CN109781885A - 一种电化学还原氧化石墨烯固相微萃取纤维制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学还原氧化石墨烯固相微萃取纤维制备方法，属于食品安全检测技术领域。本发明提供一种电化学还原氧化石墨烯固相微萃取纤维的制备方法，利用氧化石墨烯在负电位下发生还原反应，在金属丝工作电极上沉积形成还原氧化石墨烯涂层，用于萃取食品中的苯并[a]芘，并结合气相色谱仪进行检测。本发明方法简单快速，涂层厚度可通过沉积时间自由控制，同时结合石墨烯比表面积大、吸附能力强的优点，大大提高了固相微萃取的工作效率。

Description

一种电化学还原氧化石墨烯固相微萃取纤维制备方法

技术领域

本发明涉及一种电化学还原氧化石墨烯固相微萃取纤维制备方法，属于食品安全检测技术领域。

背景技术

固相微萃取(solid-phase microextraction,SPME)是一种操作简便，不需要大量溶剂的萃取、富集技术。由于其简单便捷，集分离富集检测于一体的优点，在食品检测领域得到广泛应用。一些商业化的固相微萃取纤维本身存在一些限制，诸如石英基底易断裂，热稳定性和化学稳定性较差，且价格昂贵。因此，制备一种性质稳定且机械强度较大的固相微萃取纤维是很有必要的。SPME技术的核心是萃取涂层，涂层的性质不仅与涂层材料的物理化学性质有关，还与涂层的制备方法密切相关。目前，常用的涂层制备方法有溶胶凝胶法，物理涂渍法，共价键和法等，然而这些制备方法存在重现性较差，涂层稳定性较弱的缺点。电化学沉积法可以很好的控制制备过程，方法简单快捷，重现性较强。因此，可将电化学沉积法广泛应用于固相微萃取纤维的制备中。

石墨烯具有大的比表面积和共轭结构，同时石墨烯材料也具有很好的化学稳定性和热稳定性。这些优良特性使得石墨烯适合作为固相微萃取涂层，其稳定性强，简便高效，适用范围广。石墨烯的大π结构可与苯环类物质之间通过π-π堆积相互作用进行萃取富集。苯并[a]芘作为多环芳烃类强致癌物的典型代表，由于环境污染或不良的食物烹饪方式，广泛存在于食品当中。GB 2762-2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中规定，在谷物及其制品、肉及肉制品、水产动物及其制品中苯并[a]芘不得超过5μg/kg；在油脂及其制品中不得超过10μg/kg，过量的苯并[a]芘摄入会间接导致人体的制畸致癌致突变。因此，开发建立一种简单快速高效的食品中苯并[a]芘富集检测方法是很有必要的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明开发了一种电化学还原氧化石墨烯固相微萃取纤维的制备方法，并结合气相色谱仪，应用于烤肉中苯并[a]芘含量的富集检测。本发明通过电化学沉积，在金属电极上快速可控地制备出还原氧化石墨烯涂层，该涂层材料比表面积大，热稳定性和化学稳定性强，对苯并[a]芘具有较强的吸附作用。

本发明利用电化学沉积，使氧化石墨烯在负电位下还原成还原氧化石墨烯而沉积在金属电极上，先用王水腐蚀不锈钢丝得到粗糙表面，将金属丝作为工作电极插入氧化石墨烯电解液中，在三电极体系下，采用恒电位法施加负电压并保持一段时间，取出不锈钢丝，晾干后组装，得到电化学还原氧化石墨烯固相微萃取纤维。

