CN107583629A - 以八苯基笼型倍半硅氧烷为材料制备的固相微萃取探针及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固相微萃取领域，具体公开了一种以八苯基笼型倍半硅氧烷(Ph‑POSS)为材料制备的固相微萃取针及其应用。本发明所制备的固相微萃取探针包括不锈钢纤维和涂覆于不锈钢纤维一端的表面涂层，所述表面涂层材料是由Ph‑POSS经过傅克反应制得的交联Ph‑POSS产物(xPh‑POSS)。xPh‑POSS材料是平均直径为360nm纳米球材料，具有大量的‑CO‑共价键和多基团，对极性物质有较好的吸附作用。本发明通过直接涂覆制备所述探针，其制备步骤简单，通过所述方法制备的固相微萃取探针热稳定性良好，对极性有机物中的酚类有机物具有良好吸附效果好，重现性好。
Description
技术领域
本发明涉及固相微萃取领域，更具体地，涉及一种以八苯基笼型倍半硅氧烷(Ph-POSS)为材料制备的固相微萃取探针及其制备方法和应用
背景技术
固相微萃取技术(solid-phase micro-extraction，SPME)技术是由加拿大Waterloo大学的Pawliszyn教授研究小组与1989年首次进行开发研究，是一种集采样、萃取、浓缩、进样于一体的样品前处理技术，具有操作简单，萃取速度快，不需要溶剂等特点，属于非溶剂性选择性萃取法。固相微萃取技术可以与色谱、质谱等检测设备联用，现已被应用于环境、食品、医药和活体分析等领域。
SPME技术的装置已经存在，商品化装置主要由手柄和萃取头组成，萃取头上的涂层是SPME技术的核心，影响萃取的效果，从而影响检测的选择性和灵敏度。
目前，已经商品化的固相微萃取涂层有很多种，例如聚甲基硅氧烷(PDMS，7、30、100μm)、聚丙烯酸酯(PA，85μm)、聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB，65μm)、聚乙二醇(PEG，60μm)、Carboxen-PDMS(75μm)等。商品化的萃取涂层存在种类有限，选择性差，价格昂贵等缺点，因而急需开发研究出更多的新型的固相微萃取涂层。
发明内容
本发明的目的在于克服固相微萃取探针研究技术的问题，提供一种热稳定性良好、选择性良好的固相微萃取涂层，制备成固相微萃取探针。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种以八苯基笼型倍半硅氧烷为材料制备的固相微萃取探针，包括不锈钢纤维和涂覆于不锈钢纤维一端的表面涂层，所述表面涂层含有八苯基笼型倍半硅氧烷(Ph-POSS)经过傅克反应制备的交联产物xPh-POSS材料。
进一步地，所述xPh-POSS材料是由八苯基笼型倍半硅氧烷(Ph-POSS)经过傅克反应制得的平均直径为360nm的纳米球型聚合物，具有相互交联结构，具有大量的-CO-共价键和多基团，对极性物质有较好的吸附作用。
固相微萃取技术需要通过SPME装置的套管配合使用，所用装置对于固相微萃取探针当中的不锈钢纤维有规格要求，所用的不锈钢纤维直径为127μm，长度为3μm；固相微萃取探针的萃取吸附量与探针的长度和厚度有关系，本发明所制备的探针的长度为1～2cm，厚度为30～40μm。
本发明提供了上述固相微萃取探针的制备方法，包括以下步骤：
S1.不锈钢丝制备：剪取3-4cm不锈钢丝依次用超纯水、丙酮、甲醇进行超声清洗15min，晾干备用；
S2.xPh-POSS探针制备：将中性硅酮胶溶解于环己烷中，取一根预处理过不锈钢丝插入其中，拭去多余硅酮胶，置于装有xPh-POSS粉末的称量纸中，轻轻旋转，让不锈钢丝均匀粘上xPh-POSS粉末，后置于烘箱中干燥，重复上述步骤2-3次，即可得到xPh-POSS探针。
S3.xPh-POSS探针的老化：将xPh-POSS探针置于气相色谱仪(GC)进样口下，氮气保护下，高温老化备用。
优选地，步骤S2中所述的中性硅酮胶、环己烷的比值为0.5g：1mL，所述xPh-POSS探针涂层厚度为30μm，所述探针置于烘箱中干燥温度和时间为100℃下1h。
优选地，步骤S3中所述老化是将探针置于GC进样口下，在氮气保护下，250℃老化1h。
