一种原位定量测定解析污染物分子粘附力的方法

1.本发明属于环境科学领域，具体涉及一种原位定量测定解析污染物分子粘附力方法。


背景技术：

2.为了减少各种污染物对环境和人类的负面影响，各种去除策略如增强吸附、膜分离、光催化、电化学和高级氧化过程均被报道。由于具有高效、低成本、设置简单和易于操作等吸引人的特点，增强吸附策略已被广泛采用。当前，污染物的吸附机制只有通过宏观吸附实验以及傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱、x射线光电子能谱等手段进行探究。然而，传统方法既不能原位测定污染物分子与界面的相互作用力，也不能根据吸附机理解析分子相互作用力，这限制了环境修复材料的开发。
3.原子力显微镜(afm)是一种多功能表征工具，可以在气态和液态条件下操作。高空间分辨率(亚纳米尺度)和高灵敏度(皮牛顿尺度)使原子力显微镜成为确定分子相互作用力的有力工具。afm力谱已被用于研究分子相互作用，例如范德华力、氢键和疏水相互作用。afm似乎是一个很有前途的工具来精确揭示污染物分子粘附机制，然而污染物和界面之间的相互作用机制还缺乏研究，这不仅是因为将污染物分子固定在afm针尖上而不影响污染物分子的原始性质具有难度，同时污染物分子修饰探针与界面相互作用力的定量解析也极具挑战性。
4.通过解析污染物与界面粘附力中疏水、静电和π-π相互作用贡献的分力，有利于筛选合理的用于吸附目标污染物的材料作为吸附剂，进而对废水中污染物进行很好的治理。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于定量测定和解析污染物分子粘附力的方法，本发明方法工艺简单、操作简便，可以实现各种污染物与界面粘附力的原位测定和精准解析，为污染物环境行为研究及环境修复材料开发提供理论依据。
6.本发明所采用的具体技术方案如下：
7.一种原位定量测定解析污染物分子粘附力方法，其包括以下步骤：
8.1)将目标污染物(本发明选用磺胺甲恶唑和环丙沙星作为实施例的目标污染物)通过共价修饰到原子力显微镜探针。
9.2)以硅晶片为基材利用在基材上进行硅烷沉积的方式构建具有精准调控疏水性的第一组标准界面，它包括至少三个具有相同的表面电势以及不同疏水性的硅基材料；以硅晶片为基材进行氨基和羧基修饰层层自组装构建具有精确调控电性的第二组标准界面，它包括至少三个具有不同表面电势、不同疏水性的硅基材料；
10.3)用目标污染物修饰的探针分别在第一组标准界面和第二组标准界面上测量相互作用力谱，依次分别构建目标污染物疏水相互作用力fh与标准界面水接触角θ相关关系公式，目标污染物静电相互作用力fe与标准界面表面电势ζ相关关系公式；最后选取含有芳
香环结构的材料作为用于吸附目标污染物的实际界面，用目标污染物修饰的探针在实际界面上测量相互作用力谱，解析污染物与界面粘附力中疏水、静电和π-π相互作用贡献的分力。
11.所述步骤1)具体包括：
12.①
商业原子力显微镜探针依次经羟基化、胺功能化。
13.②
将胺功能化的探针浸入戊二醛溶液中3小时。
14.③
超纯水冲洗后浸入磺胺甲恶唑(smx)的乙醇溶液，获得smx改性探针；
15.④
在环丙沙星(cip)的n,n-二甲基乙酰胺(dmac)溶液中分别加入n-(3-二甲基氨基丙基)-n
’‑
乙基碳二亚胺盐酸盐(edcl)和n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)，室温搅拌。
16.⑤
将胺功能化的探针浸入上述环丙沙星(cip)的溶液中，加入三乙胺作为反应催化剂，反应过夜，获得cip改性探针。
17.⑥
分别用乙醇和超纯水冲洗smx、cip改性探针。
18.⑦
在超纯水中浸泡12小时以去除物理沉积的smx、cip分子。
19.⑧
将smx、cip改性探针用氮气流干燥并储存在干燥器中以备后用。
20.作为优选，步骤
①
中所述羟基化具体为用氧等离子体(100w)处理5分钟，胺功能化具体为在120℃下气相沉积(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(apte)3小时。
21.作为优选，步骤
②
中所述戊二醛溶液质量浓度为2-3％，优选为2.5％。
22.作为优选，步骤
