CN114950384A - 一种氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料、其制备方法及应用 - Google Patents

一种氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料、其制备方法及应用。该复合材料的制备方法包括采用(3‑巯基丙基)三甲氧基硅烷对氧化石墨烯进行巯基修饰;采用低共熔溶剂做单体和交联剂,肾上腺素为印迹模板,采用偶氮二异丁腈同时引发巯基石墨烯和单体、交联剂之间的巯基‑烯点击化反应和自由基聚合反应;最后洗涤冷冻干燥即得氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料。本发明通过以绿色溶剂低共熔溶剂为单体和交联剂,采用偶氮二异丁腈同时引发巯基‑烯点击化反应和自由基聚合反应,在氧化石墨烯片层上进行表面分子印迹,作为吸附剂材料具有快传质速率、高选择性,可用于萃取检测原儿茶酸、绿原酸、3,5‑O‑二咖啡酰奎宁酸。

Description

一种氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料、其制备方 法及应用
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域,具体地说是一种氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料、其制备方法及应用。
背景技术
分子印迹材料由于具有结构预定性、特异识别性、化学稳定性等优点,广泛应用于复杂样品中痕量组分的萃取分离。但是随着应用发现,目前分子印迹材料还存在一些不足:如传统分子印迹材料多为块状、球状,印迹位点易被包埋、比表面积较小,导致吸附容量低;常规功能单体种类较少,主要依靠氢键作用萃取目标化合物,作用力较单一,选择性有待进一步提高。低共熔溶剂是一种新型离子液体,具有合成单体种类多、官能团丰富、溶解范围广泛、可设计性强的优点,可根据需求灵活调控氢键供体和受体组成制备得到预期性能的低共熔溶剂,目前已作为反应溶剂、致孔剂、表面修饰剂等应用于材料合成领域。因其具有以上优点,将低共熔溶剂应用于印迹材料制备中可进一步提高其吸附选择性和可设计性。
低共熔溶剂已被用作吸附剂材料的功能化修饰剂,来增加材料吸附作用力种类并提高材料的吸附容量。但常规制备方法中低共熔溶剂接枝率较低,官能团数量较少,且作为吸附剂仍缺乏吸附选择性,因此,需开发新型高效接枝低共熔溶剂的功能化印迹吸附剂,以增加吸附剂官能团种类和数量,从而进一步提高其吸附能力和选择性。但目前的研究对于将低共熔溶剂作为单体和交联剂并以聚合物的形式高效接枝于氧化石墨烯片层表面开发高吸附容量、强特异选择性吸附剂材料的报道很少。
发明内容
本发明的目的就是提供一种氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料、其制备方法及应用,以解决传统分子印迹聚合物印迹位点易被包埋、吸附容量低、选择性有待进一步提高以及低共熔溶剂作为功能化修饰剂接枝率低的问题。
本发明是这样实现的:
本发明开发了一种采用化学共价修饰连接的新型氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料,将低共熔溶剂作为单体和交联剂以印迹聚合物的形式修饰于巯基功能化后的氧化石墨烯表面,作为吸附剂用于样品前处理。
在材料制备过程中使用(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷作为桥梁,并且在分子印迹过程中使用低共熔溶剂(DES)作为单体(含有一个双键)和交联剂(含有两个双键)来改善传统分子印迹聚合物的吸附性能。
本发明所提供的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料的制备方法,具体包括如下步骤:
(1)称取适量氧化石墨烯超声分散于乙醇和水的混合溶液中,使氧化石墨烯均匀分散;加入(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷,并调节体系为碱性,在氮气氛围中于油浴50~70℃条件下反应4~12h,过滤、洗涤、冷冻干燥后得到巯基氧化石墨烯;
(2)合成低共熔溶剂作为单体和交联剂,将氢键受体和氢键供体混合均匀后在80~100℃下加热0.5~4h制备低共熔溶剂;
(3)将制备的巯基氧化石墨烯分散于溶剂中,超声分散均匀,将单体、交联剂、模板肾上腺素搅拌溶解于溶剂中,再依次加入到巯基氧化石墨烯分散液中,进行搅拌自组装;
(4)称取引发剂加入到步骤(3)自组装完成后的混合溶液中,然后在氮气氛围下密闭处理后,于油浴60~80℃反应12~36h;
(5)用甲醇-乙酸(9:1)洗涤材料以除去模板分子,再用甲醇洗涤,最后采用去离子水洗涤至pH为7,冷冻干燥,得到氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料。
步骤(1)中所述的混合溶液中乙醇和水体积比为(1~5):1。
