CN106268712A

CN106268712A - 一种基于表面分子印迹的微萃取碳棒的制备及使用方法

Info

Publication number: CN106268712A
Application number: CN201510318940.XA
Authority: CN
Inventors: 汪磊; 王如佳; 陈思; 孙红文
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2035-06-11
Also published as: CN106268712B

Abstract

本发明公开了一种针对具有复杂基质的水环境样品中微量污染物的基于表面分子印迹技术的固相微萃取碳棒的制备方法以及使用方法。首先优选了碳纤维棒材料作为分子印迹材料的有效载体，并对其使用尺寸进行了优化选择，然后结合碳棒材料的特性开发了碳棒表面分子印迹物的合成方法，通过该方法得到的产物可以用于环境中复杂基质样品的固相微萃取。该装置所选用的碳纤维棒材料具有机械强度大以及尺寸可选的特点，同时与之结合的分子印迹技术在样品前处理应用过程中具有较高选择性和有效抑制基质干扰的优点。两者的有效结合可以有效解决传统的固相微萃取装置采样头容易损坏，价格昂贵以及在对于复杂基质样品进行处理时基质干扰严重等问题，从而可以有效提高微萃取过程的精准度。

Description

一种基于表面分子印迹的微萃取碳棒的制备及使用方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种针对具有复杂基质的水环境样品中微量污染物的基于表面分子印迹技术的固相微萃取碳棒的制备以及使用方法。

背景技术

目前所使用的固相微萃取装置（Solid Phase Micro Extraction ， SPME）一般使用涂覆有广谱涂层的石英纤维作为萃取头，对于样品中的目标物进行富集和净化，然后经洗脱后使用液相色谱或者直接使用气相色谱等进行分析测试的装置。这种装置是依靠目标物在样品溶剂和涂层之间的平衡分配而实现对于目标物的富集。而这种装置一般较小同时在使用的过程中易于损坏，价格较为昂贵。此外，使用这种装置对于环境中复杂基质样品进行萃取时，样品基质中的其他物质很容易与目标污染物形成竞争关系，从而造成装置不能有效对于目标污染物进行富集和净化，从而造成对于样品中目标污染物检出不准确，甚至出现未检出现象。因此，开发一种机械强度较大，并且对于目标污染物具有特异选择性的微萃取装置是十分有必要的。

发明内容

本发明提供了一种针对具有复杂基质的水环境样品中微量污染物的基于表面分子印迹技术的固相微萃取碳棒的制备以及使用方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明的针对环境中复杂基质样品中微量有机污染物的基于碳棒表面分子印迹的固相微萃取装置的制备以及使用方法的具体步骤如下：

（1）将碳棒置于一定浓度的硝酸中，在80-100 ℃条件下回流3-7 h，结束后首先使用丙酮进行洗涤，然后使用蒸馏水进行洗涤，结束后置于真空干燥箱中50-70 ℃干燥10-14 h；

（2）将步骤（1）处理后的碳棒加入到乙醇水溶液中，碳棒有效表面积与乙醇水溶液的体积之比为0.05-0.2：1 cm²/ml，然后再加入硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，碳棒有效表面积与KH-570的体积之比为2-8 cm²：1 ml，再用冰乙酸调节体系pH为5，在60-70 ℃条件下缓慢磁力搅拌加热回流2-5 h，结束后使用无水乙醇对于产物进行洗涤，然后在40-60℃条件下真空干燥20-30 h；

（3）往步骤（2）处理后的碳棒中加入分散剂乙腈、模板分子和功能单体4-乙烯基吡啶，碳棒有效表面积与乙腈的质量体积之比为0.02-0.08：1 cm²/ml，碳棒有效表面积与模板分子的摩尔质量之比为2-8：1 cm²/mmol，碳棒有效表面积与4-乙烯基吡啶的体积之比为25-30 cm²/ml，室温条件下缓慢磁力搅拌30 min，结束后加入引发剂偶氮二异丁腈和交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯，碳棒有效表面积与偶氮二异丁腈的质量之为500-600 cm²:1 ml，碳棒有效表面积与二甲基丙烯酸乙二醇酯的体积之比为100-120:1 cm²/ml，然后氮吹30 min除去体系中的空气，结束后立即使用封口膜以及锡箔纸密封，在50-70 ℃条件下缓慢磁力搅拌20-30 h，结束后冷却到室温；

（4）将步骤（3）中的碳棒置于聚丙烯材质的样品瓶中，加入甲醇乙酸混合溶液对于步骤（3）中的碳棒进行洗脱，其中碳棒有效表面积与甲醇乙酸混合溶液的体积之比为0.3-0.4:1 cm²/ml，洗脱次数为5次，然后分别使用甲醇和纯水按照同样方法同样比例进行洗脱，最后在40-60 ℃条件下真空干燥20-30 h，得到产物；