③
中所述smx的乙醇溶液浓度为20-30mg/ml，优选为24mg/ml，浸没时间为2-4小时，优选为3小时。
23.作为优选，步骤
④
中所述cip的dmac溶液浓度为2-3mg/ml，优选为2.5mg/ml，edcl和nhs的加入摩尔量均为cip摩尔量的1-2倍，优选为1.5倍，搅拌时间为1.5-3小时，优选为2小时。
24.作为优选，步骤
⑤
中所述三乙胺的加入体积与cip的质量之比为1.5-3:1，优选为2:1，体积单位是μl，质量单位是mg。反应温度为75-90℃，优选80℃。
25.所述步骤2)包括：利用硅烷沉积构建一组具有精准调控疏水性的标准界面(ho，hi)；利用层层自组装构建一组具有精准调控电性的标准界面(po，ne)。
26.具体地：
27.①
硅晶片分别用水和乙醇超声清洗20分钟。
28.②
氮气流干燥后羟基化。
29.③
羟基化后的硅晶片浸入十八烷基三氯硅烷(ots)的甲苯溶液中。
30.④
氮气流吹干，将硅晶片加热保温完成硅烷化。
31.⑤
羟基化后的硅晶片浸入聚乙烯亚胺(pei)水溶液。
32.⑥
超纯水冲洗2分钟后浸入聚丙烯酸(paa)水溶液。
33.⑦
再用超纯水冲洗2分钟。
34.⑧
重复
⑤‑⑦
循环，直到达到所需的氨基和羧基修饰的层数。
35.⑨
沉积后的硅晶片用氮气流吹干，将硅片加热保温以进行层间交联。
36.作为优选，步骤
②
中所述羟基化具体为用氧等离子体(100w)处理5分钟。
37.作为优选，步骤
③
中所述十八烷基三氯硅烷(ots)的甲苯溶液浓度为0.5mm，浸入时间为300秒制备得到ho。
38.作为优选，步骤
③
中所述十八烷基三氯硅烷(ots)的甲苯溶液浓度为0.05mm，浸入时间为30秒制备得到hi。
39.作为优选，步骤
④
中所述加热温度为120℃并保温1小时。
40.作为优选，步骤
⑤
中所述聚乙烯亚胺(pei)水溶液浓度为1mg/ml，浸入时间为10分钟。
41.作为优选，步骤
⑥
中所述聚丙烯酸(paa)水溶液浓度为1mg/ml，浸入时间为10分钟。
42.作为优选，步骤
⑧
中所述循环次数为1.5次，即是一次步骤
⑤‑⑦
操作之(第一个循环)后，再进行一次步骤
⑤
操作以及一次步骤
⑦
操作(最后0.5个循环)。第一个循环所述聚乙烯亚胺(pei)水溶液ph为10.5，分子量为70kda，所述聚丙烯酸(paa)水溶液ph为3.5，分子量为450kda，最后0.5个循环所述聚乙烯亚胺(pei)水溶液ph为10.5，分子量为1800da，制备得到po。
43.作为优选，步骤
⑧
中所述循环次数为1次，所述聚乙烯亚胺(pei)水溶液ph为3.5，分子量为1800da，所述聚丙烯酸(paa)水溶液ph为3.5，分子量为450kda，制备得到ne。
44.作为优选，步骤
⑨
中所述加热温度为60℃并保温6小时。
45.作为优选，ho，hi具有相同的表面电势，表面化学结构没有芳香性结构，具有疏水性差异，因此在与污染物探针相互作用时，静电、π-π相互作用没有贡献，只存在疏水相互作用。
46.作为优选，po，ne具有已知的疏水性，表面化学结构没有芳香性结构，具有表面电势差异，因此在与污染物探针相互作用时，π-π相互作用没有贡献，只存在静电、疏水相互作用。
47.所述步骤3)选取高温热解石墨(hopg)和聚苯乙烯(ps)作为实际界面。
48.作为优选，hopg，ps具有已知的疏水性、表面电势，且具有芳香性结构，在与污染物探针相互作用时，存在π-π相互作用。
49.所述步骤3)具体包括：
50.①
测量污染物修饰的探针与第一组标准界面(ho，si，hi)的粘附力。
51.②
绘制污染物在标准界面的平均粘附力与标准界面水接触角余弦值的关系曲线，建立污染物疏水相互作用力(fh)与标准界面水接触角(θ)相关关系公式。
52.③
测量污染物修饰的探针与第二组标准界面(po，si，ne)的粘附力。
53.④
扣除疏水相互作用的贡献。
54.⑤
绘制污染物在标准界面的平均粘附力与标准界面表面电势的关系曲线，建立污染物静电相互作用力(fe)与标准界面表面电势(ζ)相关关系公式。
55.⑥
测量污染物修饰的探针与实际界面(hopg，ps)的粘附力。
56.⑦
向步骤
②
和
⑤
的公式中分别带入实际界面的水接触角和表面电势，扣除疏水、静电相互作用的贡献，获得污染物与实际界面的π-π相互作用(f
