一种基于磁性氧化石墨烯的混合半胶束固相萃取剂的制备方法与流程

本发明涉及一种基于磁性氧化石墨烯的混合半胶束固相萃取剂的制备方法，并将其作为磁性固相萃取的吸附剂，来萃取和富集复杂基质中的化合物。属于新材料科学研究领域。

背景技术：

混合半胶束固相萃取技术是近年发展的一种用于富集复杂基质中有机物、无机物、重金属离子的固相萃取技术，这种技术基于表面活性剂(离子型表面活性剂或离子液体)和电荷相反的金属氧化物(二氧化硅，氧化铁，氧化铝)表面之间的相互作用形成混合半胶束，胶束的外表面是疏水性长链而内部为离子，这就提供了两种分析物的保留机制。以此作为固相萃取的吸附剂，对样品中的待测物进行富集，净化和浓缩。这种新型的固相萃取技术具有萃取效率高，分析物易洗脱，吸附剂可重复利用多种优点，适合复杂基质中分析物的富集。然而，由于一些比表面积小的纳米微粒作为吸附剂，所以在大体积样品分析的过程中，往往会消耗大量的时间和有机溶剂。特别是在应用于复杂基质样品的研究测定时，还需要经过繁琐费时的样品预处理过程。

为了克服这个问题，磁性支撑材料技术引起了广泛的关注，而支撑材料的选择通常是一些比表面积大的材料，如碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等。与碳纳米管相比，石墨烯及其衍生物具有更大的比表面积，故更适合于分析物的富集。磁性氧化石墨烯具有以下优势：(1)磁性氧化石墨烯具有优异的磁性能，应用于富集材料时，可在外加磁场作用下，快速高效地实现固液分离，不需要进行过滤、离心等复杂的前处理过程；(2)磁性氧化石墨烯具有极高的比表面积，将其应用于样品的前处理过程，特别是大体积样品和复杂的生物样品/环境样品中的微量甚至痕量分析物的富集分离，可获得较好的效果；(3)磁性氧化石墨烯在水溶液中具有良好的分散性且由于氧化石墨烯的特殊结构，使其特别适合萃取芳香或疏水性分析物。将磁性氧化石墨烯作为支撑材料，开发新型的混合半胶束固相萃取剂，可解决传统混合半胶束固相萃取技术遇到的难题。

离子液体(ionicliquids)又称为室温离子液体(roomtemperatureionicliquid)、室温熔融盐(roomtemperaturemoltensalts)、有机离子液体等，是指仅由离子组成在室温或低温下为液体的盐。自1914年第一个离子液体——硝基乙胺被发现，近一个世纪以来，离子液体在环境保护、生物质能源、仿生科学、合成化学、电化学、分离分析科学等众多领域都得到了广泛的关注与研究。与传统的有机溶剂和电解质相比，离子液体具有一系列突出优点：(1)蒸 气压低、不挥发、无色、无味；(2)有较大的稳定温度范围，较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口；(3)通过阴阳离子的设计可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性，并且其酸度可调至超酸。近年来，由于离子液体在作为环境友好的溶剂方面有很大的潜力，故也称之为“绿色溶剂”(greensolvents)。

将离子型表面活性剂或者离子液体与磁性氧化石墨烯进行组装形成混合半胶束，并将其作为磁性固相萃取的吸附剂，用于生物样品/环境样品中待测药物的高效富集与检测。我们选择头孢类药物作为模型药物，头孢类药物具有很广泛的药理作用，可破坏细菌的细胞壁，并在繁殖期杀菌。头孢类药物对细菌的选择作用强，而对人体几乎没有毒性，具有抗菌谱广、抗菌作用强、耐青霉素酶、过敏反应少等优点。是一类高效、低毒、临床广泛应用的抗生素。此外头孢哌酮中含有哌嗪基，氮杂双环；头孢噻肟中含有噻唑基，氮杂双环，这些结构均有疏水的性质，适合于磁性氧化石墨烯的吸附。

