CN115282640A - 一种分子印迹固相微萃取纤维涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

一种分子印迹固相微萃取纤维涂层及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种分子印迹固相微萃取纤维涂层及其制备方法与应用。所述分子印迹固相微萃取纤维涂层是通过在羟基化处理后的纤维基底表面进行含C＝C双键的硅烷化试剂改性，再通过含有巯基的酚类单体与其双键发生巯基‑烯点击反应，后加入交联剂戊二醛、模板分子4,4’‑联苯二氯苄、表面活性剂F127于反应体系中，加入氨水调节溶液为弱碱性，搅拌均匀后通过原位聚合反应进行固化，最后经过洗涤、干燥及去除模板分子得到分子印迹固相微萃取纤维涂层。本发明制备的分子印迹固相微萃取纤维涂层，具有表面粗糙、涂层厚度均一、热稳定性好的特点，同时对目标分析物特异识别性强、增强因子高、萃取效率快的优点，可应用于多氯联苯类有机污染物的萃取分离与富集。

Description

一种分子印迹固相微萃取纤维涂层及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及化学分析检测及样品前处理技术领域，具体地说是一种分子印迹固相微萃取纤维涂层及其制备方法与应用。
背景技术
随着工业化和城市化发展的高速进行，大量化学污染物通过直接或间接的方式进入环境，并随着食物链富集、浓缩进入人体，严重危害人群健康。实现复杂样品基质中较低浓度化学污染物的快速痕量分析及检测是分析化学领域的研究重点之一。
多氯联苯(PCBs)是一类被列为新的有机污染物，由于具有良好的化学稳定性、疏水性、亲油性及耐久性被广泛用于工业及商业领域。例如用于食品包装的印刷油墨、染料和涂料的制造。也正因其化学稳定性及亲脂性，多氯联苯可以在环境中持久存在，并且很容易通过食物链富集到人体中，并对人体造成健康危害，例如糖尿病、脂质代谢紊乱甚至发生癌症。因此，超灵敏检测多氯联苯含量的需求急剧增加。
当前用于检测多氯联苯残留水平的方法有很多，由于其残留水平低且存在的样品基质复杂，样品前处理成为必不可少的步骤。固相微萃取(SPME)克服了传统样品前处理技术的缺陷，集采样、萃取、浓缩、进样于一体，大大加快了分析检测的速度。分子印迹聚合物(MIP) 由于对某种化合物及其类似物具有特定的识别位点，在捕获样品中的痕量分析物时表现出良好的选择性，从而避免了其他化合物的干扰，实现复杂样品中痕量分析物的选择性分离富集。然而，大部分用于多氯联苯的印迹聚合物空腔与目标物仅具有单一的相互作用力，存在选择性差、灵敏度低、线性范围小等问题。
因此，如何制备一种分子印迹固相微萃取纤维涂层用于提高分析方法对多氯联苯的选择性和富集效率是本领域亟待解决的热点和难点问题。
发明内容
本发明的目的就是提供一种分子印迹固相微萃取纤维涂层及其制备方法与应用，以解决现有技术用于多氯联苯的分子印迹聚合物与分析物选择性差、灵敏度低、线性范围小等问题。本发明制备的分子印迹固相微萃取纤维涂层实现了复杂牛奶样品基质中痕量多氯联苯的高效萃取富集和分离。
本发明是这样实现的：一种分子印迹固相微萃取纤维涂层，以含C＝C双键的硅烷化试剂修饰改性后的萃取纤维为基底，以4-巯基苯酚为功能单体、偶氮二异丁腈为引发剂、戊二醛为交联剂、F127为表面活性剂、4,4’-联苯二氯苄为模板分子、N,N-二甲基甲酰胺为反应溶剂，在设定温度下预聚合后，使用氨水调节反应体系为碱性，一定温度下通过原位聚合反应得到分子印迹聚合物涂层，后经甲醇洗涤、室温干燥后去除模板分子制得。
上述方案中，所述4-巯基苯酚的质量是N,N-二甲基甲酰胺质量的0.02～0.04倍。
上述方案中，所述4-巯基苯酚和戊二醛的摩尔比为1:1～1:2。
上述方案中，所述F127的质量为4-巯基苯酚的0.5～3.5倍。
上述方案中，所述4,4’-联苯二氯苄的摩尔量是4-巯基苯酚的0.02～0.23倍。
