一种用于降解T-2毒素的纳米复合材料及其制备方法

一种用于降解t-2毒素的纳米复合材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及真菌毒素降解领域，具体的说涉及一种高用于降解t-2毒素的纳米复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.t-2毒素是由镰刀菌属霉菌(fusarium)产生的a型单端孢霉烯族类毒素中毒性最强的一种，广泛存在于小麦、大麦、黑麦、燕麦和玉米等粮油产品以及相关动物饲料中，具有免疫毒性、神经毒性、生殖毒性等，联合国粮农组织(fao)和世界卫生组织(who)把t-2毒素同黄曲霉毒素一样作为自然存在的最危险的食品污染源之一。同时t-2毒素及其代谢衍生物的毒性作用短时间内难以消除，在粮农产品中污染率高，对人类和动物健康、动植物食品安全和粮食贸易发展危害巨大，因此规定，其最大可耐受日摄入量为60ng/kg
·b·
w，我国现行标准gb 13078-2017《饲料卫生标准》中也规定了猪、禽饲料中t-2毒素的限量为≤0.5mg/kg。基于上述原因，开发绿色高效的t-2毒素脱除技术成为饲料和农产品研究的重要项目。
3.传统的真菌毒素脱除方法，如物理方法(吸附、水热、辐照等)脱毒效率有限，设备昂贵，化学方法(强氧化剂脱毒法等)应用范围有限，容易造成二次污染，而相对温和的生物法(微生物吸附、菌-酶降解等)也存在处理周期长、难操作的特点，这些原因都限制了其在t-2毒素脱除中的进一步应用。
4.因此，需要开发一种新的有效降解脱除t-2毒素的方法。


技术实现要素：

5.本发明首先提供了一种用于降解t-2毒素的纳米复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
6.步骤s1：zno合成：取六水硝酸锌14.877g和100ml 90％的乙醇水溶液(体积浓度，下同)混合并超声低速顺时针搅拌5min，再加入100ml的90％乙醇水溶液混合高速搅拌15min得到六水硝酸锌原液，取六水硝酸锌原液和无水乙醇(v：v,1：9)混匀，用氢氧化钠溶液调节ph至5.5，70℃恒温连续搅拌8h得到六水硝酸锌工作液；
7.取二甲基咪唑5.134g和50ml 90％乙醇溶液混合并超声低速搅拌5min，再加入150ml的90％乙醇水溶液混合高速搅拌15min得到二甲基咪唑原液，取二甲基咪唑原液和无水乙醇(v:v，1:9)混合，用盐酸溶液调节ph至4.5，60℃恒温连续搅拌12h得到二甲基咪唑工作液；取二甲基咪唑工作液加入无水甲醇，震荡混匀10s后加入六水硝酸锌工作液(二甲基咪唑工作液：无水甲醇：六水硝酸锌工作液v:v:v为4:1:5)，搅拌混匀10s后室温静置反应24h，离心得到沉淀即为zno，再将沉淀洗涤后冻干保存，在扫描电子显微镜下观察冻干的材料形貌特征，备用；
8.所述步骤s1中，超声波频率为50khz，搅拌速度低速为30rpm，高速为200rpm；
9.步骤s2：磁性cafe2o4纳米晶簇合成：称取fecl3˙
6h2o 3.0g和cacl2˙
2h2o 0.926g加
入40ml乙二醇溶液，搅拌至形成均匀的溶液；再向溶液中加入聚乙二醇1.0g和氢氧化钠3.2g，继续搅拌60min后，将形成的混合溶液倒入聚四氟乙烯内胆的反应釜中，180℃水热反应12h；将反应产物用去离子水洗涤并磁铁回收三次，置于60℃真空干燥12h，得到的黑色沉淀物即为磁性cafe2o4纳米晶簇，在扫描电子显微镜下观察材料形貌特征并用于下一步合成磁性材料复合物；