（5）对于步骤（4）的产物进行使用时，首先需要将一定体积的样品液置于40 ml的通用螺纹口样品瓶中，然后放入步骤（4）的产物，进行搅拌，搅拌时间为2-10 min；

（6）将步骤（5）搅拌结束后的碳棒取出，放入装有甲醇的40 ml的通用螺纹口样品瓶中，其中甲醇体积为5-15 ml，使用封口膜进行密封，放入摇床中，以30 ℃，150 r/min的速度进行震荡，震荡时间为1-3 h。结束后取洗脱液使用液相色谱进行分析测试；

步骤（1）中，所述的硝酸浓度为8 mol/L ，优选的碳棒材料为碳纤维棒，材料直径为3 mm，优选在90 ℃条件下回流5 h，置于真空干燥箱中60 ℃干燥12 h。

步骤（2）中，所述的乙醇水溶液中，乙醇与水的体积比为3:1，优选碳棒有效表面积与乙醇水溶液的体积之比为0.094:1 cm²/ml，碳棒有效表面积与KH-570的体积之比为7.536：1 cm²/ml。

步骤（2）中，优选在65 ℃条件下缓慢磁力搅拌加热3 h，在50℃条件下真空干燥24 h。

步骤（3）中，所述的模板分子为复杂基质样品中目标有机污染物。

步骤（3）中，优选碳棒有效表面积与乙腈的体积之比为0.0471：1 cm²/ml，碳棒与模板分子的摩尔质量之比为5.652：1 cm²/mmol，碳棒有效表面积与4-乙烯基吡啶的体积之比为28.26：1 cm²/ ml。

步骤（3）中，优选碳棒有效表面积与模偶氮二异丁腈的质量之比为565.2:1 cm²/g，碳棒有效表面积与二甲基丙烯酸乙二醇酯的体积之比为11.304:1 cm²/ml。

步骤（4）中，优选碳棒有效表面积与甲醇乙酸混合溶液的体积之比为0.3768:1 cm²/ml，在50 ℃条件下真空干燥24 h。

步骤（5）中，优选样品使用的量为10 ml，搅拌的时间为5 min。

步骤（6）中，洗脱使用甲醇溶液的量为10 ml，震荡时间为2 h。

本发明的积极效果如下：

本发明中提出的基于碳棒表面分子印迹技术的固相微萃取装置可以实现对于需要监测的目标物的结构有效的印迹在载体的碳棒表面，制备方法简便易行，同时使用过程，操作简便，重现性良好。实验中制备的表面分子印迹碳棒（SMIP-CR）具有机械强度大，不易损坏以及价廉易得等优点，同时对于分子印迹物的有效负载则可实现对于复杂基质样品中目标物的特异选择性富集，有效减少传统萃取以及监测过程中存在的基质效应。同时，目标物在该产品上具有较快的吸附解吸的速度，可以有效解决膜保护固相微萃取对于较脏样品进行萃取时需要较长平衡时间的问题。

附图说明：

图1.纯水中SMIP-CR对于BPA的吸附动力学曲线

图2.纯水中SMIP-CR对于BPA的吸附重现性

图3.纯水中（a）和含溶解性有机质（DOM）的水溶液中（b）SMIP-CR在三种不同加标浓度下对于BPA的富集浓度与水相浓度的相关关系图

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步详细描述

实施例 1

以水体中双酚A为例

本发明的针对环境中复杂基质样品中微量污染物的基于碳棒表面分子印迹技术的固相微萃取装置的制备以及使用方法的具体步骤如下：

本实验选用市售的3 mm碳纤维棒作为原始载体，在其表面负载分子印迹物，然后作为固相微萃取的采样头进行应用。

表面分子印迹碳棒（Surface Molecular Imprinted Polymer - Carbon Rod，以下简称SMIP-CR）的合成方法如下：

首先对购买的碳纤维棒进行除浆氧化：取6个直径为3 mm，长度为10 cm的碳纤维棒置于浓度为120 ml，8 mol/L的硝酸溶液中，置于水浴锅中，90 ℃条件下回流5 h，回流结束后放置到室温，将碳棒从体系中取出，置于烧杯中首先使用丙酮冲洗三次，然后再使用纯水冲洗三次后，置于真空干燥箱中60 ℃条件下干燥过夜。

氧化后碳棒表面的硅烷化：取6个除浆氧化后的碳纤维棒置于含有1.5 ml γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的120 ml乙醇水溶液中（乙醇：水=3:1 v/v），置于恒温磁力搅拌水浴锅中，65 ℃条件下，恒温磁力搅拌回流3 h ，回流结束后，将装置取出放置到室温，然后取出碳棒置于烧杯中使用无水乙醇冲洗三次，然后使用纯水洗涤三次后，置于干燥箱中60 ℃条件下干燥24 h后得到硅烷化的碳棒。