技术实现要素：

技术问题：

本发明的目的是克服传统固相萃取技术中需要填装固相萃取柱、消耗大量的有机溶剂、需要大量的前处理时间等缺点。在磁性支撑材料的基础上，提供了一种基于磁性氧化石墨烯的混合半胶束固相萃取剂的制备方法，我们采用改良的hummers法合成氧化石墨烯，并通过溶剂热法合成磁性氧化石墨烯。将合成的磁性氧化石墨烯作为支撑材料，与离子液体进行组装形成混合半胶束固相萃取剂，并且将该方法制备的磁性固相萃取剂应用于生物样品/环境样品中药物的富集。该萃取剂具有以下优点：萃取剂用量少，萃取效率高；环境友好，成本低廉；操作简单，萃取速度快；稳定性好，可再生和重复利用。

技术方案：

本发明的技术解决方案为：

1.一种基于磁性氧化石墨烯的混合半胶束固相萃取剂的制备方法包括如下几步：

a.氧化石墨的制备：取一定量的天然鳞片石墨和高锰酸钾，放入圆底烧瓶中，加入h2so4/h3po4的混酸后，待升温至一定温度后，放入油浴中，采用机械搅拌在一定温度下反应一定时间后取出，将取出的溶液倒入一定体积的蒸馏水中，加入一定量的h202，此时溶液呈亮黄色，离心后用蒸馏水反复洗涤至中性，于60℃真空干燥至恒重，得到氧化石墨。

b.氧化石墨烯的制备：将步骤a制得的氧化石墨配制成悬浮液，放入超声波粉碎仪进行超声粉碎。粉碎完毕后进行离心分离，以去除下层较厚的氧化石墨，得到离心管中的上层溶液即为氧化石墨烯溶液。

c.磁性氧化石墨烯的制备：将步骤b制得的氧化石墨烯、三氯化铁、乙酸钠加入到由乙二醇和二乙二醇组成的混合溶剂中，超声一定时间后得到黑色的溶液，将其转入聚四氟乙烯材质的反应釜中，密封，置于马弗炉中反应，反应结束后冷却至室温，用甲醇和水清洗数次，于60℃真空干燥至恒重，得到磁性氧化石墨烯。

d.混合半胶束固相萃取剂的制备：将步骤c制备得到的磁性氧化石墨烯加入到一定体积缓冲溶液中，然后加入一定量的离子型表面活性剂或离子液体，超声分散，然后在外部磁场作用下分离除去上清液，得到混合半胶束固相萃取剂。

2.设计了一个高效、快捷的磁性混合半胶束固相萃取流程，并将其应用于生物样品或环境样品中药物的富集和分离：向离心管中加入一定量磁性混合半胶束固相萃取剂和一定体积的待测样品，超声后振荡使其吸附平衡，磁场分离除去上清液，富集的待分析物用适当的洗脱，洗脱液用氮气吹干并复溶于甲醇，过滤后用液相色谱分析。

3.进一步的，所述步骤a中，浓h2so4/h3po4体积比为5∶1～15∶1，石墨的量为1.0～10.0g，高锰酸钾的量为6.0～18.0g，反应温度为40～120℃，反应时间为6～24h，

4.再进一步的，所述步骤b中，超声时间为1～5h。

5.再进一步的，所述步骤c中，氧化石墨烯的浓度为25～100g/l；三氯化铁的摩尔浓度为0.05～0.5mol/l；乙二醇和二乙二醇的比例为1∶5～5∶1；超声时间为0.5～4h反应温度为150℃～250℃，反应时间为4～24h。

6.再进一步的，所述步骤d中，表面活性剂为十二烷基硫酸钠(sds)、十八烷基三甲基溴化铵(otmabr)、十六烷基三甲基溴化铵(ctab)；离子液体为氯化1-己基-3-甲基咪唑(c6mimcl)、溴化1-己基-3-甲基咪唑(c6mimbr)、氯化1-十二烷基-3-甲基咪唑(c12mimcl)、溴化1-十二烷基-3-甲基咪唑(c12mimbr)、1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(c12mimpf6)氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑(c16mimcl)、溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑(c16mimbr)；磁性氧化石墨烯的用量为2～20mg，表面活性剂的用量为1～10mg，缓冲溶液为磷酸钠缓冲溶液、磷酸钾缓冲溶液、tris-hcl缓冲溶液；缓冲溶液的ph分别为2.0～10.0、2.0～10.0、6.8～9.0；缓冲溶液的浓度为0.02～0.5mol.l^-1，缓冲溶液的体积为1.0～10.0ml。