10.步骤s3：zno/cafe2o4纳米晶簇的合成：称取磁性cafe2o4纳米晶簇4.4mg加入4ml甲醇溶液中，50khz超声分散30min后形成cafe2o4纳米悬浮液；再加入1-9倍对应摩尔比例的zno(如zno与cafe2o4纳米悬浮液的摩尔比为1：1、3：1、6：1、9：1时，分别称取zno质量为4.6mg、13.8mg、27.6mg、41.4mg)，另外超声分散10min，用盐酸溶液调节ph至等电点附近(ph范围为6-6.5)，再将混合溶液倒入聚四氟乙烯反应釜水热60℃反应12h，得到黑色沉淀物，用甲醇洗涤、磁铁回收三次，60℃真空干燥后得到产物zno/cafe2o4纳米晶簇，在扫描电子显微镜下观察材料形貌特征并用于下一步光催化降解反应。
11.本发明还提供了上述方法制备得到的用于降解t-2毒素的纳米复合材料。
12.本发明还提供了用上述得到的纳米复合材料降解t-2毒素的方法，具体如下：
13.步骤s1：将纳米复合材料zno/cafe2o4加入到t-2毒素水溶液中，避光搅拌30min使其达到吸附脱附平衡，得到混合溶液；
14.步骤s2：将步骤s1中的混合溶液置于光化学反应发生仪器中，以附有滤光片的氙灯作为光源，利用波长小于420nm的紫外光进行t-2的光催化降解反应180min；
15.步骤s3：对降解后溶液离心，离心转速为12000rpm，时间10min；取上清液，用水稀释10倍，过滤膜(滤膜孔径为0.22μm)，然后置于进样瓶中，采用超高效液相色谱串联质谱仪对t-2毒素的含量进行定量分析。
16.本发明的有益效果为：
17.基于t-2毒素在农产品以及饲料中的的污染脱除问题，克服光催化降解技术在开发和应用中纳米材料难回收和光生载流子易复合的两大难题，本发明公开了一种实现高效光催化降解t-2毒素的磁性可回收金属有机骨架纳米复合材料的合成方法及其应用方法。采用分步策略制备出光催化活性高、磁性可回收且对于反应条件要求不高的zno/cafe2o4纳米晶簇。本发明公开的纳米复合材料的制备工艺流程经济高效，绿色温和，先制备出粒径约36-56nm的均一尺寸zno，再通过等电点吸附和水热反应合成分散性良好、磁性可回收、光学性能优异、催化活性增强的zno/cafe2o4纳米晶簇复合材料，进而为促进t-2的绿色高效催化降解问题提供技术支持；并公开了光催化降解t-2的均一尺寸zno/cafe2o4纳米晶簇复合材料的应用方法，该降解方法操作简单、反应条件温和、降解效率高，通过紫外光催化低剂量的均一尺寸zno/cafe2o4纳米晶簇对t-2含量为5mg/l的水溶液进行处理，120min可实现90％以上的降解，180min实现98％以上的降解，可快速有效的使其含量降至标准限量值0.5mg/kg以下，为保障我国粮食及饲料质量安全提供有效理论参考和技术支持。
附图说明
18.图1：实施例中不同复合比例的磁性可回收金属氧化物纳米复合材料紫外光催化降解t-2效率图；其中c
t
为t-2光反应过程中取样时的浓度，c0为初始t-2浓度；
19.图2：为实施例中对应材料的扫描电镜图和x射线衍射图(xrd)；
20.图3：zno/cafe2o4(6：1)纳米复合材料对不同初始浓度t-2毒素的光催化降解效率图；
21.图4：t-2毒素溶液中zno/cafe2o4纳米复合材料吸附回收实物图；
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
23.下列实施例中提到的原料、试剂和仪器，请提供其来源。
24.1.试剂
25.六水合硝酸锌(zn(no3)2·
6h2o)购自上海润捷化学试剂有限公司(中国)。
26.2-甲基咪唑由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供。
