CN102183603A - 一种全氟毛细管萃取整体柱及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种全氟毛细管萃取整体柱及其制备方法和应用。全氟毛细管萃取整体柱是在75～530μm石英毛细管中原位聚合硅胶基质，再在硅胶基质表面键合有全氟功能基团的整体柱。所述全氟功能基团包括全氟辛基（C₆F₁₃）、全氟癸基（C₈F₁₇）、N-全氟辛磺酰基及其化学衍生物。本发明的整体柱可适用于富集一系列的痕量全氟化合物；如全氟辛烷磺酸（PFOS）、全氟辛烷羧酸（PFOA）、全氟癸酸（PFDA）、全氟己基磺酸盐(PFH_XS)等。其制备方法简单快捷可靠，平均吸附量可以达到6.0×10^-2μg以上，平均富集倍数为30倍；平均回收率在90%以上，使分析检测的灵敏度了得到大幅的提高，避免了杂质的干扰；且携带方便快捷，可实现远程采集点直接富集痕量全氟化合物样品，减少运输成本和缩短分析时间。

Description

一种全氟毛细管萃取整体柱及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及分析化学样品采集及样品前处理领域，具体地说是一种全氟毛细管萃取整体柱的制备方法和应用。

背景技术

全氟化合物(PFCs)主要包括全氟辛酸(PFOA)、全氟辛烷磺酸 (PFOS)、全氟癸酸(PFDA)等，因其疏水疏油，作为表面活性剂被广泛应用于纺织品、皮革、农药、地毯、家具等领域。已有研究表明它具有引起机体脂质过氧化、致畸、致癌及神经毒性等多种毒性效应。全氟化合物在环境中很难降解，且可远距离传输，并随食物链在动物和人体中累积、放大，所以全氟化合物已被确认为一种持久性有机污染物。

现有的全氟化合物的前处理主要通过填充型萃取柱，其传质阻力大，萃取效率低，所以检测灵敏度较低，同时比较难去除杂质的干扰；另外，填充型萃取柱不能实现远程富集采样，所以分析时间较长、运输成本较高。近年来整体柱毛细管成为了固相微萃取技术领域的研究热点，相对于填充型萃取柱而言,使用整体柱不仅省去了繁琐的填装过程，并且整体柱中特有的穿透孔为液体的流动提供了大孔通道，以对流传质取代了缓慢的扩散传质，使得传质阻力明显减小，因而有利于萃取效率的提高。全氟功能化的毛细管整体柱除具备上述优势外，其对全氟化合物具有特异性吸附，即全氟毛细管整体柱只吸附全氟化合物而不吸附不含氟类有机物，这样可以排除其它杂质的干扰。但目前尚没有全氟毛细管萃取整体柱及其制备方法和应用于全氟化合物的前处理和样品采集的报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全氟毛细管萃取整体柱及其制备方法和应用。以实现增大富集倍数，提高全氟化合物的萃取效率，提高检测灵敏度，同时减少杂质的干扰，并可以实现远程富集采样，减少运输成本和缩短分析时间的目的。

本发明的全氟毛细管萃取整体柱，是在75～530 μm石英毛细管中原位聚合硅胶基质，再在硅胶基质表面键合有全氟功能基团的整体柱。

所述全氟功能基团包括全氟辛基（C₆F₁₃）、全氟癸基（C₈F₁₇）、N-全氟辛磺酰基以及它们的化学衍生物。

全氟毛细管萃取整体柱的制备方法，包括以下步骤：

（1）预处理：将内径75～530 μm石英毛细管用1 M NaOH冲洗过夜，再分别用H₂O、0.1 M HCl和H₂O冲洗，然后在氮气氛中180 ℃加热3 h备用；

