CN112755592B - 一种共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱。本发明先通过席夫碱反应制备共价有机骨架纳米微球，然后将共价有机骨架纳米微球、尿素水溶液、甲醛水溶液和催化剂均匀混合，采用酸催化一步原位脱水缩聚法，巧妙地利用共价有机骨架纳米微球表面的氨基和醛基参与脲醛缩聚反应实现共价有机骨架纳米微球的固定化，制备共价有机骨架功能化固相微萃取整体柱；并将其应用于在线固相微萃取，基于亲水/π‑π堆积的协同萃取作用实现分析对象的富集。本发明技术巧妙、工艺简单、易于操作、且不需要昂贵的仪器设备、易于推广。

Description

一种共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱

技术领域

本发明属于整体柱制备技术领域，具体涉及一种共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱。

背景技术

整体柱作为一种传质速度快、生物相容性好以及孔隙结构可调的色谱固定相，具有制备方法简单、表面易于改性、通透性高和比表面积大等优点，在复杂样品前处理领域也展现出巨大的潜能，并作为吸附萃取材料广泛应用于固相微萃取（SPME）或固相萃取（SPE）。共价有机骨架（COFs）是一类由C、H、O、N、B等轻质元素通过共价键结合形成的新型的结晶的多孔有机聚合物，其具有有序的且可调控的孔结构、大的比表面积和永久的孔隙率、功能的多样性以及超高的热稳定性和化学稳定性等特点。然而，现有COFs材料因其纳米级粒径和不规则形状，造成极易流失无法直接用于装填，并会引起过高的系统压力，限制了其在固相微萃取或固相萃取的应用。将COFs固定化于整体柱中，有效整合COFs与整体柱的优点，有望成为解决COFs固定化这一问题的有效途径，并发展一类新型色谱固定相。迄今为止，仅有Yan等人（X.P. Yan, et al., J. Chromatogr. A, 2017, 1479, 137-144）报道通过共聚法，以乙烯基功能化共价有机骨架作为交联剂，以甲基丙烯酸酯类化合物作为单体和交联剂，制备了一种COFs功能化整体柱，并将其应用于多环芳烃、酚类、苯胺类、非甾体抗炎药和苯并噻吩等小分子的高效液相色谱分离。

本发明采用酸引发一步原位脱水缩聚法，巧妙地利用共价有机骨架纳米微球表面的氨基和醛基参与脲醛缩聚反应实现共价有机骨架纳米微球的固定化，制备共价有机骨架功能化固相微萃取整体柱；并将其应用于在线固相微萃取，基于独特的亲水/π-π堆积的协同萃取作用实现分析对象的富集。本发明提供了一种共价有机骨架功能化整体柱的制备途径，对共价有机骨架功能化整体柱的推广和应用将带来很大的帮助。

发明内容

本发明的目的在于提供一种共价有机骨架纳米微球功能化整体柱，并将其应用于在线固相微萃取，基于亲水/π-π堆积的协同萃取作用实现分析对象的富集。本发明通过将共价有机骨架纳米微球、尿素水溶液、甲醛水溶液和催化剂溶液均匀混合，采用酸催化一步原位脱水缩聚法，巧妙地利用共价有机骨架微球表面具有反应活性的氨基和醛基参与脲醛缩聚反应实现共价有机骨架纳米微球的固定化，制备共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱。本发明所制备的共价有机骨架纳米微球功能化整体柱渗透性优异，且整体柱中共价有机骨架纳米微球分布均匀。得益于共价有机骨架纳米微球引入的π-π堆积相互作用和脲醛树脂材料自身的亲水相互作用，本发明提供的整体柱表现出独特的亲水/π-π堆积协同萃取作用模式，并实现其在线固相微萃取应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

首先以1,3,5-三(4-氨苯基)苯和对苯二甲醛为原料，通过席夫碱反应制备共价有机骨架纳米微球；然后将共价有机骨架纳米微球、尿素水溶液、甲醛水溶液和催化剂均匀混合，采用酸催化一步原位脱水缩聚法，制备共价有机骨架功能化固相微萃取整体柱。其中，共价有机骨架纳米微球的引入赋予了整体柱π-π堆积的富集萃取作用。将这本发明制备的共价有机骨架功能化整体柱作为固相微萃取介质，基于独特的亲水/π-π堆积协同萃取作用模式，实现了分析对象的在线固相微萃取高效富集与高灵敏分离检测。

