CN108543527B - 一种共价有机骨架化合物固相微萃取纤维头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共价有机骨架化合物固相微萃取纤维头及其制备方法，属于分析化学及食品安全检测技术领域。本发明制备得到了以共价有机骨架化合物为材料的固相微萃取纤维，并将其用于制作固相微萃取纤维头，用于固相微萃取。本发明的表面具有共价有机骨架(COF)材料涂层的固相微萃取纤维，基于COF材料的大比表面积、多孔性、大的π‑π共轭体系和热稳定性的特点，该纤维对芳香族化合物有显著的富集作用。本发明可应用于对复杂基质的萃取液、较易挥发的目标物进行顶空固相微萃取，以及较洁净基质的萃取液进行直接萃取，可搭配气相色谱或气相色谱‑质谱联用检测。

Description

一种共价有机骨架化合物固相微萃取纤维头及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种共价有机骨架化合物固相微萃取纤维头及其制备方法，属于分析化学及食品安全检测技术领域。

背景技术

固相微萃取(SPME)是集采样、萃取、富集和进样为一体的一种无溶剂的、简便和有效的样品预处理技术。SPME具有无溶剂富集，操作简单，易于与检测仪器联用等优点，已经被广泛用于各种样品的富集，比如环境、食品、药物、生物、司法和临床的样品。SPME技术是基于分析物与纤维表面的吸附剂涂层之间的吸附平衡来实现的。因此，纤维表面涂层的性质在SPME过程中起着至关重要的作用。现今，用于SPME的商品化的萃取纤维有聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)和聚丙烯酸酯(PA)等。然而，这些商品化的纤维仍然存在一些不足，比如热或者溶剂稳定性不好，以及萃取选择性差等，限制了它们的广泛应用。为了解决这些问题，发展新型的SPME吸附剂具有重要的意义，也是研究的重要发展方向。

另外，以蔬菜中的邻苯二甲酸酯类化合物(PAEs)为例。邻苯二甲酸酯通常被用作增塑剂以增加塑料材料的柔韧性，透明性，耐久性和使用寿命。由于PAEs不与塑料基体发生化学结合，因此它们易于迁移到空气，地下水和土壤中，然后被植物和动物吸收进入食物链。邻苯二甲酸酯由于其潜在致癌性和可能的内分泌调节作用，受到全世界的关注。PAEs是中国土壤中发现的最丰富的半挥发性有机化学物质之一。因此，建立快速有效的检测蔬菜中的邻苯二甲酸酯类化合物方法变得尤为重要。目前，对于蔬菜中的PAEs分离富集常用的方法有液液萃取、索氏提取和固相萃取等。鉴于环境中PAEs普遍存在的特点，这些方法使用大量的溶剂和容器使得样品容易被交叉污染。并且，由于植物样品基质复杂，复杂的前处理过程，更容易使得结果的可靠性下降。而使用固相微萃取对邻苯二甲酸酯类化合物等环境污染物的检测多停留于简单的水性基质，而对于果蔬类等复杂基质的SPME仍有待开发。

因此，有必要提供一种能够解决上述问题的方法。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种共价有机骨架化合物固相微萃取纤维头及其制备方法，并将其用于制作固相微萃取针，用于固相微萃取。本发明是表面具有共价有机骨架(COF)材料涂层的固相微萃取纤维，基于COF材料的大比表面积、多孔性、大的π-π共轭体系和热稳定性的特点，该纤维对芳香族化合物具有显著的富集作用。在制作固相微萃取纤维的过程中，若使用单一的原位生长的方法，易造成COF材料薄膜厚度不均，容易脱落，影响萃取的重复性和纤维的寿命。因此，发明一种较为牢固的连接方法是本发明的重点之一。本发明可应用于对复杂基质的萃取液、较易挥发的目标物进行顶空固相微萃取，以及较洁净基质的萃取液进行直接萃取，可搭配气相色谱或气相色谱-质谱联用检测。

