专利名称：一种羟基瓜环的固相微萃取涂层及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
固相微萃取技术是一种新颖的分析样品前处理技术，属于分析化学技术领域，具体地说是一种羟基瓜环的固相微萃取涂层及其制备方法和应用。
背景技术：
固相微萃取(solid phase microextraction, SPME)技术是一种新颖的样品前处理技术。该技术是由加拿大Waterloo大学的Pawliszyn教授于1989年最先提出的，美国Supelco公司于1993年将其商品化。SPME集采样、萃取、浓缩、进样于一体，具有简便、快速、便携、高效、无需有机溶剂，易于与气相色谱、高效液相色谱、气质联用、毛细管电泳等分析仪器联用的优点。因此，在环境分析、食品分析、药物分析、生物样品分析等领域得到了广泛的应用。SPME的分析目标物除了有机物外，还包括无机物、元素等，可用于气体、液体、固体等样品中各类挥发和半挥发物质的分析，固相微萃取结构包括固相萃取纤维(Fiber SPME)、固相微萃取搅拌棒(SBSE)、管内固相微萃取(In-tube SPME)和固相微萃取膜(SPMEM)等多种。无论哪一种结构形式其表面都要有涂层，因此固相微萃取结构形式是固相微萃取技术的载体。涂层是固相微萃取的“心脏”，源于气相色谱固定液，后来发展到各种吸附材料。目前已商品化的涂层有聚二甲基硅氧烷，聚丙烯酸酯，聚二甲基硅氧烷/ 二乙烯基苯，聚二甲基硅氧烷/羧乙基，二乙烯基苯/羧乙基，聚乙二醇/ 二乙烯基苯，聚乙二醇/模板树脂，二乙烯基苯/羧乙基/聚二甲基硅氧烷，但未见有羟基瓜环制备的新型固相微萃取涂层的报道。固相微萃取纤维的商品涂层种类有限，选择性较差，推荐使用温度普遍偏低(200-280°C )使用寿命短(一般约为40 100次)且价格昂贵等，并且针对不同极性的化合物，需要选用不同极性的涂层，又增大了使用者的费用。固相微萃取搅拌棒，目前商品化的只有聚二甲基硅氧烷涂层，只能对弱极性的化合物萃取，对强极性化合物，则需采用衍生化的方法，费时费力。
发明内容
本发明的目的在于在固相微萃取纤维和固相微萃取搅拌棒载体上化学键合一种新的涂层即本发明所指的一种羟基瓜环的固相微萃取涂层，以克服现有商品固相微萃取纤维涂层和固相微萃取搅拌棒涂层的缺陷和制约。本发明还公开了羟基瓜环的固相微萃取涂层的制备方法和在环境水样中多环芳烃和非留体消炎药物分析的应用。本发明一种含羟基瓜环的固相微萃取涂层，在于以普通五元瓜环(Q [5])或六元瓜环(Q[6])为起始物质，通过过硫酸钾将其氧化并利用Dowex强酸型阳离子交换树脂分离纯化而制得高纯全取代羟基瓜环，简称羟基瓜环，然后将羟基瓜环通过化学反应键合在溶胶-凝胶网络上制得一种全取代羟基瓜环溶胶-凝胶固相微萃取涂层，简称涂层。所指的溶胶-凝胶网络是指二氯甲烷，端羟基聚二甲基硅氧烷，含氢硅油，正硅酸乙酯，Y-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，95%的三氟乙酸聚合而成的。从电镜图中可看出萃取涂层表面具有多孔结构固而可增大萃取吸附量，从红外谱图可看出在1750cm—1处有瓜环羰基峰的存在，表明羟基瓜环已键合在凝胶网络上。本发明一种含羟基瓜环的固相微萃取涂层的制备方法，在于首先制得高纯全取代羟基瓜环，简称羟基瓜环，然后由羟基瓜环与溶胶-凝胶网络化学键合制得全取代羟基瓜环溶胶-凝胶微萃取涂层，简称涂层。(I)羟基瓜环的制备
