CN101249314A - 聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒制备方法 - Google Patents

Abstract

聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒制备方法，涉及一种固相萃取搅拌棒。提供一种在搅拌同时可对极性有机污染物直接进行有效萃取的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒制备方法。设有整体材料涂层、铁条和玻璃管。将铁条清洗烘干后放入玻璃管内，两端熔融密封得搅拌磁子；配制γ－甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷与甲醇的混合溶液，加入有机碱得预键合溶液，将磁子浸入预键合溶液反应后烘干得玻璃管外壁键合上一层带烯基的硅烷化物质的搅拌磁子；配制反应单体混合剂和致孔剂，混匀后倒入容器，将搅拌磁子放入容器，密封水浴反应后除去容器，取出搅拌棒置于索氏提取器中，用溶剂提取或将搅拌棒置于溶剂中浸泡至液体中无杂质检出。

Description

聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒制备方法

技术领域

本发明涉及一种固相萃取搅拌棒，尤其是涉及一种以乙烯基吡啶为单体制备整体材料，并将此材料用作固相萃取搅拌棒涂层的固相萃取搅拌棒的制备方法。

发明背景

搅拌棒固相萃取技术(Stir bar sorptive extraction，SBSE)是在固相微萃取(SPME)基础上发展的一种新型的无溶剂或少溶剂的样品前处理技术，它由Sandra P等在1999年首先提出并由Gerstel GmbH公司商品化([1]Baltussen E.，Sandra P.，David F.，Cramers C.J.Microcol.Sep.，1999，11(10)：737～747；[2]Frank D.，Tienpont B.，Sandra P.LC-GC North America，2003，21(2)：1～7)。SBSE的制备一般为在内封磁芯的玻璃管上涂覆一层商品化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，或套上一定厚度的PDMS硅橡胶管制成。萃取时，搅拌棒在完成搅拌的同时吸附目标物，可避免SPME技术中搅拌子对目标物的竞争吸附。由于SBSE萃取固定相体积比纤维SPME和一般的管内SPME固定相的体积大50倍以上，因此富集倍数相应提高，适合于样品中痕量组分的分析。目前该技术已成功地应用于环境监测([3]Leon V.M.，Alvarez B.，CobouoM.A.，Munoz S.，Valor I.J.Chromatogr.A，2003，999：91～101；[4]Vercauteren J.，Peres C.，Devos C.，Sandra P.，Vanhaecke F.，Moens L.Anal.Chem.，2001，73：1509～1514；[5]Popp P.，Bauer C.，Wennrich L.Anal.Chim.Acta，2001，436：1～9)、食品检验([6]Sandra P.，Tienpont B.，David F.J.Chromatogr.A，2003，1000：299～309；[7]Andreas G.J.，Lauer H.L.，Heideman T.，Sandra P.J.High Resolut.Chromatogr.，2000，23(11)：644～646)、农残分析([8]Tienpont B.，David F.，Kesmet K.，Sandra P.Anal.Bioanal.Chem.，2002，373：46～55；[9]Nakamura S.，Daishima S.，Anal.Bioanal.Chem.，2005，382：99～107)以及生化分析([10]Kawaguchi M.，Ito R.，Saito K.，Nakazawa H.J.Pharm.Biomed.Anal.，2006，40：500～508；[11]Almeida C.，Nogueira J.M.F.J.Pharm.Biomed.Anal.，2006，41：1303～1311；[12]Kawaguchi M.，Inoue K.，Sakui N.，Ito R.，Izumi S.，Makino T.，Okanouchi N.，Nakazawa H.J.Chromatogr.B，2004，799：119～125.)等诸多领域，成为分析化学领域内的研究热点之一。但到目前为止，SBSE技术可直接有效萃取的物质一般为中性和弱极性有机污染物，而对极性有机污染物，尚无法直接进行有效萃取。而目前的水污染监控对象不仅包括非极性有机污染物和重金属离子，而且包括如酚类、苯胺类、农药和抗生素等极性毒害有机物，这些物质一般为水溶性，极低含量即可对环境和人类产生潜在危害。为此，迫切需要发展可直接有效萃取水中极性有机污染物的SBSE技术。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种整体型固相萃取搅拌棒在搅拌的同时，可对极性有机污染物直接进行有效萃取的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒制备方法。

