CN109596398A - 一种固相微萃取涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固相微萃取涂层制备方法，包括如下步骤：向离子液体水溶液中加秸秆和生物酶，反应完成后，加入酸性离子液体和DMSO的混合溶液，加热，得秸秆溶液；向离子液体中加石墨粉，超声波预处理，加入硫酸和高锰酸钾，再次超声波处理，通入氧气，离心，洗涤沉淀后干燥获得氧化石墨烯，将其加到酸性离子液体中，再加入1‑甲基咪唑、N‑甲基吡啶或者吡咯烷酮，加热后获得氧化石墨烯衍生物；将秸秆溶液和氧化石墨烯衍生物混合加热得溶胶溶液；取萃取纤维，使其形成粗糙表面，有机溶剂洗涤，超声、干燥后浸入到溶胶溶液中，再浸入极性溶剂中，干燥。本发明具有生物兼容性好，富集能力强，萃取涂层稳定、寿命长等优势。
Description
技术领域
本发明涉及固相微萃取涂层的制备方法，特别涉及一种固相微萃取涂层制备方法。
背景技术
固相微萃取(Solid Phase Microextraction，SPME)是由加拿大Waterloo大学的Pawliszyn教授的研究小组于1990年首次进行开发研究，属于非溶剂型选择性萃取法。该技术具有操作简便、不需溶剂、萃取速度快、便于实现自动化以及易于与色谱、电泳等高效分离检测手段联用，并适用于气体、液体和固体样品分析的新颖的样品前处理技术等突出的优点。与固相萃取法(SPE)相比，SPME法具有萃取相用量更少、对待测物的选择性更高、溶质更易洗脱等特点，因此在短短的十多年间，SPME法无论在理论还是在实践上均获得了较大的发展。迄今为止，SPME技术已经被广泛应用于分析空气、水、土壤和沉积物样品中污染物的检测，包括有原位采样分析和实验室分析。
SPME的选择性可以从其过程来考虑。第一步是样品从基体中萃取到固定相(涂层)上，其中分析物-固定相和分析物-溶剂的相互作用应适合选择性的要求；第二步是样品从固定相上解吸到仪器中，其中可通过认真选择解吸条件来增加选择性。此时必须考虑到涂层本身的性质(如耐热温度)及涂层与分析物的相互作用。
涂层的选择是主宰萃取选择性和灵敏度的最重要的步骤。与其他的萃取方法一样，SPME同样遵循“相似相溶”这一规则。在它的很多应用中，选择性和萃取性与GC很相似。像GC中的毛细管柱需要不同的类型一样，在SPME应用中，没有一种单一的涂层可以萃取所有的化合物。涂层的性质(如涂层的厚度、极性等，如果使用聚合物颗粒，则应考虑其多孔性)必须与分析物的性质相匹配，极性较强的涂层将萃取极性较强的化合物，而非极性涂层则萃取非极性化合物。选用的固定相涂层首先要对有机分子有较强的萃取富集能力，即要有较大的分配系数；其次还需要有合适的分子结构，保证分析物在其中有较快的扩散速度，能在较短时间内达到分配平衡，并在热解析时能迅速脱离固定相涂层，而不会造成峰的扩宽。同时，由于分析物是在高温下被解吸，因此所选涂层还必须有良好的热稳定性。此外，为了提高涂层的萃取选择性，可以分别对样品或涂层进行衍生化。
现有技术中的涂层如聚二甲基硅氧烷、二乙烯基苯、甲基乙烯基硅氧烷等，以及它们的复合涂层等，存在富集能力弱，制备过程环境污染大，机械强度较低、热稳定性差、成本高，使用寿命短等缺点。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种固相微萃取涂层制备方法，该方法制备的涂层性能好。
技术方案：本发明提供的固相微萃取涂层制备方法，包括如下步骤：
(1)取离子液体水溶液，加入秸秆、生物酶搅拌加热，过滤，将过滤后得到的秸秆干燥，干燥后加入酸性离子液体和DMSO的混合溶液，加热，冷却，制得秸秆溶液；
(2)向酸性离子液体中加入石墨粉，先进行超声波预处理，再加入硫酸和高锰酸钾，所述硫酸占酸性离子液体的1-5‰，V/W，所述高锰酸钾占酸性离子液体的0.1-0.5‰，W/W，再次进行超声波处理，接着通入氧气使离子液体吸收氧气，之后加热，加热后离心获得沉淀，用盐酸洗涤沉淀，洗涤后干燥至恒重获得氧化石墨烯，将氧化石墨烯加入到酸性离子液体中，再加入1-乙基咪唑、1-甲基咪唑、N-甲基吡啶或者吡咯烷酮，加热后获得氧化石墨烯衍生物；
(3)将秸秆溶液和氧化石墨烯衍生物混合加热，获得溶胶溶液；
(4)取萃取纤维，对其进行打磨或者酸处理形成粗糙表面，再用有机溶剂洗涤，超声、干燥处理后浸入到溶胶溶液中静置，使溶胶溶液附着在表面，再浸入极性溶剂中，取出干燥；
(5)过滤回收离子液体溶液，重复利用。
进一步地，所述步骤(1)中的生物酶为纤维素酶和/或果胶酶。