本发明的第一个目的是提供一种固相微萃取纤维头，所述固相微萃取纤维是将基底纤维进行氨基改性修饰后，使COF材料在改性基底纤维上生长得到的。

在一些实施方式中，所述基底纤维可以是金属纤维，比如铝，锌，金，银，铂，钛，镍钛合金，铜和不锈钢纤维；

在一些实施方式中，所述基底纤维为直径0.15～0.30mm的钛丝。

在一些实施方式中，所述COF材料可以是1)席夫碱系列(通过醛基和氨基的脱水缩合反应合成)；2)聚酰亚胺系列；3)三嗪系列。

在一些实施方式中，所述COF材料可以是为以亚胺键、嗪键、吩嗪键、β-酮胺或酮-烯醇键连接合成的，具有高结晶度，离域体系，热稳定性、化学稳定性好的COF材料。

在一些实施方式中，所述COF材料可以是COF-TpBD或者COF-TpPa-1。

在一些实施方式中，所述氨基改性可以通过使用具有氨基官能团的硅烷偶联剂进行改性，如：γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550/A-1100/A-171)、γ-氨丙基三甲氧基硅烷(A-1110)、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(A-1120/KBM-603)、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(KBM-602)、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、苯氨基甲基三乙氧基硅烷(南大-42)、苯氨基甲基三甲氧基硅烷(南大-73)、氨乙基氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷(A-1130)、多氨基烷基三烷氧基硅烷(Y-5691)、γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷(KH-520/KBM-902)、3-苯氨基丙基三甲氧基硅烷(UP-908)、N,N-二甲基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷(KH-556)、3-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-540)、二(二甲氧基)甲基乙烯基硅烷改性等方法实现。

在一些实施方式中，所述使COF材料在改性基底纤维上生长，可以通过溶剂热法原位生长法、离子热法、微波辅助溶剂热法、加热回流法、室温溶液法等方法实现。

在一些实施方式中，所述COF材料涂层的生长厚度约为30～40μm。

在一些实施方式中，所述固相微萃取纤维的制备包括：(1)首先对基底纤维进行氧化处理，使表面带有一定的氧化基团；或酸碱处理，使表面带有一定的活性基团；(2)对处理后的金属纤维进行改性，使其带上氨基基团；(3)使用溶剂热原位生长法使COF材料生长在改性的基底纤维上。

在一些实施方式中，所述固相微萃取纤维的制备，具体包括：

(1)金属纤维基底的预处理；以直径0.15～0.30mm的钛丝作为固相微萃取纤维的基底，使用水和乙醇分别超声处理5～15min，干燥备用；

(2)使用直流稳压电源对钛丝进行电化学阳极氧化，使钛丝上形成二氧化钛纳米管阵列；

(3)电化学阳极氧化后的钛丝使用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)改性；

(4)使用溶剂热原位生长法使COF材料生长在改性的钛丝上；选用的COF材料为COF-TpBD或者COF-TpPa-1。

在一些实施方式中，所述固相微萃取纤维头的制备还包括将原位生长COF后的纤维使用以下溶剂浸泡洗涤：丙酮、四氢呋喃、乙醇。

本发明的第二个目的是提供一种固相微萃取装置，是将本发明的固相微萃取纤维装入微量进样针改装而成的。

在一些实施方式中，所述改装具体是：将5μL微量进样针前段针管截掉2～4cm(原7cm)，将本发明的固相微萃取纤维(代替原进样针针芯)装入并且固定尾端，使纤维在完全推出时裸露长度为2～4cm。

本发明的第三个目的是提供一种萃取或者分离或者纯化或者检测方法，所述方法包括利用本发明的固相微萃取纤维头或者固相微萃取装置。

在一些实施方式中，所述方法还包括与气相色谱，或者气相色谱-质谱装置联用装置。

在一些实施方式中，所述方法包括：(1)将装有待测物的样品瓶置于水浴锅中保持一定温度，并使用磁转子搅拌；(2)将固相微萃取装置插入样品瓶中并推出纤维头，悬于待测样品之上进行萃取；(3)萃取结束后将纤维头收回进样针中，手动进样。

本发明的第四个目的是提供所述固相微萃取纤维头或者固相微萃取装置在富集或者萃取、分离、纯化或、检测芳香族化合物方面的应用。

在一些实施方式中，所述芳香族化合物，包括具有苯环结构及双键共轭结构的分子量小于1000道尔顿的化合物。

在一些实施方式中，所述芳香族化合物为邻苯二甲酸酯类化合物。

在一些实施方式中，所述萃取邻苯二甲酸酯类化合物的条件为：40℃～80℃下萃取时间20～60min，其中离子强度为0～4g NaCl、pH值5～9。可选地，萃取条件为温度50℃、时间30min、离子强度为2g NaCl、pH 5。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)解决了商品化的纤维易脆断弯折，涂层易溶胀，热或者溶剂稳定性不好，使用寿命短等问题。本发明中使用钛丝基底不易脆断，SPME纤维热稳定性和溶剂稳定性好，且可重复使用上百次，效果没有明显降低。