步骤(1)中所述氧化石墨烯与(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷的质量比为1:(1~5)。
步骤(1)中采用浓氨水调节体系至碱性。
步骤(2)中所述氢键受体为氯化胆碱、烯丙基三甲基氯化铵中的一种;氢键供体为马来酸、衣康酸、咖啡酸、甲基丙烯酸、尿素中的一种。合成低共熔溶剂选择氢键受体和氢键供体的原则为:作为单体的低共熔溶剂需含有一个双键,作为交联剂的低共熔溶剂需要含有两个双键。
步骤(2)中所述氢键受体与氢键供体的摩尔比为1:(1~2)。
步骤(3)中所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或乙腈。
步骤(3)、(4)中所述加入模板、引发剂、单体、交联剂的摩尔比为1:(0.1~0.4):(2~5):(3~30)。
步骤(3)中所述自组装搅拌时间1~12h。
步骤(1)、(3)中所述的超声剥离和分散的时间为1~4h,超声频率为40~100kHz,功率为100~600W。
步骤(4)中引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN),可同时引发巯基-烯点击化反应和自由基聚合反应。
本发明所制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料作为吸附剂,用于萃取检测原儿茶酸(PCA)、绿原酸(CA)、3,5-O-二咖啡酰基奎宁酸(3,5-DCA)。
本发明提供了以氧化石墨烯为基底的聚低共熔溶剂分子印迹复合材料,具体是先将(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷修饰过的氧化石墨烯分散于DMF中,然后以DES1为功能单体,DES2为交联剂,AIBN为引发剂,热引发制备氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料。DES作为交联剂制备分子印迹聚合物的报道很少,同时作为功能单体和交联剂来合成仅含DES的分子印迹聚合物是非常有意义的。
本发明中氧化石墨烯和低共熔溶剂印迹聚合物通过共价修饰连接,且印迹聚合物连接于氧化石墨烯片层之间,避免了石墨烯片层的聚集结块,维持了较大的比表面积。低共熔溶剂代替传统单体和交联剂,含有丰富的官能团,可提供多种吸附作用力(氢键、π-π共轭、静电吸附等)提高吸附容量和选择性。本发明所制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料呈蓬松状结构,吸附容量高,选择性好,适于用作吸附剂材料应用于样品前处理领域。
附图说明
图1为实施例1所制备巯基氧化石墨烯材料在10000倍下的扫描电镜图和氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料在20000倍下的扫描电镜图。
图2为实施例1所制备氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料在500~4000cm-1波数范围内的红外光谱图。
图3为实施例1所制备氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料的X射线光电子能谱图。
图4为实施例1所制备氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料X射线衍射图。
图5为实施例1所制备氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料有机元素分析图。
图6为实施例1所制备氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料与商业化吸附剂对目标物的吸附量对比图。
图7为实施例1所制备氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料与传统单体交联剂分子印迹材料以及氧化石墨烯/聚低共熔溶剂非印迹材料对目标物的吸附量对比图。
图8为实施例1所制备氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料对含有和目标物相似结构和不同结构的化合物的吸附量图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
在下述实施例中,未详细描述的过程和方法均为本领域公知的常规方法,所采用的试剂均为市售分析纯或化学纯。下述实施例均实现了本发明的发明目的。
实施例1
称取200mg氧化石墨烯超声分散在80mL乙醇和20mL水混合溶液中,超声功率为150W,超声频率为45kHz,超声时间3h,使氧化石墨烯均匀分散,得到氧化石墨烯分散液。通氮气15min,取0.4mL(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷溶解于2mL乙醇中,缓慢滴加到氧化石墨烯分散液中。在氮气氛围中,继续超声20min后置于60℃油浴中,磁力搅拌10min,加入2mL浓度为25%的氨水快速密封反应4h。将反应后的产物采用0.45μm滤膜过滤,用乙醇洗涤之后采用去离子水洗涤至pH为7,冷冻干燥12h,得到巯基功能化氧化石墨烯材料(简称巯基氧化石墨烯),其扫描电镜如图1中(a)所示,巯基氧化石墨烯为表面附着有凸起的片层结构。