p
)。
57.作为优选，所有力谱测量均在样品表面选取三个点测量一百条力曲线获得平均粘附力。
58.本发明方法工艺简单、操作简便，可以实现各种污染物与界面粘附力的原位测定和精准解析，为污染物环境行为研究及环境修复材料开发提供理论依据。
附图说明
59.图1为磺胺甲恶唑修饰探针的xps图；
60.图2为磺胺甲恶唑修饰探针的等电点测定图；
61.图3为标准界面性质图；
62.图4为磺胺甲恶唑修饰探针测量的粘附力与标准界面水接触角余弦的函数图，和磺胺甲恶唑归一化静电相互作用力与标准界面表面电势的函数图；
63.图5为磺胺甲恶唑与hopg相互作用力解析图；
64.图6为环丙沙星修饰探针的xps图；
65.图7为环丙沙星修饰探针的等电点测定图；
66.图8为环丙沙星修饰探针测量的粘附力与标准界面水接触角余弦的函数图；
67.图9为环丙沙星归一化静电相互作用力与标准界面表面电势的函数图；
68.图10为环丙沙星与ps相互作用力解析图。
具体实施方式
69.以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
70.实施例1
71.本实施例中采用的污染物是磺胺甲恶唑，原位定量测定解析磺胺甲恶唑与石墨的分子粘附力。
72.一、将磺胺甲恶唑共价修饰到原子力显微镜探针。
73.1、将商业原子力显微镜探针羟基化，具体为用氧等离子体(100w)处理5分钟。
74.2、将羟基化的探针在120℃下气相沉积(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(apte)3小时。
75.3、然后将胺功能化的探针浸入戊二醛溶液中3小时，戊二醛溶液质量浓度为2.5％。
76.4、超纯水冲洗后浸入24mg/ml磺胺甲恶唑(smx)的乙醇溶液3小时，获得smx改性探针。
77.5、分别用乙醇和超纯水冲洗smx改性探针。
78.6、在超纯水中浸泡12小时以去除物理沉积的smx分子。
79.7、将smx改性探针用氮气流干燥并储存在干燥器中以备后用。
80.图1通过x射线光电子能谱(xps)分析了smx改性探针的xps宽扫描光谱，大约在286ev、400ev、532ev和168ev的信号可以分别分配给c1s、n 1s、o 1s和s 2p。图1的b和e中288.2ev和400.3ev的峰值可以指定为c＝n键，它是由伯胺基与戊二醛的醛基反应形成的。此外，o＝s中s的信号显示在168.1ev，o的信号显示在532.1ev。smx改性探针的xps光谱证明了smx在afm探针上的稳定固定。
81.图2显示了smx改性探针(即磺胺甲恶唑修饰探针)等电点的测定图，本发明参照郭等人开发的方法(guo,s.；zhu,x.；janczewski,d.；lee,s.s.；he,t.；teo,s.l.；vancso,g.j.,measuring protein isoelectric points by afm-based force spectroscopy using trace amounts ofsample.natnanotechnol 2016,11,(9),817-23.)，测定了磺胺甲恶唑修饰探针的等电点(iep)。如图2的a所示，在ph 7到3.5的水溶液中使用原子力显微镜
力谱技术测量了smx修饰探针与带负电(ne)模型表面之间的相互作用力，当ph从4降低到3.5时观察到粘附力明显的突变。当ph值大于3时，ne表面带负电，因此，当ph值从4降低到3.5时，粘附力的突然增加应该是由smx的表面净电荷从负转正引起的。也就是说，磺胺甲恶唑修饰探针的iep在4至3.5的ph范围内。为了进一步验证磺胺甲恶唑修饰探针的iep，从ph 2到7测量了smx修饰探针与带正电(po)模型表面之间的相互作用力；如图2的b所示，当ph从3.5增加到4时，观察到明显的粘附力增加。这种现象可归因于在ph从3.5增加到4期间sxm净电荷从正变为负。因此，smx修饰探针的iep确定在3.5到4的狭窄范围内，这与报道的游离smx分子的iep一致。因此afm探针上的smx拥有与原始smx分子相似的特性。
82.二、利用硅烷沉积和层层自组装构建两组具有精准调控的疏水性、电性的标准界面，同时选取高温热解石墨作为实际界面。