（2）溶胶-凝胶处理：0.10～0.12 g聚乙二醇（PEG，致孔剂）和0.11～0.12 g尿素（Urea，制备中孔）溶于1.25 ml 0.01 M HAc（催化剂）中，缓慢滴加0.55 ml四甲氧基硅烷（TMOS，反应单体）。混合物在冰浴下剧烈搅拌30～60 min。冰浴下超声5 min，将溶胶充入毛细管，用橡胶垫封住毛细管的两端后放置于恒温水浴锅中，40～43 ℃陈化12～24 h；再在120 ℃下加热3 h。依次用水、甲醇冲洗除去未反应的物质，接着在30～50 ℃下缓慢干燥12～24 h，最后将整体柱置于气相色谱柱箱中，以1 ℃/min的速率从室温程序升温到330 ℃，并在终温下保持20 h，灼烧除去其中的有机成分；

（3）化学键合：将上述制备的毛细管萃取整体柱用0.1 M HCl盐酸活化2 h，30～50 ℃过夜干燥。100～200 μL全氟癸基甲基二氯硅烷和800～900 μL苯充分混合并引入整体柱，于110 ℃反应3 h，重复3次，反应完后依次用苯、甲醇冲洗，得到硅胶基质的全氟毛细管萃取整体柱。

全氟毛细管萃取整体柱的应用，其特征在于，应用于全氟化合物的样品前处理和样品采集，包括以下步骤：

全氟毛细管萃取整体柱应用于全氟化合物的样品前处理和样品采集，包括以下步骤：

（1）活化：全氟毛细管萃取整体柱分别用100～200 μL甲醇和水冲洗，挤干残留在整体柱里面的液体；

（2）上样：用注射泵以5～10 μL/min流速将样品溶液全部注入全氟毛细管萃取整体柱，挤干残留在整体柱里面的溶液；

（3）洗脱：用注射泵以5～10 μL/min流速将甲醇注入全氟毛细管萃取整体柱中，用样品瓶收集10～30 μL体积的洗脱液；

（4）洗脱液直接用液相色谱串联质谱仪分析检测。

本发明的整体柱可适用于富集一系列的痕量全氟化合物；如全氟辛烷磺酸（PFOS）、全氟辛烷羧酸（PFOA）、全氟癸酸（PFDA）、全氟己基磺酸盐(PFH_XS)等。其制备方法简单快捷可靠，15 cm×75 μm长全氟毛细管整体柱平均吸附量可以达到6.0×10^-2 μg以上，平均富集倍数为30倍（样品液浓度250 μg/L），平均回收率在90%以上，使分析检测的灵敏度了得到大幅的提高，同时其吸附特异性避免了杂质的干扰；且携带方便快捷，利用全氟毛细管样品采集柱在远程采集点直接富集痕量全氟化合物样品，可减少运输成本和缩短分析时间。

附图说明

图1 为实施例2的全氟辛烷磺酸的二级质谱图；

图2 为实施例2的全氟毛细管萃取整体柱对全氟辛烷磺酸的吸附曲线（突破曲线）；

图3 为实施例3的C18毛细管萃取整体柱对全氟辛烷磺酸的吸附曲线（突破曲线）；

图4 为实施例4的庚烷磺酸钠的总离子流质谱图；

图5 为实施例4的整体柱柱前液、全氟毛细管整体柱柱后液和C18毛细管整体柱柱后液质谱图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步说明

实施例1：

全氟毛细管萃取整体柱的制备方法，包括以下步骤：

（1）预处理：将内径75 μm石英毛细管用1 M NaOH冲洗过夜，再分别用H₂O、0.1 M HCl和H₂O冲洗，然后在氮气氛中180 ℃加热3 h备用；

（2）溶胶-凝胶处理：0.11 g 聚乙二醇（PEG）和0.113 g尿素（Urea）溶于1.25 ml 0.01 M HAc，缓慢滴加0.55 ml 四甲氧基硅烷（TMOS）。混合物在冰浴下剧烈搅拌60 min。0 ℃下超声5 min，将溶胶充入毛细管，用橡胶垫封住毛细管的两端后放置于恒温水浴锅中，40 ℃反应24 h。接着毛细管在120 ℃处理3 h。依次用水、甲醇冲洗，接着在50 ℃下缓慢干燥24 h。最后将整体柱置于气相色谱柱箱中，以1 ℃/min的速率从室温程序升温到330 ℃，并在终温下保持20 h，灼烧除去其中的有机成分。将上述制备的毛细管萃取整体柱用0.1 M HCl盐酸活化2 h，30～50 ℃过夜干燥。