本发明的第一个目的是提供一种石墨烯固相微萃取纤维的制备方法，所述方法包括：

以基底纤维为工作电极，插入氧化石墨烯电解液中，利用恒电位法施加负电压，电化学沉积制备得到石墨烯固相微萃取纤维；所述负电压为-1.2～-1.6V。

在本发明的一种实施方式中，所述电解液中氧化石墨烯的浓度为2～6mg/mL。

在本发明的一种实施方式中，所述电解液中还包括10～15g/mL的NaClO₄。

在本发明的一种实施方式中，所述基底纤维包括不锈钢丝，铁丝，铜丝中任意一种。

在本发明的一种实施方式中，所述基底纤维预先利用王水进行表面粗糙处理。

在本发明的一种实施方式中，所述基底纤维的下端2cm于王水中浸泡15min，取出后用蒸馏水洗净，得到表面粗糙的基底。

在本发明的一种实施方式中，所述电解液的制备方法包括：

(1)将每30mg氧化石墨烯粉末超声分散于10mL蒸馏水中，得到氧化石墨烯分散液；

(2)在步骤(1)所得的分散液中加入0.1225g NaClO₄，混合均匀后得到氧化石墨烯电解液。

在本发明的一种实施方式中，所述方法是以饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极。

在本发明的一种实施方式中，所述电化学沉积采用CHI660C电化学工作站。

在本发明的一种实施方式中，所述恒电位法的施加电压优选-1.2V。

在本发明的一种实施方式中，所述电沉积时间为200-600s。

在本发明的一种实施方式中，所述电沉积时间优选400s。

在本发明的一种实施方式中，所述方法还包括：取出电沉积之后的基底纤维，置于蒸馏水中洗去未结合的氧化石墨烯，于室温下自然晾干。

在本发明的一种实施方式中，所述方法还包括将电沉积之后的基底纤维置换微量进样器内的不锈钢丝纤维。

在本发明的一种实施方式中，所述方法还包括将上述的固相微萃取纤维在气相色谱进样口300℃下老化2h，以除去纤维上已吸附的污染物。

本发明的第二个目的是提供一种石墨烯固相微萃取纤维，所述纤维是利用上述的方法制备得到的。

本发明的第三个目的是提供一种苯并[a]芘的固相微萃取方法，所述方法是利用上述的电还原氧化石墨烯固相微萃取纤维，包括：将待测物置于溶剂中，得到待测物溶液，再利用石墨烯固相微萃取纤维对样品溶液进行固相微萃取，然后解吸石墨烯固相微萃取纤维上的吸附物，得到苯并[a]芘。

在本发明的一种实施方案中，所述固相微萃取时的萃取温度为40-80℃。

在本发明的一种实施方案中，所述固相微萃取时的萃取时间为10-50min。

在本发明的一种实施方案中，所述固相微萃取时的搅拌速率为100-900rpm。

在本发明的一种实施方案中，所述解吸的时间为1-5min。

本发明的第四个目的是提供一种苯并[a]芘的检测方法，所述方法是对待测物进行前处理，然后采用气相色谱仪进行检测；所述前处理是利用上述的固相微萃取纤维进行的，或者是利用上述的固相微萃取方法进行的。

在本发明的一种实施方案中，气相色谱进样口温度和检测器温度分别为300℃和320℃。

在本发明的一种实施方案中，载气流速为3mL/min，氢气、空气和补充气流速分别为30mL/min，300mL/min，35mL/min。

在本发明的一种实施方案中，色谱柱为InerCap5毛细管柱，柱程序升温为80℃保持2min，以30℃/min升温至280℃保持5min。

本发明与现有的技术相比，其显著优点是：

(1)电化学方法简单快速，可自由控制电沉积过程以得到最佳还原氧化石墨烯涂层。

(2)涂层基底选用不锈钢丝，相比于石英纤维等具有更好的韧性，不易折断。

(3)石墨烯材料比表面积大，吸附能力强，热稳定性及化学稳定性好的特点与固相微萃取无溶剂，富集分离的优点于一体，简单便捷，环境友好。

附图说明

图1是电化学方法还原氧化石墨烯固相微萃取纤维及对苯并[a]芘的检测流程图；

图2是裸不锈钢丝及200-600s电还原时间下的纤维形貌显微照片，其中裸不锈钢丝(A)、电还原200s(B)、电还原300s(C)、电还原400s(D)、电还原500s(E)及、电还原600s(F)；

图3是200-600s电还原时间下纤维对苯并[a]芘的富集效率图；

图4是裸不锈钢丝(A)和还原氧化石墨烯纤维(B、C)的扫描电镜图；

图5是氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的傅里叶变换红外光谱图；

图6是氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的拉曼光谱图；

图7是固相微萃取温度的优化图；

图8是固相微萃取时间的优化图；

图9是固相微萃取搅拌速率的优化图；

图10是解吸时间的优化图。

具体实施方式

结合实例对本发明作进一步的描述：

实施例1：固相微萃取纤维的制备

(1)氧化石墨烯电解液的制备：将30mg氧化石墨烯粉末超声分散于10mL蒸馏水中，得到3mg/mL浓度的氧化石墨烯水溶液，在分散液中加入0.1225g NaClO₄，即NaClO₄浓度为0.1mol/L，混合均匀后得到氧化石墨烯电解液。

