CN108579708A - 一种多环芳烃富集检测用固相微萃取纤维及制作方法 - Google Patents

一种多环芳烃富集检测用固相微萃取纤维及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多环芳烃富集检测用固相微萃取纤维及制作方法，属于污染物检测技术领域。本发明提供了一种可在不同纤维基质上制作固相微萃取涂层并与气相色谱或气相色谱‑质谱联用的方法，并将其用于多环芳烃类污染物的检测。本发明采用金属纤维为基质，通过多巴胺在基质表面聚合为聚多巴胺提供功能化基团，并使之先与COF材料单一配体相结合以提供锚点，最终合成PDA‑COF复合层用于固相微萃取。本发明的固相微萃取纤维因与多环芳烃之间大的π键作用，可增强对多环芳烃的吸附作用，在富集同时发挥一定的分离作用，可有效简化样品基质前处理步骤；同时可大大提高多环芳烃类污染物的富集能力，降低多环芳烃类污染物的检测限。

Description

一种多环芳烃富集检测用固相微萃取纤维及制作方法
技术领域
本发明涉及一种多环芳烃富集检测用固相微萃取纤维及制作方法，属于污染物检测技术领域。
背景技术
多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon,PAHs)是分子中含有两个以上共轭苯环的碳氢化合物，是最早发现且数量最多的致癌物，干扰基因表达，进而诱发癌症、畸形或其它疾病。PAHs广泛分布于环境和食品等介质中，尤其是熏制、烤制、煎炸等食品。多个国家对多环芳烃有着明确的限定标准，如：欧盟规定烤肉中4种多环芳烃(苯并(a)芘，苯并(a)蒽，苯并(b)荧蒽和))的最高限量为12μg/kg；德国脂肪科学学会建议，总PAHs的最大残留限量为25ppb，含5个或更多芳香环的重PAHs的最大残留限量为5ppb；我国国标GB2716-2005规定食用植物油中苯并芘含量低于10μg/kg等，因此，检测多环芳烃有着重要的意义。
当前国际上主要的PAHs分析方法为基于色谱法的“三步走”策略：1)前处理：采用索氏提取(Soxhlet extractor)，加速溶剂提取(ASE)，液液萃取(LLE)、固相萃取(SPE)、固相微萃取(SPME)等前处理方法；2)分离：采用气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)或者毛细管电泳(CE)等技术分离；3)检测：采用荧光检测器(FLD)、火焰离子化检测器(FID)或质谱(MS)等检测。其中，合适的前处理方法，减少目标物损失，对目标物进行富集可在现有的分离检测条件下降低检测限；而在现用的前处理方法中，索氏提取方法的提取效率高，但溶剂用量较大，时间较长；加速溶剂法溶剂消耗量少，时间较短，但需要相应的设施，相对费用较高；现用于富集多环芳烃的商品化固相微萃取纤维涂层为PDMS涂层，为均相聚合物涂层，往往只能通过增加其涂层厚度来增加它的萃取总容量，但厚涂层会造成吸附平衡时间较长，且PDMS固相微萃取纤维使用寿命较短，价格昂贵。因此，研究可重复使用，减少前处理步骤且能对多环芳烃类物质选择性富集以达到对痕量浓度更精确的检测的前处理方法是需要的。
固相微萃取(solid-phase microextraction,SPME)作为前处理方法中的一种，因其无溶剂，且集分离、富集于一体的优异特点而被广泛应用，如：马春华等采用100μm PDMS涂层固相微萃取针与气相色谱-质谱联用对茶叶中4种多环芳烃进行富集与检测。康迪等使用活性炭纤维与气相色谱-质谱联用成功实现对烤肉中16种多环芳烃的富集与检测，检出限可达0.1μg/kg～50μg/kg。但PDMS可耐高温性差，使用寿命较短，对多环芳烃类物质吸附效果较差，炭纤维基质韧性不足，因此需对基质纤维种类进行改善，丰富涂层种类以达到对多环芳烃类物质更好的吸附作用。