其中，所述尿素水溶液，其浓度为1 g/mL；

所述甲醛溶液，其中甲醛的质量分数为33% ~ 37%；

所述催化剂为盐酸的水溶液，其浓度为0.1 mol/L；

所述共价有机骨架纳米微球、尿素水溶液、甲醛水溶液、催化剂的质量比为2-15:45:55:10。

所述共价有机骨架纳米微球功能化整体柱的制备方法，包括以下步骤：

1)清洗空管：用色谱纯甲醇冲洗空聚四氟乙烯（PTFE）管，然后置于60℃烘箱中烘干，待用；其中，所用的聚四氟乙烯管管长为20 cm，内径为750 μm；

2)制备共价有机骨架纳米微球：将0.04 mmol 1,3,5-三(4-氨苯基)苯和0.06mmol 对苯二甲醛混溶于5 mL乙腈中，超声处理1分钟后加入1 mL 12 mol/L冰醋酸，涡流混合并剧烈振荡10 秒后，在室温下静置72小时，离心收集沉淀；接着用无水四氢呋喃和无水乙醇分别洗涤三次，60℃真空干燥24 小时，即可得到共价有机骨架纳米微球；

3)管内快速缩聚：将共价有机骨架纳米微球、甲醛水溶液、尿素水溶液、催化剂溶液按比例均匀混合，快速振荡1~2分钟，再将混合物快速注满洗净干燥的PTFE中，两端封闭并浸于65℃水浴中恒温加热10分钟；

4)冲洗整体柱：待反应完成后，以水为流动相，使用液相色谱泵冲洗整体柱，去除柱床内残留的溶剂与未反应物质，即得到所述共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱。在进行在线固相微萃取操作前，整体柱使用装载液平衡半小时。

本发明的显著优点在于：

1）本发明巧妙地利用了共价有机骨架纳米微球表面具有反应活性的氨基和醛基参与脲醛缩聚反应，实现共价有机骨架纳米微球在整体固定相中的稳定固定化，制备共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱。在该整体柱中，共价有机骨架纳米微球分布均匀，且整体柱的渗透性依然优异。

2）本发明通过将共价有机骨架纳米微球引入脲醛树脂整体柱，实现了基于亲水/π-π堆积协同萃取作用的在线固相微萃取富集。

3）本发明为共价有机骨架功能化整体柱的制备提供了一套新方案。本发明制备方法简单，反应速度快，大大提高了共价有机骨架功能化整体柱的制备效率，将对共价有机骨架功能化整体柱的推广和应用带来很大的帮助。

附图说明

图1是扫描电镜（SEM）照片：其中，a是共价有机骨架纳米微球的SEM照片；b是共价有机骨架纳米微球功能化整体柱的SEM照片。

图2为以共价有机骨架纳米微球功能化整体柱作为在线固相微萃取介质，构建在线固相微萃取-高效液相色谱联用系统，在线富集检测微量酚型油脂抗氧化剂（即，没食子酸丙酯（PG）、特丁基对苯二酚（TBHQ）、叔丁基对羟基茴香醚（BHA））时，装载液中乙腈含量对分析对象萃取效率的影响。

图3为以共价有机骨架纳米微球功能化整体柱作为在线固相微萃取介质，构建在线固相微萃取-高效液相色谱联用系统，在线富集检测食用油样品中的微量酚型油脂抗氧化剂（PG、TBHQ、BHA）的色谱图。a为常规液相色谱系统检测的色谱图；b为在线联用系统检测的色谱图；其中，标号1、2、3为分析对象，具体为：1. 没食子酸丙酯（PG）；2. 特丁基对苯二酚（TBHQ）；3. 丁基羟基茴香醚（BHA）。

具体实施方式

为了使本发明所述内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

（1）将内径为750 μm，长度为20 cm的聚四氟乙烯（PTFE）管接上液相色谱泵，用色谱纯甲醇在0.5 mL/min的流速下冲洗20 min，去除聚四氟乙烯管内的杂质，然后将空柱管拆解，并置于60 ℃烘箱中烘干，待用；