83.1、硅晶片(尺寸1*2cm)分别用水和乙醇超声清洗20分钟。
84.2、氮气流干燥后羟基化，具体为用氧等离子体(100w)处理5分钟。
85.3、羟基化后的硅片浸入0.5mm十八烷基三氯硅烷(ots)的甲苯溶液中，300秒制备得到ho。
86.4、羟基化后的硅片浸入0.05mm十八烷基三氯硅烷(ots)的甲苯溶液中，30秒制备得到hi。
87.5、氮气流吹干，将硅片加热至120℃并保温1小时完成硅烷化。
88.6、羟基化后的硅片浸入1mg/ml聚乙烯亚胺(ph＝10.5，mw＝70kda)水溶液10分钟。
89.7、超纯水冲洗2分钟后浸入1mg/ml聚丙烯酸(ph＝3.5，mw＝450kda)水溶液10分钟。
90.8、超纯水冲洗2分钟后，浸入1mg/ml聚乙烯亚胺(ph＝10.5，mw＝1800da)水溶液10分钟。
91.9、再用超纯水冲洗2分钟，制备得到po。
92.10、羟基化后的硅片浸入1mg/ml聚乙烯亚胺(ph＝3.5，mw＝1800da)水溶液10分钟。
93.11、超纯水冲洗2分钟后浸入1mg/ml聚丙烯酸(ph＝3.5，mw＝450kda)水溶液10分钟。
94.12、再用超纯水冲洗2分钟，制备得到ne。
95.13、沉积后的硅晶片用氮气流吹干，将硅片加热60℃并保温6小时以进行层间交联。
96.图3采用光学表面分析仪和surpass3电动分析仪测定了三组界面水接触角和表面电势性质，亲水界面(hi)和疏水界面(ho)的水接触角(ca)分别为16.5
°
和107.3
°
。当ph高于3时，hi和ho均带负电荷，且表面不存在芳香结构，因此在与磺胺甲恶唑修饰探针相互作用时，静电、π-π相互作用没有贡献，只存在疏水相互作用。正界面(po)和负界面(ne)的等电点分别为9.4和2.8，同时po和ne具有已知的ca，分别为48.0
°
和50.4
°
，表面不存在芳香结构，因此在与磺胺甲恶唑修饰探针相互作用时，存在疏水和静电相互作用。si(即硅晶片)和hopg的ca分别为42.9
°
和59.3
°
，iep分别为4.4和4.0。hopg表面的六方晶格结构提供了丰富的π键，因此在与磺胺甲恶唑修饰探针相互作用时，同时存在疏水、静电和π-π相互作用。
97.三、用磺胺甲恶唑修饰的探针分别在两组标准界面上测量相互作用力谱，构建粘
附力与界面疏水性、电性相关关系，解析污染物与高温热解石墨粘附力中疏水、静电和π-π相互作用贡献的分力。
98.1、如图4(a)所示，在去离子水中(ph＝5.7)测量磺胺甲恶唑修饰的探针与第一组标准界面(ho，si，hi)的粘附力。
99.2、如图4(a)所示，绘制磺胺甲恶唑在标准界面的平均粘附力与标准界面水接触角余弦值的关系曲线，建立磺胺甲恶唑疏水相互作用(fh)与标准界面水接触角(θ)相关关系：fh＝-7.77cosθ+7.63。
100.3、如图4(b)所示，在去离子水中(ph＝5.7)测量磺胺甲恶唑修饰的探针与第二组标准界面(po，si，ne)的粘附力。
101.4、如图4(b)所示，扣除疏水相互作用的贡献。
102.5、如图4(c)所示，绘制磺胺甲恶唑在标准界面的平均粘附力与标准界面表面电势的关系曲线，建立磺胺甲恶唑静电相互作用(fe)与标准界面表面电势(ζ)相关关系：fe＝0.1ζ+2.25。
103.6、测量磺胺甲恶唑修饰的探针与实际界面hopg的粘附力。
104.7、如图5所示，分别向公式fh＝-7.77cosθ+7.63与fe＝0.1ζ+2.25中带入hopg的水接触角和表面电势，扣除疏水、静电相互作用的贡献，获得磺胺甲恶唑与hopg的π-π相互作用(f
p
)。
105.如图4(a)所示，在去离子水中(ph＝5.7)，使用原子力显微镜力谱测定了smx修饰探针与hi、ho和si的粘附力，smx对hi、ho和si界面测量的粘附力分别为0.49
±
0.16nn、9.94
±
1.75nn和1.63
±
0.19nn。由于去离子水的ph值约为5.7，smx分子(iep：3.7)以及hi、ho和si在去离子水中均呈现负电荷；此外，hi、ho和si表面的化学成分不含任何芳香环，这排除了π-π相互作用在粘附力测量过程中的贡献。因此，在去离子水中测量的smx对hi、ho和si的粘附力主要由疏水相互作用贡献。随后，smx与第一组模型表面(hi、ho和si)之间的平均粘附力与模型界面水接触角的余弦曲线绘制在图4的a，经过线性回归，建立了smx疏水粘附力(fh)与界面水接触角(θ)相关的方程，相关系数为(r2＝0.99)：fh＝-7.77cosθ+7.63(等式1)。