以普通瓜环五元瓜环或六元瓜环为起始物质，通过过硫酸钾将其氧化为全取代的羟基瓜环，利用Dowex强酸型阳离子交换树脂分离纯化。将合成后的粗品羟基瓜环用含0.03mol/L盐酸的20%的乙酸溶液IOOmL溶解，上样于用20%乙酸溶液预先润洗过的Dowex柱，梯度洗脱，每250mL收集一瓶洗脱液。前20瓶用含0.03mol/L盐酸的20%乙酸溶液淋洗，之后用含0.06mol/L盐酸的30%乙酸溶液淋洗20瓶，然后用含0.1 mol/L盐酸的40%乙酸溶液淋洗20瓶，然后用含0.lmol/L盐酸的50%的乙酸溶液淋洗30-40瓶，最后用含
0.2mol/L盐酸的50%的乙酸淋洗10瓶至结束。取第40到60瓶的洗脱液混合旋转浓缩蒸发至60mL - 70mL，洗脱液浓缩的沉淀析出物就是目标化合物。目标化合物用水和丙酮洗净，烘干即可。(2)涂层的制备
取10 mL聚氯乙烯离心管依次加入羟基五元瓜环或羟基六元瓜环20mg，二氯甲烷(CH2Cl2 >700 μ L，端羟基聚二甲基硅氧烷(OH-PDMS) 150 μ L，含氢硅油(PMHS) 30 μ L，正硅酸乙酯(TEOS) 250 yL，Y-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-560) 250 μ L振荡混匀，再加入95%的三氟乙酸(TFA) 600 μ L振荡3 min，并在12000 r/min离心5 min，取上层清液作为溶胶-凝胶涂层。本发明一种含羟基瓜环的固相微萃取涂层的应用，在于(I)利用涂层制备固相微萃取纤维，然后用固相微萃取纤维对含多环芳烃的环境水样样品进行前处理，并与气相色谱联用的方式分析测定环境水样中的多环芳烃。(2)利用涂层制备固相微萃取搅拌棒，然后利用固相微萃取搅拌棒对含非留体消炎药物的环境水样样品进行前处理，并与反相高效液相色谱(RE-HPLC)联用进行分析测定环境水样中的非留体消炎药物。上述的固相微萃取纤维的制备方法和工艺条件为:
石英纤维的预处理:取一根长度10 Cm直径为20 ym的石英纤维，其中I cm用作粘附溶胶凝胶涂层。用丙酮浸泡3 h干燥后，置于I mol/L的NaOH溶液中I h把石英表面进行羟基化处理，然后放入到0.1 mol/L的HCl溶液中30 min中和表面残留的NaOH，蒸馏水洗净并在氮气保护下干燥备用。取处理后的石英纤维插入溶胶-凝胶涂层溶液中30 min后，垂直提拉，通过沾取次数来控制涂层厚度。把涂溃好的石英纤维放于室温下24 h。将5 μ L微量进样器针外套取下，前端截去2 cm,与I μ L微量进样器内芯组装到一起。并把做好的石英纤维粘到内芯中固定，之后放在GC进样口中，在较小的N2气流下，先保持温度为120 °C，干燥60 min，接着升温到280 °C，继续干燥60 min，最后升至320°C，处理 30 min。涂层清洗:萃取纤维在使用前在80°C蒸馏水中恒温浸泡2h，40°C二氯甲烷中浸泡2 h，氮气吹干，目的是除去涂层中未参加反应的物质。上述的固相微萃取搅拌棒的制备方法和工艺条件为: 将一两端封口，内封铁芯的玻璃管(1.0_ X 20 _)作为固相微萃取搅拌棒的载体。