硅烷化碳棒表面分子印迹物负载：取3个硅烷化碳棒置于120 ml乙腈中，然后加入200 μL的4-乙烯基吡啶，228 mg的双酚A，室温条件下磁力搅拌30 min使三者有效结合，结束后直接向体系中加入500 μL的二甲基丙烯酸乙二醇酯作为交联剂，加入10 mg经重结晶的偶氮二异丁腈作为热引发剂。室温条件下氮吹20 min，排出体系的空气后进行密封，然后将反应装置放到恒温磁力搅拌水浴锅中，60 ℃条件下反应24 h。

合成成品表面的模板分子的洗脱去除：将反应结束的碳棒取出放入到120 ml的9:1的甲醇乙酸溶液中，置于摇床中150 r/min的条件下洗脱30 min后置换体系的洗脱液，反复操作5次后，在使用甲醇作为洗脱液按照上述方法洗脱3次，最后使用纯水洗涤3次后，置于真空干燥箱中60 ℃条件下干燥24 h，得到SMIP-CR。

实验发现该产物可以作为固相微萃取装置采样头的替代品或者单独使用，同时对其使用方法进行将其使用方法如下：

使用该产品时，需要将待分析的液体样品置于40ml的通用螺纹口样品瓶中，然后放入SMIP-CR并对其进行搅拌，搅拌时间为5 min，然后取出碳棒置于装有10 ml甲醇的40 ml的EPA瓶中，使用封口膜对于系统进行密封，然后置于恒温摇床中，30 ℃，150 r/min条件下洗脱2 h，然后取洗脱液使用高效液相色谱法（HPLC）进行分析。

在使用该装置对于实际复杂基质样品进行萃取之前需要配置含有已知梯度浓度的溶液，使用本次实验所合成的SMIP-CR进行萃取，测试萃取液的浓度，得到目标物在该装置以及样品体系的分配系数，方可对于实际样品进行萃取以及分析测试等工作。

吸附动力学测试

取10根SMIP-CR分别加入到10份，10 ml含有1 mg/L BPA纯水溶液中，进行搅拌，分别在0，5，10，15，20，30，60，90，120，180 min停止搅拌，用甲醇洗脱SMIP-CR富集的BPA，并使用HPLC进行分析。表1是不同时间取样计算出的吸附量

表1

时间 /min	0	5	10	20	30	60	90	180
									碳棒富集量 /μg	0.37	2.49	2.56	3.07	4.23	3.83	4.37	4.41

由以上数据以及附图1可以看出，SMIP-CR对于BPA的吸附在30 min可基本达到吸附平衡。

结果重现性测试

取5个SMIP-CR分别加入到5份10 ml BPA浓度为1 mg/L的纯水溶液中，搅拌时间为180 min，用甲醇洗脱SMIP-CR上富集的BPA，并用HPLC进行分析。表2是所取的5个平行样品使用HPLC测试时响应出的峰面积。

表2

组别	平行1	平行2	平行3	平行4	平行5
						富集量 /μg	5.70	4.33	5.43	5.39	4.98

从以上5个数据计算出其RSD值为10.3 %，表明SMIP-CR对于BPA的采集具有较好的重现性。

抗基质干扰能力测试

取6个SMIP-CR分别加入到BPA加标浓度为40 μg/L，200 μg/L，1000 μg/L的纯水和含溶解性有机质（DOM）的水溶液（TOC=50 mg-C/L）中，吸附时间为180 min。结束后使用甲醇溶液对于吸附完成的SMIP-CR进行洗脱，洗脱完成后使用HPLC对于洗脱液中的BPA浓度进行测试。表3是两种不同体系中三种不同加标浓度的SMIP-CR的洗脱液浓度

表3

由上表数据可以看出随着BPA加标浓度的增加，碳棒上富集到的BPA的量也随之增加。同时由附图3可以看出，在两种不同基质中不同加标浓度下SMIP-CR对于BPA的富集量与BPA的水相浓度之间均分别呈现良好的线性关系。线性回归分析表明，在纯水和DOM溶液中SMIP-CR对BPA的富集量（Y μg/cm²）与BPA水相浓度（X μg/L）之间可分别用公式Y=0.00131 X+2.93（纯水中，R²=0.999）和Y=0.00147 X+2.58（DOM溶液中，R²=0.982）描述，两公式斜率基本一致，说明本次实验所合成的SMIP-CR具有一定的对抗基质干扰的能力。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于表面分子印迹技术的固相微萃取碳棒的制备以及使用方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