进一步地，所述步骤(1)中的离子液体为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、甲基咪唑硫酸氢盐或1-丁基-3-甲基吡啶氯盐中的一种或几种的组合。
进一步地，所述步骤(4)中萃取纤维是石英管、石英纤维、钢丝或钛丝。
进一步地，所述步骤(4)中极性溶剂为水、甲醇、或乙醇。
进一步地，所述步骤(1)中加入秸秆和生物酶后先在37℃～50℃条件下反应2-12h，然后加热至60℃-160℃反应0.2-12h。
有益效果：本发明生物兼容性好，适用于富集生物来源的物质；使用的离子液体溶液可以回收重复利用，减少环境污染；涂层的机械强度高、萃取涂层稳定、富集能力强、寿命长，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；涂层与基质之间结合牢固，不容易脱落，涂层本身具有抗菌的特性，使用寿命长；秸秆纤维与石墨烯通过离子液体融合在一起，具有良好的耐温性能、耐有机溶剂性能和耐酸碱性能；本发明的萃取性能更好，检测的灵敏度更高；本发明具有良好的重现性和重复性，较实用。
附图说明
图1是工艺流程；
图2是涂层的SEM图；
图3是G-石墨烯，GO-氧化石墨烯的红外光谱。在3456cm-1，1635cm-1，1390cm-1，1226cm-1分别出现O-H，C＝O，C-O，C-OH的特征吸收峰。这些含氧基团的存在说明石墨已经被氧化，且这些极性基团特别是表面羟基的存在，使氧化石墨很容易与水分子形成氢键，进而解释了氧化石墨烯具有良好亲水性的原因。
具体实施方式
实施例1
本实施例的固相微萃取涂层制备方法，包括如下步骤：
(1)秸秆粉末的制备：玉米秸秆剪切成0.5cm左右的小段，烘干、粉碎、过100目筛子；
(2)离子液体水溶液配制：30％(W/V％)离子液体水溶液：取30g离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐，加入100ml去离子水；
(3)制备秸秆溶液：取30％离子液体水溶液100g，加入秸秆1g，加入纤维素酶和果胶酶各0.01g，50℃搅拌30min，过滤获得秸秆，干燥，加入80％1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐和20％DMSO的混合溶液100g，150℃加热1h，冷却备用，获得秸秆溶液；
(4)制备氧化石墨烯衍生物：在100g酸性离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐中加入1g石墨粉，加入到500ml三口烧瓶，并用超声波预处理1min，再加入0.2ml硫酸和0.02g高锰酸钾，50℃加热，用超声波震荡处理30min，通入纯氧使离子液体吸收氧气，加热搅拌后12000r/min离心3min获得沉淀，并对沉淀进行用0.5mol/L的盐酸洗涤60℃真空干燥至恒重获得氧化石墨烯，取0.5g氧化石墨烯加入到50g酸性离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐中，再加入0.1mol的1-甲基咪唑100℃加热处理20min，获得氧化石墨烯衍生物；
(5)涂层溶液的制备：取0.5g秸秆溶液和0.5g氧化石墨烯衍生物，加入到酸性离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐中、混合120℃加热超声波搅拌处理10min，冷却，50℃保温备用。
(6)涂层的制备：
取10cm的不锈钢丝，打磨形成粗糙表面，用10mL丙酮洗涤、10mL去离子水中超声处理5min，放入100℃烘箱中干燥30min，将不锈钢丝一端(2.0cm)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1min，缓慢移出，在甲醇中浸渍1min，在60℃的烘箱中干燥2min后，反复旋进或旋出注射器针头套管(o.d.350μm)，去除表面多余的涂层材料，110℃的烘箱中干燥20min，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为70μm。最后，涂层纤维组装于5μL的微量注射器中，依次在100℃下活化1h、160℃下的活化1h。
实施例2
本实施例的固相微萃取涂层制备方法，包括如下步骤：
(1)秸秆粉末的制备：桑枝秸秆剪切成0.5cm左右的小段，烘干、粉碎、过100目筛子；
(2)离子液体水溶液配制：30％(W/V％)离子液体水溶液：取30g离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，加入100ml去离子水；