(2)电化学沉积：将不锈钢丝下端2cm经王水腐蚀15min后，蒸馏水洗净，作为工作电极备用。采用CHI660C电化学工作站，以腐蚀之后的不锈钢丝为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极。采用恒电位法，施加-1.2V电压，保持200-600秒，得到不同电还原时间下的纤维涂层；电沉积结束后，取出纤维，置于蒸馏水中除去未结合的氧化石墨烯，自然晾干后组装在5μL微量进样器中，得到自制固相微萃取纤维。

对涂层的电还原时间进行优化，利用得到的200-600秒还原时间下的纤维对苯并[a]芘标准溶液进行萃取富集，如图3，在400s的沉积时间下，纤维对苯并[a]芘的富集效率最高。由图2也可看出400s的沉积时间下，纤维形貌最为均匀致密。

电化学还原氧化石墨烯固相微萃取纤维的表征

通过扫描电镜图(图4)表征涂层纤维形貌。以不锈钢丝为电极，电沉积得到的还原氧化石墨烯牢固附着在钢丝上，呈现褶皱表面和多孔形态，提供了较大的比表面积，有利于苯并[a]芘的萃取富集。由纤维横截面的扫描电镜图可看出，涂层厚度约为4μm。

通过傅里叶变换红外光谱(图5)表征材料还原前后的成分变化。氧化石墨烯的红外谱图中含大量含氧基团吸收峰，C＝O,C-OH和环氧基的吸收峰分别在波数1720cm^-1,1300cm^-1和1055cm^-1处。当氧化石墨烯经过还原之后，涂层的红外谱图中相应含氧基团吸收峰大幅度降低或消失，只存在-OH和C＝C吸收峰，足以表明制备的还原氧化石墨烯涂层共轭结构得到恢复。

通过拉曼光谱图表征石墨烯材料的缺陷度和混乱度，如图6所示，氧化石墨烯的I(D)/I(G)值为1.07，经过电化学还原之后，I(D)/I(G)值增大至1.35，表明电化学还原氧化石墨烯的结构更加无序，更有益于对苯并[a]芘的吸附和富集。

实施例2：固相微萃取条件的优化

本实验对固相微萃取条件进行了优化考察。

在烤肉上清液中加入苯并[a]芘标准工作液，用蒸馏水稀释至10mL，使苯并[a]芘浓度为50ng/mL。设置了不同的萃取温度(40、50、60、70、80℃)、萃取时间(10、20、30、40、50min)、搅拌速率(100、300、500、700、900rpm)和解吸时间(1、2、3、4、5min)如图7、图8、图9、图10所示，较好的富集萃取效果的条件为：70℃作为萃取温度，30min作为萃取时间，搅拌速率为700rpm，解吸时间为4min。

实施例3：SPME-GC对烤肉中苯并[a]芘的富集检测

(1)标准液配制

取1mg苯并[a]芘标准品粉末溶于10mL丙酮中，配制成100mg/L苯并[a]芘储备液，将储备液稀释至10mg/L作为中间液。标准曲线工作液浓度为0.05ng/mL,0.1ng/mL,0.5ng/mL,1ng/mL,5ng/mL,10ng/mL,100ng/mL,200ng/mL，现用现配。

(2)样品前处理

准确称取2g烤肉于离心管中，加入5mL丙酮后超声提取40min，于10000rpm下离心10min，取上清液；再次加入5mL丙酮，重复超声、离心操作，合并两次上清液。

(3)SPME结合GC

取50μL烤肉上清液用蒸馏水稀释至10mL萃取小瓶中，放入搅拌子，从隔垫中插入自制的固相微萃取纤维，推出纤维，于70℃水浴，700rpm下富集30min。萃取结束后，将纤维头拉回微量进样器内，立即插入300℃气相色谱仪进样口中解吸4min。