合成低共熔溶剂,单体:氢键受体烯丙基三甲基氯化铵(3mmol)和氢键供体尿素(6mmol)混合后在80℃下加热0.5h制备得到单体DES1。交联剂:氢键受体烯丙基三甲基氯化铵(12mmol)和氢键供体衣康酸(12mmol)混合后于80℃下加热1h制备得到交联剂DES2
将制备的巯基氧化石墨烯分散于56mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,超声功率为150W,超声频率为45kHz,超声时间1h分散均匀,得到巯基氧化石墨烯分散液。将制备的单体DES1和交联剂DES2分别搅拌溶解于2mL DMF中,取模板肾上腺素(1mmol)溶解于2mL DMF中,依次加入到超声分散好的巯基氧化石墨烯分散液中,搅拌自组装1h。称取50mg引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)加入超声分散好的巯基氧化石墨烯分散液中。将上述混合溶液在氮气氛围下密闭处理后,于油浴70℃反应24h。
用甲醇-乙酸(9:1,v/v)洗去材料中的模板分子,再用甲醇洗涤,最后采用去离子水洗涤至pH为7,冷冻干燥,得到氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料(PDES-MIP/GO)。其扫描电镜如图1中(b)所示。根据图1中(a)、(b)两幅图的对比可以看出,氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料的结构,由巯基氧化石墨烯的单层变成了多层结构。红外光谱图如图2所示,1088cm-1处出现了新的Si-O-C/Si-O-Si键的伸缩振动吸收峰,这主要是由于(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷中的Si(OCH3)水解产生的硅羟基与氧化石墨烯中的羟基发生反应,表明(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷成功共价修饰于氧化石墨烯表面。2925cm-1和2852cm-1这些峰来自于DES1和DES2的甲基和亚甲基,表明低共熔溶剂接枝成功。
对所得的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料进行X射线光电子能谱表征,如图3所示,其中峰O1s,C1s属于氧化石墨烯的,S2p,Si2p属于(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷的,N1s,Cl2p属于聚低共熔溶剂印迹层。
XRD谱图如图4所示,2θ=12°、2θ=42.48°是氧化石墨烯的第一特征衍射峰和第二特征衍射峰,证实了GO的层状晶体结构。由于氧化石墨烯层间大量含氧基团的存在,其当氧化石墨烯引入(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷和印迹层后,该峰消失。衍射峰向左横移,在2θ=7.84°出现一个宽化的峰,即PDES-MIP/GO间距从氧化石墨烯的0.73nm增大至1.11nm,即增加了0.38nm,这是聚低共熔溶剂分子印迹层插入氧化石墨烯层间,使层间距进一步增大的缘故。这些结果证实了(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷和聚低共熔溶剂层成功嫁接到GO表面。
有机元素分析如图5所示,元素S来源于(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷分子,N来源于单体DES1和交联剂DES2分子,两种元素均匀分布在GO表面上,表明材料的成功制备,且表面修饰的印迹层较均匀。
实施例2
称取200mg氧化石墨烯超声分散在80mL乙醇和20mL水混合溶液中,超声功率为100W,超声频率为100kHz,超声时间4h,使氧化石墨烯均匀分散,得到氧化石墨烯分散液。通氮气15min,取0.4mL(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷溶解于2mL乙醇中,缓慢滴加到氧化石墨烯分散液中。在氮气氛围中,继续超声20min后置于60℃油浴中,磁力搅拌10min,加入2mL浓度为25%的氨水快速密封反应4h。将反应后的产物采用0.45μm滤膜过滤,用无水乙醇洗涤之后采用去离子水洗涤至pH为7,冷冻干燥12h,得到巯基功能化氧化石墨烯材料。
合成低共熔溶剂,单体:氢键受体烯丙基三甲基氯化铵(3mmol)和氢键供体尿素(6mmol)混合后在90℃下加热0.5h制备单体DES1。交联剂:氢键受体烯丙基三甲基氯化铵(12mmol)和氢键供体衣康酸(12mmol)混合后在90℃下加热0.5h制备交联剂DES2