7.更进一步的，加入尿液的体积为5～50ml；超声时间为2～20min；振荡平衡时间为2～90min；有机溶剂的种类为含0％～5％醋酸的甲醇，含0％～5％醋酸的乙腈，含0％～5％醋酸的丙酮，所用有机溶剂的体积为0.5～3ml；清洗次数为1～5次。

附图说明

图1是本发明制备的基于磁性氧化石墨烯的混合半胶束固相萃取剂的合成及其在生物样品/环境样品中萃取分析物应用的流程示意图。

图2是本发明制得的磁性氧化石墨烯的透射电镜图。

图3是本发明制得的磁性氧化石墨烯的磁滞曲线图。其中插图为在外磁场作用下响应图。

图4是经本发明制得磁性萃取剂富集后得到的色谱图，(a)为空白尿液；(b)为添加了两种头孢类药物的尿液。

具体实施方案

以下实施例为本发明的一些举例，不应被看做是对本发明的限定。

实施例1

①氧化石墨烯的合成：取天然鳞片石墨1.03g，高锰酸钾6.3g，放入圆底烧瓶中，加入h2so4/h3po4(120∶14)的混和酸后，待升温至35℃，放入油浴中，采用机械搅拌在50℃下反应20h后取出，将取出的溶液倒入140ml蒸馏水中，加入15ml的h2o2，颜色出现亮黄色，得到氧化石墨分散溶液。离心，用蒸馏水反复洗涤至中性，于60℃真空干燥至恒重，得到氧化石墨。将上述合成氧化石墨配制成悬浮液，放入超声波粉碎仪进行超声粉碎。破碎完毕后进行离心分离，以去除下层较厚的氧化石墨。离心试管中的上层溶液即氧化石墨烯溶液。

②磁性氧化石墨烯的合成：将0.2g上述制得的氧化石墨烯、1.2g三氯化铁、8.10g乙酸钠加入到由10ml乙二醇和30ml二乙二醇组成的混合溶剂中，超声1h得到黑色的混合溶液，将其转入聚四氟乙烯材质的反应釜中，密封，置于马弗炉中反应10h，反应结束后冷却至室温，用甲醇和水洗数次，于60℃真空干燥至恒重，得到磁性氧化石墨烯。

③混合半胶束固相萃取过程：将4.0mg上述制得的磁性氧化石墨烯、1.0mg十六烷基三甲基溴化铵(ctab)和2ml0.02mol.l^-1ph＝7.0的磷酸钠缓冲溶液依次加入到离心管中，混合液超声分散3min，置于摇床中振荡10min使其平衡，之后用外加磁场置于离心管侧壁将磁性颗粒分离，2s后弃去上清液，然后加入2ml含有40.0ng/ml头孢类药物(头孢哌酮、头孢噻肟)的尿液样品，振摇2min，加外加磁场，弃去上清尿液，富集的分析物用含有1％醋酸的丙酮从磁性萃取剂上洗脱，洗脱液用氮气吹干并复溶于甲醇，过滤后用液相色谱进行分析。结果显示，萃取回收率98％～102％。

实施例2

①氧化石墨烯的合成：取天然鳞片石墨1.03g，高锰酸钾6.3g，放入圆底烧瓶中，加入h2so4/h3po4(100∶10)的混和酸后，待升温至35℃，放入油浴中，采用机械搅拌在60℃ 下反应20h后取出，将取出的溶液倒入140ml蒸馏水中，加入15ml的h2o2，颜色出现亮黄色，得到氧化石墨分散溶液。离心，用蒸馏水反复洗涤至中性，于60℃真空干燥至恒重，得到氧化石墨。将上述合成氧化石墨配制成悬浮液，放入超声波粉碎仪进行超声粉碎。破碎完毕后进行离心分离，以去除下层较厚的氧化石墨。离心试管中的上层溶液即氧化石墨烯溶液。