27.无水乙醇(》99.8％)、六水合氯化铁(fecl3·
6h2o)和二水合氯化钙(cacl2·
2h2o)由中国国药集团化学试剂有限责任公司提供。
28.苯醌(bq)、异丙醇(ipa)和乙二胺四乙酸二钠(edta-2na)购自上海阿拉丁工业公司。
29.t-2标准品(纯度大于99％)购自美国romer公司。
30.所有溶液均使用milli-q plus设备生产的超纯水。
31.2.仪器
32.uplc xevo tq-s超高效液相色谱-串联质谱联用仪(美国waters公司)；
33.milli-q超纯水仪(美国millipore公司)；
34.multifuge 1l-r离心机(德国thermo公司)；
35.al104分析天平(美国梅特勒-托利多仪器有限公司)；
36.氙灯和zl-ghx-v光催化反应器(上海左乐仪器有限公司)；
37.ph计(st 3100，奥豪斯仪器有限公司)。
38.实施例1-4纳米复合材料的制备，步骤s1和s2均为如下步骤：
39.步骤s1：zno合成：取六水硝酸锌14.877g和100ml 90％的乙醇水溶液(体积浓度，下同)混合并超声低速顺时针搅拌5min，再加入100ml的90％乙醇水溶液混合高速搅拌15min得到六水硝酸锌原液，取六水硝酸锌原液和无水乙醇(v：v,1：9)混匀，用氢氧化钠溶液调节ph至5.5，70℃恒温连续搅拌8h得到六水硝酸锌工作液；
40.取二甲基咪唑5.134g和50ml 90％乙醇溶液混合并超声低速搅拌5min，再加入150ml的90％乙醇溶液混合高速搅拌15min得到二甲基咪唑原液，取二甲基咪唑原液和无水乙醇(v:v，1：9)混合，用盐酸溶液调节ph至4.5，60℃恒温连续搅拌12h得到二甲基咪唑工作液；取二甲基咪唑工作液加入无水甲醇，震荡混匀10s后加入六水硝酸锌工作液(二甲基咪唑工作液：无水甲醇：六水硝酸锌工作液v:v:v为4:1:5)，搅拌混匀10s后室温静置反应24h，离心得到沉淀即为zno，再将沉淀洗涤后冻干保存，在扫描电子显微镜下观察冻干的材料形貌特征，备用；
41.所述步骤s1中，超声波频率为50khz，搅拌速度低速为30rpm，高速为200rpm；
42.步骤s2：磁性cafe2o4纳米晶簇合成：称取fecl3˙
6h2o 3.0g和cacl2˙
2h2o 0.926g加入40ml乙二醇溶液，搅拌至形成均匀的溶液；再向溶液中加入聚乙二醇1.0g、氢氧化钠3.2g，继续搅拌60min后，将形成的混合溶液倒入聚四氟乙烯内胆的反应釜中，180℃水热反
应12h；将反应产物用去离子水洗涤并磁铁回收三次，置于60℃真空干燥12h，得到的黑色沉淀物即为磁性cafe2o4纳米晶簇，在扫描电子显微镜下观察材料形貌特征并用于下一步合成磁性材料复合物；
43.步骤s3，实施例1-4如下：
44.实施例1：zno/cafe2o4纳米晶簇(1：1)合成：
45.单一材料的合成步骤如上所述。称取4.4mg磁性cafe2o4纳米晶簇加入到4ml甲醇溶液中，50khz超声分散30min后形成cafe2o4纳米悬浮液；再加入zno共4.6mg，另外超声分散10min，用盐酸溶液调节ph至6.25，使得复合材料吸附效率最高，再将混合溶液倒入聚四氟乙烯反应釜水热反应12h，得到黑色沉淀物用甲醇洗涤、磁铁回收三次，60℃真空干燥后得到产物，用于下一步光催化降解反应。
46.实施例2：zno/cafe2o4纳米晶簇(3：1)合成：