（3） 键合功能基团：

(a)全氟毛细管萃取整体柱：100 μL全氟癸基甲基二氯硅烷和900 μL苯充分混合并引入整体柱，于110 ℃反应3 h，重复3次，反应完后依次用苯、甲醇冲洗；

(b)全氟毛细管萃取整体柱：100 μL全氟辛基甲基二氯硅烷和900 μL苯充分混合并引入整体柱，于110 ℃反应3 h，重复3次，反应完后依次用苯、甲醇冲洗；

(c) 全氟毛细管萃取整体柱：100 μL N-全氟辛磺酰基甲基二氯硅烷和900 μL苯充分混合并引入整体柱，于110 ℃反应3 h，重复3次，反应完后依次用苯、甲醇冲洗；

(d)对比C18毛细管萃取整体柱：100 μL十八烷基三甲氧基硅烷和900 μL苯充分混合并引入整体柱，于 110 ℃反应3 h，重复3次，反应完后依次用苯、甲醇冲洗。

得到硅胶基质的全氟毛细管萃取整体柱(a)和C18毛细管萃取整体柱。其扫描电子显微镜图如图1和图2。

实施例2：

实施例1制备的全氟毛细管萃取整体柱(a)应用于全氟化合物的前处理和样品采集，包括以下步骤：

（1） 活化：全氟毛细管萃取整体柱分别用100 μL甲醇和100 μL水冲洗，挤干残留在整体柱里面的液体；

（2）上样：用注射泵以5 μL/min的流速将2 mg/L的全氟辛烷磺酸(PFOS)水溶液注入整体柱，每流出10 μL收集为一个样品溶液，总共收集到110 μL。

（3）洗脱：用注射泵以5 μL/min的流速用甲醇洗脱，每流出10 μL收集为一个样品溶液，总共收集为30 μL。

（4）检测：所有样品溶液进液相色谱串联质谱仪分析。

液相色谱串联质谱条件为：

流动相：甲醇；流速：0.2 ml/min；进样量：10 μL；电离方式：电喷雾ESI；描方式：负离子扫描，多反应监测 MRM； 离子源温度：550 ℃；电喷雾电压：-4500 V；气帘气( CUR)：10 psi；雾化气(GS1)：30 psi；辅助气 (GS2)：20 psi；碰撞气(CAD)：6.0 psi；去簇电压(DP)：-90 V；碰撞能量(CE)：499.2 > 80.1离子对为-76 V， 499.2 > 99.3离子对为 -72 V。  结果如表1、图3和图4。

表1 全氟毛细管萃取整体柱对PFOS的洗脱情况

从以上图表中可以得出全氟毛细管整体柱对全氟辛烷磺酸的吸附量为6.0×10^-2 μg，当柱前液浓度为250 μg/L时富集倍数可以达到30倍。

实施例3：

实施例1对比C18毛细管萃取整体柱应用于全氟化合物的前处理和样品采集，包括以下步骤：

（1） 活化：C18毛细管萃取整体柱分别用100 μL甲醇和100 μL水冲洗，挤干残留在整体柱里面的液体；

（2）上样：用注射泵以5 μL/min的流速将2 mg/L的全氟辛烷磺酸(PFOS)水溶液注入整体柱，每流出10 μL收集为一个样品溶液，总共收集到110 μL。

（3）洗脱：用注射泵以5 μL/min的流速用甲醇洗脱，每流出10 μL收集为一个样品溶液，总共收集为30 μL。

（4）检测：所有样品溶液进液相色谱串联质谱仪分析。

液相色谱串联质谱条件与实例1一致，结果如表2、图5所示。

表2 全氟毛细管萃取整体柱对PFOS的洗脱情况

从以上图表中可以得出C18毛细管整体柱对全氟辛烷磺酸的吸附量为6.0×10^-4 μg，比全氟整体柱要低两个数量级。当柱前液浓度为25 μg/L时富集倍数才有4倍左右，远远低于全氟整体柱的富集倍数。