②磁性氧化石墨烯的合成：将0.2g上述制得的氧化石墨烯、2.0g三氯化铁、8.10g乙酸钠加入到由20ml乙二醇和20ml二乙二醇组成的混合溶剂中，超声1h得到黑色的混合溶液，将其转入聚四氟乙烯材质的反应釜中，密封，置于马弗炉中反应10h，反应结束后冷却至室温，用甲醇和水洗数次，于60℃真空干燥至恒重，得到磁性氧化石墨烯。

③混合半胶束固相萃取过程：将4.0mg上述制得的磁性氧化石墨烯、1.0mg十六烷基三甲基溴化铵(ctab)和2ml0.02mol.l^-1ph＝7.0的磷酸钠缓冲溶液依次加入到离心管中，混合液超声分散3min，置于摇床中振荡10min使其平衡，之后用外加磁场置于离心管侧壁将磁性颗粒分离，2s后弃去上清液，然后加入2ml含有40.0ng/ml头孢类药物(头孢哌酮、头孢噻肟)的尿液样品，振摇2min，加外加磁场，弃去上清尿液，富集的分析物用含有1％醋酸的丙酮从磁性萃取剂上洗脱，洗脱液用氮气吹干并复溶于甲醇，过滤后用液相色谱进行分析。结果显示，萃取回收率98％～102％。

实施例3

①氧化石墨烯的合成：取天然鳞片石墨2.03g，高锰酸钾6.3g，放入圆底烧瓶中，加入h2so4/h3po4(120∶14)的混和酸后，待升温至35℃，放入油浴中，采用机械搅拌在50℃下反应20h后取出，将取出的溶液倒入140ml蒸馏水中，加入15ml的h2o2，颜色出现亮黄色，得到氧化石墨分散溶液。离心，用蒸馏水反复洗涤至中性，于60℃真空干燥至恒重，得到氧化石墨。将上述合成氧化石墨配制成悬浮液，放入超声波粉碎仪进行超声粉碎。破碎完毕后进行离心分离，以去除下层较厚的氧化石墨。离心试管中的上层溶液即氧化石墨烯溶液。

②磁性氧化石墨烯的合成：将0.2g上述制得的氧化石墨烯、1.2g三氯化铁、8.10g乙酸钠加入到由10ml乙二醇和30ml二乙二醇组成的混合溶剂中，超声1h得到黑色的混合溶液，将其转入聚四氟乙烯材质的反应釜中，密封，置于马弗炉中反应10h，反应结束后冷却至室温，用甲醇和水洗数次，于60℃真空干燥至恒重，得到磁性氧化石墨烯。

③混合半胶束固相萃取过程：将4.0mg上述制得的磁性氧化石墨烯、3.0mg十二烷基硫酸钠(sds)和2ml0.02mol.l^-1ph＝7.0的磷酸钠缓冲溶液依次加入到离心管中，混 合液超声分散3min，置于摇床中振荡10min使其平衡，之后用外加磁场置于离心管侧壁将磁性颗粒分离，2s后弃去上清液，然后加入2ml含有40.0ng/ml头孢类药物(头孢哌酮、头孢噻肟)的尿液样品，振摇2min，加外加磁场，弃去上清尿液，富集的分析物用含有1％醋酸的丙酮从磁性萃取剂上洗脱，洗脱液用氮气吹干并复溶于甲醇，过滤后用液相色谱进行分析。结果显示，萃取回收率98％～102％。

实施例4

①氧化石墨烯的合成：取天然鳞片石墨1.03g，高锰酸钾6.3g，放入圆底烧瓶中，加入h2so4/h3po4(100∶14)的混和酸后，待升温至35℃，放入油浴中，采用机械搅拌在50℃下反应20h后取出，将取出的溶液倒入140ml蒸馏水中，加入15ml的h2o2，颜色出现亮黄色，得到氧化石墨分散溶液。离心，用蒸馏水反复洗涤至中性，于60℃真空干燥至恒重，得到氧化石墨。将上述合成氧化石墨配制成悬浮液，放入超声波粉碎仪进行超声粉碎。破碎完毕后进行离心分离，以去除下层较厚的氧化石墨。离心试管中的上层溶液即氧化石墨烯溶液。