47.单一材料的合成步骤如上所述。称取4.4mg磁性cafe2o4纳米晶簇加入到4ml甲醇溶液中，50khz超声分散30min后形成cafe2o4纳米悬浮液；再加入zno共13.8mg，另外超声分散10min，用盐酸溶液调节ph至6.25，使得复合材料吸附效率最高，再将混合溶液倒入聚四氟乙烯反应釜水热反应12h，得到黑色沉淀物用甲醇洗涤、磁铁回收三次，60℃真空干燥后得到产物，用于下一步光催化降解反应。
48.实施例3：zno/cafe2o4纳米晶簇(6：1)合成：
49.单一材料的合成步骤如上所述。称取4.4mg磁性cafe2o4纳米晶簇加入到4ml甲醇溶液中，50khz超声分散30min后形成cafe2o4纳米悬浮液；再加入zno共27.6mg，另外超声分散10min，用盐酸溶液调节ph至6.25，使得复合材料吸附效率最高，再将混合溶液倒入聚四氟乙烯反应釜水热反应12h，得到黑色沉淀物用甲醇洗涤、磁铁回收三次，60℃真空干燥后得到产物，用于下一步光催化降解反应。
50.实施例4：zno/cafe2o4纳米晶簇(9：1)合成：
51.单一材料的合成步骤如上所述。称取4.4mg磁性cafe2o4纳米晶簇加入到4ml甲醇溶液中，50khz超声分散30min后形成cafe2o4纳米悬浮液；再加入zno共41.4mg，另外超声分散10min，用盐酸溶液调节ph至6.25，使得复合材料吸附效率最高，再将混合溶液倒入聚四氟乙烯反应釜水热反应12h，得到黑色沉淀物用甲醇洗涤、磁铁回收三次，60℃真空干燥后得到产物，用于下一步光催化降解反应。
52.对比例1：步骤s1中合成的zno作为光催化剂
53.对比例2：空白组：不添加任何光催化剂
54.对比例3：黑暗组：添加实施例3中的zno/cafe2o4纳米晶簇作为光催化剂，但将混合溶液持续置于黑暗反应条件下，不进行光催化实验；
55.实施例5
56.将实施例1-4以及对比例中的各种催化材料以及空白组进行紫外光催化降解t-2毒素测试：
57.称取各催化材料1.5mg，加入到3ml初始浓度为1mg/l的t-2毒素水溶液中；
58.步骤s1：将实施例1-4和对比例1中的催化材料1.5mg加入到t-2毒素水溶液3ml量中，避光搅拌30min使其达到吸附脱附平衡，得到混合溶液；
59.步骤s2：将步骤s1中的混合溶液置于光化学反应发生仪器中，以附有滤光片的氙
灯作为光源，利用波长小于420nm的紫外光进行t-2的光催化降解反应180min；
60.步骤s3：对降解后溶液离心，离心转速为12000rpm，时间10min；取上清液，用水稀释10倍，过滤膜(滤膜孔径为0.22μm)，然后置于进样瓶中，采用超高效液相色谱串联质谱仪对t-2毒素的含量进行定量分析。
61.基于实验室前期研究建立的分析方法(食品安全质量检测学报，2020，11(19)：7019-7029)进行适当改进，uplc-ms/ms检测条件如下：
62.色谱条件:色谱柱:waters xbridge beh c18柱(100mm
×
3.0mm,2.5μm)；流动相:流动相a为5mmol/l乙酸铵溶液,流动相b为甲醇；梯度洗脱程序:0～0.2min,30％b；0.2～5min,30％b～90％b；5～7min,90％b；7～7.5min,90％b～30％b；7.5～8.5min,30％b；流速0.4ml/min；进样量3μl；柱温40℃。
63.质谱条件:采用电喷雾电离源(esi)正离子模式扫描；雾化气、辅助气均为高纯空气,碰撞气为高纯氮气；碰撞气为高纯氩气，脱溶剂温度为500℃，离子源温度为150℃；通过多反应监测(mrm)模式对目标化合物进行定量。t-2毒素的保留时间、母离子、子离子、碰撞电压等质谱参数见表1。
[0064][0065]