发明内容
为改善上述问题，本发明提供一种可在不同纤维基质上制作固相微萃取涂层并与气相色谱或气相色谱-质谱联用的方法，并对多环芳烃类污染物进行富集测定。本发明采用金属纤维，如不锈钢丝为基质，通过多巴胺在基质表面聚合为聚多巴胺(Polydopamine，PDA)提供功能化基团，并使之先与COF材料单一配体相结合以提供锚点，最终在基质上制得PDA-COF复合的固相微萃取纤维，并用于多环芳烃类污染物的富集测定。本发明成功结合了固相微萃取无溶剂，集分离、富集于一体与COF材料比表面积大，吸附能力强的优异特点，且先形成聚多巴胺涂层，为COF材料在基质上形成复合涂层提供共价以及非共价作用力使涂层结合更加均匀、牢固，COF材料优异的热稳定性可有效克服商品化PDMS耐高温性差的缺陷，增加其使用寿命；且共价有机骨架所含有的大的π共轭体系与多环芳烃的苯环结构之间存在π-π作用力，使制得的固相微萃取纤维对多环芳烃吸附作用增强，在富集的同时发挥一定分离作用，可有效简化样品基质前处理步骤；同时可大大提高多环芳烃类污染物的富集能力，降低对多环芳烃类污染物的检测限。
本发明的第一个目的是提供一种固相微萃取针，所述固相微萃取针的微萃取纤维的制备包括：(1)获得表面粗糙的基质纤维；(2)在上一步获得的表面粗糙的基质纤维表面聚合聚多巴胺涂层；(3)在上一步获得的已聚合聚多巴胺涂层的基质纤维上修饰COF涂层，得到复合涂层纤维。
在一种实施方式中，所述固相微萃取针的制备方法还包括：使用本发明的复合涂层纤维置换5μL微量进样器内不锈钢丝制成改装固相微萃取装置。
本发明的第二个目的是提供一种检测多环芳烃类污染物的方法，是利用固相微萃取并与气相色谱或气相色谱-质谱联用的方法进行检测；其中，所述固相微萃取针的微萃取纤维的制备包括：(1)获得表面粗糙的基质纤维；(2)在上一步获得的表面粗糙的基质纤维表面聚合聚多巴胺涂层；(3)在上一步获得的已聚合聚多巴胺涂层的基质纤维上修饰COF涂层，得到复合涂层纤维。
在一种实施方式中，所述固相微萃取针的制备方法还包括使用本发明的复合涂层纤维置换5μL微量进样器内不锈钢丝制成改装固相微萃取针。
在一种实施方式中，所述步骤(1)的基质为不锈钢丝，铁丝，白金丝，铝丝等可被王水腐蚀的金属丝。
在一种实施方式中，所述步骤(1)的获得表面粗糙的基质纤维，会采用王水浸泡金属丝的下端，获得表面粗糙的基质。
在一种实施方式中，所述步骤(1)王水配置为硝酸：盐酸(1:3，v:v)。
在一种实施方式中，所述步骤(2)是将表面粗糙的基质置于Tris-HCL溶解的多巴胺溶液内，水浴加热，搅拌，制得表面为黑色的聚多巴胺涂层。
在一种实施方式中，所述步骤(2)的Tris-HCL为0.01M pH＝8.5。
在一种实施方式中，所述步骤(2)的多巴胺溶液浓度取决于预期获得聚多巴胺涂层厚度而定，一般浓度为1-3mg/mL。。
在一种实施方式中，所述步骤(3)是将已经聚合聚多巴胺涂层的基质置于含单一配体的溶液内一段时间使其获得COF附着的锚点，之后加入COF合成所需的另一配体以及催化剂，用于COF涂层的合成，合成之后将纤维涂层置于丙酮浸泡，洗去未反应配体，在真空干燥箱干燥备用。
在一种实施方式中，所述COF材料为TpBD，TpPa-1，TpPa-2等合成配体中含有醛基的COF。
在一种实施方式中，所述固相微萃取针的制备还包括取已制备好的复合涂层纤维置换5μL微量进样器内不锈钢丝纤维，制备改装的固相微萃取装置。
在一种实施方式中，所述方法还包括：将制备好的固相微萃取针在气相色谱进样口老化，并除去已吸附空气中的污染物，至气相色谱基线平稳；将固相微萃取针用于吸附目标物，之后于气相色谱或气相色谱-质谱联用仪上进行检测。