本发明的技术方案是以4-乙烯基吡啶或3-乙烯基吡啶或2-乙烯基吡啶等为单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯或季戊四醇三丙烯酸酯或三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯等为交联剂，偶氮二异丁腈(AIBN)或过氧化苯甲酰等为引发剂，正丙醇和1，4-丁二醇二元混合物等为共溶剂，利用整体柱材料的原位制备技术合成SBSE萃取固定相。

本发明所述的固相萃取搅拌棒设有整体材料涂层、铁条和玻璃管。铁条放入玻璃管内，整体材料涂层为聚乙烯基吡啶整体材料涂层，聚乙烯基吡啶整体材料涂层涂在玻璃管上。

本发明包括以下步骤：

1)搅拌磁子的制备：将铁条清洗烘干后，放入玻璃管内，然后将玻璃管两端熔融密封得搅拌磁子；

2)搅拌磁子的预键合：按常规操作对搅拌磁子的玻璃管外表面进行清洁处理，烘干待用，配制γ-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MAPS)与甲醇的混合溶液，在混合溶液中加入有机碱，制得预键合溶液，将处理好的搅拌磁子浸入预键合溶液，在氮气保护下反应后，再烘干，得玻璃管外壁键合上一层带烯基的硅烷化物质的搅拌磁子；

3)固相萃取搅拌棒的制备：配制反应单体混合剂和致孔剂，将反应单体混合剂和致孔剂混匀后，倒入容器中，再将处理过的搅拌磁子垂直放入容器中，密封置于40～70℃水浴中反应后，除去容器，取出涂有聚合物的搅拌棒；

4)固相萃取搅拌棒的后处理：将步骤3)获取的已聚合的搅拌棒置于索氏提取器中，用溶剂提取，或将搅拌棒置于溶剂中浸泡至液体中无杂质检出，最后得到聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒。

在搅拌磁子的制备中，铁条的直径最好为0.1～3mm，铁条的长度最好为0.5～5cm；玻璃管的尺寸与铁条匹配。

在搅拌磁子的预键合中，按体积比，γ-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MAPS)与甲醇的配比可为1∶(0.5～1.5)；有机碱的加入量最好为γ-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MAPS)与甲醇的混合溶液总体积的0.1％～0.3％；所述的有机碱为吡啶，三乙胺或咪唑等；所述的反应的温度最好为30～60℃，反应的时间最好为6～24h；所述的烘干最好为30～60℃下真空烘干。搅拌磁子的预键合反应式如下：

在固相萃取搅拌棒的制备中，反应单体混合剂最好按以下比例配制：乙烯基吡啶(pyridine)的质量百分含量10％～35％，交联剂质量百分含量90％～65％，引发剂偶氮二异丁睛(AIBN)或过氧化苯甲酰质量百分含量为0.5％～2％；致孔剂混合溶液最好按以下比例配制：丙醇质量百分含量50％～70％，1，4-丁二醇重质量百分含量50％～30％；单体混合剂与致孔剂混合液的质量百分含量比例范围在25％/75％至45％/55％。所述的容器可为玻璃容器，水浴中反应的时间最好为6～24h。交联剂可选自乙二醇二甲基丙烯酸酯，季戊四醇三丙烯酸酯或三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯等。聚合反应过程如下(单体以4-乙烯基吡啶，交联剂以乙二醇二甲基丙烯酸酯为例)：

在固相萃取搅拌棒的后处理中，所述的溶剂为甲醇，乙睛或乙醇等；所述的提取的时间可为4～24h。

本发明首次以聚乙烯基吡啶为单体，并将整体柱的制备技术引入到固相萃取搅拌棒涂层的制备中。由于整体柱制备简单，通透性好，稳定性强，应用该技术制得的搅拌棒制备过程简便、易操作，有较快的吸附和解吸速度。实际应用中可按需求制备长短、粗细不同的搅拌棒。涂层中吡啶基团可与极性有机化合物产生疏水、氢键和离子交换等多种相互作用力，因此可对极性物质进行有效的直接萃取。用带有双官能团的γ-MAPS对搅拌磁子的玻璃外表面进行修饰，使玻璃表面带有双键，可与单体混合剂发生共聚合反应，使玻璃磁子与涂层成为一体，具有很好的稳定性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒的结构示意图。

图2为本发明实施例1中的搅拌棒涂层的红外光谱图。在图2中，横坐标为波数Wavenumber(cm^-1)，纵坐标为透过率T(％)。从左至右各峰依次为2976.43，2945.30，1723.24，1590.92，1415.78，1454.70，1380.76，1275.68，1166.70，1143.35，1057.73，960.43，816.43，754.16。