（2）制备共价有机骨架纳米微球：将0.04 mmol 1,3,5-三(4-氨苯基)苯和0.06mmol 对苯二甲醛混溶于5 mL乙腈中，超声处理1分钟后加入1 mL 12 mol/L冰醋酸，涡流混合并剧烈振荡10 秒后，在室温下静置72小时，离心收集沉淀；接着用无水四氢呋喃和无水乙醇分别洗涤三次，60℃真空干燥24 小时，即可得到共价有机骨架纳米微球；

（3）分别按表1的整体柱制备配方，称取不同质量的共价有机骨架纳米微球、浓度为1 g/mL的尿素溶液、质量浓度为35%的甲醛溶液和浓度为0.1mol/L的盐酸溶液，将其均匀混合，快速振荡1分钟，再将混合物快速注满洗净干燥的PTFE管中，两端封闭并浸于65℃水浴中恒温加热10分钟；

（4）整体柱的冲洗：待反应完成后，以水为流动相，用微量输液泵冲洗1小时，即得到共价有机骨架纳米微球功能化整体柱。整体柱使用前用装载液平衡半小时即可。

表1 共价有机骨架纳米微球功能化整体柱制备配方组成

实施例2

按照实施例1方法以表1中的配方制备共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱a-g；然后以水为流动相，用微量输液泵对制备的整体柱进行背压测试。当流速为0.1mL/min时，整体柱a-g的背压分别为0.6 MPa、0.9 MPa、1.2 MPa、1.6 MPa、2.1MPa、2.7 MPa、3.5MPa，表明了制备的整体柱具有优良的渗透性。

实施例3

按照实施例1方法以表1中的条件e配方制备共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱，然后对制备的整体柱进行扫描电镜（SEM）表征。从图1-b，可以明显地看到在共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱中均匀分布着许多粒径约为480 nm的共价有机骨架纳米微球，这些微球的粒径也图1-a中的微球一致，这表明了共价有机骨架纳米微球在整体柱中的成功固定化和功能化。

实施例4

所述的联用系统具体操作步骤如下：

第一步，在线联用系统的十通阀和六通阀都处于LOAD位置；装载液通过泵A平衡共价有机骨架功能化固相微萃取整体柱，流速为0.1 mL/min；流动相通过泵B直接经分析柱以获得色谱分离需要的稳定基线，流速为1.0 mL/min；同时，通过进样针将样品溶液注满0.5mL PEEK管定量环；

第二步，六通阀调至INJECT位置，在线固相微萃取开始，0.5 mL PEEK管定量环中的样品经由装载液带入共价有机骨架功能化固相微萃取整体柱，经过给定的时间，六通阀调回LOAD位置；

第三步，将泵A输送的溶液由装载液换成洗脱液，流速设为0.1 mL/min，利用洗脱液将共价有机骨架功能化固相微萃取整体柱上富集的分析对象洗脱，并收集在0.2 mLPEEK管定量环中；当洗脱完成时，十通阀调节至INJECT位置，利用流动相将收集的洗脱液送入液相色谱分析柱中进行分离，接着利用检测器进行检测。

以表1中的条件e制备共价有机骨架纳米微球功能化整体柱作为固相微萃取介质；参考相关专利（专利号：2018207623454）按照“六通阀+十通阀”的在线联用模式构建固相微萃取-高效液相色谱在线联用分析系统，检测方法如上，在线富集检测食用油中添加的1.0mg/kg几种油脂抗氧化剂（即，没食子酸丙酯（PG）、特丁基对苯二酚（TBHQ）、叔丁基对羟基茴香醚（BHA）），并考察装载液中乙腈含量对样品富集效率的影响。装载液组成为乙腈和5mMpH=6.0的甲酸铵水溶液，进样样品溶剂组成为乙腈/5mM pH=6.0的甲酸铵水溶液=40/60(v/v)，进样流速0.1 mL/min，进样体积500 μL；洗脱液组成为纯乙腈，洗脱流速0.1 mL/min，洗脱体积200 μL（收集前两分钟洗脱液）；分离流动相为乙腈/ 0.05%甲酸水溶液=60/40 (v/v)，分离流速为1.0 mL/min，柱温箱温度为40 ℃，检测波长为201 nm。