本发明是利用具有粘合性质的中性硅酮胶作为粘合剂，将xPh-POSS材料固定于不锈钢纤维的表面，形成xPh-POSS固相微萃取探针。不锈钢纤维在粘上xPh-POSS材料，干燥后，重复上述步骤的次数影响着不锈钢纤维上涂层的厚度，从而影响所制备的探针的性能。
因此，本发明所制备的xPh-POSS固相微萃取探针在S1所述，不锈钢纤维在粘上xPh-POSS材料，干燥后，重复上述步骤2～3次，才能使涂层厚度达到30～40μm。
本发明制备得到的固相微萃取探针插入SPME套管，在250℃下老化1h方可使用。
本发明还提供了所述固相微萃取探针在分析检测中的应用。
将本发明所制备的到固相微萃取探针用于测定北江水样、西江水样、金本段河涌水样，官员段河涌水样中的酚类有机物，具有良好的线性范围、低检出限、高回收率等优点。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种固相微萃取探针，所述探针的表面涂层中使用的吸附剂为xPh-POSS材料，该材料是平均直径为360nm的聚合物，具有相互交联结构，具有大量的-CO-共价键和多基团，对极性物质有较好的吸附作用；利用所述探针进行分析检测，不仅检出限低、重现性好，而且对于极性物质酚类有机物具有很好的吸附效果；它能够在较高的温度范围内使用，即使在325℃下也能保持较好的吸附性能。
本发明同时提供了所述的固相微萃取探针的制备方法，其制备步骤简单，所述方法制备的固相微萃取探针的厚度可控。
附图说明
图1为xPh-POSS涂层扫描电镜图。
图2为xPh-POSS固相微萃取探针吸附时间优化。
图3为xPh-POSS固相微萃取探针吸附温度优化。
图4为xPh-POSS固相微萃取探针脱附时间优化。
图5为xPh-POSS固相微萃取探针脱附温度优化。
图6为xPh-POSS固相微萃取探针溶液的离子强度。
图7为xPh-POSS固相微萃取探针热稳定性。
图8为xPh-POSS固相微萃取探针与85μm PA和65μmDVB吸附效果对比图。
具体实施例
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但并不对本发明做任何形式的限定，凡在发明精神和原则之内做任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所使用试剂和材料均为市购。
实施例1以xPh-POSS为材料制备的固相微萃取探针的制备
以xPh-POSS为材料制备的固相微萃取探针的制备方法，具体步骤如下：
S1.不锈钢丝制备：剪取3-4cm不锈钢丝依次用超纯水、丙酮、甲醇进行超声清洗15min，晾干备用；
S2.制备xPh-POSS探针：将0.5g的中性硅酮胶溶解于1mL环己烷中，取一根不锈钢丝插入其中，拭去多余硅酮胶，置于装有xPh-POSS粉末的称量纸中，轻轻旋转，让不锈钢丝均匀粘上xPh-POSS粉末，后置于烘箱中100℃干燥1h；重复上述步骤2-3次，即可得到xPh-POSS探针；
S3.xPh-POSS探针的老化：将xPh-POSS探针置于GC进样口下，氮气保护下，250℃老化1h，老化后探针萃取头取下备用。
如图1所示，自制涂层表面的颗粒直径与360nm的平均直径相当，颗粒细小均匀。从电镜图中，可测量出涂层厚度约为30μm。
实施例2 xPh-POSS固相微萃取探针条件的优化
(1)色谱条件
实验过程中，使用GC-MS对自制的xPh-POSS固相微萃取探针性能进行表征。
在GC-MS中，色谱柱为安捷伦HP-5色谱柱(30m×0.32mm i.d.×0.25μm)；载气高纯氦气(99.999％)；选用气相色谱条件：不分流进样，进样口温度300℃，主流是1.2mL·min-1，具体升温程序如表1。
表1气相色谱升温程序
| 温度梯度 | 升温速率(℃·min-1) | 温度设定(℃) | 保持时间(min) |
| 初始 | — | 100 | 1 |
| 梯度1 | 20 | 150 | 0.5 |
| 梯度2 | 30 | 250 | 2.7 |
(2)自制xPh-POSS固相微萃取探针最佳萃取条件的优化