将制备的巯基氧化石墨烯分散于56mL乙腈中,超声功率为100W,超声频率为100kHz,超声时间2h分散均匀。将制备的单体DES1、交联剂DES2以及模板肾上腺素(1mmol)分别搅拌溶解于2mL DMF中,再依次加入到超声分散好的巯基氧化石墨烯分散液中,搅拌自组装12h。称取50mg引发剂AIBN加入。将上述混合溶液在氮气氛围下密闭处理后,油浴70℃反应24h;用甲醇-乙酸(9:1,v/v)洗去模板分子,再用甲醇洗涤,最后采用去离子水洗涤至pH为7,冷冻干燥,得到氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料。
实施例3
将本发明实施例1所制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料作为吸附剂,用于考察对几种目标化合物的吸附性。
自组装管尖固相萃取小柱,填料用量为2mg,分别用1mL甲醇和去离子水进行活化,然后上样1mL浓度为10μg/mL的混标(原儿茶酸、绿原酸、3,5-O-二咖啡酰基奎宁酸),接流出液进行液相色谱分析,检测器为紫外检测器(检测波长为260nm),对原儿茶酸、绿原酸、3,5-O-二咖啡酰基奎宁酸的吸附率分别为:85.4%、94.6%、99.8%,表明制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料对三种目标物均具有良好的吸附性。
实施例4
将本发明实施例1所制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料作为吸附剂,用于考察与其他商业化吸附剂材料的差异。
称取2mg材料(石墨烯、C18、SCX、SAX、硅胶)于10mL离心管中,量取2mL浓度为40μg/mL的混标(原儿茶酸、绿原酸、3,5-O-二咖啡酰基奎宁酸)。摇床12h,温度25℃,离心后取上清液进行液相色谱分析,检测器为紫外检测器(检测波长为260nm),商业化吸附剂对原儿茶酸、绿原酸、3,5-O-二咖啡酰基奎宁酸三个目标物吸附量分别为0~1.18μg/mg、0.16~4.60μg/mg、1.37~20.99μg/mg。PDES-MIP/GO对三个目标物吸附量为15.26μg/mg、19.18μg/mg、36.02μg/mg。表明制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料具有丰富的官能团和吸附作用力,比商业化材料对该三种目标物具有更高的吸附容量,如图6所示。
实施例5
将本发明实施例1所制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料作为吸附剂,用于考察与传统单体交联剂分子印迹材料的差异。
除了不加入模板肾上腺素,用氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料相同的制备方法得到氧化石墨烯/聚低共熔溶剂非印迹材料(PDES-NIP/GO)。用制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹材料相同的方法,把低共熔溶剂单体和交联剂分别替换成甲基丙烯酸和二甲基丙烯酸乙二醇酯,得到氧化石墨烯/甲基丙烯酸分子印迹材料(MAA-MIP/GO)。用制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料相同的方法,把低共熔溶剂单体和交联剂分别换成丙烯酰胺和二苯烯基苯,得到氧化石墨烯/丙烯酰胺分子印迹材料(AM-MIP/GO)。
称取2mg材料(PDES-NIP/GO、PDES-MIP/GO、MAA-MIP/GO、AM-MIP/GO)于10mL离心管中,量取2mL浓度为40μg/mL的混标(原儿茶酸、绿原酸、3,5-O-二咖啡酰基奎宁酸)。摇床中吸附12h,温度25℃,离心后取上清液进行液相色谱分析,检测器为紫外检测器(检测波长为260nm),结果表明通过采用低共熔溶剂作为新型单体和交联剂制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹材料比传统单体交联剂制备得到分子印迹材料以及氧化石墨烯/聚低共熔溶剂非印迹材料对三种目标物具有更高的吸附容量,如图7所示。
实施例6
将本发明实施例1所制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料作为吸附剂,采用不同结构的化合物来进一步考察其吸附选择性。
称取2mg材料(PDES-MIP/GO)于10mL离心管中,量取2mL浓度为30μg/mL的混标(原儿茶酸、绿原酸、3,5-O-二咖啡酰基奎宁酸、橙皮苷、山奈酚、橙皮素、氯丙那林、丙烯酰胺、赤霉素、甲砜霉素),前六种化合物与模板具有一定相似的结构,后四种化合物氯丙那林、丙烯酰胺、赤霉素、甲砜霉素与模板结构差别较大。摇床吸附12h,温度25℃,离心后取上清液进行液相色谱分析,检测器为紫外检测器(检测波长为290nm),PDES-MIP/GO对具有儿茶酚结构的化合物吸附量为5.98~24.15mg/g,对不具有儿茶酚的后四种化合物的吸附量为0.12~0.81mg/g。结果表明制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料对带有儿茶酚结构的目标物具有良好的吸附性,如图8所示。