对比例3以实施例3中的zno/cafe2o4纳米晶簇作为光催化剂，但将步骤s1得到的混合溶液持续置于黑暗反应条件下，不进行步骤s2的光催化实验，只进行步骤s3的离心、取上清、过滤膜，然后采用超高效液相色谱串联质谱仪对t-2毒素的含量进行定量分析。
[0066]
实验结果如图1所示，c
t
为t-2溶液实时浓度，c0为t-2溶液初始浓度；可以明显发现实施例1-4(图中分别标注1：1、3：1、6：1、9：1)中随着光照时间的增加，t-2降解率也逐渐增加，且光催化降解真菌毒素t-2效果显著，其中复合材料比例为6：1时，降解效率显著优于单一zno和其他比例的复合材料，120min可实现水溶液中95％以上的t-2降解率，t-2残留量明显低于国家限量标准。
[0067]
实施例6实施例中扫描电镜和x射线衍射测试：
[0068]
将实施例3中的zno/cafe2o4(6：1)和对比例1中的zno材料进行扫描电镜测试，如图2所示，其中(a)为zno，(b)为zno/cafe2o4(6：1)纳米复合材料，其中(c)为zno、cafe2o4纳米晶簇和zno/cafe2o4(6：1)纳米复合材料的x射线衍射图。
[0069]
图2(a)(b)可以清晰看到zno为粒径约36-56nm左右的均匀方钠石颗粒状，复合后的zno/cafe2o4(6：1)纳米复合材料可以看到cafe2o4纳米晶簇表面紧密吸附有方钠石结构的zno颗粒。图2(c)中zno样品在2θ
°
31.7
°
(100)、34.4
°
(002)、36.2
°
(101)、47.5
°
(102)、56.5
°
(110)和67.8
°
(112)处具有良好的xrd峰，符合典型的zno六方结构，与jcpds卡no.80-0074标准数据吻合良好，说明溶剂热反应得到的zno纳米晶纯度高。zno和cafe2o4掺入后，zno/cafe2o4的衍射峰与单一zno的衍射峰几乎完全吻合，但衍射峰向较低的角度略微偏移(约0.2
°
)，这可以归因于cafe2o4的掺入，这表明fe
3+
通过用较小的离子半径取代部分zn
2+
成
功植入zno晶格。此外，在43
°
上缺少一个与(400)面cafe2o4相关的小峰，表明zno和磁性cafe2o4通过等电点吸附等作用成功复合。
[0070]
实施例7低剂量催化材料对高浓度t-2溶液降解效率测试：
[0071]
本实施例考察低剂量复合材料对初始浓度分别为1mg/l、3mg/l、5mg/l、10mg/l、20mg/l的t-2紫外光催化降解效率；实施例3制备得到的zno/cafe2o4纳米晶簇(6：1)1mg对3ml不同初始浓度t-2溶液进行光催化降解，光催化降解步骤同实施例5。
[0072]
实验结果如图3所示，可以明显发现纳米复合材料对于10mg/l以内的t-2溶液均能实现高效快速降解，120min可实现90％以上的降解，180min实现98％以上的降解，可快速有效的使其含量降至标准限量值0.5mg/kg以下，对于更高浓度的毒素溶液，可以延长光照时间或增大剂量来实现完全脱除。
[0073]
实施例8光催化降解反应后，纳米复合材料的回收
[0074]
图4为实施例3所得zno/cafe2o4纳米晶簇(6：1)复合催化剂在催化反应后的磁性回收实物图，由图可知该复合材料具有较强的磁性，利于回收利用。

技术特征：
