CN103083942A - 一种基于SiO2键合石墨烯的固相微萃取吸附涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SiO2键合石墨烯的固相微萃取吸附涂层的制备方法，其先进行功能化石墨烯的制备，之后进行不锈钢纤维支载SiO2涂层的制备，然后进行石墨烯键合涂层的制备，即将功能化石墨烯充分分散于乙醇，加入的3-氨丙基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯，得透明溶液；将处理后的不锈钢纤维端头浸入，之后提拉取出聚合，反复涂渍、干燥形成厚度达到50-100μm的涂层；最后将制备的涂层放置于气相色谱进样口在氮气氛围中，即得到SiO2键合石墨烯的SPME吸附涂层。本发明吸附涂层选择石墨烯作为主要的吸附材质，利用石墨烯的大比表面积，且与许多有机物质（特别是多环芳烃）能发生π-π共轭作用，实现SPME萃取头对对目标物质的高亲和性、高容量和快速结合能力。
Description
技术领域
本发明属于分析化学中样品前处理技术，适用于环境、食品、药物、生物等样品中痕量物质的分离和富集，特别是基于SiO2键合石墨烯的固相微萃取吸附涂层的制备方法。
背景技术
固相微萃取（Solid Phase Microextraction，SPME）是集采样、萃取、浓缩、解吸、进样于一体的样品前处理新技术，具有简便快速、灵敏度度、所需样品量少和无二次污染等优点，是极具发展潜力的样品前处理方法之一。但商业化的SPME萃取头，种类十分有限，这直接影响到样品中污染物分析的灵敏度和准确性。因此，（1）对于SPME萃取头吸附质的摸索和设计成为了近年来该领域的研究热点。（2）研究新型的对目标物质具有高亲和性、高容量和快速结合能力的SPME萃取头吸附质具有一定的研究价值和意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SiO2键合石墨烯的固相微萃取吸附涂层的制备方法，其可以有效提高SPME萃取头对目标物质的高亲和性、高容量和快速结合能力。
为实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于SiO2键合石墨烯的固相微萃取吸附涂层的制备方法，其具体步骤包括：
步骤1、功能化石墨烯的制备：
首先为改性氧化石墨烯（FGO）的制备：将氧化石墨以质量比为1：100溶于去离子水中，超声形成均匀分散液；在分散液中再加入HCl调节pH值至1-2；之后在室温下搅拌并以1-2滴/秒的速度缓慢滴加2.5倍氧化石墨质量的乙醇胺, 反应24小时后, 得到糊状产物即改性氧化石墨烯，用无水乙醇和去离子水洗涤至中性；
其次为功能化石墨烯（FG）的制备：将FGO超声分散去离子水中，在100 ℃下加入10倍氧化石墨质量的水合肼还原24 h，即得到功能化石墨烯，产物用无水乙醇和蒸馏水洗涤至中性，最后在60 ℃真空干燥箱中干燥48 h；
步骤2、不锈钢纤维支载SiO2涂层的制备：
按照正硅酸乙酯（TEOS）：乙醇（EtOH）：去离子水（H2O）：酸性催化剂 =1：6.4：3.8：0.085的摩尔比例，将正硅酸乙酯与无水乙醇充分混合，在磁力搅拌器强烈搅拌下逐滴加入去离子水和酸性催化剂的混合物，滴加完毕后将反应混合物在磁力搅拌器强烈搅拌下，得到澄清透明溶液，将不锈钢丝纤维端头1-2.0 cm垂直浸入该溶液中放置8-12 h，后取出置于气相色谱进样口100℃条件下1-2 h，反复涂渍、干燥至涂层厚度达到20-50μm；
步骤3、石墨烯键合涂层的制备：
称取100mg的FG，充分分散于EtOH，再加入200 μL的3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和2mL的TEOS，得透明溶液；将步骤2处理后的不锈钢纤维端头浸入8-12 h，后提拉取出并置于70 ℃条件下聚合3 h。反复涂渍、干燥至涂层厚度达到50-100μm；
步骤4、涂层的老化：
