CN115453018B - 一种环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置的制备及其应用 - Google Patents

一种环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置的制备及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置的制备及其应用。所述纤维填充针阱微萃取装置包括不锈钢针、铜丝纤维和环糊精改性生物炭涂层，其具体制备方法包括以下步骤：制备环糊精改性生物炭；铜丝纤维预处理；制备溶胶凝胶溶液；将处理的铜丝浸入溶胶凝胶溶液中，再插入环糊精改性生物炭粉末中，固化，制得环糊精改性生物炭涂层纤维；将纤维纵向穿入不锈钢针内制得纤维填充针阱微萃取装置。还公开了上述纤维填充针阱微萃取装置用于土壤中氯苯类物质的萃取，提高了土壤中痕量氯苯检测的灵敏度。

Description

一种环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置的制备 及其应用
技术领域
本发明涉及样品前处理技术和环境分析领域，具体涉及一种以编织铜丝纤维为载体，环糊精改性生物炭为涂层的纤维填充针阱微萃取装置的制备方法及其应用。
背景技术
氯苯类化合物作为一类挥发性有机污染物已被广泛关注，其对人体的呼吸道、神经系统、肝脏、肾脏等都具有潜在毒性作用，且具有持久性、易迁移及生物累积性，被美国环保局列为优先控制污染物。但是其在农药、染料、油漆等合成中被大量使用，目前氯苯广泛分布在水体、土壤等环境中。由于环境基质复杂，且氯苯的挥发性及高疏水性使其在环境中痕量存在，为提高检测方法准确性和灵敏度，合适的样品前处理是非常必要的。
针阱微萃取是一种针型微萃取技术，将吸附剂或涂层纤维填充到特定不锈钢针内制得，通过动态顶空或直接让样品溶液以一定速度流过提取针的方式完成目标物萃取浓缩，和气相色谱联用，将取样、萃取、浓缩和进样集于一体，是一种简单、高效、无溶剂的样品前处理技术。针阱微萃取可实现目标物完全提取，而且由于填充吸附剂量增加，针阱微萃取有更好地萃取效率。另外针阱微萃取的吸附剂被保护在针内，使萃取装置有更好地使用寿命。近年来，关于针阱微萃取在有机污染物分析中的应用被广泛关注，但其在氯苯化合物分析中应用还比较少见。新型针阱微萃取装置的开发用于环境中氯苯类化合物的分析对环境污染监测和保护人类健康具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置及其对土壤中痕量氯苯化合物的萃取方法。利用所述的针阱微萃取装置对土壤中氯苯化合物进行萃取，可提高痕量氯苯化合物检测的灵敏度和准确性。
本发明的第一个目的是提供一种针阱微萃取装置的制备方法，采用的技术方案如下：
S1.采用法式编织法将直径0.1mm的3根铜丝编织到一起，编织长度5cm，浸入甲醇溶液中超声15min后，室温干燥备用。
S2.称取450mgβ-环糊精溶于10mL 7％NaOH溶液，加入250μL环氧氯丙烷，50℃磁力搅拌6h，得到β-环糊精改性溶液。
S3.以石莼藻为碳源，在管式炉中，N2保护下，400～600℃温度下碳化2～6h，得到生物炭粉末。将生物炭置于1mol/L HCl中浸泡12h进行活化，蒸馏水洗至中性后烘干备用。按照1:3质量比将活化后的生物炭加入S2β-环糊精改性溶液中，50℃磁力搅拌6h进行生物炭的改性。得到材料用蒸馏水洗至中性，烘干后得到所述的环糊精改性生物炭。
S4.离心管中分别加入50μL二氯甲烷、50μL甲基三甲氧基硅烷、50μL聚二甲基硅氧烷和30μL95％三氟乙酸，涡旋5min充分混合，得到溶胶凝胶溶液。将S1铜丝浸入溶胶凝胶溶液，抽出后用滤纸擦去表面多余的溶液，置于S3环糊精改性生物炭粉末中，滚动涂覆1-3次，得到环糊精改性生物炭涂层纤维。最后将涂层后的铜丝纤维纵向穿入不锈钢针内(60mm×0.52mm i.d.，0.81mm o.d.)固定，260℃下老化6.5h得到环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置。
本发明的第二个目的是利用上述的针阱微萃取装置萃取土壤中氯苯化合物，采用技术方案如下：
1g土壤样品溶于20mL水中，得含氯苯化合物的样品溶液，转移到顶空瓶内，置于恒温磁力搅拌水浴锅中，将所述环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置插入顶空瓶内，利用蠕动泵进行动态顶空萃取，萃取完成后取下针阱微萃取装置，连接到1mL注射器上，插入气相进样口，在氮气辅助下240℃进行热解吸，完成对土壤中氯苯的萃取。
进一步的，水浴锅温度为30～70℃，优选的，水浴锅温度为60℃；萃取时间为20～40min，优选的，萃取时间为30min。
进一步的，热解吸时间为1～5min，优选的热解吸时间为3min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述的针阱微萃取装置的制备材料廉价易得，装置制备方法简单、成本低，环糊精改性生物炭涂层均匀分布在纤维表面，对氯苯化合物具有良好的萃取效果；萃取介质填充在针内，有效防止涂层脱落，装置使用寿命长。
(2)用所述的针阱微萃取装置萃取土壤中氯苯类化合物，对影响萃取效率的各因素，包括萃取温度、萃取时间、解吸时间进行优化，实现土壤中痕量氯苯化合物的萃取富集，提高氯苯化合物检测准确性与灵敏度；且该方法使用动态顶空方式进行萃取，可缩短萃取时间，实现样品中氯苯化合物完全萃取。
附图说明
图1是环糊精改性生物炭涂层纤维的扫描电镜(SEM)图；
图2为不同生物炭与β-环糊精质量比获得的装置对萃取效率影响的示意图；
图3为不同萃取温度对萃取效率影响的示意图；
图4为不同萃取时间对萃取效率影响的示意图；
图5为不同解吸时间对萃取效率影响的示意图；
图6为β-环糊精改性前后生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置对萃取效率影响的示意图。
