酰胺来制备离子印迹聚合物的吸附量是最高的。因此，本实验制备离子印迹聚合物所用功能单体的最佳选择为甲基丙烯酸和丙烯酸。
实施例 3 制备工艺的优化——甲基丙烯酸和丙烯酰胺比例的选择
1、制备方法同实施例1，不同之处在于步骤S4中所使用的功能单体——甲基丙烯酸和丙烯酰胺的比例不同，分别为：1：1、1：3、3：1。
2、结果如附图2所示，当甲基丙烯酸和丙烯酰胺的比例为3：1时对镉的吸附量是最高的。
实施例 4 制备工艺的优化——致孔剂的选择
1、制备方法同实施例1，不同之处在于步骤S4中所使用致孔剂分别为乙腈/水、乙腈/DMF/水两种致孔剂。
2、结果如附图3所示，用乙腈/水来作为溶剂对镉的吸附量明显高于用乙腈/DMF/水混合液的吸附量，所以乙腈/水溶液是最佳的致孔剂。
实施例 5 制备工艺的优化——模板 CdCl2 · 5/2H2O 和功能单体比例的优化
1、制备方法同实施例1，不同之处在于步骤S4中所使用模板CdCl2·5/2H2O和功能单体（甲基丙烯酸和丙烯酰胺）的摩尔比比例不同，分别为1：4、1：6、1：8、1：10、1：12。
2、结果如附图4所示，当模板与功能单体的比例为1：8时对镉的吸附量是最大的。
实施例 6 制备工艺的优化——模板 CdCl2 · 5/2H2O 和交联剂比例的优化
1、制备方法同实施例1（以模板与甲基丙烯酸和丙烯酰胺为功能单体，模板与功能单体比例为1：8，乙腈/水为致孔剂），不同之处在于步骤S4中所使用模板CdCl2·5/2H2O和交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)的摩尔比比例不同，分别为1：8、1：12、1：16、1：20、1：24。
2、结果如附图5所示，当模板与交联剂的比例为1：20时对镉的吸附量是最大的。
实施例 7 制备工艺的优化——磁性载体的量的优化
1、制备方法同实施例1，以甲基丙烯酸和丙烯酰胺为功能单体，模板与功能单体为1：8，模板与交联剂的比例为1:20，甲基丙烯酸和丙烯酰胺的比例为3:1，控制磁性载体（Fe3O4@SiO2-C=C，即乙烯基修饰的Fe3O4@SiO2））的量0.25、05、0.75、1.00g。
2、结果如附图6所示，当用0.5～0.75g时的载体的量能满足于吸附量和磁性的要求。
实施例 8 磁性镉离子印迹聚合物（ M-IIP ）的磁性性质研究
1、利用振动样品磁强计（VSM）测定Fe3O4和M-IIP的磁滞回线，研究所制备的Fe3O4和M-IIP的磁性性质。测试温度为300K，在南北极磁场强度范围为0～20000H。
2、结果如附图7所示，二者的磁滞回线具有相似的形状，的矫顽力和剩余磁化强度都接近于零，说明二者均有顺磁性，能在磁场作用下具有强的磁响应性，便于粒子的聚集。
实施例 8 磁性镉离子印迹聚合物（ M-IIP ）的应用研究
1、称取多份20mg的M-IIP，加入20ml浓度范围为30～90ug/ml的镉标准溶液，置于恒温摇床中震荡吸附2h，用磁铁分离，取一定量上清液，稀释后用AAS测定其中镉的浓度，考察磁性离子印迹聚合物的饱和吸附吸附量。
2、结果如附图8所示，Cd2+离子浓度在30～80μg/ml范围内，随着镉离子溶液度增加，磁性镉离子印迹聚合物（M-IIP）的吸附量均增加，在75μg/ml时趋于饱和，饱和吸附量为46.80mg/g。