实施例7
将本发明实施例1所制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料作为吸附剂,采用基质固相分散-离心管尖萃取-液相色谱法,用于毛果一枝黄花实际样品中抗脂活性成分的萃取和检测。
称取3mg毛果一枝黄花粉末于小研钵中,取10μL 1mg/mL的原儿茶酸、绿原酸、3,5-O-二咖啡酰基奎宁酸混合标液(溶剂为甲醇),自然晾干。称取材料(PDES-MIP/GO)2mg于加标的样品粉末中,研磨3min,使加标样品粉末与吸附剂材料混合均匀。制作管尖小柱,将混合好的粉末倒入管尖中,取1mL甲醇-甲酸(9:1,v/v)洗脱,把装有洗脱液的管尖放进10mL离心管中,离心机4000rpm离心10min。取流出液氮吹,用1mL乙腈-水(1:9,v/v)复溶,进行液相色谱分析,检测器为紫外检测器(检测波长为260nm)。原儿茶酸、绿原酸、3,5-O-二咖啡酰基奎宁酸的回收率分别为104.10%、109.37%、109.15%,结果表明制备的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料对目标物具有良好的吸附性,可用于复杂样品中抗脂活性成分的萃取和检测。

Claims (10)

1.一种氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料,其特征是,该氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料是由低共熔溶剂作为单体和交联剂以印迹聚合物的形式修饰于巯基功能化后的氧化石墨烯表面而制成。
2.权利要求1所述氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料的制备方法,其特征是,包括如下步骤:
(1)将氧化石墨烯超声分散于乙醇和水的混合溶液中,使氧化石墨烯分散均匀;加入(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷,并调节体系为碱性,在氮气氛围中于油浴50~70℃条件下反应4~12h,过滤、洗涤、冷冻干燥后得到巯基氧化石墨烯;
(2)合成低共熔溶剂分别作为单体和交联剂;合成低共熔溶剂具体是:将氢键受体和氢键供体混合均匀后在80~100℃下加热0.5~4h制备而成;
(3)将制备的巯基氧化石墨烯分散于溶剂中,超声分散均匀,得到巯基氧化石墨烯分散液;将单体、交联剂、模板肾上腺素分别搅拌溶解于溶剂中,再依次加入到巯基氧化石墨烯分散液中,进行搅拌自组装;
(4)称取偶氮二异丁腈加入到步骤(3)自组装完成后的混合溶液中,然后在氮气氛围下密闭处理后,于油浴60~80℃反应12~36h;
(5)用甲醇-乙酸(9:1)洗涤以除去模板分子,再用甲醇洗涤,最后采用去离子水洗涤至pH为7,冷冻干燥,得到氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料。
3.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料的制备方法,其特征是,步骤(1)中所述的混合溶液乙醇和水体积比为(1~5):1。
4.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料的制备方法,其特征是,步骤(1)中所述氧化石墨烯与(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷的质量比为1:(1~5)。
5.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料的制备方法,其特征是,步骤(1)中采用浓氨水调节体系至碱性。
6.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料的制备方法,其特征是,步骤(2)中所述氢键受体为氯化胆碱或烯丙基三甲基氯化铵,氢键供体为马来酸、衣康酸、咖啡酸、甲基丙烯酸或尿素。
7.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料的制备方法,其特征是,步骤(3)中所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或乙腈。
8.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料的制备方法,其特征是,模板肾上腺素、引发剂、单体与交联剂的摩尔比为1:(0.1~0.4):(2~5):(3~30)。
9.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料的制备方法,其特征是,步骤(1)和(3)中超声时间为1~4h,超声频率为40~100kHz,功率为100~600W。
10.权利要求1-9任一项所述的氧化石墨烯/聚低共熔溶剂分子印迹复合材料作为吸附剂用于样品前处理。
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