（2）将步骤（1）处理后的碳棒加入到乙醇水溶液中，碳棒有效表面积与乙醇水溶液的体积之比为0.05-0.2 cm²：1 ml，然后再加入硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，碳棒有效表面积与γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的体积之比为2-8：1 cm²/ml，再用冰乙酸调节体系pH为5，密封，在60-70 ℃条件下缓慢磁力搅拌加热2-5 h，结束后使用无水乙醇对于产物进行洗涤，然后在40-60 ℃条件下真空干燥20-30 h；

（3）往步骤（2）处理后的碳棒中加入分散剂乙腈、模板分子和功能单体4-乙烯基吡啶，碳棒有效表面积与乙腈的重量体积比为0.02-0.08：1 cm²/ml，碳棒有效表面积与模板分子的摩尔质量之比为2-8：1 cm²/mmol，碳棒有效表面积与4-乙烯基吡啶的体积之比为25-30 cm²/ml，室温条件下缓慢磁力搅拌30 min，结束后加入引发剂偶氮二异丁腈和交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯，碳棒有效表面积与偶氮二异丁腈的质量之比为500-600:1 cm²/ml，碳棒有效表面积与二甲基丙烯酸乙二醇酯的体积之比为100-120:1 cm²/ml，然后氮吹30 min除去体系中的空气，结束后立即使用封口膜以及锡箔纸密封，在50-70 ℃条件下缓慢磁力搅拌20-30 h，结束后冷却到室温；

（4）将步骤（3）中的碳棒置于聚丙烯材质的样品瓶中，加入甲醇乙酸混合溶液对于步骤（3）中的碳棒进行洗脱，其中，碳棒有效表面积与甲醇乙酸混合溶液的体积之比为0.3-0.4:1 cm²/ml，洗脱次数为5次，然后分别使用甲醇和纯水按照同样方法同样比例进行洗脱，最后在40-60 ℃条件下真空干燥20-30 h，得到产物；

（5）对于步骤（4）的产物进行使用时，首先需要将一定体积的样品液置于40 ml的通用螺纹口样品瓶中，然后放入步骤（4）的产物，进行搅拌，搅拌时间为2-10 min；搅拌结束后，将碳棒取出，放入装有甲醇的40 ml的通用螺纹口样品瓶中，其中甲醇体积为5-15 ml，使用封口膜进行密封，放入摇床中，以30℃，150 r/min的速度进行震荡，震荡时间为1-3 h，结束后取洗脱液使用液相色谱进行分析测试。

2.如权利要求1所述的基于表面分子印迹技术的固相微萃取碳棒的制备以及使用方法，其特征在于：步骤（1）中，硝酸浓度为8 mol/L ，优选的碳棒材料为碳纤维棒，材料直径为3 mm，在90℃条件下回流5 h，置于真空干燥箱中60 ℃干燥12 h。

3.如权利要求1所述的基于表面分子印迹技术的固相微萃取碳棒的制备以及使用方法，其特征在于：优选碳棒有效表面积与乙醇水溶液的体积之比为0.094:1 cm²/ml，碳棒有效表面积与KH-570的体积之比为7.536：1 cm²/ml。

4.如权利要求1所述的基于表面分子印迹技术的固相微萃取碳棒的制备以及使用方法，其特征在于：步骤（2）中，65 ℃条件下缓慢磁力搅拌加热3 h，在50 ℃条件下真空干燥24 h。

5.如权利要求1所述的基于表面分子印迹技术的固相微萃取碳棒的制备以及使用方法，其特征在于：步骤（3）中，所述的模板分子为含有复杂基质水样中目标有机污染物。

6.如权利要求1所述的基于表面分子印迹技术的固相微萃取碳棒的制备以及使用方法，其特征在于：步骤（3）中，碳棒有效表面积与乙腈的体积之比为0.0471 cm²：1 cm²/ml，碳棒有效表面积与模板分子的物质量之比为5.652：1 cm²/mmol，碳棒有效表面积与4-乙烯基吡啶的体积之比为28.26：1 cm²/ml。

7.如权利要求1所述的基于表面分子印迹技术的固相微萃取碳棒的制备以及使用方法，其特征在于：步骤（3）中，碳棒有效表面积与模偶氮二异丁腈的质量之比为565.2:1 cm²/g，碳棒有效表面积与二甲基丙烯酸乙二醇酯的体积之比为11.304:1 cm²/ml。

8.如权利要求1所述的基于表面分子印迹技术的固相微萃取碳棒的制备以及使用方法，其特征在于：步骤（4）中，碳棒有效表面积与甲醇乙酸混合溶液的体积之比为0.3768:1 cm²/ml，在50 ℃条件下真空干燥24 h。

9.如权利要求1所述的基于表面分子印迹技术的微萃取碳棒的制备以及使用方法，其特征在于：步骤（5）中，样品使用的量为10 ml，搅拌的时间为5 min，洗脱使用甲醇溶液的量为10 ml，震荡时间为2 h。