如图2所示，当装载液乙腈含量从20% (v/v)增加至40% (v/v)时，分析对象的富集效率不断提高，这体现了整体柱脲醛树脂基质与分析对象之间典型的亲水相互作用；随着装载液乙腈含量从40% (v/v)继续提高至60% (v/v)时，分析对象的富集效率没有明显提高或反而有所降低，这应该是分析对象与共价有机骨架之间的π-π堆积作用随着乙腈含量的提高而被明显削弱；由此，我们可以看出几种抗氧化剂与共价有机骨架纳米微球功能化整体柱之间的萃取作用模式为亲水作用和π-π堆积作用的协同萃取作用。因此，我们选择装载液乙腈比例为40% (v/v)为最优比例。

实施例5

以表1中的条件e制备共价有机骨架纳米微球功能化整体柱作为固相微萃取介质；参考相关专利（专利号：2018207623454）构建固相微萃取-高效液相色谱在线联用分析系统（检测方法如实施例3）。接着，依托在线联用系统在线富集检测油脂中的抗氧化剂，联用系统运行优化参数为：样品装载液为ACN/5 mM pH=6.0甲酸铵溶液=40%/60% (v/v)；洗脱液为乙腈；进样流速为0.10 mL/min；洗脱流速为0.10 mL/min；洗脱体积200 μL（收集前两分钟洗脱液）；流动相为ACN/0.05%甲酸溶液=60%/40% (v/v)；流动相流速为1.0 mL/min；柱温箱温度为40 ℃；检测波长设定为201 nm。

图3对比了在线联用系统和常规液相色谱系统检测食用油中添加的1.0 mg/kg几种油脂抗氧化剂的色谱图。图3中，检测峰1为没食子酸丙酯（PG），检测峰2为特丁基对苯二酚（TBHQ），检测峰3为丁基羟基茴香醚（BHA）。由图3-b可见，在该联用系统条件下，食用油中添加的微量油脂抗氧化剂得到了高效富集萃取与高灵敏检测，几种分析对象的检测限分别为2.0 μg/kg（PG）、0.9 μg/kg（TBHQ）、0.3 μg/kg（BHA）。而使用常规液相色谱系统进行相同样品的分析时，检测对象的信号较弱，检测灵敏度较低（图3-a），这体现了共价有机骨架纳米微球功能化整体柱在在线固相微萃取中卓越的亲水/π-π堆积协同萃取作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱，其特征在于：所述整体柱由共价有机骨架纳米微球、尿素水溶液、甲醛水溶液以及催化剂混合制备而成，其中共价有机骨架纳米微球、尿素水溶液、甲醛水溶液、催化剂的质量比为2-15:45:55:10；

所述尿素水溶液，其浓度为1 g/mL；所述甲醛水溶液，其中甲醛的质量浓度为33%~37%；所述催化剂为盐酸水溶液，其浓度为0.1 mol/L；

所述共价有机骨架纳米微球的制备方法为：将0.04 mmol 1,3,5-三(4-氨苯基)苯和0.06 mmol 对苯二甲醛混溶于5 mL乙腈中，超声处理1分钟后加入1 mL 12 mol/L冰醋酸，涡流混合并剧烈振荡10秒后，在室温下静置72小时，离心收集沉淀；接着用无水四氢呋喃和无水乙醇分别洗涤三次，60℃真空干燥24小时，即得到共价有机骨架纳米微球；

所述的一种共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱的制备方法包括如下步骤：

1）清洗空管：用色谱纯甲醇冲洗空聚四氟乙烯（PTFE）管，然后置于60℃烘箱中烘干，待用；

2）制备共价有机骨架纳米微球：将0.04 mmol 1,3,5-三(4-氨苯基)苯和0.06 mmol对苯二甲醛混溶于5 mL乙腈中，超声处理1分钟后加入1 mL 12 mol/L冰醋酸，涡流混合并剧烈振荡10 秒后，在室温下静置72小时，离心收集沉淀获得；

3）管内快速缩聚：将共价有机骨架纳米微球、甲醛水溶液、尿素水溶液、催化剂溶液按比例均匀混合，快速振荡1~2分钟，再将混合物快速注满洗净干燥的PTFE管中，两端封闭并浸于65℃水浴中恒温加热10分钟；

4）冲洗整体柱：待反应完成后，以水为流动相，使用液相色谱泵冲洗整体柱，去除柱床内残留的溶剂与未反应物质，即得到所述共价有机骨架纳米微球功能化固相微萃取整体柱。

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