106.如图四4(b)所示，在去离子水中(ph＝5.7)，使用原子力显微镜力谱测定了smx修饰探针与po和ne的粘附力，smx对po、ne之间测量的粘附力(fm)分别为8.71
±
0.46nn和0.32
±
0.13nn。随后，将模型界面(po、ne和si)的水接触角带入等式1，计算得到smx对po、ne和si相互作用中的疏水性互作用力fh，分别为2.43nn、2.68nn和1.94nn(图4的b)。归一化的fe通过smx和模型界面(po、ne和si)测量fm值减去fh获得，分别为6.28nn、-2.68nn和-0.31nn。绘制模型界面电势ζ与fe关系曲线(图4的c)。线性回归后，建立了smx静电力(fe)与界面电势(ζ)相关的方程，具有高相关系数(r2＝0.99)：fe＝0.1ζ+2.25(等式2)。
107.如图5所示，在去离子水中(ph＝5.7)，使用原子力显微镜力谱测定了smx修饰探针与hopg的粘附力，smx对hopg的粘附力fm为6.14
±
1.65nn，将hopg的水接触角和表面电势分别带入等式1和2，计算得到smx对hopg的疏水相互作用力fh＝3.66nn，静电相互作用力fe＝-0.21nn，进而得到smx对hopg的π-π相互作用力f
p
＝2.69nn。
108.本实例利用原子力显微镜，通过将磺胺甲恶唑共价修饰到原子力显微镜探针上，建立了一种定量测定解析磺胺甲恶唑对高温热解石墨分子粘附力的方法，实现了对磺胺甲
恶唑在高温热解石墨上粘附的三个主要贡献者的定量解析。
109.实施例2
110.本实施例中采用的污染物是环丙沙星，原位定量测定解析环丙沙星与聚苯乙烯的分子粘附力。
111.一、将环丙沙星共价修饰到原子力显微镜探针。
112.1、将商业原子力显微镜探针羟基化，具体为用氧等离子体(100w)处理5分钟。
113.2、将羟基化的探针在120℃下气相沉积(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(apte)3小时。
114.3、在2.5mg/ml环丙沙星(cip)的n,n-二甲基乙酰胺(dmac)溶液中分别加入n-(3-二甲基氨基丙基)-n
’‑
乙基碳二亚胺盐酸盐(edcl)和n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)，edcl和nhs的加入摩尔量均为cip摩尔量的1.5倍，室温搅拌2小时。
115.4、将胺功能化的探针浸入上述步骤3的溶液中，加入50μl三乙胺作为反应催化剂，80℃反应过夜，获得cip改性探针。
116.5、分别用乙醇和超纯水冲洗cip改性探针。
117.6、在超纯水中浸泡12小时以去除物理沉积的cip分子。
118.7、将cip改性探针用氮气流干燥并储存在干燥器中以备后用。
119.图6通过x射线光电子能谱(xps)分析了cip改性探针的xps宽扫描光谱，图6的a中286.1ev处和图6的b中399.3ev处的峰都可归因于c-n键，而图6的a中285.2ev处的峰可归因于c＝o键。此外，图6的d中686.7ev处的峰值可归因于c-f键。因此cip改性探针的xps光谱证明通过形成酰胺键成功接枝了cip。
120.图7显示了环丙沙星修饰探针等电点的测定图，本发明参照郭等人开发的方法(参见上文)，在ph 8.5到5.5的水溶液中使用原子力显微镜力谱技术测定了环丙沙星修饰探针的等电点(iep)。如图7的a所示，从ph 7.5到5.5测量了cip修饰探针与带负电(ne)模型表面之间的相互作用力，当ph从6.5降低到6.0时观察到粘附力明显的突变。当ph值大于3时，ne表面带负电，因此，当ph值从6.5降低到6.0时，粘附力的突然增加应该是由cip的表面净电荷从负转正引起的。也就是说，环丙沙星修饰探针的iep在6.0至6.5的ph范围内。为了进一步验证环丙沙星修饰探针的iep，从ph 5.5到8.5测量了cip修饰探针与带正电(po)模型表面之间的相互作用力；如图7的b所示，当ph从6.0增加到6.5时，观察到明显的粘附力增加。这种现象可归因于在ph从6.0增加到6.5期间cip净电荷从正变为负。因此，cip修饰探针的iep确定在6.0到6.5的狭窄范围内，这与报道的游离cip分子的iep一致。因此afm探针上的cip拥有与原始cip分子相似的特性。