在一种实施方式中，固相微萃取吸附目标物的方法为浸入萃取或顶空萃取，依据目标物的热稳定性以及挥发性而定。
在一种实施方式中，所述检测多环芳烃类污染物的方法，包括以下步骤：
(1)粗糙基质纤维的制备(以不锈钢丝纤维为例)：配置新鲜王水，取6mL于10mL离心管中，并将不锈钢丝纤维垂直置于王水内，使基质下端3cm浸没，以获得表面粗糙的基质；
(2)Tris-HCL的制备：称取三(羟甲基)氨基甲烷并使用蒸馏水溶解。使用盐酸调节pH＝8.5；
(3)聚多巴胺涂层的合成：取已制备好的具有粗糙表面的基质纤维，置于Tris-HCL溶解的多巴胺溶液内，水浴加热，搅拌，制得表面为黑色的聚多巴胺涂层。
(4)COF-聚多巴胺复合层的制备：将已经聚合聚多巴胺涂层的基质置于含单一配体的溶液内4h使其获得COF附着的锚点，之后加入COF合成所需的另一配体以及催化剂，用于COF涂层的合成，合成之后将复合纤维涂层置于丙酮浸泡，洗去未反应的配体，在真空烘箱干燥后备用。
(5)取已制备好的复合涂层纤维置换5μL微量进样器内不锈钢丝纤维，制备改装的固相微萃取装置。
(6)将制备好的固相微萃取针在气相色谱进样口高温老化，并除去已吸附空气中的污染物，至气相色谱基线平稳。
(7)将固相微萃取针用于吸附目标物，之后于气相色谱或气相色谱-质谱联用仪上进行检测。
在一种实施方式中，所述步骤(6)中的气相色谱进样口老化温度依据所合成COF的热稳定性而定，一般可以为250℃-320℃。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)充分结合COF材料比表面积大，孔隙度可调，热稳定性以及化学稳定性好的特点和固相微萃取无溶剂，且集分离，富集于一体的优异特点。
(2)COF材料本身具有大π体系，对多环芳烃类物质具有明显的富集效果。
(3)涂层基质选用金属丝，相比于石英纤维等基质具有更好的韧性，不易折断。
(4)COF材料优良的热稳定性增加被富集目标物的范围以及气相色谱或气相色谱-质谱联用时解析时条件的选择；优良的化学稳定性使溶解目标物的溶剂有更多的选择性。
(5)对比于直接将COF材料制备于粗糙基质表面，本发明在粗糙金属基质表面先功能化聚多巴胺，因其易与金属物质螯合而牢固地吸附在金属基质上，且功能化聚多巴胺提供的氨基基团为下一步COF材料的合成提供锚点，使COF材料涂层的合成更加牢固，在使用过程中不易脱落，有助于增加所制备固相微萃取针的使用寿命。
(6)对比于COF涂层制备时直接将两种配体加入，本发明采用先加入一种配体与聚多巴胺提供的锚点结合，再加入另一种配体合成COF涂层，使得合成的涂层更加均匀。
附图说明
图1是实施例1的以不锈钢丝为基底制备PDA-TpBD固相微萃取涂层的流程图。
图2是实施例1的固相微萃取针涂层电镜图；
图3是实施例2的固相微萃取乙腈浓度、转速优化；
图4是实施例2的固相微萃取pH、提取时间优化；
图5是实施例2的固相微萃取解析时间优化；
图6是实施例3的合成固相微萃取针用于食品中多环芳烃的检测气相色谱-质谱联用色谱图。其中，1为萘、2为苊烯、3为苊4为芴、5为菲、6为蒽、7为荧蒽、8为芘、9为苯并[a]蒽、10为11为苯并[b]荧蒽、12为苯并[k]荧蒽、13为苯并[a]芘、14为茚并[1,2,3-c,d]芘、15为二苯并[a,h]蒽、16为苯并[g,h,i]苝；
图7是实施例4的固相微萃取富集效果与液体自动进样对比图。
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：基于聚多巴胺-TpBD复合涂层的固相微萃取装置的制作方法