本发明还提供了一种分子印迹固相微萃取纤维涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)使经过强酸羟基化处理的萃取纤维与3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷-甲醇- 水混合溶剂在25～35℃搅拌条件下充分混匀并进行硅烷化反应，得到表面含有C＝C双键改性的萃取纤维；
(2)将步骤(1)所得萃取纤维插入到溶解有4-巯基苯酚和偶氮二异丁腈的N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，除氧后于设定温度及氮气保护下进行巯基-烯点击反应，得到表面经4-巯基苯酚改性的萃取纤维；
(3)取出萃取纤维，在步骤(2)溶剂中加入交联剂戊二醛、表面活性剂F127、模板分子4,4’-联苯二氯苄，使用氨水调节体系为碱性，搅拌均匀后，使用毛细管通过虹吸作用吸取混合溶剂，保持处理后的萃取纤维稳定浸入在毛细管中的混合溶剂体系中，并于密封环境，设定温度下进行原位聚合反应，得到分子印迹固相微萃取纤维涂层；
(4)将纤维涂层用甲醇清洗后，于室温下干燥，后于300℃、N2保护下热处理以去除表面活性剂F127和模板分子4,4’-联苯二氯苄，得到分子印迹固相微萃取纤维涂层。
步骤(1)中羟基化处理的萃取纤维是经过强酸活化处理得到，所述活化处理为先将萃取纤维经过氢氟酸或者王水(盐酸-硝酸，v:v，3:1)等强腐蚀性酸溶液浸泡5-10min，再用丙酮、甲醇、水分别超声清洗20～30min，然后在100℃条件下干燥处理10h。
步骤(1)中，3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷为硅烷化试剂，在进行硅烷化处理过程中，硅烷化试剂分散于甲醇-水混合体系中，其中水体积为甲醇的0.12～2倍。
步骤(1)中，在磁力搅拌转速200～500r/min条件下进行硅烷化反应。
步骤(3)中，氨水的量为0.3～0.7mL，原位聚合反应时间为12～24h。
步骤(4)中，将所得纤维于室温干燥后，于300℃，N2保护下热处理0.5～2h以去除表面活性剂F127和模板分子4,4’-联苯二氯苄，得到分子印迹固相微萃取纤维涂层。
本发明制备的分子印迹固相微萃取纤维涂层可作为吸附剂在样品前处理领域的应用，例如，可作为吸附剂用于牛奶样品中多氯联苯的萃取分离。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过共价接枝修饰及酚醛树脂原位聚合反应制备得到的分子印迹固相微萃取纤维涂层，具有良好的机械稳定性和热稳定性，提高了萃取纤维的使用寿命。
(2)本发明采用4,4’-联苯二氯苄作为模板分子、与功能单体能够形成氢键和π-π相互作用，通过原位聚合反应制备得到表面粗糙、厚度均一的分子印迹固相微萃取纤维涂层。
(3)本发明制备的分子印迹固相微萃取纤维涂层除了印迹空腔的特异性识别外，聚合物结构中含有的巯基、苯基、羟基等官能团可以通过静电相互作用、π-π堆叠作用和氢键作用与分析物产生相互作用力，表现出对多氯联苯的强特异性吸附及高效富集能力。
附图说明
图1为本发明实施例1中表面活性剂F127不同用量时制备的纤维涂层对目标物萃取效率对比图。
图2为本发明实施例2中模板分子4,4’-联苯二氯苄不同用量时制备的纤维涂层对目标物萃取效率对比图。
图3为本发明实施例2中的未经王水腐蚀的萃取纤维(A)，合成制备分子印迹固相微萃取涂层整体观(B)，分子印迹固相微萃取涂层截面观(C)，分子印迹固相微萃取涂层局部观(D和E)，分子印迹固相微萃取涂层使用后局部观(F)的扫描电镜图。
图4为本发明实施例2中分子印迹固相微萃取涂层元素分布图，复合元素分布图(a)， C元素分布图(b)，O元素分布图(c)，S元素分布图(d)。
