CN109331798A - 一种固相微萃取材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固相微萃取材料的制备方法，以天然短纤维桑枝为原料，结合离子液体处理、酶部分处理的组合处理工艺制备。主要制备步骤包括桑皮预处理‑桑皮纤维溶液的制备‑纤维素衍生物的制备‑涂层溶液的制备‑材料的制备。利用本发明公开的方法制备的固相微萃取材料具有机械强度高、萃取涂层稳定、富集能力强、寿命长等特点，可用于食品、环境、药物及生化等样品中痕量组分的富集分析，具有较好的应用潜力。

Description

一种固相微萃取材料的制备方法

技术领域

本发明属于生物材料领域，具体涉及一种固相微萃取材料的制备方法。

背景技术

固相微萃取( Solid Phase Microextraction，SPME) 是在固相萃取技术上发展起来的一种微萃取分离技术，是一种集采样，萃取，浓缩和进样于一体的无溶剂样品微萃取新技术，固相微萃取的发展就是为了适应实验室和现场对样品进行快速处理的需求，其操作过程通常是将少量具有吸附功能的涂层材料固定于基质表面，直接或间接接触样品，然后进行脱附、分析。与固相萃取技术相比，固相微萃取操作更简单，携带更方便，操作费用也更加低廉；另外克服了固相萃取回收率低、吸附剂孔道易堵塞的缺点。因此，固相微萃取技术已成为目前所采用的样品前处理技术中应用最为广泛的方法之一，SPME技术被广泛应用于空气、水、土壤和沉积物样品中污染物的检测。

SPME技术包括基于吸附机理的萃取和基于吸收机理的萃取两大类，从微观的角度看，这两类的SPME涂层有明显的区别。吸附是分析物分子直接键合到涂层表面，吸收则是分子溶进了涂层的主体内。基于吸附机理的萃取因其可进行吸附的表面位置有限，所以吸附是竞争过程；而基于吸收机理的萃取，由于两种性质相似的液体可以以任何比例互溶，因此吸收是非竞争过程。分析物在样品中的浓度与基于吸附机理的涂层所萃取的量之间的关系在较小的范围内呈线性；而基于吸收机理的涂层，其线性范围则较广。相对于吸收过程来说，吸附的作用机理更为多样，分析物分子可以通过范德华力、偶极-偶极、静电作用或其他一些弱的分子间作用力与涂层表面相结合。

为保证固相萃取研究过程的有效性，选择合适的吸附剂是关键。如何选择合适的固相萃取吸附剂主要需要考虑以下几点因素：首先是吸附剂的吸附容量，在实验条件最优化的情况下，目标分析物的吸附量越大且吸附剂的用量越少，说明吸附剂吸附容量也就越大；其次是吸附剂的选择性，吸附剂必须对流动相中的目标物和其它杂质的吸附能力有着明显区别，这样才能很好的完成吸附，需要的目标物才能从流动相中分离出来；另外，吸附剂还应该具有较大的比表面积、很高的纯度、较高的化学稳定性、较强的抗酸碱能力、较强的抵抗溶剂腐蚀性的能力、较小的亲水能力等特点。目前常用的固相萃取吸附剂有活性炭吸附剂、键合硅胶吸附剂、纳米材料吸附剂及分子印迹吸附剂等等。

但是，传统固相吸附剂存在着很多像重复使用率低、吸附容量低、选择性较差这样的缺点，因此，众多的研究人员开始将目光投注在新型固相萃取吸附剂的开发上。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的不足，采用纤维素和桑枝生物质废弃物为原料，建立离子液体处理、修饰的方法，制备出优良的生物质来源的固相微萃取材料。