(3)制备秸秆溶液：取30％离子液体水溶液100g，加入秸秆1g，加入纤维素酶0.01g，50℃搅拌30min，过滤获得秸秆，干燥，加入90％1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐和10％DMSO的混合溶液100g，160℃加热30min，冷却备用，获得秸秆溶液；
(4)制备氧化石墨烯衍生物：在100g酸性离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐中加入1g石墨粉，加入到500ml三口烧瓶，并用超声波预处理1min，再加入0.2ml硫酸和0.02g高锰酸钾，60℃加热，用超声波震荡处理30min，通入纯氧使离子液体吸收氧气，加热搅拌后12000r/min离心3min获得沉淀，并对沉淀进行用0.5mol/L的盐酸洗涤60℃真空干燥至恒重获得氧化石墨烯，取0.5g氧化石墨烯加入到50g酸性离子液体1-酰胺基-3-甲基咪唑乙酸盐中，再加入0.1mol的1-乙基咪唑100℃加热处理20min，获得氧化石墨烯衍生物；
(5)涂层溶液的制备：取0.5g秸秆溶液和0.5g氧化石墨烯衍生物，加入到酸性离子液体1-酰胺基-3-甲基咪唑乙酸盐中、混合120℃加热超声波搅拌处理10min，冷却，50℃保温备用。
(6)涂层的制备：
取10cm的石英丝，打磨形成粗糙表面，用10mL丙酮洗涤、10mL去离子水中超声处理5min，放入100℃烘箱中干燥30min，将石英丝一端(2.0cm)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1min，缓慢移出，在甲醇中浸渍1min，在60℃的烘箱中干燥2min后，反复旋进或旋出注射器针头套管(o.d.350μm)，去除表面多余的涂层材料，110℃的烘箱中干燥20min，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为70μm。最后，涂层纤维组装于50μL的微量注射器中，依次在100℃下活化1h、160℃下的活化1h。
实施例3
本实施例的固相微萃取涂层制备方法，包括如下步骤：
(1)秸秆粉末的制备：小麦秸秆剪切成0.5cm左右的小段，烘干、粉碎、过100目筛子；
(2)离子液体水溶液配制：30％(W/V％)离子液体水溶液：取30g 1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二甲酯盐和1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐按照1∶1(W/W)混合的离子液体，加入100ml去离子水；
(3)制备秸秆溶液：取30％离子液体水溶液100g，加入秸秆1g，加入果胶酶0.01g，50℃搅拌30min，过滤获得秸秆，干燥，加入85％1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二甲酯盐和15％DMSO的混合溶液100g，160℃加热30min，冷却备用，获得秸秆溶液；
(4)制备氧化石墨烯衍生物：在100g酸性离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二甲酯盐中加入1g石墨粉，加入到500ml三口烧瓶，并用超声波预处理1min，再加入0.2ml硫酸和0.02g高锰酸钾，60℃加热，用超声波震荡处理30min，通入纯氧使离子液体吸收氧气，加热搅拌后12000r/min离心3min获得沉淀，并对沉淀进行用0.5mol/L的盐酸洗涤60℃真空干燥至恒重获得氧化石墨烯，取0.5g氧化石墨烯加入到50g酸性离子液体1-酰胺基-3-甲基咪唑乙酸盐中，再加入0.1mol的1-乙基咪唑100℃加热处理20min，获得氧化石墨烯衍生物；
(5)涂层溶液的制备：取0.5g秸秆溶液和0.5g氧化石墨烯衍生物，加入到酸性离子液体1-酰胺基-3-甲基咪唑乙酸盐中、混合120℃加热超声波搅拌处理10min，冷却，50℃保温备用。
(6)涂层的制备：
取10cm的钛金属丝，打磨形成粗糙表面，用10mL丙酮洗涤、10mL去离子水中超声处理4min，放入100℃烘箱中干燥30min，将钛金属丝一端(2.0cm)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1min，缓慢移出，在甲醇中浸渍1min，在60℃的烘箱中干燥2min后，反复旋进或旋出注射器针头套管(o.d.350μm)，去除表面多余的涂层材料，110℃的烘箱中干燥20min，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为70μm。最后，涂层纤维组装于5μL的微量注射器中，依次在100℃下活化1h、160℃下的活化1h。
