CN112083101A - 一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，属于分析化学样品前处理技术领域。本发明通过将金属有机骨架分散液填充入针式过滤器中，制备固相萃取滤头，在固相萃取与填充吸附剂微萃取的基础上开发了一种以金属有机骨架为吸附剂，以针式过滤器为萃取容器的小型化固相萃取方法。该方法可通过π‑π作用、静电吸附以及空间匹配等作用快速富集雌激素，与传统分散式固相萃取相比，缩短萃取时间、节约萃取剂用量、简化操作步骤、易化固液分离，有实际应用价值。

Description

一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置

技术领域

本发明涉及一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，属于分析化学样品前处理技术领域。

背景技术

环境雌激素(Environmental estrogens，EEs)，又称为外源性雌激素，是环境内分泌干扰物中种类最多的一大类，主要包括天然雌激素和人工合成雌激素两大类，天然雌激素主要有雌二醇(Estradiol，E2)、雌酮(Estrone，E1)、雌三醇(Estriol，E3)，人工合成的雌激素主要有乙炔雌二醇(Ethinylestradiol，EE2)、己烯雌酚(Diethylstilbestrol，DES)、双酚A(Bisphenol A，BPA)等。大多数环境雌激素具有稳定的化学性质、较长的半衰期，在自然界和生物体内难分解、降解速度缓慢、排出体外需要较长时间，通过食物链等作用在生物体内富集后，导致其毒性蓄积，从而产生致癌致畸性。除此之外，异常浓度的环境雌激素也会对生物体的生殖、发育等产生影响。因此，开发有效的检测方法来监测环境和生物基质中残留的环境雌激素极为重要。

样品前处理的目的通常为浓缩分析物和减少或消除干扰，对于痕量成分的检测更需要有效的预富集。近年来，固相萃取(Solid phase extraction，SPE)由于富集因子高、分析时间短、回收率高、试剂用量少等优点被广泛应用于环境雌激素的检测中。填充吸附剂微萃取 (Micro-extraction by packed sorbent，MEPS)是一种小型化的SPE技术，与传统SPE不同， MEPS直接将吸附剂(1～4mg)并入注射器，由于其较少但相对固定的吸附剂用量，在不同的环境和生物基质(如尿液、血浆、唾液和血液)中，MEPS已被成功地用于提取多种分析物。本发明在SPE、MEPS的基础上，提出将吸附剂并入带有微孔膜的注射器过滤器中，以针式过滤器为萃取容器的另一种小型化萃取装置。

金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是一种是由金属离子和有机配体通过配位作用自组装形成的多孔聚合物。与传统吸附材料相比，MOFs具有易制备、孔径可调、比表面积大等优点，多数MOFs还具有很好的热稳定性和化学稳定性。自2006年以来，MOFs已成功应用于各种形式的固相萃取方法中，建立了成熟的方法用于环境样品、药品、食品样品、生物样品等的前处理。因此本发明以金属有机骨架为吸附剂，以针式过滤器为萃取容器，提供一种快速、高效、简便的固相萃取方法萃取生物基质或环境中的雌激素。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，可快速富集雌激素，解决了缩短萃取时间、节约萃取剂用量、简化操作步骤、易化固液分离等技术问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种易于制备、方便携带、成本低廉的金属有机骨架固相萃取装置，及该装置的制备和使用方法，用于固相萃取环境雌激素，该装置由下述步骤构建：

1)通过水热合成法制备MOF，净化、洗涤干燥备用；

2)取适量MOF均匀分散于分散液中，超声以分散均匀，制得MOF分散液；所述分散液为甲醇或水；

3)用注射器移取上述MOF分散液并缓慢通过针式过滤器，由于金属有机骨架粒径大于微滤膜孔径被截留在针头过滤器内，制得MOF固相萃取滤头。

进一步的，使用该装置进行萃取过程如图1所示：

①用注射器移取样品溶液通过上述MOF固相萃取滤头，弃滤液；

②另取淋洗液通过该MOF固相萃取滤头，洗去干扰物，弃滤液；

③取洗脱液通过该MOF固相萃取滤头，收集滤液，HPLC-FLD检测。

进一步的，所述淋洗液为0～10％甲醇/水(v/v)或0～10％乙腈/水(v/v)，优选10％甲醇水(v/v)；所述洗脱液为甲醇、乙腈、乙酸乙酯、丙酮其中一种，优选甲醇；样品溶液中 NaCl浓度优选为0且样品溶液优选pH＝6。

