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基于金属有机骨架材料的甾体激素分析认领

作者：

高桂花

学位授予单位：

沈阳药科大学

摘要：

甾体激素是一类生物活性物质,在维持生命、调节性功能,对机体发展、免疫调节、皮肤疾病治疗及生育控制方面有明确的作用。其体内浓度水平的紊乱会导致多种疾病的发生。同时,甾体激素又因其治病防病作用在人和动物中广泛应用,由于它们在体内不能被完全代谢而随人和动物排泄到环境水体中,成为一种环境污染物。不仅对环境生物产生危害,也会随食物链进入人体,影响人类健康。因此,对体液和环境水样中甾体激素水平进行检测十分必要。然而,无论哪种样品介质都因甾体激素浓度水平低、样品基质复杂而需要在仪器分析检测前完成样品前处理过程,以达到富集和净化的目的。而选择对目标物具有良好富集效果的新型吸附剂和开发环境友好、快速简便的新型样品前处理方法就成为环境分析化学领域的研究重点、难点和亮点。金属有机骨架材料是一类新型的多孔材料,因其组成和结构多样、孔径可调、便于后修饰、比表面积高等特点在样品前处理领域特别是固相萃取技术中得到广泛的应用。本论文选择金属有机骨架材料作为吸附剂,探索多种适合水样和尿样中甾体激素的固相萃取前处理方法,深入研究金属有机骨架材料对雌激素的吸附行为,为环境水样和尿液样品中甾体激素的分析检测提供技术支撑。主要研究工作有:1.采用水热法和溶剂热法制备了 MIL-53(Al)、MIL-53(Fe)、NH2-MIL-53(Al)和UiO-66(Zr)4种水稳定性好的MOFs材料,并以扫描电镜、X射线衍射等多种手段表征了它们的结构。为解决水热法制备MIL-53(Al)时反应时间过长的问题,以雌二醇、雌三醇和炔雌醇3种雌激素的萃取回收率和XRD数据为指标优化了微波合成条件,建立了 MIL-53(Al)的微波合成法,成功将3天的反应时间缩短为90 min。2.采用吸附实验法和计算机模拟法相结合方法,以12种甾体激素为目标物,对MIL-101(Cr)、MIL-100(Fe)、MIL-53(Al)和 UiO-66(Zr)4 种 MOFs 材料进行优选。在材料选择的基础上,确定UiO-66(Zr)用于雄激素和孕激素的吸附,MIL-53(Al)用于皮质激素和雌激素的吸附。同时,通过计算机模拟技术,计算了 4种MOFs材料与目标物的结合方式和结合能,从分子水平上阐明了 MOFs与目标物的吸附机理,它们之间的相互作用力主要有疏水作用、π-π作用、氢键作用等。这种吸附实验法和计算机模拟法相结合的研究策略避免了材料选择的盲目性,有助于MOFs的开发和其在样品前处理领域的高效利用。3.建立以UiO-66(Zr)作为吸附剂的膜保护微固相萃取法用以萃取环境水样中雄激素和孕激素(睾酮、黄体酮、丙酸睾酮和醋酸甲羟孕酮)。对影响萃取效率的因素,如水相pH、盐浓度、萃取时间、解吸溶剂和解吸时间等进行了优化。结合超高效液相色谱串联质谱法(UPLC-MS/MS)实现环境水样中4种雄激素和孕激素的同时测定。对所建立的方法进行方法学考察,4种目标物在0.008～2.0 ng/mL的范围内线性关系良好,检测限为0.002～0.01 ng/mL,回收率在80.2%～93.9%之间,相对标准偏差为1.5%～9.2%,符合方法学要求。该方法操作简单、灵敏度高,可满足环境水样中雄激素和孕激素的分析要求。4.建立以MIL-53(Al)作为吸附剂的分散微固相萃取法用以萃取环境水样中皮质激素和雌激素(醋酸地塞米松、曲安奈德、丙酸氯倍他索、乙烯雌酚、雌酮、雌二醇、雌三醇和炔雌醇),并对水相pH、盐浓度、材料用量、萃取时间、解吸溶剂、溶剂体积和解吸时间等影响萃取效率的因素进行了优化。结合UPLC-MS/MS实现环境水样中8种皮质激素和雌激素的同时测定。经过方法学效能指标的验证,8种目标物的线性范围为0.005025～368.6 ng/mL,检测限为0.0015～1.0 ng/mL,回收率为80.6%～98.4%,相对标准偏差为4.5%～11.3%。与固相萃取法相比,该方法表现出明显的优势。该方法操作简单、萃取效率高,灵敏度高,可满足环境水样中皮质激素和雌激素的分析要求。5.