(2)解决了芳香族化合物传统分离富集方法易造成交叉污染，使用大量有机溶剂的问题。本发明不需使用有机溶剂和大量器皿，充分体现了其环境友好的特征。

(3)本发明使得PAEs检出限大大降低，可实现对PAEs的痕量检测。

附图说明

图1为固相微萃取纤维钛丝基底电化学阳极氧化优化图(扫描电镜图；电化学处理(a)10min，(b)20min，(c)30min，(d)20min)；

图2为固相微萃取纤维COF-TpBD涂层合成条件优化图(X射线衍射图；a为5％6MHAc；b为10％6M HAc；c为15％6M HAc；d为20％6M HAc)；

图3为固相微萃取纤维COF-TpPa-1涂层合成条件优化图(X射线衍射图；a为10％9MHAc；b为10％6M HAc；c为10％3M HAc)；

图4为固相微萃取纤维头COF涂层扫描电镜图；

图5为COF涂层固相微萃取纤维头吸附时间的优化(水样中，(a)COF-TpBD,(b)COF-TpPa-1)；

图6为COF涂层固相微萃取纤维头吸附温度的优化(水样中(a)COF-TpBD,(b)COF-TpPa-1)；

图7为COF涂层固相微萃取纤维头离子强度的优化(水样中(a)COF-TpBD,(b)COF-TpPa-1)；

图8为COF涂层固相微萃取纤维头pH值的优化(水样中(a)COF-TpBD,(b)COF-TpPa-1)；

图9为两种COF(COF-TpBD、COF-TpPa-1)涂层固相微萃取纤维头萃取进样与直接进样法对比效果图；

图10为COF涂层固相微萃取纤维不锈钢丝(SS)基底和钛丝(Ti)基底萃取效果比较图(以PAEs为目标物)；

图11为COF涂层固相微萃取纤维头吸附时间的优化(蔬菜样品中)；

图12为COF涂层固相微萃取纤维头吸附温度的优化(蔬菜样品中)；

图13为COF涂层固相微萃取纤维头离子强度的优化(蔬菜样品中)。

具体实施方案

结合实例对本发明作进一步的描述：

实施例1：制备以钛丝为基底具有COF涂层的固相微萃取纤维及固相微萃取装置

(1)金属纤维基底的预处理

以直径0.25mm，纯度99.7％的钛丝作为固相微萃取纤维的基底，使用纯净水和乙醇分别超声处理10min，干燥备用。

(2)使用电化学工作站对钛丝进行电化学阳极氧化，使钛丝上形成二氧化钛纳米管阵列

配制含有3％水的0.5wt％氟化铵-乙二醇溶液于干净的塑料小烧杯中，将铂电极作为对电极，预处理的钛丝作为工作电极插入溶液中，插入深度3cm，两电极间距3.5cm。选用电流-时间曲线模式，本实验设置了不同氧化时间(10min，20min，30min)，对电化学阳极氧化的条件进行了优化。如图1所示，在电压10V，时间20min时，电化学阳极氧化形成二氧化钛纳米管大小及分布最均匀。因此选择该电压和时间作为最佳条件。电解完毕后使用纯净水冲洗掉残余的电解液。

(3)电化学阳极氧化后的钛丝使用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)改性

配制组成为APTES：水：乙醇＝2:0.8:7.2APTES溶液，放入电化学阳极氧化的钛丝进行孵育。孵育时间8h，孵育温度50℃。改性结束后使用乙醇冲洗。钛丝在阳极氧化过程中形成了TiO₂纳米管阵列，具有大量的孔洞增加了钛丝的比表面积；同时二氧化钛可被APTES修饰，修饰改性后提供供COF材料生长的氨基基团。