将上述制备的涂层放置于气相色谱进样口在氮气氛围中250℃条件下3 h，即得到SiO2键合石墨烯的SPME吸附涂层。
所述步骤2中的酸性催化剂为pH值约为2-3的盐酸。
所述步骤2中的不锈钢丝纤维端头预先用HF腐蚀1 h，后依次用去离子水、甲醇、丙酮、氯仿洗净，室温放置干燥。
采用上述方案后，由于本发明的方法是选用不锈钢丝代替易碎的石英纤维作为涂层的支载材料，通过化学腐蚀的方式提高不锈钢丝的表面粗糙度，以提高对涂层的负载能力；另外，通过溶胶凝胶法预先在不锈钢丝表面涂渍二氧化硅涂层，并利用其功能基团如-OH等可与功能化石墨烯发生键合反应的特点解决吸附涂层键合问题，提高该萃取头的稳定性和耐用性；再者，本吸附涂层选择石墨烯作为主要的吸附材质，利用石墨烯的大比表面积，且与许多有机物质（特别是多环芳烃）能发生π-π共轭作用，实现对目标物质的高亲和性、高容量和快速结合能力。
附图说明
图1为SiO2键合石墨烯的固相微萃取吸附涂层的制备原理图；
图2为SiO2键合石墨烯的固相微萃取吸附涂层的剖面图；其中，A为腐蚀后不锈钢丝，B层为SiO2涂层，C层为石墨烯涂层；
图3为SiO2键合石墨烯的吸附涂层SPME结合气相色谱测定环境水样及加标样（加标浓度为0.01 μg/mL）中苯系物（苯、甲苯、二甲苯、乙苯）的进样色谱图（图中：a. 环境水样；b. 加标样；1. 苯；2. 甲苯；3. 乙苯； 4 邻、间二甲苯；5. 对二甲苯）。
具体实施方式
配合图1至图3所示，本发明揭示了一种基于SiO2键合石墨烯的固相微萃取吸附涂层的制备方法，其具体包括：
步骤1、功能化石墨烯的制备（配合图1所示）：
首先为改性氧化石墨烯（FGO）的制备：将200mg氧化石墨溶于200mL去离子水中，超声形成均匀分散液；在分散液中再加入HCl调节pH至1-2；之后在室温下搅拌并以1-2滴/秒的速度缓慢滴加0.5 g乙醇胺, 反应24h后, 得到糊状产物即改性氧化石墨烯，用无水乙醇和去离子水洗涤至中性；
其次为功能化石墨烯（FG）的制备：将FGO超声分散去离子水中，在100℃下加入2g水合肼还原24h，即得到功能化石墨烯，产物用无水乙醇和蒸馏水洗涤至中性，最后在60℃真空干燥箱中干燥48h；
步骤2、不锈钢纤维A支载SiO2涂层B的制备：
按照正硅酸乙酯（TEOS）：乙醇(EtOH)：H2O：HCl =1：6.4：3.8：0.085的摩尔比例，将正硅酸乙酯与无水乙醇充分混合，在磁力搅拌器强烈搅拌下逐滴加入去离子水和酸性催化剂的混合物，此处的酸性催化剂可采用pH约为2-3的盐酸，滴加完毕后将反应混合物在磁力搅拌器强烈搅拌下，得到澄清透明溶液，将不锈钢丝纤维端头1.0-2.0 cm垂直浸入该溶液中约处放置8-12 h，后取出置于气相色谱进样口100℃条件下1-2 h，反复涂渍、干燥至涂层厚度达到20-50μm；此不锈钢丝纤维端头可预先用HF腐蚀1 h，后依次用去离子水、甲醇、丙酮、氯仿洗净，室温放置干燥；
步骤3、石墨烯键合涂层C的制备：
称取100 mg 的FG，充分分散于EtOH，再加入200 μL的3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和2 mL的TEOS，得透明溶液；将步骤2处理后的不锈钢纤维端头浸入8-12 h，后提拉取出并置于70 ℃条件下聚合3 h。反复涂渍、干燥至涂层厚度达到50-100μm（配合图2所示）。
步骤4、涂层的老化：
将上述制备的涂层放置于气相色谱进样口在氮气氛围中250℃条件下3 h，即得到SiO2键合石墨烯的SPME吸附涂层。
实施例子