图5为本发明实施例2中分子印迹固相微萃取涂层(MIPR coating)和分子印迹酚醛树脂聚合物(MIPR)的傅里叶变换红外光谱图。
图6为本发明实施例2中分子印迹固相微萃取涂层的热重分析图。
图7为本发明实施例2中分子印迹固相微萃取涂层对不同污染物的印迹因子对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以具体实施例详细介绍本发明。
实施例1
不同量的表面活性剂F127制备得到的固相微萃取纤维涂层对多氯联苯萃取效率的比较。
(1)萃取纤维丝前端2cm经王水腐蚀5min，将其与5μL微量进样器组装好后，分别经过丙酮、甲醇和水清洗，100℃下干燥过夜备用。将干燥后的萃取纤维丝插入3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷：水：甲醇(v/v/v,2:1:8)的混合溶剂中，于30℃下进行硅烷化处理2h，之后用乙醇清洗，干燥后待用。
(2)称取2mmol 4-巯基苯酚和14.4mg偶氮二异丁腈于10mL西林瓶中，加入8mL的N,N-二甲基甲酰胺并搅拌溶解。将硅烷化处理好的纤维前端插入西林瓶内，除氧后在70℃，N2保护下反应12h。
(3)取出纤维，分别在西林瓶中加入0g、0.2g、0.4g、0.6g、0.8g的表面活性剂F127，搅拌溶解后加入3mmol戊二醛，室温搅拌2h后再加入0.5mL氨水，搅拌均匀后通过毛细管虹吸作用吸取一定体积混合液，将上述固相萃取纤维插入毛细管液面中，密封两端并继续在70℃下反应24h，反应结束后用甲醇洗针，室温干燥，得到分子印迹固相微萃取纤维涂层。
评价所得到的分子印迹固相微萃取纤维涂层对多氯联苯的萃取效率，萃取及解吸附条件为：萃取加标溶液体积为10mL，浓度是0.2ng/mL，萃取时间30min，萃取温度70℃，解吸附温度300℃，解吸附时间5min，后经气相色谱-串联质谱检测。结果如图1所示，当表面活性剂F127的用量为0.4g时，分子印迹固相微萃取纤维涂层对多氯联苯的萃取效率最高，即：最优表面活性剂的用量为0.4g。
实施例2
不同模板分子4,4’-联苯二氯苄用量制备得到的分子印迹固相微萃取纤维涂层对多氯联苯萃取效率的比较。
(1)萃取纤维丝前端2cm经王水腐蚀5min，将其与5μL微量进样器组装好后，分别经过丙酮、甲醇和水清洗，100℃下干燥过夜备用。将干燥后的萃取纤维丝插入3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷：水：甲醇(v/v/v,2:1:8)的混合溶剂中，于30℃下进行硅烷化处理2h，之后用乙醇清洗，干燥后待用。
(2)称取2mmol 4-巯基苯酚和14.4mg偶氮二异丁腈于10mL西林瓶中，加入8mL 的N,N-二甲基甲酰胺并搅拌溶解。将硅烷化处理好的纤维前端插入西林瓶内，除氧后在70℃，N2保护下反应12h。
(3)取出纤维，在西林瓶中加入0.4g表面活性剂F127，3mmol戊二醛，30℃下搅拌2h后分别加入0mmol、0.05mmol、0.15mmol和0.45mmol模板分子4,4’-联苯二氯苄并搅拌溶解，再加入0.5mL氨水催化聚合，然后通过毛细管虹吸作用吸取一定体积混合液，将固相萃取纤维插入毛细管中，密封两端继续在70℃下反应24h，反应结束后用甲醇清洗，室温干燥，即得到分子印迹固相微萃取纤维涂层。
评价所得到的分子印迹固相微萃取纤维涂层对多氯联苯的萃取效率，萃取及解吸附条件条件如实施例1中所述。结果如图2所示，当模板分子4,4’-联苯二氯苄的用量为0.05mmol 时，分子印迹固相微萃取纤维涂层对多氯联苯的萃取效率最高，即最优模板分子的用量为0.05 mmol。
实施例3
实施例2中制备的分子印迹固相微萃取纤维涂层的表征。