图3为本发明实施例6中的加标酚类物质的水样萃取前(a)和后(b)的HPLC-UV分离谱图。在图3中，横坐标为时间Time(min)，纵坐标为峰高Pesk heigh(mAU)；a萃取前加标水样，b萃取液；色谱峰序号为1.苯酚；2.对硝基苯酚；3.间甲酚；4.双酚A；5.2-氯酚；6.2，4-二氯酚。

图4为本发明实施例7中的加标同化类激素的水样萃取前(a)和后(b)的HPLC-UV分离谱图。在图4中，横坐标为时间Time(min)，纵坐标为峰高Pesk heigh(mAU)；a萃取前加标水样，b萃取液；色谱峰序号为1.诺龙；2.睾酮；3.己烯雌酚；4.甲基睾酮；5.孕酮；6.丙酸睾酮；7.苯丙酸诺龙。

图5为本发明实施例8中的加标苯胺类物质的水样萃取前(a)和后(b)的HPLC-UV分离谱图。在图5中，横坐标为时间Time(min)，纵坐标为峰高Pesk heigh(mAU)；a萃取前加标水样，b萃取液；色谱峰序号为1.对硝基苯胺；2.对甲基苯胺；3.间硝基苯胺；4.N-乙基苯胺；5.二苯胺。

图6为本发明实施例9中的厦门大学芙蓉湖水样萃取前(a)和后(b)的HPLC-UV分离谱图。在图6中，横坐标为时间Time(min)，纵坐标为任意单位Unit；a萃取前水样，b萃取液。

具体实施方式

实施例1

1)搅拌磁子的制备：截取直径为0.1mm的铁条0.5cm，清洗烘干后，用玻璃将其密封得搅拌磁子。

2)搅拌磁子的预键合：用有机溶剂清洗搅拌子的玻璃表面，然后按序分别用NaOH/水/盐酸/水溶液浸泡一定时间后，将其烘干待用。按1∶0.5配制γ-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MAPS)与甲醇的混合溶液3.0mL，加入吡啶3μL，将处理好的搅拌磁子浸入上述溶液，在氮气保护下置于30℃反应24h后，30℃真空烘干。至此，玻璃管外壁键合上一层带烯基的硅烷化物质。

3)固相萃取搅拌棒的制备：反应单体混合物之间的组成如下：2-乙烯基吡啶的质量百分含量为10％，季戊四醇三丙烯酸酯质量百分含量为90％，引发剂偶氮二异丁睛(AIBN)为0.5％；致孔剂混合物组分的比例为：丙醇50％，1，4-丁二醇50％；单体混合物与致孔剂混合物组分的比例为25％/75％；按上述比例称取相应反应试剂，混匀后，倒入4mm内径的玻璃试管中，小心将处理过的搅拌磁子垂直放入玻璃管，密封置于40℃水浴中反应24h。反应完成后，小心除去玻璃管，取出搅拌棒。

4)固相萃取搅拌棒的后处理：将聚合好的搅拌棒置于索氏提取器中，以甲醇为溶剂，提取4h，得到聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒，其结构示意图参见图1，在图1中，铁条1放入玻璃管2内，在玻璃管上涂有聚乙烯基吡啶整体材料涂层3；其红外光谱图参见图2。

实施例2

搅拌磁子的制备同实施例1，但铁条直径为3mm，长度为5cm。在搅拌磁子的预键合中按1∶1配制γ-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MAPS)与甲醇的混合溶液6.0mL，加入三乙胺12μL，将处理好的搅拌磁子浸入上述溶液，在氮气保护下置于40℃反应12h后，50℃真空烘干。至此，在玻璃管外壁键合上了一层带烯基的硅烷化物质。反应单体混合剂的组成为：3-乙烯基吡啶的质量百分含量为35％，乙二醇二甲基丙烯酸酯质量百分含量为65％，引发剂过氧化苯甲酰为1％；致孔剂混合物组分的比例为：丙醇70％，1，4-丁二醇30％；单体混合剂与致孔剂混合物之间的比例在45％/55％；按上述比例称取相应试剂，反应液混匀后，将上述溶液倒入6mm内径的玻璃试管中，小心将处理过的搅拌磁子垂直放入玻璃试管，密封置于60℃水浴中反应16h。在固相萃取搅拌棒的后处理中，将聚合好的搅拌棒置于索氏提取器中，以乙睛为溶剂，提取8h，最后得到基于整体材料的整体型固相萃取搅拌棒。