②磁性氧化石墨烯的合成：将0.8g上述制得的氧化石墨烯、1.2g三氯化铁、8.10g乙酸钠加入到由10ml乙二醇和30ml二乙二醇组成的混合溶剂中，超声1h得到黑色的混合溶液，将其转入聚四氟乙烯材质的反应釜中，密封，置于马弗炉中反应10h，反应结束后冷却至室温，用甲醇和水洗数次，于60℃真空干燥至恒重，得到磁性氧化石墨烯。

③混合半胶束固相萃取过程：将4.0mg上述制得的磁性氧化石墨烯、1.0mg氯化1-己基-3-甲基咪唑(c6mimcl)和2ml0.02mol.l^-1ph＝7.0的磷酸钠缓冲溶液依次加入到离心管中，混合液超声分散3min，置于摇床中振荡10min使其平衡，之后用外加磁场置于离心管侧壁将磁性颗粒分离，2s后弃去上清液，然后加入2ml含有40.0ng/ml头孢类药物(头孢哌酮、头孢噻肟)的尿液样品，振摇2min，加外加磁场，弃去上清尿液，富集的分析物用含有1％醋酸的丙酮从磁性萃取剂上洗脱，洗脱液用氮气吹干并复溶于甲醇，过滤后用液相色谱进行分析。结果显示，萃取回收率98％～102％。

实施例5

①氧化石墨烯的合成：取天然鳞片石墨1.03g，高锰酸钾6.3g，放入圆底烧瓶中，加入h2so4/h3po4(120∶14)的混和酸后，待升温至35℃，放入油浴中，采用机械搅拌在50℃下反应20h后取出，将取出的溶液倒入140ml蒸馏水中，加入15ml的h2o2，颜色出现亮黄色，得到氧化石墨分散溶液。离心，用蒸馏水反复洗涤至中性，于60℃真空干燥至恒重，得到氧化石墨。将上述合成氧化石墨配制成悬浮液，放入超声波粉碎仪进行超声粉碎。破碎完毕后进行离心分离，以去除下层较厚的氧化石墨。离心试管中的上层溶液即氧化石墨烯溶 液。

②磁性氧化石墨烯的合成：将1.5g上述制得的氧化石墨烯、1.2g三氯化铁、8.10g乙酸钠加入到由10ml乙二醇和30ml二乙二醇组成的混合溶剂中，超声3h得到黑色的混合溶液，将其转入聚四氟乙烯材质的反应釜中，密封，置于马弗炉中反应10h，反应结束后冷却至室温，用甲醇和水洗数次，于60℃真空干燥至恒重，得到磁性氧化石墨烯。

③混合半胶束固相萃取过程：将4.0mg上述制得的磁性氧化石墨烯、1.0mg溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑(c16mimbr)和2ml0.02mol.l^-1ph＝7.0的磷酸钠缓冲溶液依次加入到离心管中，混合液超声分散3min，置于摇床中振荡40min使其平衡，之后用外加磁场置于离心管侧壁将磁性颗粒分离，2s后弃去上清液，然后加入2ml含有40.0ng/ml头孢类药物(头孢哌酮、头孢噻肟)的尿液样品，振摇2min，加外加磁场，弃去上清尿液，富集的分析物用含有1％醋酸的丙酮从磁性萃取剂上洗脱，洗脱液用氮气吹干并复溶于甲醇，过滤后用液相色谱进行分析。结果显示，萃取回收率98％～102％。