固相微萃取技术在测量样品中的分析物浓度是，受到萃取时间、萃取温度、脱附时间、脱附温度、离子强度等影响，在使用自制xPh-POSS固相微萃取探
针前，需要对该探针的最佳萃取条件进行优化。
a.萃取时间
保持探针在萃取过程中萃取温度为40℃；脱附温度为250℃；脱附时间为5min；盐浓度为0％；萃取时间分别选取10min，20min，30min，40min，50min，60min，70min，90min八个点，用自制xPh-POSS探针萃取待测的酚类有机物，顶空萃取30min，得到分析物峰面积对萃取时间优化曲线图。从图2看出，自制探针最优萃取时间为60min。
b.萃取温度
保持探针在萃取过程中萃取时间为60min；脱附温度为250℃；脱附时间为5min；盐浓度为0％；萃取温度选择30℃，40℃，50℃，60℃，70℃五个点，用自制xPh-POSS探针萃取待测的酚类有机物，顶空萃取30min，得到分析物峰面积对萃取时间优化曲线图。从图3看出，自制探针最优萃取温度40℃。
c.脱附温度
保持探针在萃取过程中萃取时间为60min；萃取温度40℃；脱附时间为5min；盐浓度为0％；脱附温度选取225℃，250℃，275℃，300℃，325℃，350℃六个点，用自制xPh-POSS探针萃取待测的酚类有机物，顶空萃取30min，得到分析物峰面积对萃取时间优化曲线图。从图4看出，自制探针最优脱附温度为300℃。
d.脱附时间
保持探针在萃取过程中萃取时间为60min；萃取温度40℃；脱附温度为300℃；盐浓度为0％；脱附时间选取1min，3min，5min，7min四个点，用自制xPh-POSS探针萃取待测的酚类有机物，顶空萃取30min，得到分析物峰面积对萃取时间优化曲线图。从图5看出，自制探针最优脱附时间为1min。
e.溶液的离子强度
保持探针在萃取过程中萃取时间为60min；萃取温度40℃；脱附温度为300℃；脱附时间为1min；盐浓度分别选取为0％，6.5％，13％，19.5％，26％，用自制xPh-POSS探针萃取待测的酚类有机物，顶空萃取30min，得到分析物峰面积对萃取时间优化曲线图。从图6看出，自制探针最优NaCl溶液为25.6％
实施3 xPh-POSS固相微萃取探针的性能表征
(1)溶液的配置
a.酚类有机物储备溶液配置：首先，取混合溶剂溶解邻氯苯酚(o-chlorophenol)，对甲苯酚(p-methylphenol)，2,6-二甲苯酚(2,6-Dimethyl phenol)，邻硝基苯酚(o-Nitrophenol)，2,3二氯苯酚(2,3-Dichlorophenol)，2,4,6三氯苯酚(2,4,6-Trichlorophenol)，对硝基苯酚(4-Nitrophenol)标准样品，配置成初始标准溶液。然后，取一定量的六种酚类有机物，加入到有少量色谱纯甲醇的20mL棕色容量瓶中，用甲醇稀释，制成2000mg·L-1的储备溶液，然后保存于4℃下备用。
b.酚类有机物工作溶液：准备移取一定量储备溶液于含有10mL饱和食盐水的20mL自动进样瓶中，摇匀备用。工作溶液现配现用。
(2)与商用85μm PA和65μmDVB探针对比
取已有的1000mg·L-1七种酚类有机物储备溶液1μL，加入10mL去离子水，配置成0.1mg·L-1的工作溶液，测试3组，并用GC-FID分析。在最优的固相微萃取操作条件下，萃取时间为60min，萃取温度为40℃，脱附时间为1min，脱附温度为300℃。
将自制的xPh-POSS探针以及商用针的酚类有机物的萃取量结果如图8所示。从图8中可以看出自制探针(涂层厚度约为30μm)的效果优于85μm PA，自制探针(涂层厚度约为30μm)的效果低于65μmDVB。考虑自制探针的涂层厚度约为30μm，约为DVB探针的厚度的一半，但自制探针的效果仅略低于DVB探针的效果。从结果显示，自制探针的萃取效果有明显的优势。
(3)探针的热稳定性
取已有的2000mg·L-1六种酚类有机物储备溶液10μL，加入10mL去离子水中，配置成2mg·L-1的工作溶液。测试3组，并用GC-FID分析。其中萃取时间为60min，萃取温度为40℃，脱附时间为1min，脱附温度为300℃。