进一步的，所述针式过滤器中微滤膜为尼龙(Nylon)或聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)，孔径小于0.5μm。

进一步的，所述金属有机骨架包括但不限于MIL-101(Cr)、NH₂-MIL-101(Cr)、ZIF-8、 MOF-5等。

进一步的，所述MIL-101(Cr)通过如下方法制备得到：依次将Cr(NO₃)₃·9H₂O、对苯二甲酸、水和40％氢氟酸加入到反应釜聚四氟乙烯内胆中。超声混合均匀后，将内胆装入不锈钢套密封，加热反应。反应结束后，待反应釜降至室温，将溶液转移至离心管中，离心弃去上清液，下层固体反复用DMF充分洗涤数次，确保洗涤液无色澄清透明，以除去孔道内的对苯二甲酸及金属盐溶液；再使用无水乙醇洗涤，置换残留的DMF试剂，离心收集固体，真空干燥过夜，得到MIL-101(Cr)粉末。

进一步的，所述NH₂-MIL-101(Cr)通过如下方法制备得到：依次将Cr(NO₃)₃·9H₂O、2-氨基对苯二甲酸、水和氢氟酸(40％)加入到反应釜聚四氟乙烯内胆中，后续操作与MIL-101(Cr) 一致。

进一步的，所述ZIF-8通过如下方法制备得到：将2-甲基咪唑甲醇溶液与Zn(NO₃)₂·6H2O 甲醇溶液室温下混合并搅拌，反应结束后，离心弃上清，二氯甲烷、甲醇多次洗涤后，真空干燥，得到ZIF-8粉末。

进一步的，所述MOF-5通过如下方法制备得到：取对苯二甲酸与醋酸锌分别溶于DMF 后，向对苯二甲酸溶液中加入少量三乙胺后与醋酸锌溶液混合，室温下搅拌，反应结束后，离心弃上清，分别用二氯甲烷、甲醇洗涤多次后，真空干燥，得到MOF-5粉末。

有益效果：本发明提供的一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，用于固相萃取雌激素，与现有技术相比，具有以下优势：本发明采用简单的注射方法将MOF材料均匀分布到注射器过滤器中，获得固相萃取滤头，将吸附剂固定在过滤器中，一方面利于固相液相分离，减少由于转移造成的样品与吸附剂损失；另一方面提高MOF材料分散性，避免聚集，发挥了滤膜材料与MOF对雌激素的双重吸附，起到更好的萃取效果。与传统分散式固相萃取(Disperse solid phase extraction，DSPE)相比，该方法萃取雌激素制备简单、操作方便、耗时短、成本低且可循环利用，回收率明显提高。

附图说明

图1为金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置的搭建与萃取过程示意图；

图2为四种MOF材料X-射线衍射谱图与模拟谱图对比图；

图3分别为(A)MIL-101(Cr)、(B)NH₂-MIL-101(Cr)、(C)MOF-5与(D)ZIF-8固相萃取雌激素的回收率；

图4是针对MIL-101(Cr)填料的针式过滤器萃取雌激素的耐久性研究。

具体实施方式

本发明涉及一种基于金属有机骨架的针式过滤器固相萃取装置的开发与应用，属于分析化学样品前处理技术领域。本发明通过将金属有机骨架分散液注入针式过滤器中，制备固相萃取滤头，在固相萃取与填充吸附剂微萃取的基础上开发了一种以金属有机骨架为吸附剂，以过滤器为萃取容器的小型化固相萃取方法。该方法可通过π-π作用、静电吸附以及空间匹配等作用快速富集雌激素，与传统分散式固相萃取相比，缩短萃取时间、节约萃取剂用量、简化操作步骤、易化固液分离，有实际应用价值。

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例

根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1 MIL-101(Cr)为填料的针式过滤器的制备及其萃取应用

1.MIL-101(Cr)的合成：依次将800mg九水合硝酸铬，332mg对苯二甲酸，9.6mL水和0.1 mL氢氟酸(40％)加入到30mL的反应釜聚四氟乙烯内胆中。超声混合均匀后，将内胆装入不锈钢套密封，220℃反应8h。反应结束后，待反应釜降至室温，将溶液转移至50mL离心管，10000rpm离心10min弃去上清液。下层固体反复用DMF充分洗涤数次，确保洗涤液无色澄清透明，以除去孔道内的对苯二甲酸及金属盐溶液，离心收集MIL-101(Cr)固体；再使用约15mL无水乙醇洗涤3次，置换残留的DMF试剂，离心收集固体，40℃真空干燥过夜。