实施例4
本实施例的固相微萃取涂层制备方法，包括如下步骤：
(1)秸秆粉末的制备：小麦秸秆剪切成0.5cm左右的小段，烘干、粉碎、过100目筛子；
(2)离子液体水溶液配制：30％(W/V％)离子液体水溶液：取30g 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按照1∶1∶1(W/W)混合的离子液体，加入100ml去离子水；
(3)制备秸秆溶液：取30％离子液体水溶液100g，加入秸秆1g，加入果胶酶0.01g，50℃搅拌30min，过滤获得秸秆，干燥，加入75％1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二甲酯盐和25％DMSO的混合溶液100g，160℃加热30min，冷却备用，获得秸秆溶液；
(4)制备氧化石墨烯衍生物：在100g酸性离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二甲酯盐中加入1g石墨粉，加入到500ml三口烧瓶，并用超声波预处理1min，再加入0.2ml硫酸和0.02g高锰酸钾，60℃加热，用超声波震荡处理30min，通入纯氧使离子液体吸收氧气，加热搅拌后12000r/min离心3min获得沉淀，并对沉淀进行用0.5mol/L的盐酸洗涤60℃真空干燥至恒重获得氧化石墨烯，取0.5g氧化石墨烯加入到50g酸性离子液体1-酰胺基-3-甲基咪唑乙酸盐中，再加入0.1mol的1-乙基咪唑100℃加热处理20min，获得氧化石墨烯衍生物；
(5)涂层溶液的制备：取0.5g秸秆溶液和0.5g氧化石墨烯衍生物，加入到酸性离子液体1-酰胺基-3-甲基咪唑乙酸盐中、混合120℃加热超声波搅拌处理10min，冷却，50℃保温备用。
(6)涂层的制备：
取8cm的石英管，打磨形成粗糙表面，用10mL丙酮洗涤、10mL去离子水中超声处理4min，放入100℃烘箱中干燥30min，将石英管一端(2.0cm)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1min，缓慢移出，在甲醇中浸渍1min，在60℃的烘箱中干燥2min后，反复旋进或旋出注射器针头套管(o.d.350μm)，去除表面多余的涂层材料，110℃的烘箱中干燥20min，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为70μm。最后，涂层纤维组装于50μL的微量注射器中，依次在100℃下活化1h、160℃下的活化1h。
实施例5
本实施例的固相微萃取涂层制备方法，包括如下步骤：
(1)秸秆粉末的制备：甘蔗秸秆，洗涤除去糖分，干燥，剪切成0.5cm左右的小段，烘干、粉碎、过100目筛子；
(2)离子液体水溶液配制：30％(W/V％)离子液体水溶液：取30g 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按照1∶1∶1(W/W)混合的离子液体，加入100ml去离子水；
(3)制备秸秆溶液：取30％离子液体水溶液100g，加入秸秆1g，加入果胶酶0.01g，50℃搅拌30min，过滤获得秸秆，干燥，加入75％1-酰胺基-3-甲基咪唑氯盐和25％DMSO的混合溶液100g，160℃加热30min，冷却备用，获得秸秆溶液；
(4)制备氧化石墨烯衍生物：在100g酸性甲基咪唑硫酸氢盐中加入1g石墨粉，加入到500ml三口烧瓶，并用超声波预处理1min，再加入0.2ml硫酸和0.02g高锰酸钾，60℃加热，用超声波震荡处理30min，通入纯氧使离子液体吸收氧气，加热搅拌后12000r/min离心3min获得沉淀，并对沉淀进行用0.5mol/L的盐酸洗涤60℃真空干燥至恒重获得氧化石墨烯，取0.5g氧化石墨烯加入到50g酸性离子液体1-酰胺基-3-甲基咪唑乙酸盐中，再加入0.1mol的1-乙基咪唑100℃加热处理20min，获得氧化石墨烯衍生物；
(5)涂层溶液的制备：取0.5g秸秆溶液和0.5g氧化石墨烯衍生物，加入到酸性离子液体1-酰胺基-3-甲基咪唑乙酸盐中、混合120℃加热超声波搅拌处理10min，冷却，50℃保温备用。
(6)涂层的制备：