1.一种用于降解t-2毒素的纳米复合材料的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤：步骤s1：zno合成：取六水硝酸锌14.877g和100ml 90％的乙醇水溶液混合并超声低速顺时针搅拌5min，再加入100ml的90％乙醇水溶液混合高速搅拌15min得到六水硝酸锌原液，取六水硝酸锌原液和无水乙醇(v：v,1：9)混匀，用氢氧化钠溶液调节ph至5.5，70℃恒温连续搅拌8h得到六水硝酸锌工作液；取二甲基咪唑5.134g和50ml 90％乙醇溶液混合并超声低速搅拌5min，再加入150ml的90％乙醇水溶液混合高速搅拌15min得到二甲基咪唑原液，取二甲基咪唑原液和无水乙醇(v:v，1：9)混合，用盐酸溶液调节ph至4.5，60℃恒温连续搅拌12h得到二甲基咪唑工作液；取二甲基咪唑工作液加入无水甲醇，震荡混匀10s后加入六水硝酸锌工作液，二甲基咪唑工作液：无水甲醇：六水硝酸锌工作液v:v:v为4:1:5，搅拌混匀10s后室温静置反应24h，离心得到沉淀即为zno，再将沉淀洗涤后冻干保存，在扫描电子显微镜下观察冻干的材料形貌特征，备用；所述步骤s1中，超声波频率为50khz，搅拌速度低速为30rpm，高速为200rpm；步骤s2：磁性cafe2o4纳米晶簇合成：称取fecl3˙
6h2o 3.0g和cacl2˙
2h2o 0.926g加入40ml乙二醇溶液，搅拌至形成均匀的溶液；再向溶液中加入聚乙二醇1.0g、氢氧化钠3.2g，继续搅拌60min后，将形成的混合溶液倒入聚四氟乙烯内胆的反应釜中，180℃水热反应12h；将反应产物用去离子水洗涤并磁铁回收三次，置于60℃真空干燥12h，得到的黑色沉淀物即为磁性cafe2o4纳米晶簇，在扫描电子显微镜下观察材料形貌特征并用于下一步合成磁性材料复合物；步骤s3：zno/cafe2o4纳米晶簇的合成：称取磁性cafe2o4纳米晶簇4.4mg加入4ml甲醇溶液中，50khz超声分散30min后形成cafe2o4纳米悬浮液；再加入1-9倍摩尔比例的zno，另外超声分散10min，用盐酸溶液调节ph为6-6.5，再将混合溶液倒入聚四氟乙烯反应釜水热60℃反应12h，得到黑色沉淀物，用甲醇洗涤、磁铁回收三次，60℃真空干燥后得到产物zno/cafe2o4纳米晶簇，在扫描电子显微镜下观察材料形貌特征并用于下一步光催化降解反应。2.权利要求1所述方法制备得到的用于降解t-2毒素的纳米复合材料zno/cafe2o4。3.权利要求2所述的纳米复合材料降解t-2毒素的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤s1：将zno/cafe2o4纳米晶簇加入到t-2毒素水溶液中，避光搅拌30min使其达到吸附-脱附平衡，得到混合溶液；步骤s2：将步骤s1中的混合溶液置于光化学反应发生仪器中，以附有滤光片的氙灯作为光源，利用波长小于420nm的紫外光进行t-2的光催化降解反应180min；步骤s3：对降解后溶液离心，离心转速为12000rpm，时间10min；取上清液，用水稀释10倍，过滤膜，滤膜孔径为0.22μm，然后置于进样瓶中，采用超高效液相色谱串联质谱仪对t-2毒素的含量进行定量分析。

技术总结
本发明公开了一种用于降解T-2毒素的纳米复合材料，该纳米复合材料是通过如下步骤制备得到的：步骤S1：ZnO合成；步骤S2：磁性CaFe2O4纳米晶簇合成；步骤S3：ZnO/CaFe2O4纳米晶簇的合成。本发明的用于降解T-2毒素的纳米复合材料制备工艺流程经济高效，绿色温和，为促进T-2的绿色高效催化降解问题提供技术支持，为保障我国粮食及饲料质量安全提供有效理论参考。我国粮食及饲料质量安全提供有效理论参考。我国粮食及饲料质量安全提供有效理论参考。


技术研发人员：韩铮 赵志辉 黄晴雯 聂冬霞 娄秀萍
受保护的技术使用者：上海市农业科学院
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/12