图3所示为采用SiO2键合石墨烯的吸附涂层SPME结合气相色谱测定环境水样及加标样（加标浓度为0.01 μg/mL）中苯系物（苯、甲苯、二甲苯、乙苯）的进样色谱图。在一个30 mL萃取瓶中，加入20 mL的样品水溶液和加标液，加搅拌磁子，密封，置于恒温加热磁力搅拌器上搅拌。后将SPME装置的针头刺穿萃取瓶的瓶塞后将萃取头推出，浸入液面下约1.5 cm处，在300 r/min转速搅拌条件下萃取25 min。后将萃取头缩回针头内并抽出。最后将萃取头置于气相色谱进样口200 ℃下解吸1 min。被测物解吸后，经气相色谱仪分析测定（其中色谱条件：载气和尾吹气：N2（99.999 %）；进样口温度：200 ℃ ；采用分流进样，分流比1:20；色谱柱温度：40 ℃（1 min）-5 ℃/min-80 ℃ ; 氢火焰离子检测器（FID）温度：250 ℃；Air压力：50 KPa ； H2压力：60 KPa）。本法的线性范围、检出限和精密度如表1所示。
表1 标准曲线的绘制
*A指色谱峰面积，x为样品浓度（μg/mL）
表1为SiO2键合石墨烯的吸附涂层SPME结合气相色谱测定环境水样中苯系物（苯、甲苯、二甲苯、乙苯）方法的线性范围、检出限数据表。
综上所述，本发明具有如下优点：
第一，选用不锈钢丝代替易碎的石英纤维作为涂层的支载材料，通过化学腐蚀的方式提高不锈钢丝的表面粗糙度，以提高对涂层的负载能力；
第二，通过溶胶凝胶法预先在不锈钢丝表面涂渍二氧化硅涂层，并利用其功能基团如-OH等可与功能化石墨烯发生键合反应的特点解决吸附涂层键合问题，提高该萃取头的稳定性和耐用性；
第三，本吸附涂层选择石墨烯作为主要的吸附材质，利用石墨烯的大比表面积，且与许多有机物质（特别是多环芳烃）能发生π-π共轭作用，实现对目标物质的高亲和性、高容量和快速结合能力。
Claims (4)
1.一种基于SiO2键合石墨烯的固相微萃取吸附涂层的制备方法，其具体步骤包括：
步骤1、功能化石墨烯的制备：
首先为改性氧化石墨烯（FGO）的制备：将氧化石墨以质量比为1：100溶于去离子水中，超声形成均匀分散液；在分散液中再加入HCl调节pH值至1-2；之后在室温下搅拌并以1-2滴/秒的速度缓慢滴加2.5倍氧化石墨质量的乙醇胺, 反应24小时后, 得到糊状产物即改性氧化石墨烯，用无水乙醇和去离子水洗涤至中性；
其次为功能化石墨烯（FG）的制备：将FGO超声分散去离子水中，在100 ℃下加入10倍氧化石墨质量的水合肼还原24 h，即得到功能化石墨烯，产物用无水乙醇和蒸馏水洗涤至中性，最后在60 ℃真空干燥箱中干燥48 h；
步骤2、不锈钢纤维支载SiO2涂层的制备：
按照正硅酸乙酯（TEOS）：乙醇（EtOH）：去离子水（H2O）：酸性催化剂 =1：6.4：3.8：0.085的摩尔比例，将正硅酸乙酯与无水乙醇充分混合，在磁力搅拌器强烈搅拌下逐滴加入去离子水和酸性催化剂的混合物，滴加完毕后将反应混合物在磁力搅拌器强烈搅拌下，得到澄清透明溶液，将不锈钢丝纤维端头1.0-2.0 cm垂直浸入该溶液中放置8-12 h，后取出置于气相色谱进样口100℃条件下1-2 h，反复涂渍、干燥至涂层厚度达到20-50μm；
步骤3、石墨烯键合涂层的制备：
称取100mg的FG，充分分散于EtOH，再加入200 μL的3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和2mL的TEOS，得透明溶液；将步骤2处理后的不锈钢纤维端头浸入8-12 h，后提拉取出并置于70 ℃条件下聚合3 h。
2.反复涂渍、干燥至涂层厚度达到50-100μm；
步骤4、涂层的老化：
将上述制备的涂层放置于气相色谱进样口在氮气氛围中250℃条件下3 h，即得到SiO2键合石墨烯的SPME吸附涂层。
3.如权利要求1所述的一种基于SiO2键合石墨烯的固相微萃取吸附涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的酸性催化剂为pH值约为2-3的盐酸。
4.如权利要求1或2所述的一种基于SiO2键合石墨烯的固相微萃取吸附涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的不锈钢丝纤维端头预先用HF腐蚀1 h，后依次用去离子水、甲醇、丙酮、氯仿洗净，室温放置干燥。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130508 |