(4)使用溶剂热法原位生长法使COF材料生长在改性的钛丝上

选用的COF材料为COF-TpBD和COF-TpPa-1，合成所用原料分别为三醛基间苯三酚(Tp)63mg(0.3mmol)，联苯胺(BD)48mg(0.45mmol)，和三醛基间苯三酚(Tp)63mg(0.3mmol)，对苯二胺(Pa-1)48mg(0.45mmol)。合成所用有机溶液为均三甲苯3mL，1，4-二氧六环3mL，催化剂为3～6M乙酸溶液0.3～1.2mL。本实验对催化剂的浓度和用量进行了优化(浓度3M、6M、9M，用量5％v/v、10％v/v、15％v/v、20％v/v)。如图2所示，使用乙酸含量和浓度为总溶液体积的5％6M乙酸时，COF-TpPa-1的X射线衍射图在3～5之间的主峰最高，杂峰最少，表明晶型最好，因此5％6M乙酸为合成COF-TpPa-1的最佳乙酸使用量；同理如图3所示，10％3M乙酸为合成COF-TpBD的最佳乙酸使用量。

将所有原料在溶剂中充分溶解后，与上述钛丝一起，放入特氟龙高压反应釜合成。合成温度120℃，反应时间72h。COF涂层的生长长度为3～4cm，厚度约为30～40μm。

(5)原位生长COF材料后的纤维使用丙酮浸泡洗涤；釜内剩余材料用丙酮洗涤，真空干燥后做表征使用。如图4所示，固相微萃取纤维表面结合有较为致密的COF材料球形晶体，表明所述方法可以有效地使COF材料连接到纤维基底上。

(6)构建装置

将5μL气相色谱微量进样针针头截至合适长度，比对进样针长度，截取所需纤维。将纤维小心插入针头、针管中，并将尾端固定。

实施例2：使用COF(COF-TpBD、COF-TpPa-1)涂层固相微萃取纤维对水样中15种PAEs的萃取并检测

(1)标准液配制：浓度为1000mg/mL的PAEs-甲醇混合标准溶液，包括邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)、邻苯二甲酸二正丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二(2-甲氧基)乙酯(DMEP)、邻苯二甲酸二(4-甲基-2-戊基)酯(BMPP)、邻苯二甲酸二(2-乙氧基)乙酯(DEEP)、邻苯二甲酸二戊酯(DPP)、邻苯二甲酸二己酯(DHXP)、邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)、邻苯二甲酸二(2-丁氧基)乙酯(DBEP)、邻苯二甲酸二环己酯(DCHP)、邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、邻苯二甲酸二苯酯(DphP)、邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)，梯度稀释至100mg/mL、10mg/mL，分别作为贮存液和中间液。标准曲线工作液浓度为5μg/mL、10μg/mL、20μg/mL、50μg/mL、100μg/mL、200μg/mL、500μg/mL、1000μg/mL，现用现配。

(2)待测样品的前处理：将10mL水样直接装入SPME装置的样品瓶中。

(3)顶空萃取具体步骤为：

1)装有待测样品的样品瓶置于水浴锅中保持一定温度，并使用磁转子搅拌；

2)将所述装置插入瓶中并推出纤维，插入样品溶液之中进行萃取；

3)萃取结束后将纤维收回进样针中，并手动进样。

(4)本实验对萃取条件进行了优化。设置不同萃取温度(30℃、40℃、45℃、50℃、60℃)，萃取时间(15、20、30、40、45、50min)，离子强度(0g、0.2g、0.5g、1g、2gNaCl)，pH值(pH＝6.0、6.5、7.5、8)，如图5、6、7、8所示，(a)为COF-TpBD的优化情况，(b)为COF-TpPa-1的优化 情况。最终选择了萃取效果较好的萃取条件：萃取温度45℃，萃取时间40min，萃取时加入 0.2g NaCl，并将pH值调至7。

(5)本实验使用气相色谱-质谱联用进行检测。检测模式为SIM模式。记录色谱图，经色谱仪自带软件积分得到峰面积，绘制15种邻苯二甲酸酯标准曲线，并计算得到待测样品中的各邻苯二甲酸酯的含量。

表1实施例1的COF-TpBD涂层固相微萃取纤维检测水样中邻苯二甲酸酯

表2实施例1的COF-TpPa-1涂层固相微萃取纤维检测水样中邻苯二甲酸酯

如图9所示，同等PAEs浓度(15ng/L)时，经两种COF直接进样两种COF(COF-TpBD、COF-TpPa-1)涂层固相微萃取纤维萃取后进样效果远远优于直接进样。