实施例3

搅拌磁子的制备同实施例1，但铁条直径为1.0mm，长度为1.5cm。在搅拌磁子的预键合中按1∶1.5配制γ-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MAPS)与甲醇混合溶液9mL，加入咪唑27μL，将处理好的搅拌磁子浸入上述溶液，在氮气保护下置于60℃反应6h后，60℃真空烘干。至此，玻璃管外壁键合上一层带烯基的硅烷化物质。反应单体混合物组分比例为：4-乙烯基吡啶的质量百分含量为15％，乙二醇二甲基丙烯酸酯质量百分含量为85％，引发剂AIBN为1％；致孔剂混合物组分的比例为：丙醇60％，1，4-丁二醇40％；单体混合物与致孔剂混合物之间的比例在30％/70％；按上述比例称取相应反应试剂，反应液混匀后，将上述溶液倒入4.5mm内径的玻璃试管中，小心将处理过的搅拌磁子垂直放入玻璃试管，密封置于60℃水浴中反应24h。进行固相萃取搅拌棒的后处理中，以甲醇为溶剂，将搅拌棒浸泡至无杂质检出，最后得到基于整体材料的整体型固相萃取搅拌棒。

实施例4

搅拌磁子的制备和预处理同实施例3。乙烯基吡啶与乙二醇二甲基丙烯酸酯的质量百分含量比在10％/85％到35％/65％之间；引发剂AIBN为1％；致孔剂混合物之间的比例为：丙醇60％，1，4-丁二醇40％；单体混合物与致孔剂混合物之间的比例为30％/70％；按上述比例称取相应反应试剂，反应液混匀后，将上述溶液倒入4.5mm内径的玻璃试管中，小心将处理过的搅拌磁子垂直放入玻璃试管，密封置于60℃水浴中反应24h。进行固相萃取搅拌棒的后处理中，以乙醇为溶剂，将搅拌棒浸泡至无杂质检出，最后得到基于整体材料的整体型固相萃取搅拌棒。

实施例5

搅拌磁子的制备和预处理同实施例3。乙烯基吡啶与乙二醇二甲基丙烯酸酯的质量百分含量比为15％/85％；引发剂AIBN为1％；致孔剂混合物组分的比例为：丙醇60％，1，4-丁二醇40％；单体混合物与致孔剂混合物组分的质量百分含量比在25％/75％到45％/55％之间；按上述比例称取相应反应试剂，反应液混匀后，将上述溶液倒入4.5mm内径的玻璃试管中，小心将处理过的搅拌磁子垂直放入玻璃试管，密封置于60℃水浴中反应24h。进行固相萃取搅拌棒的后处理中，以甲醇为溶剂，将搅拌棒浸泡至无杂质检出，最后得到基于整体材料的整体型固相萃取搅拌棒。

实施例6

配制含6种酚类物质，加标浓度均为50ppb的水溶液50mL，置入按实施例3制备的搅拌棒，室温下在600r/min下萃取2h，取出搅拌棒，用5.0mL甲醇在600r/min下解吸2h，然后吹氮气浓缩至0.5mL。色谱条件为色谱柱Shim-pack VP ODS column(5μm，250×2.0mm i.d.)，流速0.3mL/min，进样量20μL，检测波长为276nm，流动相组成如表1所示，图3为加标水样萃取前(a)和后(b)的HPLC-UV分离谱图。

表1

时间(min)	0.01	8	10	15
					流动相中乙睛含量(V/V)	40	60	40	40

实施例7

配制含7种同化类激素物质，加标浓度均为50ppb的水溶液50mL，置入按实施例3制备的搅拌棒，室温下在600r/min下萃取2h，取出搅拌棒用5mL甲醇在600r/min下解吸2h，然后吹氮气浓缩至0.5mL。色谱条件为色谱柱Shim-pack VP ODS column(5μm，250×2.0mm i.d.)，流速0.3mL/min，进样量20μL，检测波长为240nm，流动相组成如表2所示，图4为加标水样萃取前(a)和后(b)的HPLC-UV分离谱图。