将玻璃管载体全部浸泡在I mol/L的NaOH溶液8h，以便使玻璃管表面有更多的硅羟基，后用去离子水清洗。为了中和表面过量的碱，再把此玻璃管浸泡在0.lmol/L的HCl溶液中2 h，后用去离子水清洗。将玻璃管于120°C下烘干备用。将处理好的玻璃管放入溶胶-凝胶涂层溶液中反复涂覆，然后取出涂好的吸附棒在室温下成胶12 h，涂层的厚度通过涂覆的次数来控制。涂层老化:在N2保护条件下程序升温老化。在60°C下保持30min，后缓慢升温至120°C下保持60min，最后在180°C保持30min得固相微萃取搅拌棒。涂层清洗:搅拌棒在使用前在80°C蒸馏水中恒温浸泡2 h，40°C二氯甲烷中回流清洗2 h，氮气吹干，目的是除去涂层中未参加反应的物质。效果:
本发明该涂层具有三维网状结构，表面积大相应的萃取量也增加，同时键合上去的羟基瓜环由于具有空腔的疏水作用，羰基氧原子的离子-偶极作用以及氢键作用可以进一步能提高涂层对目标分析物的选择性。还因为瓜环的多作用位点，该新型涂层不仅可萃取非极性分子也能萃取极性分子，萃取方式可以是顶空萃取也可直接浸入方式萃取。涂层的结构形式可制备成萃取纤维也可是萃取搅拌棒，萃取后可直接与气相色谱，液相色谱、GS-MS等仪器联用进行下一步的分析测定，简便实用。本发明基于全取代羟基瓜环(十羟基五元瓜环和十二羟基六元瓜环)的新型固相微萃取涂层具有选择性高(富集倍数大)，检出限低(检出限低达到了 ng/L级甚至以下)，线性范围宽(2 -4个数量级)，重现性好(RSD〈±5%)，回收率高(回收率在95.5% — 110%之间)，稳定性好(萃取纤维萃取90次以上，萃取效率没有降低；搅拌棒萃取60次以上，萃取效率没有降低)。萃取的范围广(可以从非极性化合物到极性化合物)，萃取方式灵活，可以是顶空萃取也可是直接浸入萃取，萃取结构多样，可以制备成萃取纤维，也可以将涂层制备成萃取搅拌棒等形式满足不同的分析要求，因此该新型萃取涂层值得推广应用。
图1全取代羟基五元瓜环(HO)ltlQ [5]的合成。图2全取代羟基六元瓜环(HO) 12Q [6]的合成。图3(H0)1CIQ[5]和(HO)12QM的核磁氢谱图。图中只有羟基瓜环的三组特征峰，无其他杂质峰，表明合成分离的羟基瓜环是纯物质。图4PDMS/(HO)2nQ[η] (η=5或6)扫描电镜照片。从电镜图中可看出萃取涂层表面具有多孔的结构，可增大萃取吸附量。图5PDMS/(H0)12Q[6]和 PDMS/(HO) 1(IQ[5]涂层的红外光谱图，其中 a:PDMS; b:(HO) 10Q[5] ; c: (HO)12Q[6] ; d: PDMS/(HO) 10Q[5] ; e: PDMS/(HO) 12Q[6]。从图中可看出在1750CHT1处是瓜环的羰基特征峰，而PDMS/(HO)ltlQ [5]涂层和PDMS/(HO) 12Q[6]涂层的红外谱图都显示含有此特征峰，表明无论五元羟基瓜环还是六元羟基瓜环都已化学键合在凝胶网络上。图6涂层结构示意图 具体实施方式
: 实施例1高纯全取代羟基瓜环的制备