121.二、利用硅烷沉积和层层自组装构建两组具有精准调控的疏水性、电性的标准界面，同时选取聚苯乙烯作为实际界面。
122.1、硅晶片(尺寸1*2cm)分别用水和乙醇超声清洗20分钟。
123.2、氮气流干燥后羟基化，具体为用氧等离子体(100w)处理5分钟。
124.3、羟基化后的硅片浸入0.5mm十八烷基三氯硅烷(ots)的甲苯溶液中，300秒制备得到ho。
125.4、羟基化后的硅片浸入0.05mm十八烷基三氯硅烷(ots)的甲苯溶液中，30秒制备得到hi。
126.5、氮气流吹干，将硅片加热至120℃并保温1小时完成硅烷化。
127.6、羟基化后的硅片浸入1mg/ml聚乙烯亚胺(ph＝10.5，mw＝70kda)水溶液10分钟。
128.7、超纯水冲洗2分钟后浸入1mg/ml聚丙烯酸(ph＝3.5，mw＝450kda)水溶液10分钟。
129.8、超纯水冲洗2分钟。
130.9、重复6-8循环3次制备得到po。
131.10、羟基化后的硅片浸入1mg/ml聚乙烯亚胺(ph＝3.5，mw＝1800da)水溶液10分钟。
132.11、超纯水冲洗2分钟后浸入1mg/ml聚丙烯酸(ph＝3.5，mw＝450kda)水溶液10分钟。
133.12、超纯水冲洗2分钟。
134.13、重复10-12循环4次制备得到ne。
135.14、沉积后的硅晶片用氮气流吹干，将硅片加热60℃并保温6小时以进行层间交联。
136.三、用环丙沙星修饰的探针分别在两组标准界面上测量相互作用力谱，构建粘附力与界面疏水性、电性相关关系，解析污染物与聚苯乙烯粘附力中疏水、静电和π-π相互作用贡献的分力。
137.1、测量环丙沙星修饰的探针与第一组标准界面(ho，si，hi)的粘附力。
138.2、绘制环丙沙星在标准界面的平均粘附力与标准界面水接触角余弦值的关系曲线，建立环丙沙星唑疏水相互作用(fh)与标准界面水接触角(θ)相关关系：fh＝-2.01cosθ+1.82。
139.3、测量环丙沙星修饰的探针与第二组标准界面(po，si，ne)的粘附力。
140.4、扣除疏水相互作用的贡献。
141.5、绘制环丙沙星在标准界面的平均粘附力与标准界面表面电势的关系曲线，建立环丙沙星静电相互作用(fe)与标准界面表面电势(ζ)相关关系：fh＝0.06ζ+2.30。
142.6、测量环丙沙星修饰的探针与实际界面ps的粘附力。
143.7、分别带入ps的水接触角和表面电势，扣除疏水、静电相互作用的贡献，获得环丙沙星与ps的π-π相互作用(f
p
)。
144.如图8所示，在5mm nacl中，使用原子力显微镜力谱测定了cip修饰探针与hi、ho和si的粘附力，cip对hi、ho和si界面测量的粘附力分别为0.18
±
0..9nn、2.55
±
0.66nn和0.30
±
0.02nn。由于nacl的ph值约为6，cip分子(iep：6.4)以及hi、ho和si在nacl中均呈现正电荷；此外，hi、ho和si表面的化学成分不含任何芳香环，这排除了π-π相互作用在粘附力测量过程中的贡献。因此，在nacl中测量的cip对hi、ho和si的粘附力主要由疏水相互作用贡献。随后，cip与第一组模型表面(hi、ho和si)之间的平均粘附力与模型界面水接触角的余弦曲线绘制在图8，经过线性回归，建立了cip疏水粘附力(fh)与界面水接触角(θ)相关的方程，相关系数为(r2＝0.99)：fh＝-2.01cosθ+1.82(等式3)。
145.如图9(a)所示，在5mm nacl中，使用原子力显微镜力谱测定了cip修饰探针与po、ne的粘附力，cip对po、ne之间测量的粘附力(fm)分别为1.39
±
0.34nn和1.10
±
0.25nn。随后，将模型界面(po、ne和si)的水接触角带入等式3，计算得到cip对po、ne和si相互作用中的疏水性互作用力fh，分别为0.47nn、0.77nn和0.35nn(图9a)。归一化的fe通过smx和模型界