将17cm长的不锈钢丝置于新配置王水中腐蚀约30分钟，腐蚀长度为3cm，之后浸于2mg/mL的pH＝8.5Tris-HCL的多巴胺溶液内，35℃水浴条件下搅拌12小时，之后用蒸馏水冲洗表面，在80℃烘箱干燥12小时。将制作好的聚多巴胺不锈钢丝置于4mL均三甲苯溶解的63mg 1,3,5-三甲基间苯二酚溶液的反应釜中，并于80℃反应4小时，再加入4mL二氧六环溶解的83mg联苯胺的溶液，于120℃反应48小时。取出后纤维在丙酮内浸泡3天，在乙醇内浸泡1天，真空干燥。使用已合成复合层的不锈钢丝纤维代替5μL微量进样器内纤维制作固相微萃取装置。
实施例2：固相微萃取装置用于烤肉中多环芳烃检测的富集条件优化
固相微萃取进行萃取时，萃取温度、有机溶剂比例、萃取时间、溶液pH、转速以及解析时间都对萃取结果存在影响，本实验采用直接(浸入)萃取方式对烤肉中多环芳烃的富集条件进行优化，分别优化有机溶剂比例、转速、溶液pH、萃取时间以及解析时间。采用100ppt多环芳烃混标溶液对富集条件进行优化。有机溶剂采用乙腈，优化范围在0.1％-10％之间，转速300rpm，温度40℃，pH＝6，富集时间30min，解析时间5min；转速优化范围在300-700rpm之间，乙腈含量0.1％，温度40℃，pH＝6，富集时间30min，解析时间5min；溶液pH优化范围4-8，转速600rpm，乙腈含量0.1％，温度40℃，富集时间30min，解析时间5min；富集时间优化范围20-60min，乙腈含量0.1％，温度40℃，pH＝6，解析时间5min，转速600rpm；解析时间优化范围3-7min，乙腈含量0.1％，温度40℃，pH＝6，富集时间50min，转速600rpm。且每个条件重复3次，做误差棒，保证实验数据的准确性。
实施例3：固相微萃取装置用于烤肉中多环芳烃的检测
(1)标准样品的制备：采用乙腈配置多环芳烃标准溶液，梯度稀释至100ppb待用。16种多环芳烃分别为萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并[a]蒽、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-c,d]芘、二苯并[a,h]蒽和苯并[g,h,i]苝。
(2)富集溶液的配置：采用蒸馏水配置富集溶液，有机溶剂比例为0.1％，总体积为10mL。
(3)样品的制备：1g烧烤羊肉加入10mL乙腈超声提取20min，10000rpm离心10min，取上清液，残渣再加入10mL乙腈超声提取20min，10000rpm离心10min，合并两次上清液待测
(4)富集方式：直接浸入萃取。
(5)气相色谱-质谱联用检测
气相色谱条件：
色谱柱：HP-5(Agilent)；
进样口温度：300℃；
程序升温：80℃初温，以25℃/min升温至180℃，以10℃/min升温至220℃，以5℃/min升温至240℃保持4min，以2℃/min升温至260℃保持2min,以17℃/min升温至310℃保持3min；
质谱条件：
传输线温度：300℃；
离子源温度：320℃；
四级杆温度：150℃；
(6)定量测定
取已制备的多环芳烃标准溶液配置1-1000ppt富集溶液，将实施例1制备的固相微萃取针直接浸入溶液内，水浴40℃，有机溶剂浓度0.1％，转速600rpm，pH＝6，富集50min，解析5min，获得多环芳烃富集后标准曲线，如表1。
表1 固相微萃取富集多环芳烃标准曲线
取烤羊肉所制备的实际样品加入蒸馏水配置富集溶液，将固相微萃取针直接浸入溶液内，水浴40℃，有机溶剂含量0.1％，pH＝6，转速600rpm，富集50min，解析5min，检测实际样品中多环芳烃的含量，如表2.