实施例6

①氧化石墨烯的合成：取天然鳞片石墨1.03g，高锰酸钾6.3g，放入圆底烧瓶中，加入h2so4/h3po4(120∶14)的混和酸后，待升温至35℃，放入油浴中，采用机械搅拌在50℃下反应20h后取出，将取出的溶液倒入140ml蒸馏水中，加入15ml的h2o2，颜色出现亮黄色，得到氧化石墨分散溶液。离心，用蒸馏水反复洗涤至中性，于60℃真空干燥至恒重，得到氧化石墨。将上述合成氧化石墨配制成悬浮液，放入超声波粉碎仪进行超声粉碎。破碎完毕后进行离心分离，以去除下层较厚的氧化石墨。离心试管中的上层溶液即氧化石墨烯溶液。

②磁性氧化石墨烯的合成：将0.2g上述制得的氧化石墨烯、1.2g三氯化铁、8.10g乙酸钠加入到由10ml乙二醇和30ml二乙二醇组成的混合溶剂中，超声1h得到黑色的混合溶液，将其转入聚四氟乙烯材质的反应釜中，密封，置于马弗炉中反应10h，反应结束后冷却至室温，用甲醇和水洗数次，于60℃真空干燥至恒重，得到磁性氧化石墨烯。

③混合半胶束固相萃取过程：将4.0mg上述制得的磁性氧化石墨烯、1.0mg氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑(c16mimcl)和2ml0.02mol.l^-1ph＝7.0的磷酸钠缓冲溶液依次加入到离心管中，混合液超声分散3min，置于摇床中振荡10min使其平衡，之后用外加磁场置于离心管侧壁将磁性颗粒分离，2s后弃去上清液，然后加入2ml含有40.0ng/ml头孢类药物(头孢哌酮、头孢噻肟)的尿液样品，振摇2min，加外加磁场，弃去上清尿液，富集的分析物用含有1％醋酸的丙酮从磁性萃取剂上洗脱，洗脱液用氮气吹干并复溶于甲醇，过滤后用液相色谱进行分析。结果显示，萃取回收率98％～102％。

析物用含有1％醋酸的丙酮从磁性萃取剂上洗脱，洗脱液用氮气吹干并复溶于甲醇，过滤后用液相色谱进行分析。结果显示，萃取回收率98％～102％。

实施例7

①氧化石墨烯的合成：取天然鳞片石墨1.03g，高锰酸钾6.3g，放入圆底烧瓶中，加入h2so4/h3po4(120∶14)的混和酸后，待升温至35℃，放入油浴中，采用机械搅拌在50℃下反应20h后取出，将取出的溶液倒入140ml蒸馏水中，加入15ml的h2o2，颜色出现亮黄色，得到氧化石墨分散溶液。离心，用蒸馏水反复洗涤至中性，于60℃真空干燥至恒重，得到氧化石墨。将上述合成氧化石墨配制成悬浮液，放入超声波粉碎仪进行超声粉碎。破碎完毕后进行离心分离，以去除下层较厚的氧化石墨。离心试管中的上层溶液即氧化石墨烯溶液。

②磁性氧化石墨烯的合成：将0.2g上述制得的氧化石墨烯、1.2g三氯化铁、8.10g乙酸钠加入到由10ml乙二醇和30ml二乙二醇组成的混合溶剂中，超声1h得到黑色的混合溶液，将其转入聚四氟乙烯材质的反应釜中，密封，置于马弗炉中反应10h，反应结束后冷却至室温，用甲醇和水洗数次，于60℃真空干燥至恒重，得到磁性氧化石墨烯。

③混合半胶束固相萃取过程：将4.0mg上述制得的磁性氧化石墨烯、1.0mg1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(c12mimpf6)和2ml0.02mol.l^-1ph＝7.0的磷酸钠缓冲溶液依次加入到离心管中，混合液超声分散3min，置于摇床中振荡10min使其平衡，之后用外加磁场置于离心管侧壁将磁性颗粒分离，2s后弃去上清液，然后加入2ml含有40.0ng/ml头孢类药物(头孢哌酮、头孢噻肟)的尿液样品，振摇2min，加外加磁场，弃去上清尿液，富集的分析物用含有1％醋酸的丙酮从磁性萃取剂上洗脱，洗脱液用氮气吹干并复溶于甲醇，过滤后用液相色谱进行分析。结果显示，萃取回收率98％～102％。