采用扫描电镜表征分子印迹固相微萃取纤维涂层的形貌结构，如图3所示，分别为未经王水腐蚀的萃取纤维(图3A)；生长的分子印迹固相微萃取纤维涂层(图3B)；分子印迹固相微萃取纤维涂层截面观(图3C)；分子印迹固相微萃取纤维涂层表面局部观(图3D、E)和经过多次使用后的分子印迹固相微萃取纤维涂层表面观(图3F)。从图3B，D和E可以看出，分子印迹固相微萃取纤维涂层表面粗糙，呈现出球状凸起结构且具有褶皱；图3C表明涂层厚度均一，为1μm，这有利于增大涂层比表面积以形成更多印迹位点，同时有利于目标分子与涂层材料的内部传质，有助于多氯联苯分子的快速吸附和解吸附。
采用元素分析对分子印迹固相微萃取涂层聚合物的C、O和S元素进行分析，如图4所示，C、O和S三种元素在萃取涂层聚合物中均匀分布，表明涂层制备成功。
图5为实施例2中西林瓶底部沉淀生成的分子印迹酚醛树脂聚合物(MIPR)和实施例2 中纤维表面生长的分子印迹固相微萃取纤维涂层(MIPR coating)的红外光谱图。其中在1100 cm-1处的吸收峰归因于Si-O的伸缩振动，表明萃取纤维硅烷化修饰成功，这为分子印迹聚合物的原位聚合反应提供了基础。此外，3200cm-1的吸收峰归因于分子间氢键的振动；-SH的伸展振动发生在2655cm-1；苯环上的C＝C伸缩振动发生在1493cm-1、1580cm-1和1655cm-1附近；830cm-1处吸收峰归因于苯环上的-CH面外弯曲振动；713cm-1处吸收峰归因于-(CH2)5- 的面内摇摆震动。这些基团均衍生于功能单体4-巯基苯酚和交联剂戊二醛。上述结果表明，在硅烷化的纤维表面成功聚合了分子印迹层。
图6所示为所制备的分子印迹固相微萃取纤维涂层的热重分析图，在N2环境下，从35℃，以10℃min-1升温至700℃。在100℃时的质量损失可以归结于物理吸附水分子的蒸发，在300℃时的质量损失则可以归咎于残余致孔剂F127的分解。值得注意的是，吸附剂在低于300℃时，其发生的质量损失缓慢，这归结于吸附剂的分解，进一步表明纤维涂层具有较高的热稳定性，有应用于固相微萃取纤维涂层的潜力。
选择与模板分子结构差异较大的阿拉特津(atraton)，扑草净(prometryn)，磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole)和β-雌二醇(β-eatradiol)的混合标准溶液进行选择性实验，表征印迹聚合物涂层对多氯联苯的特异性识别效果。从图7可以看出，分子印迹固相微萃取纤维涂层对多氯联苯的选择性(印迹因子，IFs)明显高于其他非同类物质，该纤维涂层对多氯联苯的 IFs为1.61～3.88，说明分子印迹固相微萃取纤维对多氯联苯具有较好的选择性。
这种高选择性是由于印迹涂层中存在与多氯联苯分子尺寸和空间结构相匹配的印迹孔穴，同时印迹涂层中所含有的羟基、巯基、苯基等结构可以与目标分析物存在氢键相互作用、静电相互作用和π-π堆叠作用，因此能够特异性结合多氯联苯。
实施例4
将实施例2中的分子印迹固相微萃取纤维应用于测定牛奶样品中多氯联苯残留的具体案例如下：
称取10g牛奶样品于50mL离心管中，逐滴加入1mL醋酸铅溶液(16wt％)，充分涡旋混匀后10000rpm离心5min，上清液转移至4℃冰箱放置过夜后，再次离心5min，转移上清液于顶空瓶中。
将实验制得的纤维涂层安装在5μL微量注射器上，得到本发明的固相微萃取装置。经对萃取及解吸附参数考察后得到以下最优条件：将待测牛奶处理上清液置于玻璃瓶中并加入0.5 g NaCl，调节高度使分子印迹固相微萃取纤维涂层处于萃取液上部顶空部分，于60℃，900 rpm转速下萃取30min。萃取结束后将纤维涂层置于气相色谱进样口，于280℃下热解析5 min。最后经三重四级杆质谱检测。