表2 固相微萃取检测烤肉中多环芳烃
注：bnd未检出
通过上述实验可证明，所制备PDA-COF涂层固相微萃取针对烧烤羊肉中的多环芳烃可进行PPT级别检测，且在加标量为0.1mg/kg时，回收率均在80-110％之间，证明所合成复合材料在食物中多环芳烃类物质富集方面的潜力。
实施例4：固相微萃取装置用于烤肉中多环芳烃的富集与同浓度标准品自动进样效果比较
(1)采用经过的优化的固相微萃取富集条件(乙腈含量0.1％，温度40℃，pH＝6，富集时间50min，转速600rmp，解析时间5min)，对10ppb多环芳烃混标进行富集。
(2)采用10ppb浓度多环芳烃标准品自动进样方式进行检测，乙腈配置标准品。
(3)两组实验采用相同的气相色谱-质谱条件：
气相色谱条件：
色谱柱：HP-5(Agilent)；
进样口温度：300℃；
程序升温：80℃初温，以25℃/min升温至180℃，以10℃/min升温至220℃，以5℃/min升温至240℃保持4min，以2℃/min升温至260℃保持2min,以17℃/min升温至310℃保持3min；
质谱条件：
传输线温度：300℃；
离子源温度：320℃；
四级杆温度：150℃；
模式：MRM；
所得结果证明同一浓度溶液，经自制固相微萃取针富集之后所得气相色谱-质谱峰面积与标准品液体直接进样相比，色谱峰峰面积(响应)可提升2-3个数量级。

Claims (10)

1.一种检测多环芳烃的方法，其特征在于，所述方法是利用固相微萃取进行检测；其中，所述固相微萃取针的微萃取纤维的制备包括：(1)获得表面粗糙的基质纤维；(2)在上一步获得的表面粗糙的基质纤维表面聚合聚多巴胺涂层；(3)在上一步获得的已聚合聚多巴胺涂层的基质纤维上修饰COF涂层，得到复合涂层纤维。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)的基质为不锈钢丝，铁丝，白金丝，铝丝等可被王水腐蚀的金属丝。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)要获得表面粗糙的基质纤维，会采用王水浸泡金属丝的下端，得到表面粗糙的基质。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)是将表面粗糙的基质置于Tris-HCL溶解的多巴胺溶液内，水浴加热，搅拌，获得表面为黑色的聚多巴胺涂层。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)的多巴胺溶液浓度取决于预期获得聚多巴胺涂层厚度而定，一般浓度为1-3mg/mL。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)是将已经表面聚合聚多巴胺涂层的基质置于含单一配体的溶液内一段时间使其获得COF附着的锚点，之后加入COF合成所需的另一配体以及催化剂，用于COF涂层的合成，合成之后将纤维涂层置于丙酮浸泡，洗去未反应的多余配体，在真空烘箱干燥后备用。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述COF材料为TpBD，TpPa-1，TpPa-2等合成配体中含有醛基的COF。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固相微萃取针的制备还包括取已制备好的复合涂层纤维置换5μL微量进样器内的不锈钢丝纤维，制备改装的固相微萃取装置。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将制备好的固相微萃取针在气相色谱进样口老化，并除去已吸附空气中的污染物，至气相色谱基线平稳；将固相微萃取针用于吸附目标物，之后于气相色谱或气相色谱-质谱联用仪上进行检测。
10.一种固相微萃取针，其特征在于，所述固相微萃取针的微萃取纤维的制备包括：(1)获得表面粗糙的基质纤维；(2)在上一步获得的表面粗糙的基质纤维表面聚合聚多巴胺涂层；(3)在上一步获得的已聚合聚多巴胺涂层的基质纤维上修饰COF涂层，得到复合涂层纤维。
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