本发明的具体技术方案如下所述：

一种固相微萃取材料的制备方法，主要包含以下步骤：

1. 桑皮预处理：取桑枝剥皮，切段，干燥粉碎后过100目筛子，桑枝皮粉备用；

2. 桑皮纤维溶液的制备：取桑枝皮粉，加入缓冲溶剂后调节溶液的pH值为5～6，加入生物酶处理，过滤洗涤，干燥粉碎，加入离子液体溶液并加入添加剂进行热处理，冷却，获得桑皮纤维溶液备用；

3. 纤维素衍生物的制备：在离子液体溶液中加入微晶纤维素，搅拌后加入发烟硫酸（浓度范围0.1-1%，w%），加热搅拌，之后向体系中缓慢加入硝酸钠（浓度范围0.1-0.3%，w%）和高锰酸钾（浓度范围0.1-0.5%，w%），完全溶解后室温下进行搅拌，水洗涤并反复抽滤清洗，干燥，继而对其进行接枝获得弱酸性纤维素衍生物；

4. 涂层溶液的制备：取弱酸性纤维素衍生物的离子液体混合溶液与桑皮纤维素溶液混合，加热搅拌均匀，冷却备用；

5. 材料的制备：取萃取纤维，浸渍在涂层溶液中，待形成凝胶涂层后用无水乙醇洗涤，加热固化；

进一步地，所述步骤2)中加入生物酶处理的反应温度为37℃～50℃；混合溶液热处理时的温度范围是60℃～160℃，加热时间为0.1～10 h。

进一步地，所述步骤2)中的生物酶为果胶酶和/或纤维素酶。

进一步地，所述步骤2)中的离子液体溶液为1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-酰胺基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-酰胺基-3-甲基咪唑氯盐、1-甲基-3-甲基咪唑磷酸二甲酯盐、1-甲基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐、1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二甲酯盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐或1-丁基-3-甲基吡啶氯盐的中任意一种或几种的组合。

进一步地，所述步骤2)中添加剂为DMSO、二甲基甲酰胺或乙酸异丙酯。

进一步地，所述步骤3)中加入的接枝物质为1-甲基咪唑、1-乙基咪唑、N-甲基吡咯烷酮或N-甲基吗啉。

进一步地，所述步骤5)中萃取纤维指的是石英管、石英纤维、钢丝或钛丝。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1. 本发明采用刚性好的天然短纤维桑枝为原料，结合离子液体处理、酶部分处理的组合处理工艺，制备出性能优良的生物质来源的固相微萃取材料；

2. 本发明中所用到的处理剂可以回收重复利用，减少了溶剂废液造成的环境污染；

3. 本发明制备的固相微萃取纤维具有机械强度高、萃取涂层稳定、富集能力强、寿命长等特点，可用于食品、环境、药物及生化等样品中痕量组分的富集分析，具有很好的应用潜力。

附图说明

图1为本发明一种固相微萃取材料的制备工艺路线图；

图2为生物酶处理后的桑皮纤维图；

图3a为微晶纤维素的扫描电镜图；

图3b为磺化纤维素的扫描电镜图；

图4为纤维素及其衍生物的红外谱图，其中a为纤维素料的红外图谱，b为磺化纤维素衍生物的红外图谱，c为实施例一制备的磺化纤维素衍生物的红外图谱；

图5为微晶纤维素与本发明制备的磺化纤维素的XRD图谱，其中a为微晶纤维素料的XRD图谱，b为磺化纤维素的XRD图谱；

图6为实施例二中本发明制备的固相微萃取材料的检测线性范围、检测重现性和检出限的统计表；

图7为实施例二中加标回收率的结果统计表。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

实施例一、固相微萃取材料的制备

1. 桑皮纤维的制备：

取桑枝剥皮，切段，干燥粉碎、过100目筛子。

2.桑皮纤维溶液的制备：

取桑枝皮粉1 g，加入缓冲溶剂后调节溶液的pH值为5～6，加入果胶酶0.01 g，50℃搅拌60 min，过滤洗涤、干燥，加入80%（w%）离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯和20%（w%）DMSO的混合溶液100 g，160℃加热30 min，冷却备用，获得桑皮纤维溶液。