实施例4

实施例1中制备得到的硅胶基质的全氟毛细管萃取整体柱(a)和对比C18毛细管萃取整体柱，应用于全氟辛烷磺酸的选择性吸附，包括以下步骤：

全氟整体柱和C18整体柱先分别用甲醇、水活化，用注射泵以5 μL/min的流速将1 mg/L的庚烷磺酸钠水溶液注入整体柱，分别收集30 μL柱后液，采用流动注射进质谱仪分析。

质谱条件为：流动相：超纯水；流速：0.2 ml/min；进样量：2 μL；电离方式：电喷雾ESI；描方式：负离子扫描，总离子流监测（TIC）；鞘气流速：50 arb；电喷雾电压：3.5 kV；毛细管温度：300 ℃；毛细管电压：-10 V；透镜电压：0 V。结果如图6和图7所示。

从以上图中可以看出，全氟毛细管整体柱对庚烷磺酸钠几乎没有吸附，而C18则有50 %左右的吸附。结合实例1结果，说明全氟毛细管整体柱对全氟化合物具有很高的吸附选择性，即只选择吸附全氟化合物而对非含氟化合物不吸附。

Claims (4)

1.一种全氟毛细管萃取整体柱，其特征在于，是在75～530 μm石英毛细管中原位聚合硅胶基质，再在硅胶基质表面键合有全氟功能基团的整体柱。

2.根据权利要求1所述的全氟毛细管萃取整体柱，其特征在于；所述全氟功能基团包括分子式为全氟辛基、全氟癸基、N-全氟辛磺酰基及其化学衍生物。

3.一种全氟毛细管萃取整体柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）预处理：将内径75～530 μm石英毛细管用1 M NaOH冲洗过夜，再分别用H₂O、0.1 M HCl和H₂O冲洗，然后在氮气氛中180 ℃加热3 h备用；

（2）溶胶-凝胶处理：0.10～0.12 g聚乙二醇（PEG，致孔剂）和0.11～0.12 g尿素（Urea，制备中孔）溶于1.25 ml 0.01 M HAc（催化剂）中，缓慢滴加0.55 ml四甲氧基硅烷（TMOS，反应单体）；混合物在冰浴下剧烈搅拌30～60 min；冰浴下超声5 min，将溶胶充入毛细管，用橡胶垫封住毛细管的两端后放置于恒温水浴锅中，40～43 ℃陈化12～24 h；再在120 ℃下加热3 h；依次用水、甲醇冲洗除去未反应的物质，接着在30～50 ℃下缓慢干燥12～24 h，最后将整体柱置于气相色谱柱箱中，以1 ℃/min的速率从室温程序升温到330 ℃，并在终温下保持20 h，灼烧除去其中的有机成分；

（3）化学键合：将上述制备的毛细管萃取整体柱用0.1 M HCl盐酸活化2 h，30～50 ℃过夜干燥；100～200 μL全氟癸基甲基二氯硅烷和800～900 μL苯充分混合并引入整体柱，于110 ℃反应3 h，重复3次，反应完后依次用苯、甲醇冲洗，得到硅胶基质的全氟毛细管萃取整体柱。

4.全氟毛细管萃取整体柱应用于全氟化合物的样品前处理和样品采集，其特征在于，包括以下步骤：

（1）活化：全氟毛细管萃取整体柱分别用100～200 μL甲醇和水冲洗，挤干残留在整体柱里面的液体；

（2）上样：用注射泵以5～10 μL/min流速将样品溶液全部注入全氟毛细管萃取整体柱，挤干残留在整体柱里面的溶液；

（3）洗脱：用注射泵以5～10 μL/min流速将甲醇注入全氟毛细管萃取整体柱中，用样品瓶收集10～30 μL体积的洗脱液；

（4）洗脱液直接用液相色谱串联质谱仪分析检测。

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