2.材料表征：将MOF材料简单研磨成粉末，平铺于样品台。通过X射线光电子能谱仪扫描获得X-射线衍射(XRD)谱图。将剑桥晶体数据库(CCDC)平台上对应的MOF材料晶体模拟数据经软件转化为XRD模拟谱图数据，与X-射线衍射仪收集的数据进行谱图对比，如图2所示，合成MOF的XRD谱图与模拟谱图高度一致，说明MOF合成成功。

3.制作过滤器：将5mg MOF加至1mL甲醇中，超声10min以分散均匀；用注射器抽取并注入配有0.22μm的尼龙-66针头过滤器中，制得基于MOF的固相萃取装置。

4.吸附：取10mL雌激素(含0.2μg/mL E2、E3、E1)水溶液，在注射器推动下通过上述配有MOF的尼龙过滤器，E2、E3、E1通过末端羟基(-OH)与尼龙-66微滤膜中酰胺基团 (-CO-NH)之间氢键结合而被尼龙微滤膜吸附；通过π-π作用、静电作用、空间匹配等作用被MOF吸附。

5.洗涤、洗脱：取1mL10％甲醇水用注射器通过该过滤器，洗去部分干扰物后再取1mL 甲醇用注射器再次通过该过滤器，将吸附在MOF与尼龙膜上的雌激素洗脱至甲醇中，直接进行HPLC-FLD分析。

6.分析检测：色谱条件：使用配备有C18 X Bridge柱(250mm×4.6mm，5μm)和2475FLR 检测器(Waters e2695，China)的e2695高效液相色谱仪进行HPLC分析。乙腈(A)和2％乙酸(B)作为流动相(0～7min：50％A；7.5～10.5min：100％A；11～12min：50％A；)，进样量为10μL，流速为1.0mL/min，柱温保持在30℃；激发波长为280nm，发射波长为310 nm。

7.结果：如图3A所示，与分散式固相萃取(直接将吸附剂加入样品溶液中，超声萃取后离心弃上清，下层沉淀经淋洗、洗脱后，收集洗脱液进行检测)相比，三种目标物回收率由 6.10％～36.29％提高至82.68％～88.59％

实施例2 NH₂-MIL-101(Cr)为填料的针式过滤器的制备及其萃取应用

NH₂-MIL-101(Cr)的合成：将800mg Cr(NO₃)₃·9H₂O，360mg 2-氨基对苯二甲酸，200mg NaOH和15mL去离子水混合均匀，转入50mL聚四氟乙烯反应釜中，150℃反应12h，待反应釜降至室温，将溶液转移至50mL离心管，10000rpm离心10min弃去上清液。下层固体反复用DMF充分洗涤数次，以除去大部分2-氨基对苯二甲酸，再使用约15mL无水乙醇洗涤3次，置换残留的DMF试剂，离心收集固体，40℃真空干燥过夜。

其余步骤同实施例1的步骤2-6。

结果如图3B所示，与分散式固相萃取相比，三种目标物回收率由64.19％～71.78％提高至 73.34％～86.45％。

实施例3 MOF-5为填料的针式过滤器的制备及其萃取应用

MOF-5的合成：取0.50g对苯二甲酸溶于80mL DMF，超声至溶解后，加入1mL三乙胺；另取1.70g二水合醋酸锌溶于100mL DMF，超声至完全溶解后加入上述对苯二甲酸溶液中，室温下搅拌4h，12000rpm离心15min，得到固体分别用二氯甲烷、甲醇洗涤三次，离心收集固体，60℃真空干燥过夜。

其余步骤同实施例1的步骤2-6。

结果如图3C所示，与分散式固相萃取相比，三种目标物回收率由2.23％～5.02％提高至 13.22％～56.31％。

实施例4 ZIF-8为填料的针式过滤器的制备及其萃取应用

ZIF-8的合成：将2.60g 2-甲基咪唑溶解于80mL甲醇，再将1.20g六水合硝酸锌溶解于 80mL甲醇，将两种溶液混合后室温下快速搅拌4h，反应结束后，12000rpm离心15min，得到固体分别用二氯甲烷、甲醇洗涤三次，离心收集固体，60℃真空干燥过夜。