3.纤维素衍生物的制备：

称取100 g纤维素处理功能离子液体加入到500 mL的三口烧瓶中，称取1.0 g微晶纤维素加入烧瓶，搅拌均匀后加入1 g发烟硫酸进行磺化和表面碳化，磺化后的物质发生衍生化使其具备了接枝能力，加上冷凝回流装置和废气回收装置，在80℃下搅拌20 min，称取0.2g硝酸钠和0.4 g高锰酸钾缓慢加入至三口烧瓶中，加的过程中避免过度放热，完全溶解后室温搅拌1 h，获得强酸性纤维素衍生物，同时使颗粒更加细小，增大反应面积，缓慢加入100 mL去离子水，水洗涤并且反复抽滤清洗，直至滤出液中无硫酸根离子（饱和的氯化钡溶液滴定无沉淀），最后将产物放入真空干燥箱中60℃干燥过夜。取0.2 g氧化石墨烯加入到30 g酸性离子液体1-甲基-3-甲基咪唑磷酸二甲基盐中，在石墨烯存在的情况下加入0.1mol的1-甲基咪唑与强酸性纤维素衍生物于100℃加热处理15 min，获得弱酸性纤维素衍生物混合液，

4. 涂层溶液的制备：

取0.2 g弱酸性纤维素衍生物的离子液体混合液与1 g桑皮纤维素溶液混合，150℃加热超声波搅拌处理10 min，冷却，50℃保温备用。

5.涂层的制备

室温下，将石英管一端（2.0 cm）浸渍在涂层溶液中10 s，使涂层溶液在表面上自动形成凝胶涂层，在无水乙醇中浸渍洗涤1 min，洗涤3次，取出后在管式炉中200℃、氮气保护固化处理10 min，再次将石英管重新浸入涂层溶液中，之后干燥。此涂覆过程大约重复3次，涂层纤维用于萃取之前须在空气中干燥12 h，之后组装于微量注射器中。

实施例二、固相微萃取材料的相关性能测试

取一段6 cm 长的钛金属丝，10 mL丙酮洗涤、10 mL去离子水中超声处理5min 去除表面污物，放入120℃烘箱中干燥30 min。将其一端（2.0 cm）浸渍在涂层溶液中10s，处理过的纤维浸入到溶胶溶液中静置1 min，随后缓慢移出。在60℃的烘箱中干燥约2 min后，轻轻地反复旋进或旋出注射器针头套管（o.d.350 μm），去除表面多余的涂层材料。再次于60℃的烘箱中干燥2 min，使得材料完全聚合于纤维表面。该涂层操作重复三次，得到所需的涂层厚度约70 μm。最后，涂层纤维组装于5 μL的微量注射器中，依次在100℃下活化1 h和260℃下的活化1 h。

线性范围、重现性和检出限

对一系列不同浓度的样品，即2.5、10.0、50.0、100.0、250.0和500.0 μg/L，进行萃取、测定以绘制工作曲线，每一浓度平行测定5次，结果见图6；4种HAHs线性范围分别为：氯苯、溴苯、1,3-二氯苯和1,2-二氯苯为2.5~500.0 μg/L；线性相关系数（r）在0.9972-0.9978；方法的检出限为0.5~1.0 μg/L；采用单根纤维进行平行实验5次，测定的相对标准偏差（RSD）为2.3-7.1％，说明稳定性比较好。

江水与湖水中4种PAHs （多环芳烃）进行了分析测定。在江水和湖水中没有检测到PAHs残留。为了确定方法的回收率，对实际水样采用标准加入法（0.05 g/L 和0.2 g/L）进行了回收率实验，每个加标浓度平行测定5次，结果见图7；4种PAHs的平均加标回收率在82%~110.3%之间，满足常规分析的要求。