本实验采用气相色谱仪(配FID检测器)记录色谱图，经色谱仪自带软件积分得到峰面积，绘制苯并[a]芘标准曲线，并计算得到待测样品中苯并[a]芘的含量。

表1烤牛肉样品中的苯并[a]芘测定的方法学验证

利用本方法对市售烤牛肉中的苯并[a]芘进行测定。结果显示，烤牛肉中未检出苯并[a]芘，该方法的回收率在98.3-103.4％。

对照例1：

参照实施例1的方法，将电压分别替换为-0.8V、-1.6V，-2V，制备得到三种纤维，然后参照实施例3的条件分别对烤肉中苯并[a]芘的进行检测。检测结果见表2。

表2三种纤维纤维对烤肉中苯并[a]芘的检测结果

其中，在-0.8V电压下，不锈钢丝电极表面未有黑色涂层出现，表面-0.8V电压不足以使氧化石墨烯沉积于电极上。

对照例2：

除了本发明的电化学还原氧化石墨烯制备固相微萃取纤维，目前还有物理涂渍法、粘合法以及共价键和法等制备石墨烯固相微萃取纤维。与电化学沉积法相比，物理涂渍法得到的涂层与基体之间的附着力不够牢固；粘合法由于胶粘剂的存在，导致涂层不耐高温，在有机溶剂、强酸或强碱溶液中不稳定；共价键和法存在制备时间较长的不足。综合来说，电化学沉积法得到的固相微萃取涂层，不仅热稳定性、化学稳定性强，而且操作简单便捷，制备时间短，在5-10min内即可完成。

不同纤维作为探针对苯并[a]芘的检测水平如表3所示。

表3不同纤维对苯并[a]芘的检测水平

其中，辛基功能化介孔材料SBA-15材料是参考Wang课题组在2013发表的文章(Wang X,Rao H,Lu X,et al.Application of sol-gel based octyl-functionalizedmesoporous materials coated fiber for solid-phase microextraction.Talanta,2013,105(4):204-210)，利用溶胶凝胶的方式制备得到；

PDMS/DVB材料是一种商业化产品，购买自北京国嘉恒业科学仪器有限公司；

聚3,4-乙烯二氧噻吩/氧化石墨烯复合材料是参考Banitaba课题组在2013发表的文章(Banitaba M H,Davarani S S H,Movahed S K.Comparison of direct,headspaceand headspace cold fiber modes in solid phase microextraction of polycyclicaromatic hydrocarbons by a new coating based on poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/graphene oxide composite.Journal of Chromatography A,2013,1325(2):23-30)，利用电化学聚合的方式制备得到；

氧化石墨烯是参考Sun课题组在2014发表的文章(Sun M,Feng J,Bu Y,etal.Development of a solid-phase microextraction fiber by the chemical bindingof graphene oxide on a silver-coated stainless-steel wire with an ionicliquid as the crosslinking agent.Journal of Separation Science,2014,37(24):3691-3698)，利用化学键和的方式制备得到。

Claims (10)

1.一种石墨烯固相微萃取纤维的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

以金属丝为工作电极，插入氧化石墨烯电解液中，利用恒电位法施加负电压，电化学沉积制备得到石墨烯固相微萃取纤维；所述负电压为-1.2～-1.6V。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解液中氧化石墨烯的浓度为2～6mg/mL。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电解液中还包括10～15mg/mL的NaClO₄。

4.根据权利要求1任一所述的方法，其特征在于，所述电沉积时间为200-600s。

5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述电沉积时间为400s。

6.权利要求1-5任一所述方法制备得到的石墨烯固相微萃取纤维。

7.一种苯并[a]芘的固相微萃取方法，其特征在于，所述方法包括：将待测物置于溶剂中，得到待测物溶液，再利用权利要求6所述的石墨烯固相微萃取纤维对样品溶液进行萃取，然后解吸石墨烯固相微萃取纤维上的吸附物，得到苯并[a]芘。

8.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述固相微萃取时的搅拌速率为100-900rpm。

9.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述固相微萃取时的温度为40-80℃。

10.一种苯并[a]芘的检测方法，其特征在于，所述方法是对待测物进行前处理，然后采用气相色谱仪进行检测；所述前处理是利用权利要求6所述的固相微萃取纤维进行的，或者是利用权利要求7-9任一所述的固相微萃取方法进行的。