本发明主要采用两种羟基瓜环(十羟基五元瓜环，十二羟基六元瓜环)化学键合在溶胶-凝胶网络上制备涂层。以普通瓜环五元瓜环或六元瓜环为起始物质，通过过硫酸钾将其氧化为全取代的羟基瓜环，利用D0wex强酸型阳离子交换树脂分离纯化。将合成后的粗品羟基瓜环用含0.03mol/L盐酸的20%的乙酸溶液IOOmL溶解，上样于用20%乙酸溶液预先润洗过的Dowex柱，梯度洗涤，每250mL收集一瓶洗脱液。前20瓶用含0.03mol/L盐酸的20%乙酸溶液淋洗，之后用含0.06mol/L盐酸的30%乙酸溶液淋洗20瓶，然后用含0.1 mol/L盐酸的40%乙酸溶液淋洗20瓶，然后用含0.lmol/L盐酸的50%的乙酸溶液淋洗30 - 40瓶，最后用含0.2mol/L盐酸的50%的乙酸淋洗10瓶至结束。取第40到60瓶的洗脱液混合旋转浓缩蒸发至60mL - 70mL，洗脱液浓缩的沉淀析出物就是目标化合物。目标化合物用水和丙酮洗净，烘干即可。实施例2全取代羟基瓜环溶胶-凝胶固相微萃取涂层的制备
取10 mL聚氯乙烯离心管依次加入轻基瓜环(HO)2nQh] (n=5, 6) 20mg, 二氯甲烧(CH2Cl2)700 μ L，端羟基聚二甲基硅氧烷(OH-PDMS) 150 μ L，含氢硅油(PMHS) 30 μ L，正硅酸乙酯(TEOS) 250 UL, Y-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-560) 250 μ L振荡混匀，再加入95%的三氟乙酸(TFA) 600 μ L振荡3 min，并在12000 r/min离心5 min。取上层清液作为溶胶-凝胶涂层。实施例3固相微萃取纤维的制备
石英纤维的预处理:取一根长度10 Cm直径为20 ym的石英纤维，其中I cm用作粘附溶胶凝胶涂层。用丙酮浸泡3 h干燥后，置于I mol/L的NaOH溶液中I h把石英表面进行羟基化处理，然后放入到0.1 mol/L的HCl溶液中30 min中和表面残留的NaOH，蒸馏水洗净并在氮气保护下干燥备用。取处理后的石英纤维插入溶胶-凝胶涂层溶液中30 min后，垂直提拉，通过沾取次数来控制涂层厚度。把涂溃好的石英纤维放于室温下24 h。将5 μ L微量进样器针外套取下，前端截去2 cm,与I μ L微量进样器内芯组装到一起。并把做好的石英纤维粘到内芯中固定，之后放在GC进样口中，在较小的Ν2气流下，先保持温度为120 °C，干燥60 min，接着升温到280 °C，继续干燥60 min，最后升至320°C，处理 30 min。涂层清洗:萃取纤维在使用前在80°C蒸馏水中恒温浸泡2h，40°C二氯甲烷中浸泡
2h，氮气吹干，目的是除去涂层中未参加反应的物质。实施例4.固相微萃取搅拌棒的制备
将一内封铁芯的玻璃管(1.0_ X 20 _)作为固相微萃取搅拌棒的载体。将玻璃管载体全部浸泡在I mol/L的NaOH溶液中8h，以便使玻璃管表面有更多的硅羟基，后用去离子水清洗。为了中和表面过量的碱，再把此玻璃管浸泡在0.lmol/L的HCl溶液中2 h，后用去离子水清洗。将玻璃管于120°C下烘干备用。将处理好的玻璃管放入溶胶-凝胶涂层溶液中反复涂覆，然后取出涂好的吸附棒在室温下成胶12 h，涂层的厚度通过涂覆的次数来控制。涂层老化:在N2保护条件下程序升温老化。在60°C下保持30min，后缓慢升温至120°C下保持60min，最后在180°C保持30min得固相微萃取搅拌棒。
涂层清洗:搅拌棒在使用前在80°C蒸馏水中恒温浸泡2 h，40°C二氯甲烷中回流清洗2 h，氮气吹干，目的是除去涂层中未参加反应的物质。实施例5基于十羟基五元瓜环溶胶-凝胶涂层(PDMS/(0H)1CIQ[5])制备的固相微萃取纤维对环境水样中多环芳烃类物质的萃取检测