图2为生物酶处理后的桑皮纤维，由图可见桑皮纤维中果胶等杂质成分已经被去除。

图3为纤维素和磺化纤维素的SEM图，由图可见经过离子液体中磺化处理，纤维中的无定形区已经消失，纤维已经形成了比较均一的材料。

图4为纤维素及其衍生物的红外图谱，由图可知，曲线3300 cm^-1处的宽峰为材料上结合水的O-H官能团的伸缩振动峰。在2900 cm^-1和1373 cm^-1左右的吸收峰分别是C-H官能团的伸缩振动峰和摇摆振动峰。红外谱图中1164- 1031 cm^-1范围内的吸收峰均为纤维素的β-糖苷键的C-O-C、C-H、O-H 和 C-O官能团的振动峰，这些均为纤维素的特征峰。但是，这些峰在磺化的纤维素的红外谱图中均消失了，在1174 cm^-1 和1030 cm^-1的位置上出现了S-O官能团的不对称和对称伸缩振动峰。这些现象表明，纤维素在磺化反应后，表面上的官能团已经被完全破坏，新的官能团磺酸基已经被成功接入，衍生化成功，有利于后续接枝。

图5为纤维素与磺化纤维素的XRD图谱，从图中可以看出纤维已经形成了比较均一的材料。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (8)

1.一种固相微萃取材料的制备方法，其特征在于，主要包含以下步骤：

桑皮预处理：取桑枝剥皮，切段，干燥粉碎后过100目筛子，桑枝皮粉备用；

桑皮纤维溶液的制备：取桑枝皮粉，加入缓冲溶剂后调节溶液的pH值为5～6，加入生物酶处理，过滤洗涤，干燥粉碎，加入离子液体溶液并加入添加剂进行热处理，冷却，获得桑皮纤维溶液备用；

纤维素衍生物的制备：在离子液体溶液中加入微晶纤维素，搅拌后加入0.1-1%（w%）的发烟硫酸，加热搅拌，之后向体系中缓慢加入0.1-0.3%（w%）的硝酸钠和0.1-0.5%（w%）的高锰酸钾，完全溶解后于室温下进行搅拌，水洗涤并反复抽滤清洗，干燥，继而对其进行接枝获得弱酸性纤维素衍生物；；

涂层溶液的制备：取弱酸性纤维素衍生物的离子液体混合溶液与桑皮纤维素溶液混合，加热搅拌均匀，冷却备用；

材料的制备：取萃取纤维，浸渍在涂层溶液中，待形成凝胶涂层后用无水乙醇洗涤，加热固化。

2. 如权利要求1所述的一种固相微萃取材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中加入生物酶处理的反应温度为37℃～50℃；混合溶液热处理时的温度范围是60℃～160℃，加热时间为0.1～10 h。

3.如权利要求1所述的一种固相微萃取材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的生物酶为果胶酶和/或纤维素酶。

4.如权利要求1所述的一种固相微萃取材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的离子液体溶液为1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-酰胺基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-酰胺基-3-甲基咪唑氯盐、1-甲基-3-甲基咪唑磷酸二甲酯盐、1-甲基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐、1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二甲酯盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐或1-丁基-3-甲基吡啶氯盐的中任意一种或几种的组合。

5.如权利要求1所述的一种固相微萃取材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中添加剂为DMSO、二甲基甲酰胺或乙酸异丙酯。

6.根据权利要求1所述的一种固相微萃取材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中加入的接枝物质为1-甲基咪唑、1-乙基咪唑、N-甲基吡咯烷酮或N-甲基吗啉。

7.根据权利要求1所述的一种固相微萃取材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中萃取纤维指的是石英管、石英纤维、钢丝或钛丝。

8.根据权利要求1所述的一种固相微萃取材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中发烟硫酸的浓度范围为0.1-1%；硝酸钠的浓度范围为0.1-0.3%；高锰酸钾的浓度范围为0.1-0.5%。