面(po、ne和si)测量fm值减去fh获得，分别为0.92nn、0.33nn和0.32nn。绘制模型界面电势ζ与fe关系曲线(图9b)。线性回归后，建立了cip静电力(fe)与界面电势(ζ)相关的方程，具有高相关系数(r2＝0.95)：fe＝0.06ζ+2.30(等式4)。
146.如图10所示，在5mm nacl溶液中，使用原子力显微镜力谱测定了cip修饰探针与ps的粘附力，cip对ps的粘附力为1.17
±
0.14nn，将ps的水接触角和表面电势分别带入等式3和4，计算得到cip对ps的疏水相互作用力fh＝0.68nn，静电相互作用力fe＝0.07nn，进而得到smx对hopg的π-π相互作用力f
p
＝0.42nn。
147.本实例利用原子力显微镜，通过将环丙沙星共价修饰到原子力显微镜探针上，建立了一种定量测定解析环丙沙星对聚苯乙烯分子粘附力的方法，实现了对环丙沙星在聚苯乙烯上粘附的三个主要贡献者的定量解析。
148.以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出若干改进和润饰。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的改进和润饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

技术特征：
1.一种原位定量测定解析污染物分子粘附力方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将目标污染物通过形成化学键的方法修饰到原子力显微镜探针；2)以硅晶片为基材进行硅烷沉积构建第一组具有精准调控疏水性的标准界面，它包括至少三个具有相同的表面电势以及不同疏水性的硅基材料；以硅晶片为基材进行氨基和羧基修饰层层自组装构建第二组具有精确调控电性的标准界面，它包括至少三个具有不同表面电势、不同疏水性的硅基材料；3)用目标污染物修饰的探针分别在第一组标准界面和第二组标准界面上测量相互作用力谱，依次分别构建目标污染物疏水相互作用力f
h
与标准界面水接触角θ相关关系公式，目标污染物静电相互作用力f
e
与标准界面表面电势ζ相关关系公式；最后选取含有芳香环结构的材料作为用于吸附目标污染物的实际界面，用目标污染物修饰的探针在实际界面上测量相互作用力谱，解析污染物与界面粘附力中疏水、静电和π-π相互作用贡献的分力。2.如权利要求1所述的一种原位定量测定解析污染物分子粘附力方法，其特征在于，步骤1)中目标污染物为磺胺甲恶唑smx或环丙沙星cip；目标污染物为磺胺甲恶唑smx时，目标污染物修饰到原子力显微镜探针的过程为：将原子力显微镜探针依次经羟基化、胺功能化，然后将胺功能化的探针浸入戊二醛溶液中1-5小时，随后用超纯水冲洗后浸入磺胺甲恶唑smx的乙醇溶液中1-5小时，然后分别用乙醇和超纯水冲洗smx改性探针，在超纯水中浸泡以去除物理沉积的smx分子，最后用氮气流干燥并储存在干燥器中以备后用；目标污染物为环丙沙星cip时，目标污染物修饰到原子力显微镜探针的过程为：在环丙沙星cip的n,n-二甲基乙酰胺dmac溶液中分别加入n-(3-二甲基氨基丙基)-n
’‑
乙基碳二亚胺盐酸盐edcl和n-羟基琥珀酰亚胺nhs，室温搅拌后备用；将原子力显微镜探针依次经羟基化、胺功能化，然后将胺功能化的探针浸入上述环丙沙星cip溶液中，加入三乙胺作为反应催化剂，反应过夜，然后分别用乙醇和超纯水冲洗cip改性探针，在超纯水中浸泡以去除物理沉积的cip分子，最后用氮气流干燥并储存在干燥器中以备后用。3.如权利要求2所述的一种原位定量测定解析污染物分子粘附力方法，其特征在于，所述原子力显微镜探针经羟基化的处理具体为用氧等离子体处理3-8分钟，等离子体功率为50-200w；胺功能化的处理具体为在120℃下气相沉积(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷apte 3小时。4.如权利要求1所述的一种原位定量测定解析污染物分子粘附力方法，其特征在于，第一组标准界面包括硅晶片基材以及两个不同硅烷沉积量修饰的硅晶片材料，将它们分别标记为si，ho，hi；所述si、ho和hi具有相同的表面电势以及不同的疏水性，表面化学结构没有芳香环结构；硅烷沉积修饰硅晶片的具体过程包括：硅晶片分别用水和乙醇超声清洗，用氮气流干燥后羟基化处理，然后浸入十八烷基三氯硅烷ots的甲苯溶液中浸泡，最后用氮气流吹干，将硅片加热保温完成硅烷化；所述羟基化处理具体为用氧等离子体处理3-8分钟，等离子体功率为50-200w。5.如权利要求4所述的一种原位定量测定解析污染物分子粘附力方法，其特征在于，ho材料的制备过程中，所述十八烷基三氯硅烷ots的甲苯溶液浓度为0.5mm，浸入时间为300秒；hi材料的制备过程中，所述十八烷基三氯硅烷ots的甲苯溶液浓度为0.05mm，浸入时间为30秒。