具体实施方式
下面结合本说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。分析的氯苯化合物为：1,2-二氯苯(1,2-DCB)、1,2,4-三氯苯(1,2,4-TCB)、1,2,3-三氯苯(1,2,3-TCB)、1,2,4,5-四氯苯(1,2,4,5-TeCB)和1,2,3,4-四氯苯(1,2,3,4-TeCB)。
实施例1：
本实施例提供了一种环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置的制备方法，包括以下步骤：
采用法式编织法将3根直径为0.1mm的铜丝编织到一起，编织长度为5cm。将编织后的铜丝浸入甲醇溶液中超声15min，室温下干燥备用。在10mL 7％NaOH水溶液中，加入450mgβ-环糊精和250μL环氧氯丙烷，50℃磁力搅拌6h，得到β-环糊精改性溶液。以石莼藻为碳源，在管式炉中，N2保护下500℃碳化4h，得到生物炭。将生物炭粉末浸泡在1mol/L HCl中12h进行活化，蒸馏水洗至中性烘干备用。称取150mg活化后的生物炭加入上述β-环糊精改性溶液中，50℃下磁力搅拌6h进行生物炭的改性，最后蒸馏水洗至中性，干燥后得到β-环糊精改性生物炭粉末。
将50μL二氯甲烷、50μL甲基三甲氧基硅烷、50μL聚二甲基硅氧烷和30μL 95％三氟乙酸加入到离心管中，涡旋5min充分混合，得到溶胶凝胶溶液。将处理后的铜丝纤维浸入溶胶凝胶溶液，抽出后用滤纸擦去表面多余的溶液，置于环糊精改性生物炭粉末中，滚动涂覆3次，得到环糊精改性生物炭涂层纤维。最后将涂层后的铜丝纤维纵向穿入不锈钢针内(60mm×0.52mm i.d.，0.81mm o.d.)固定，260℃下老化6.5h，得到环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置。
环糊精改性生物炭涂层纤维扫描电镜如图1所示，可见环糊精改性生物炭均匀的分布在纤维表面，纤维表面粗糙，增大其比表面积。
实施例2：
本实施例提供了一种利用实施例1所述的针阱微萃取装置萃取土壤中氯苯化合物的方法，具体步骤如下：
1g土壤样品溶于20mL水中，得含氯苯化合物的样品溶液，转移到顶空瓶内，置于60℃恒温磁力搅拌水浴锅中，将实施例1所述环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置插入顶空瓶内，利用蠕动泵进行动态顶空萃取，30min后取下针阱微萃取装置，连接到1mL注射器上，插入气相进样口，在氮气辅助下240℃热解吸3min，完成对土壤中氯苯的萃取及气相分析。
气相色谱分析条件：
HP-5毛细管柱(30mm×0.32mm内径)作为分离柱；N2作为载气，不分流进样模式，进样口温度为250℃；程序升温：初始温度为50℃，以15℃/min升至100℃，再以5℃/min升125℃；FID检测器温度为250℃。
实施例3：
本实施例考察了不同生物炭与β-环糊精质量比条件下获得的针阱微萃取装置对萃取效率的影响。
按照实施例1所述方法制备针阱微萃取装置，区别在于，加入活化的生物炭与β-环糊精的质量比分别为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5。如图2所示，当生物炭与环糊精质量比为1:3时，萃取效率最好，因此本发明选择最佳活化生物炭与环糊精质量比为1:3。
实施例4：
本实施例考察实施例1所述的针阱微萃取装置在不同萃取温度条件下，对氯苯化合物萃取效率的影响。
按照实施例2所述方法萃取氯苯化合物，区别在于，水浴锅温度分别为30、40、50、60、70℃。如图3所示，当萃取温度在30～60℃时，随着萃取温度的增加，萃取效率随之增加；当温度增加到70℃时，萃取效率几乎没有变化，因此本发明选择最佳萃取温度为60℃。
实施例5：
本实施例考察实施例1所述的针阱微萃取装置在不同萃取时间条件下，对氯苯化合物萃取效率的影响。
按照实施例2所述方法萃取氯苯化合物，区别在于，萃取时间分别为20、25、30、35、40min。由图4可知，当萃取时间为30min时，可获得最大提取效率，因此本发明选择最佳萃取时间为30min。
实施例6：
本实施例考察实施例1所述的针阱微萃取装置在不同解吸条件下，对氯苯化合物萃取效率的影响。
按照实施例2所述方法萃取氯苯化合物，区别在于，热解吸时间分别为1、2、3、4、5min。由图5可知，随着解吸时间的增加，氯苯类化合物的萃取效率随之增加，3min时萃取峰面积达到最高，且时间继续增加后峰面积趋于稳定，因此本发明选择最佳解吸时间为3min。
对比例1：
为了证明β-环糊精改性生物炭为涂层的纤维填充针阱微萃取装置对氯苯化合物萃取效率的影响，本对比例制备了非改性的生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置：采用法式编织法将三根直径为0.1mm的铜丝编织到一起。将编织后的铜丝浸入甲醇溶液中超声15min，室温下干燥备用。以石莼藻为碳源，在管式炉中，N2保护下500℃碳化4h，得到生物炭。将生物炭粉末浸泡在1mol/L HCl中12h进行活化，蒸馏水洗至中性烘干备用。
将50μL二氯甲烷、50μL甲基三甲氧基硅烷、50μL聚二甲基硅氧烷和30μL 95％三氟乙酸涡旋5min充分混合，得到溶胶凝胶溶液。将处理后的铜丝纤维浸入溶胶凝胶溶液，抽出后用滤纸擦去表面多余的溶液，置于生物炭粉末中，滚动涂覆3次，得到生物炭涂层纤维。最后将涂层后的铜丝纤维纵向穿入不锈钢针内(60mm×0.52mm i.d.，0.81mm o.d.)固定，260℃下老化6.5h，得非改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置。将此装置与实施例1中所述的装置对氯苯化合物萃取效率进行对比，结果如图6所示，可见环糊精改性的生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置对氯苯化合物有更好地萃取效率。