(6)本实验与不锈钢丝(SS基底的)COF(COF-TpBD)材料涂层固相微萃取纤维的萃取效果做对比。不锈钢丝(SS基底的)COF(COF-TpBD)材料涂层纤维的制备：使用一定量氢氟酸腐蚀纤维，并使用实施例1中原位生长法结合COF材料。两种纤维(SS-TpBD、Ti-TpBD)对比结果如图10所示，可以看出，氧化钛丝结合COF材料的萃取效果明显优于不锈钢丝。

实施例3：使用COF(COF-TpBD)涂层固相微萃取纤维对蔬菜中11种PAEs的萃取并检测(1)标准液配制：浓度为1000mg/mL的PAEs-甲醇标准溶液，包括DMP/DEP/DIBP/DBP/DMEP/BMPP/DEEP/DPP/DHXP/BBP/DBEP/DCHP/DEHP/DphP/DNOP梯度稀释至100mg/mL、10mg/mL，分别作为贮存液和中间液。标准曲线工作液浓度为5μg/mL、10μg/mL、20μg/mL、50μg/mL、100μg/mL、200μg/mL、500μg/mL、1000μg/mL，现用现配。

(2)待测样品的前处理

3g蔬菜经充分打碎，加入20μL 5ppm的标准工作液液混匀，加入一定比例水经充分超声，振荡，直接放入实施例1制备的SPME装置的样品瓶中。

(3)顶空萃取具体步骤为：

1)装有待测样品的样品瓶置于水浴锅中保持一定温度，并使用磁转子搅拌；

2)将所述装置插入瓶中并推出纤维，悬于样品溶液之上进行萃取；

3)萃取结束后将纤维收回进样针中，并手动进样。

(4)本实验对萃取条件进行了优化。设置不同萃取温度(40℃、50℃、60℃、70℃、80℃)，萃取时间(20、30、40、50、60min)，离子强度(0g、1g、2g、3g、4g NaCl)，如图11、图12、图13所示，最终选择了萃取效果较好的萃取条件：萃取温度50℃，萃取时间30min，萃取时加入2g NaCl。

(5)本实验使用气相色谱-质谱联用进行检测。检测模式为SIM模式。记录色谱图，经色谱仪自带软件积分得到峰面积，绘制15种邻苯二甲酸酯标准曲线，并计算得到待测样品中的各邻苯二甲酸酯的含量。

表3 COF-TpBD涂层固相微萃取纤维检测蔬菜样品中邻苯二甲酸酯

Claims (11)

1.一种固相微萃取纤维头，其特征在于，所述固相微萃取纤维头的制备包括：（1）首先对基底纤维钛丝进行氧化处理，使表面带有一定的氧化基团；（2）对处理后的金属纤维进行改性，使其带上氨基基团；（3）使用溶剂热原位生长法使COF材料生长在改性的基底纤维上。

2.根据权利要求1所述的固相微萃取纤维头，其特征在于，所述COF材料是席夫碱系列、聚酰亚胺系列或者三嗪系列中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的固相微萃取纤维头，其特征在于，所述氨基改性是通过使用氨基官能团硅烷偶联剂进行改性来实现。

4.根据权利要求1所述的固相微萃取纤维头，其特征在于，所述COF材料涂层的生长厚度为30~40 μm。

5.一种固相微萃取装置，其特征在于，含有权利要求1所述的固相微萃取纤维头。

6.一种萃取或者分离或者纯化或者检测方法，其特征在于，所述方法包括利用权利要求1-4任一所述的固相微萃取纤维头。

7.一种萃取或者分离或者纯化或者检测方法，其特征在于，所述方法包括利用权利要求5所述的固相微萃取装置。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括利用气相色谱，或者气相色谱-质谱联用装置。

9.权利要求1-4任一所述的固相微萃取纤维头在富集、萃取、分离、纯化或检测芳香族化合物方面的应用。

10.权利要求5所述的固相微萃取装置在富集、萃取、分离、纯化或检测芳香族化合物方面的应用。

11.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述芳香族化合物，包括具有苯环结构及双键共轭结构的分子量小于1000道尔顿的化合物。

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