多环芳烃(PAHs)是一大类广泛存在于环境中的有机污染物，也是最早被发现和研究的化学致癌物，它们是指两个以上苯环连在一起的化合物，具有相当强的致癌性。本发明以萘、苊、芴和蒽为代表性目标分析物，利用新型涂层制备的萃取纤维(PDMS/(OH)ltlQ[5])，通过顶空萃取和热解析目标化合物，与气相色谱联用的方式分析测定了环境水样中的多环芳烃类物质。在优化的实验条件下,萃取时间40min,萃取温度为55 °C,搅拌速度1000 r/min,离子强度0.15 g/mL NaCl溶液，pH为3.0，解吸时间2min，4种多环芳烃类化合物的线性范围和检出限见下表I。
表
权利要求
1.一种含羟基瓜环的固相微萃取涂层，其特征在于以普通五元瓜环(Q[5])或六元瓜环(Q[6])为起始物质，通过过硫酸钾将其氧化并利用Dowex强酸型阳离子交换树脂分离纯化而制得高纯全取代羟基瓜环，简称羟基瓜环，然后将羟基瓜环通过化学反应键合在溶胶-凝胶网络上制得一种全取代羟基瓜环溶胶-凝胶固相微萃取涂层，简称涂层，所指的溶胶-凝胶网络是指二氯甲烷，端羟基聚二甲基硅氧烷，含氢硅油，正硅酸乙酯，Y-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，95%的三氟乙酸聚合而成的，涂层表面具有多孔结构，因而可增大萃取吸附量，涂层红外谱图在1750CHT1处有瓜环羰基峰的存在，表明羟基瓜环已经键合在凝胶网络上。
2.按照权利要求1所述的一种含羟基瓜环的固相微萃取涂层的制备方法，其特征在于首先制得高纯全取代羟基瓜环，简称羟基瓜环，然后由羟基瓜环与溶胶-凝胶网络化学键合制得全取代羟基瓜环溶胶-凝胶微萃取涂层，简称涂层； (1)羟基瓜环的制备 以普通瓜环五元瓜环或六元瓜环为起始物质，通过过硫酸钾将其氧化为全取代的羟基瓜环，利用Dowex强酸型阳离子交换树脂分离纯化，将合成后的粗品羟基瓜环用含0.03mol/L盐酸的20%的乙酸溶液IOOmL溶解，上样于用20%乙酸溶液预先润洗过的Dowex柱，梯度洗脱，每250mL收集一瓶洗脱液，前20瓶用含0.03mol/L盐酸的20%乙酸溶液淋洗，之后用含0.06mol/L盐酸的30%乙酸溶液淋洗20瓶，然后用含0.1 mo I/L盐酸的40%乙酸溶液淋洗20瓶，然后用含0.lmol/L盐酸的50%的乙酸溶液淋洗30-40瓶，最后用含0.2mol/L盐酸的50%的乙酸淋洗10瓶至结束，取第40到60瓶的洗脱液混合旋转浓缩蒸发至60mL - 70mL，洗脱液浓缩的沉淀析出物就是目标化合物，目标化合物用水和丙酮洗净，烘干即可； (2)涂层的制备 取10 mL聚氯乙烯离心 管依次加入羟基五元瓜环或羟基六元瓜环20mg，二氯甲烷(CH2Cl2 >700 μ L，端羟基聚二甲基硅氧烷(OH-PDMS) 150 μ L，含氢硅油(PMHS) 30 μ L，正硅酸乙酯(TEOS) 250 yL，Y-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-560) 250 μ L振荡混匀，再加入95%的三氟乙酸(TFA) 600 μ L振荡3 min，并在12000 r/min离心5 min，取上层清液作为溶胶-凝胶涂层。