Claims (7)

1.一种环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
S1.采用法式编织法将3根铜丝纤维编织到一起，浸入甲醇溶液中超声15min后，室温晾干备用；
S2.称取450mgβ-环糊精溶于10mL 7％NaOH溶液，加入250μL环氧氯丙烷，50℃磁力搅拌6h，得到β-环糊精改性溶液；
S3.以石莼藻为碳源，在管式炉中，N2保护下加热一定时间碳化得到生物炭粉末；将生物炭置于1mol/L HCl中浸泡12h进行活化，蒸馏水洗至中性后烘干备用；将一定量活化后的生物炭加入S2β-环糊精改性溶液中，50℃磁力搅拌6h进行生物炭的改性，得到的材料用蒸馏水洗至中性，烘干后得到所述的环糊精改性生物炭；
S4.离心管中分别加入二氯甲烷、甲基三甲氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷和95％三氟乙酸，涡旋5min充分混合，得到溶胶凝胶溶液；将S1铜丝浸入溶胶凝胶溶液，抽出后用滤纸擦去表面多余的溶液，置于S3环糊精改性生物炭粉末中，滚动涂覆1-3次，得到环糊精改性生物炭涂层纤维；最后将涂层后的铜丝纤维纵向穿入长为60mm，内径0.52mm，外径0.81mm的不锈钢针内固定，260℃下老化6.5h得到环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置。
2.根据权利要求1所述的环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置的制备方法，其特征在于，S1中铜丝直径为0.05～0.2mm。
3.根据权利要求1所述的环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置的制备方法，其特征在于，S3中管式炉碳化温度为400～600℃，碳化时间为2～6h。
4.根据权利要求1所述的环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置的制备方法，其特征在于，S3中活化后的生物炭与β-环糊精质量比为1:1～1:5。
5.权利要求1～4中任一项制得的纤维填充针阱微萃取装置应用于土壤中氯苯的萃取，其特征包括以下步骤：
1g土壤样品溶于20mL水中，得含氯苯化合物的样品溶液，转移到顶空瓶内，置于恒温磁力搅拌水浴锅中，将所述环糊精改性生物炭涂层纤维填充针阱微萃取装置插入顶空瓶内，利用蠕动泵进行动态顶空萃取，萃取完成后取下针阱微萃取装置，连接到1mL注射器上，插入气相进样口，在氮气辅助下240℃进行热解吸，完成对土壤中氯苯的萃取及分析。
6.根据权利要求5所述应用，其特征在于水浴锅温度为30～70℃，萃取时间为20～40min。
7.根据权利要求5所述应用，其特征在于热解吸时间为1～5min。
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