考察自制涂层的热为定位，将探针置于GC进样口，在250℃、275℃、300℃、325℃、350℃老化1h，萃取上述工作溶液，并按照上述操作步骤进行实验，得到热稳定性结果如图7。从图7中可以看出，老化温度从250℃升至350℃，自制xPh-POSS探针的萃取量从250℃到325℃基本不变，高于325℃后萃取量下降，这说明自制xPh-POSS探针可以在高达325℃的温度下使用。
在固相微萃取的优化条件下，xPh-POSS探针萃取一系列现配的酚类有机物溶液，浓度为5ng·L-1，10ng·L-1，20ng·L-1，50ng·L-1，200ng·L-1，500ng·L-1，2000ng·L-1，5000ng·L-1，每一个测试条件平行测试3组，并用CG-MS分析，得到一系列浓度对应的峰面积。对峰面积积分作图，得出xPh-POSS探针的测试的线性范围。
如表2所示，结果表示自制xPh-POSS探针对酚类有机物检测的线性良好(R2在0.9991-0.9999之间)，线性范围较宽在5-5000ng·L-1间，检出限为0.15-2.5ng·L-1。单针重现性与针与针重现性较好，相对标准偏差(RSD％)低于10％。
表2自制xPh-POSS探针的线性范围、检出限、重现性
实施例4 xPh-POSS固相微萃取探针用于测定实际水样中酚类有机物
本实验采集了珠江三角洲的北江水、西江水、以及位于佛山市三水区的官员河涌水和金本河涌水，进行酚类有机物的含量检测。用自制xPh-POSS探针萃取四种水样，将所得峰面积代入线性方程，得到七种酚类有机物的含量。
通过在北江水、西江水、官员河涌水和金本河涌水加标20ng·L-1或者100ng·L-1，得到七种酚类化合物的回收率在84.6％-119％之间，说明此方法满足痕量分析要求，结果如表3所示。
表3-1北江水中通过xPh-POSS探针对酚类有机物的检测结果
表3-2西江水中通过xPh-POSS探针对酚类有机物的检测结果
表3-3官员河涌水通过xPh-POSS探针对酚类有机物的检测结果
表3-4金本河涌水通过xPh-POSS探针对酚类有机物的检测结果
Claims (8)
1.一种以八苯基笼型倍半硅氧烷为材料制备的固相微萃取探针，其特征在于，包括不锈钢纤维和涂覆于不锈钢纤维一端的表面涂层，所述表面涂层含有以八苯基笼型倍半硅氧烷为原料经过傅克反应制备的交联产物xPh-POSS材料。
2.根据权利要求1所述的固相微萃取探针，其特征在于，所述交联产物xPh-POSS材料为内部相互交联的纳米球型聚合物，该交联产物xPh-POSS平均直径为360nm，具有大量的-CO-共价键和多基团，对极性物质有较好的吸附作用。
3.根据权利要求1所述的固相微萃取探针，其特征在于，长度为1~2cm，厚度为30~40μm。
4.权利要求1所述的固相微萃取探针的制备方法，其特征在于，步骤如下：
S1. 不锈钢丝制备：剪取3-4cm不锈钢丝依次用超纯水、丙酮、甲醇进行超声清洗15min，晾干备用；
S2.xPh-POSS固相微萃取探针的制备：将中性硅酮胶溶解于环己烷中，取一根预处理过不锈钢丝插入其中，拭去多余硅酮胶，置于装有xPh-POSS粉末的称量纸中，轻轻旋转，让不锈钢丝均匀粘上xPh-POSS粉末，后置于烘箱中干燥，重复上述步骤2-3次，即可得到xPh-POSS探针；
S3. xPh-POSS固相微萃取探针的老化：将xPh-POSS探针置于气相色谱仪进样口下，氮气保护下，高温老化备用。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述中性硅酮胶、环己烷的比值为0.5g：1mL。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述探针干燥温度和时间为100 ºC下1 h。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述老化是将探针置于气相色谱仪进样口下，在氮气保护下，250ºC老化1h。
8.权利要求1所述的固相微萃取探针在分析检测中的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180116 |