通过上述操作，对所建立的方法进行方法学验证，从数据结果可以看出，本发明的分子印迹固相微萃取纤维涂层结合气相色谱-串联质谱法对牛奶中多氯联苯的萃取检测具有较好的准确度和精密度。如表1和表2所示，对五种PCBs的加标回收率为77.5～116.7％，相对标准偏差≤16.5％；方法定量限为0.04-0.22pg mL-1；线性良好(r≥0.9991)，对五种多氯联苯的增强因子(enhancement factors,EFs)在362～2034。实现了本发明中的分子印迹固相微萃取纤维在牛奶中痕量多氯联苯残留检测中的应用，且应用效果良好。
表1分子印迹固相微萃取-气相色谱-串联质谱法对牛奶中多氯联苯的加标回收率实验
Figure BDA0003731376020000071
表2.分子印迹固相微萃取-气相色谱-串联质谱法检测牛奶中PCBs方法学参数
Figure BDA0003731376020000081

Claims (10)

1.一种分子印迹固相微萃取纤维涂层，其特征是，以含C＝C双键的硅烷化试剂修饰改性后的萃取纤维为基底，以4-巯基苯酚为功能单体、偶氮二异丁腈为引发剂、戊二醛为交联剂、F127为表面活性剂、4,4’-联苯二氯苄为模板分子、N,N-二甲基甲酰胺为反应溶剂，在设定温度下预聚合后，使用氨水调节反应体系为碱性，一定温度下通过原位聚合反应得到分子印迹聚合物涂层，后经甲醇洗涤、室温干燥后去除模板分子制得。
2.根据权利要求1所述的分子印迹固相微萃取纤维涂层，其特征是，所述4-巯基苯酚的质量是N,N-二甲基甲酰胺质量的0.02～0.04倍。
3.根据权利要求1所述的分子印迹固相微萃取纤维涂层，其特征是，所述4-巯基苯酚和戊二醛的摩尔比为1:1～1:2。
4.根据权利要求1所述的分子印迹固相微萃取纤维涂层，其特征是，所述F127的质量为4-巯基苯酚的0.5～3.5倍。
5.根据权利要求1所述的分子印迹固相微萃取纤维涂层，其特征是，所述4,4’-联苯二氯苄的摩尔量是4-巯基苯酚的0.02～0.23倍。
6.一种分子印迹固相微萃取纤维涂层的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)使经过强酸羟基化处理的萃取纤维与3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷-甲醇-水混合溶剂在25～35℃搅拌条件下充分混匀并进行硅烷化反应，得到表面含有C＝C双键改性的萃取纤维；
(2)将步骤(1)所得萃取纤维插入到溶解有4-巯基苯酚和偶氮二异丁腈的N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，除氧后于设定温度及氮气保护下进行巯基-烯点击反应，得到表面经4-巯基苯酚改性的萃取纤维；
(3)取出萃取纤维，在步骤(2)溶剂中加入交联剂戊二醛、表面活性剂F127、模板分子4,4’-联苯二氯苄，使用氨水调节体系为碱性，搅拌均匀后，使用毛细管通过虹吸作用吸取混合溶剂，保持处理后的萃取纤维稳定浸入在毛细管中的混合溶剂体系中，并于密封环境，设定温度下进行原位聚合反应，得到分子印迹固相微萃取纤维涂层；
(4)将纤维涂层用甲醇清洗后，于室温下干燥，后于300℃、N2保护下热处理以去除表面活性剂F127和模板分子4,4’-联苯二氯苄。
7.根据权利要求6所述的分子印迹固相微萃取纤维涂层的制备方法，其特征是，步骤(1)中在磁力搅拌转速200～500r/min条件下进行硅烷化反应。
8.根据权利要求6所述的分子印迹固相微萃取纤维涂层的制备方法，其特征是，步骤(3)中，氨水的量为0.3～0.7mL，原位聚合反应时间为12～24h。
9.根据权利要求6所述的分子印迹固相微萃取纤维涂层的制备方法，其特征是，步骤(1)中3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷均匀分散于甲醇-水混合体系中，其中水体积为甲醇的0.12～2倍。
10.权利要求1～9中任一项所述分子印迹固相微萃取纤维涂层作为吸附剂在样品前处理领域的应用。
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