取8cm的不锈钢，打磨形成粗糙表面，用10mL丙酮洗涤、10mL去离子水中超声处理6min，放入100℃烘箱中干燥30min，将不锈钢一端(2.0cm)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1min，缓慢移出，在甲醇中浸渍1min，在60℃的烘箱中干燥2min后，反复旋进或旋出注射器针头套管(o.d.350μm)，去除表面多余的涂层材料，110℃的烘箱中干燥20min，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为70μm。最后，涂层纤维组装于5μL的微量注射器中，依次在100℃下活化1h、160℃下的活化1h。
实施例6
固相微萃取涂层材料的性能测试：
线性范围、重现性和检出限衍生化：取10μL粗提的生物碱1-脱氧野尻霉素(DNJ)样品溶液置2mL离心管中，加10μL硼酸钾缓冲液(pH＝8.5)，再加入5mmol/L的FMOC-Cl的乙腈溶液20μL，混匀，20℃水浴反应20min，再加入0.1mol/L的甘氨酸10μL，混匀，加950μL0.1％(V/V)的醋酸水溶液，混匀，0.45μm微孔滤膜滤过滤，转移到有磁性转子的2mL样品瓶中。将萃取头穿过橡胶帽，将萃取头推出针头并直接浸入到本发明的涂层样品溶液中萃取45min，之后拔出针头，进样分析。
然后可以采用气相色谱分析：色谱柱OV-275，30m×0.25mm×0.25μm；汽化室温度：200℃，检测器(DET)温度：210℃，程序升温条件：初始柱温：120℃，保持3min，每分钟20℃升温到180℃，保持4min；氮气流量：30mL/min，氢气流量：50mL/min，空气流量：400mL/min；进样量：1μL。
表1 DNJ加标回收率
回收率实验，每个加标浓度平行测定5次取平均值，结果见表1，DNJ的平均加标回收率在88％～100％之间，满足常规分析的要求。本发明制备的萃取头与商品的萃取头比较，从蒸馏水和去离子水中萃取DNJ的回收率比商品萃取头回收率高，相同萃取浓度下标准偏差均比商品萃取头57281-U(Supelco)小，回收率高，说明回收效果好。
Claims (6)
1.一种固相微萃取涂层制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取离子液体水溶液，加入秸秆、生物酶后搅拌加热，过滤，将过滤后得到的秸秆干燥，干燥后加入酸性离子液体和DMSO的混合溶液，加热，冷却，制得秸秆溶液；
(2)向酸性离子液体中加入石墨粉，先进行超声波预处理，再加入硫酸和高锰酸钾，所述硫酸占酸性离子液体的1-5‰，V/W，所述高锰酸钾占酸性离子液体的0.1-0.5‰，W/W，再次进行超声波处理，接着通入氧气使离子液体吸收氧气，之后加热，加热后离心获得沉淀，用盐酸洗涤沉淀，洗涤后干燥至恒重获得氧化石墨烯，将氧化石墨烯加入到酸性离子液体中，再加入1-乙基咪唑、1-甲基咪唑、N-甲基吡啶或者吡咯烷酮，加热后获得氧化石墨烯衍生物；
(3)将秸秆溶液和氧化石墨烯衍生物混合加热，获得溶胶溶液；
(4)取萃取纤维，对其进行打磨或者酸处理形成粗糙表面，再用有机溶剂洗涤，超声、干燥处理后浸入到溶胶溶液中静置，使溶胶溶液附着在表面，再浸入极性溶剂中，取出干燥；
(5)过滤回收离子液体溶液，重复利用。
2.根据权利要求1所述的固相微萃取涂层制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的生物酶为纤维素酶和/或果胶酶。
3.根据权利要求1所述的固相微萃取涂层制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的离子液体为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、甲基咪唑硫酸氢盐或1-丁基-3-甲基吡啶氯盐中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的固相微萃取涂层制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中萃取纤维是石英管、石英纤维、钢丝或钛丝。
5.根据权利要求5所述的一种固相微萃取涂层及其在生物碱分析中的应用，其特征在于：所述步骤(4)中极性溶剂为水、甲醇、或乙醇。
6.根据权利要求5所述的一种固相微萃取涂层及其在生物碱分析中的应用，其特征在于：所述步骤(1)中加入秸秆和生物酶后先在37℃～50℃条件下反应2-12h，然后加热至60℃-160℃反应0.2-12h。
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