6.如权利要求1所述的一种原位定量测定解析污染物分子粘附力方法，其特征在于，第二组标准界面包括硅晶片基材以及两个不同电性的氨基和羧基修饰硅晶片，将它们分别标记为si，po，ne；po，ne具有已知的疏水性，表面化学结构没有芳香环结构，具有表面电势差异；氨基和羧基修饰硅晶片的具体过程包括：
①
硅晶片分别用水和乙醇超声清洗；
②
氮气流干燥后羟基化；
③
羟基化后的硅晶片浸入聚乙烯亚胺pei水溶液；
④
超纯水冲洗后浸入聚丙烯酸paa水溶液；
⑤
再用超纯水冲洗；
⑥
重复
③‑⑤
循环，直到达到所需的氨基和羧基修饰的层数；
⑦
沉积后的硅晶片用氮气流吹干，将硅片加热保温以进行层间交联。7.如权利要求6所述的一种原位定量测定解析污染物分子粘附力方法，其特征在于，步骤
②
中所述羟基化具体为用氧等离子体处理3-8分钟，等离子体功率为50-200w；步骤
③
中所述聚乙烯亚胺pei水溶液浓度为1mg/ml，浸入时间为10分钟；步骤
④
中所述聚丙烯酸paa水溶液浓度为1mg/ml，浸入时间为10分钟。8.如权利要求7所述的一种原位定量测定解析污染物分子粘附力方法，其特征在于，步骤
⑥
中所述循环次数为1.5，第一个循环所述聚乙烯亚胺pei水溶液ph为10.5，分子量为70kda，所述聚丙烯酸paa水溶液ph为3.5，分子量为450kda；最后0.5个循环所述聚乙烯亚胺pei水溶液ph为10.5，分子量为1800da，制备得到po；步骤
⑥
中所述循环次数为1，所述聚乙烯亚胺pei水溶液ph为3.5，分子量为1800da，所述聚丙烯酸paa水溶液ph为3.5，分子量为450kda，制备得到ne。9.如权利要求1所述的一种原位定量测定解析污染物分子粘附力方法，其特征在于，选取高温热解石墨hopg或聚苯乙烯ps作为实际界面，hopg、ps具有已知的疏水性、表面电势，且具有芳香性结构，在与污染物探针相互作用时，存在π-π相互作用。10.根据权利要求1所述的原位定量测定解析污染物分子粘附力方法，其特征在于，所述步骤3)包括：首先测量目标污染物修饰的探针与第一组标准界面的各个硅基材料的粘附力，绘制目标污染物在标准界面的平均粘附力与标准界面水接触角余弦值的关系曲线，建立污染物疏水相互作用力f
h
与标准界面水接触角θ相关关系曲线；然后测量目标污染物修饰的探针与第二组标准界面的各个硅基材料的粘附力，扣除疏水相互作用力的贡献，绘制目标污染物在标准界面的平均粘附力与标准界面表面电势的关系曲线，建立目标污染物静电相互作用力f
e
与标准界面表面电势ζ相关关系曲线；最后测量目标污染物修饰的探针与实际界面的粘附力，分别带入实际界面的水接触角和表面电势，通过扣除疏水、静电相互作用力的贡献，获得目标污染物与实际界面的π-π相互作用力f
p
。

技术总结
本发明公开了一种原位定量测定解析污染物分子粘附力的方法，包括以下步骤：1）将目标污染物通过共价修饰到原子力显微镜探针；2）分别利用硅烷沉积和层层自组装构建两组具有精准调控的疏水性、电性的标准界面，同时选取高温热解石墨/聚苯乙烯作为实际界面；3）用目标污染物修饰的探针分别在三组标准界面上测量相互作用力谱，构建粘附力与界面疏水性、电性相关关系，解析污染物与界面粘附力中疏水、静电和π-π相互作用贡献的分力。本发明实现污染物与界面粘附力的原位测定及疏水相互作用、静电相互作用和π-π相互作用分力的定量解析。本方法工艺简单、操作简便，可以实现各种污染物与界面粘附力的原位测定和精准解析，为污染物环境行为研究及环境修复材料开发提供理论依据。论依据。论依据。


技术研发人员：朱小萤 武珈亦
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/21