表2

时间(min)	0.01	8	12	15	20
						流动相中乙睛含量(V/V)	60	60	100	60	60

实施例8

配制含5种苯胺类物质，加标浓度均为50ppb的水溶液50mL，置入按实施例3制备的搅拌棒，室温下在600r/min下萃取2h，取出搅拌棒用5mL甲醇在600r/min下解吸2h，然后吹氮气浓缩至0.5mL。色谱条件为色谱柱Shim-pack VP ODS column(5μm，250×2.0mmi.d.)，流速0.3mL/min，进样量20μL，检测波长为236nm，流动相组成如表3所示，图5为加标水样萃取前(a)和萃取液(b)的HPLC-UV分离谱图。

表3

时间(min)	0.01	4	6	12	15	20
							流动相中乙睛含量(V/V)	40	40	70	70	40	40

实施例9

取厦门大学芙蓉湖水样50mL，过滤，置入按实施例3制备的搅拌棒，室温下在600r/min下萃取2h，取出搅拌棒用5mL甲醇在600r/min下解吸2h，然后吹氮气浓缩至0.5mL。色谱条件如实施例8。图6为萃取前(a)和萃取液(b)的HPLC-UV分离谱图。

Claims (10)

1.聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒，其特征在于设有整体材料涂层、铁条和玻璃管，铁条放入玻璃管内，整体材料涂层为聚乙烯基吡啶整体材料涂层，聚乙烯基吡啶整体材料涂层涂在玻璃管上。

2.如权利要求1所述的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)搅拌磁子的制备：将铁条清洗烘干后，放入玻璃管内，然后将玻璃管两端熔融密封得搅拌磁子；

2)搅拌磁子的预键合：按常规操作对搅拌磁子的玻璃管外表面进行清洁处理，烘干待用，配制γ-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷与甲醇的混合溶液，在混合溶液中加入有机碱，制得预键合溶液，将处理好的搅拌磁子浸入预键合溶液，在氮气保护下反应后，再烘干，得玻璃管外壁键合上一层带烯基的硅烷化物质的搅拌磁子；

3)固相萃取搅拌棒的制备：配制反应单体混合剂和致孔剂，将反应单体混合剂和致孔剂混匀后，倒入容器中，再将处理过的搅拌磁子垂直放入容器中，密封置于40～70℃水浴中反应后，除去容器，取出涂有聚合物的搅拌棒；

4)固相萃取搅拌棒的后处理：将步骤3)获取的已聚合的搅拌棒置于索氏提取器中，用溶剂提取，或将搅拌棒置于溶剂中浸泡至液体中无杂质检出，最后得到聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒。

3.如权利要求2所述的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒的制备方法，其特征在于在搅拌磁子的制备中，铁条的直径为0.1～3mm，铁条的长度为0.5～5cm。

4.如权利要求2所述的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒的制备方法，其特征在于在搅拌磁子的预键合中，按体积比，γ-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷与甲醇的配比为1∶0.5～1.5。

5.如权利要求2所述的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒的制备方法，其特征在于有机碱的加入量为γ-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷与甲醇的混合溶液总体积的0.1％～0.3％；所述的有机碱为吡啶，三乙胺或咪唑。

6.如权利要求2所述的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒的制备方法，其特征在于所述的反应的温度为30～60℃，反应的时间为6～24h；所述的烘干为30～60℃下真空烘干。

7.如权利要求2所述的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒的制备方法，其特征在于在固相萃取搅拌棒的制备中，反应单体混合剂按以下比例配制：乙烯基吡啶的质量百分含量10％～35％，交联剂质量百分含量90％～65％，引发剂偶氮二异丁睛或过氧化苯甲酰质量百分含量为0.5％～2％；致孔剂混合溶液按以下比例配制：丙醇质量百分含量50％～70％，1，4-丁二醇重质量百分含量50％～30％。

8.如权利要求2所述的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒的制备方法，其特征在于在固相萃取搅拌棒的制备中，单体混合剂与致孔剂混合液的质量百分含量比例范围在25％/75％至45％/55％。

9.如权利要求2所述的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒的制备方法，其特征在于在固相萃取搅拌棒的制备中，所述的容器为玻璃容器，水浴中反应的时间为6～24h。

10.如权利要求2所述的聚乙烯基吡啶整体材料为涂层的固相萃取搅拌棒的制备方法，其特征在于在固相萃取搅拌棒的后处理中，所述的溶剂为甲醇，乙睛或乙醇；所述的提取的时间为4～24h。

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