建立以MIL-53(Al)混合基质膜为吸附剂的涡旋辅助混合基质膜固相萃取法用于尿样中4种雌激素(雌酮、雌二醇、雌三醇和炔雌醇)的萃取,并结合高效液相色谱-荧光检测器(HPLC-FLD)测定尿样中雌激素的含量。对萃取条件进行了优化并完成方法学验证。结果4种雌激素在0.02～200 ng/mL的范围内线性关系良好,检测限为0.005 ng/mL～1.0 ng/mL,回收率为80.4%～102.7%,相对标准偏差为5.1%～11.4%。符合方法学要求。该方法成功用于25名儿童和19名绝经期妇女尿样中雌激素的测定。涡旋辅助混合基质膜固相萃取法简单、准确、成本低廉,具有吸附性能高、操作简单、方便进行固液分离等优点,其在液体样品预处理中将有广泛的应用。6.MIL-53(Al)对雌激素显现出优异的吸附性能,因此,采用批吸附实验结合荧光分光光度法研究了 MIL-53(Al)与3种雌激素(雌二醇、雌三醇和炔雌醇)的吸附行为。实验考察了影响3种雌激素吸附过程的参数,确定了最优的吸附条件。吸附动力学研究结果表明MIL-53(Al)对雌二醇、雌三醇和炔雌醇的吸附均符合拟二级动力学模型。分别采用Langmiur、Frendlich与Temkin方程拟合吸附等温线,与Langmuir与Temkin模型相比,三种雌激素的吸附过程更符合Freundlich模型,说明吸附过程主要为化学吸附。吸附机理可能为基于MIL-53(Al)中的-COOH与雌激素中的-OH基团之间形成的分子间氢键,MIL-53(Al)和雌激素结构中的苯环之间的π-π相互作用,MIL-53(Al)的苯环和雌激素的苯基和烷基环之间发生的疏水相互作用,以及范德华力和MIL-53(Al)的呼吸作用。Langmiur对雌二醇、雌三醇和炔雌醇拟合的最大吸附量分别为52.00 mg/g,79.43 mg/g和60.39 mg/g。吸附热力学研究表明,MIL-53(Al)对雌二醇、雌三醇和炔雌醇的吸附过程均为自发不可逆过程;三种雌激素的吸附过程是吸热过程。除此之外,吸附剂有可观的再生利用性,在经过简单的洗涤后,吸附剂可重复使用至少5次。MIL-53(Al)对雌二醇、雌三醇和炔雌醇具有很好的吸附能力,加之良好的溶剂稳定性,此材料在有机污染物吸附领域展现出了良好的应用前景。本论文综合运用材料科学、分析化学、物理化学、药物分析学和计算机科学等学科的知识和技术,将金属有机骨架材料成功应用于水样和尿样中甾体激素类物质的样品前处理。在材料的制备上,首次采用微波法合成了 MIL-53(Al),缩短了反应时间,节省了能源和设备消耗,提高了合成效率,同时得到颗粒更为均匀的MIL-53(Al);在材料的选择上,采用吸附实验法和计算机模拟法相结合的方法优选MOFs材料与目标物的最佳搭配确定了材料和目标物的配对;这种研究策略避免了材料选择的盲目性,有助于MOFs的开发和其在样品前处理领域的高效利用;在前处理方法上,开发了分散微固相萃取、膜保护微固相萃取和首次提出的混合基质膜固相萃取法的样品前处理方法,解决了固相萃取材料用量和有机溶剂用量较大,不经济环保等不足;在检测手段上,采用UPLC-MS/MS和HPLC-FLD对甾体激素进行检测,UPLC-MS/MS高效、灵敏、准确度高,但对于雌激素的分析,HPLC-FLD灵敏度更高,更合适雌激素的分析;在吸附机理上,通过吸附实验深入探究了 MIL-53(Al)对3种雌激素的吸附机制和作用规律。这些研究成果,进一步发展了金属有机骨架材料的合成方法,扩大了可以用于前处理的MOFs种类,探索了材料与目标物的筛选策略,有效解决了现有固相萃取技术的局限,提出了混合基质膜固相萃取的概念,研究了 MOFs材料与雌激素的吸附机理为环境水样和尿液样品中甾体激素的分析检测提供技术和理论支撑,为环境分析化学热点研究问题提供了有效的解决方案。

摘要译文

关键词：

金属有机骨架材料; 甾体激素; 混合基质膜固相萃取; 吸附机理与吸附性能; 水样和尿样

学位年度：

2018

学位类型：

博士

学科专业：

药物分析学

导师：

侯晓虹

中图分类号：

O647.3[吸附];O658.2[萃取法⑨]

学科分类号：

070304[物理化学];070307[理论与计算化学];081704[应用化学];070302[分析化学]

D O I：

10.27330/d.cnki.gsyyu.2018.000004