3.按照权利要求1所述的一种含羟基瓜环的固相微萃取涂层的应用，其特征在于(I)利用涂层制备固相微萃取纤维，然后用固相微萃取纤维对含多环芳烃的环境水样样品进行前处理，并与气相色谱联用的方式分析测定环境水样中的多环芳烃；(2)利用涂层制备固相微萃取搅拌棒，然后利用固相微萃取搅拌棒对含非留体消炎药物的环境水样样品进行前处理，并与反相高效液相色谱(RE-HPLC)联用进行分析测定环境水样中的非留体消炎药物。
4.如权利要求3所述的固相微萃取纤维的制备方法和工艺条件为: 石英纤维的预处理:取一根长度IOcm直径为20μπι的石英纤维，其中I cm用作粘附溶胶凝胶涂层，用丙酮浸泡3 h干燥后，置于I mol/L的NaOH溶液中I h把石英表面进行羟基化处理，然后放入到0.1 mol/L的HCl溶液中30 min中和表面残留的NaOH，蒸馏水洗净并在氮气保护下干燥备用； 取处理后的石英纤维插入溶胶-凝胶涂层溶液中30 min后，垂直提拉，通过沾取次数来控制涂层厚度，把涂溃好的石英纤维放于室温下24 h；将5 μ L微量进样器针外套取下，前端截去2cm，与IyL微量进样器内芯组装到一起，并把做好的石英纤维粘到内芯中固定，之后放在GC进样口中，在较小的N2气流下，先保持温度为120°C，干燥60 min,接着升温到280°C，继续干燥60 min,最后升至320 V，处理.30 min ； 涂层清洗:萃取纤维在使用前在80°C蒸馏水中恒温浸泡2h，40°C二氯甲烷中浸泡2 h，氮气吹干，目的是除去涂层中未参加反应的物质； 上述的固相微萃取搅拌棒的制备方法和工艺条件为: 将一两端封口，内封铁芯的玻璃管(1.0_ X 20 _)作为固相微萃取搅拌棒的载体,将玻璃管载体全部浸泡在I mol/L的NaOH溶液中8h，以便使玻璃管表面有更多的硅羟基，后用去离子水清洗，为了中和表面过量的碱，再把此玻璃管浸泡在0.lmol/L的HCl溶液中2h，后用去离子水清洗，将玻璃管于120°C下烘干备用； 将处理好的玻璃管放入溶胶-凝胶涂层溶液中反复涂覆，然后取出涂好的吸附棒在室温下成胶12 h，涂层的厚度通过涂覆的次数来控制； 涂层老化:在队保护条件下程序升温老化，在60°C下保持30min，后缓慢升温至120°C下保持60min，最后在1 80 C保持30min得固相微卒取揽祥棒； 涂层清洗:搅拌棒在使用前在80°C蒸馏水中恒温浸泡2 h，40°C二氯甲烷中回流清洗2h，氮气吹干，目的是除去涂层中未参加反应的物质。
全文摘要
本发明一种羟基瓜环的固相微萃取涂层及其制备方法和应用，涉及分析样品前处理技术，属分析化学技术领域，本发明以普通五元瓜环或六元瓜环通过过硫酸钾氧化并经阳离子交换树脂分离纯化制得羟基瓜环，将羟基瓜环通过化学反应键合在溶胶–凝胶网络上制得固相微萃取涂层，用涂层制备固相微萃取纤维与气相色谱联用，对含多环芳烃的环境水样样品分析，并介绍用涂层制备固相微萃取搅拌棒与高效液相色谱联用对含非甾体消炎药进行分析，本发明涂层表面积大，萃取量大，是一种新型固相微萃取涂层，用于分析，选择性高，检出限低，线性范围宽，选择性好。
文档编号B01D15/20GK103157453SQ20131011482
公开日2013年6月19日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者董南, 刘康, 张丽君 申请人:贵州大学