其余步骤同实施例1的步骤2-6。

结果如图3D所示，与分散式固相萃取相比，三种目标物回收率由33.22％～43.50％提高至50.51％～55.79％。

实施例5负载有MIL-101(Cr)的注射器过滤器萃取装置的耐久性研究

1.第一次萃取：取10mL雌激素(含0.2μg/mL E2、E3、E1)水溶液以2.5mL/min流速通过负载有5mg MIL-101(Cr)的针式过滤器，取2mL10％甲醇水洗去干扰物，取1mL甲醇将吸附在MOF与尼龙膜上的雌激素洗脱，洗脱液直接进行HPLC-FLD分析。

2.第二次萃取：取5mL甲醇通过该注射器过滤器，洗去未被洗脱的雌激素与干扰物后，取1 mL甲醇洗脱，洗脱液直接进行HPLC-FLD分析。

3.重复步骤2，分别得到不同使用次数的萃取结果，以评价其耐久性。

结果如图4所示，在将萃取滤头循环使用5次后，回收率基本不变。相比于市售约20元 /个的固相萃取小柱而言，该装置制备简单、可重复使用、成本低，有实际应用价值。

PVDF、PTFE、Nylon-66是实验室针式过滤器中常见的滤膜材料，均可耐受水相与有机相且对雌激素有一定吸附作用，因此同理可以使用PVDF过滤器与PTFE过滤器代替上述实施例中的尼龙过滤器。

Claims (10)

1.一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，其特征在于：该固相萃取装置包括配有微滤膜的过滤器和MOF两部分，所述MOF附着在过滤器的微滤膜上，构成MOF固相萃取滤头。

2.根据权利要求1所述的一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，其特征在于：所述微滤膜材质为尼龙或聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯；所述微滤膜的孔径小于0.5μm。

3.根据权利要求1所述的一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，其特征在于：所述金属有机骨架包括但不限于MIL-101(Cr)、NH₂-MIL-101(Cr)、ZIF-8、MOF-5。

4.根据权利要求3所述的一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，其特征在于：所述MIL-101(Cr)通过如下方法制备得到：依次将Cr(NO₃)₃·9H₂O、对苯二甲酸、水和40％氢氟酸加入到反应釜聚四氟乙烯内胆中，超声混合均匀后，将内胆装入不锈钢套密封，加热反应；反应结束后，待反应釜降至室温，将溶液离心，下层固体经DMF、无水乙醇洗涤，离心收集固体，真空干燥过夜，得到MIL-101(Cr)粉末；

所述NH₂-MIL-101(Cr)通过如下方法制备得到：依次将Cr(NO₃)₃·9H₂O、2-氨基对苯二甲酸、水和40％氢氟酸加入到反应釜聚四氟乙烯内胆中，后续操作与MIL-101(Cr)一致。

5.根据权利要求3所述的一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，其特征在于：所述ZIF-8通过如下方法制备得到：将2-甲基咪唑甲醇溶液与Zn(NO₃)₂·6H₂O甲醇溶液室温下混合并搅拌，反应结束后，离心弃上清，二氯甲烷、甲醇洗涤后，真空干燥，得到ZIF-8粉末。

6.根据权利要求3所述的一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，其特征在于：所述MOF-5通过如下方法制备得到：取对苯二甲酸与醋酸锌分别溶于DMF后，向对苯二甲酸溶液中加入三乙胺后与醋酸锌溶液混合，室温下搅拌，反应结束，离心弃上清液，分别用二氯甲烷、甲醇洗涤后，真空干燥，得到MOF-5粉末。

7.一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将MOF均匀分散于分散液中，超声均匀制得MOF分散液；

2)注射器移取所述MOF分散液后与针式过滤器串联，推动注射器使MOF分散液通过过滤器，由于MOF粒径大于过滤器中微滤膜孔径而被截留在针式过滤器内，构成MOF固相萃取滤头。

8.根据权利要求7所述的一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，其特征在于：所述分散液为甲醇或水。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，其特征在于：应用于萃取雌激素，包括以下步骤：

①用注射器移取样品溶液通过MOF固相萃取滤头，弃滤液；

②取淋洗液通过该MOF固相萃取滤头，洗去干扰物，弃滤液；

③取洗脱液通过该MOF固相萃取滤头，收集滤液。

10.根据权利要求9所述的一种金属有机骨架填料的针式过滤器固相萃取装置，其特征在于：所述淋洗液为0～10％甲醇/水(v/v)或0～10％乙腈/水(v/v)，所述洗脱液为甲醇、乙腈、乙酸乙酯、丙酮其中一种，样品溶液中NaCl浓度为0且样品溶液pH＝6。

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