固相微萃取纤维萃取头及其制备方法与流程

本发明涉及固相微萃取纤维萃取头及其制备方法。

背景技术：

随着人类社会的进步和科学技术的迅速发展，人们的生产生活给生态环境造成了严重的负荷。重金属污染物属于持久性污染物，不仅难以降解，而且在进入环境或生态系统后会留存、累积，转化和循环，环境一旦受到重金属的污染很难治理。重金属元素的毒性与其形态密切相关。例如：Cr⁶⁺(六价铬)的毒性比Cr³⁺(三价铬)大得多，易被人体吸收且在体内蓄积；有机汞的毒性要远比无机汞的大得多，其中又以甲基汞的毒性最大；砷化学形态可分为无机砷和有机砷，无机砷如三价砷和五价砷毒性很大，但其甲基化后则毒性大大降低；硒被认为是营养型微量元素，但是硒的各种形态中，也存在有毒的和无毒之分……很多不同形态的金属化合物以极低的含量(ng/L级别)在自然水体中存在，并可以在不同的化合物形态之间相互转化。因此，仅测量环境水体中元素的总量已不能满足分析的需求。建立元素的高灵敏度高选择性的形态分析方法，是当今分析化学在环境化学中的重要研究热点。烷基汞主要包括甲基汞和乙基汞，是一类具有严重的生物毒性的有机金属化合物，其中毒性最强的是甲基汞。1956年著名的日本水俣病，就是因为烧碱制造工业排放的废水中含有汞离子，通过生物甲基化过程生成甲基汞，并通过食物链在生物体内累积，浓度逐渐增大，最终损害高等生物的神经系统造成的。因为烷基汞属于剧毒化合物，所以它在水体中的限值很低。在我国《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中甲基汞的限值是1ng/L；废水中的限值是不得检出。我国现行的两个国标方法，前处理步骤复杂，需要自制巯基棉或巯基纱布，而且样品用量大，并使用毒性较大的有机溶剂萃取，耗时耗力。美国EPA1630，是单独针对甲基汞的分析方法，需要配备捕集装置与原子荧光仪联用，且分析过程耗时较长。

固相微萃取(Solid phase microextraction，SPME)技术是上世纪九十年代由加拿大Pawliszyn和Arthur首次提出的一种样品前处理技术，它是一种绿色无溶剂的样品萃取技术，操作简便，实现了样品的采集、浓缩和进样于一体，且能与各种分析仪器如气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)、毛细管电泳(CE)、质谱(MS)和电感偶合等离子体光谱(ICP)联用，容易实现自动化操作。

固相微萃取(SPME)的涂层是该项技术的核心。涂层的萃取性能除了与其本身的物理化学性质有关之外，还与涂层制备技术密切相关。随着SPME技术的优点被越来越多的研究工作者认知，SPME的应用也越来越广泛，各种涂层制备技术如溶胶-凝胶法、物理涂渍法、环氧树脂固定法、电化学沉积法、分子印迹法、直接制备法等也获得进一步发展。

溶胶-凝胶技术是一种通用的、低成本的制备无机和有机-无机杂化聚合物材料的方法，为实验室自制纤维涂层的重要方法之一。溶胶-凝胶技术的制备条件温和，生成的凝胶稳定、均匀可以用来制备不同尺寸、不同形状的萃取材料(如纤维、膜、整体材料和单分散颗粒)。

溶胶-凝胶反应的物质一般应包括至少一种前驱体、用来分散前驱体的溶剂、催化剂以及水。前驱体的水解和缩聚反应是均相溶液转变为溶胶的根本原因，控制前驱体水解和缩聚的条件是制备高质量溶胶的前提。溶胶-凝胶涂层的萃取选择性主要取决于涂层的官能团。根据引入官能团的方法不同，可以将溶胶-凝胶涂层制备方法分为两种：一种是直接法，即利用有机硅前驱体直接制备溶胶-凝胶涂层。这种方法可以通过两种途径：一种是直接利用具有特定官能团的烷氧基硅烷，另一种情况是自制含有特定官能团的烷氧基硅烷。另一种制备溶胶-凝胶涂层的方法是键合法，即利用化合物自身具有的或通过化学修饰带上的活性基团，与烷氧基硅烷发生反应，将官能团连接到前驱体上，再通过溶胶-凝胶反应键合到涂层之中。由于溶胶-凝胶法制备的固相微萃取涂层与涂层之间以及涂层与石英纤维表面之间发生了化学键合作用，克服了涂层易脱落的缺点，达到了耐高温、耐溶剂、使用寿命长的效果。但是溶胶-凝胶技术也有其自身的缺点，大量的过程变量，如硅烷化试剂与水的摩尔比、溶胶液pH值、催化剂的种类和用量、反应温度和时间、老化温度和老化时间、有机物杂质等会影响凝胶或晶粒的孔径和比表面积，使其物化特性受到影响，从而影响合成材料的功能性。并且溶胶-凝胶法目前仍是通过手工涂渍来制备涂层，开始涂渍时溶胶液的粘度、纤维从溶胶液中提出的速度等对涂层的结构、厚度和均匀性也有一定的影响。

已有报道的有机金属固相微萃取技术大部分采用商品化100μm的PDMS(二甲基硅氧烷)涂层，对于烷基汞来说，重现性略差。

现有的固相微萃取的萃取头通常包含一萃取部，萃取部以圆柱形纤维作为基底，外表面涂覆吸附涂层(即萃取涂层)，萃取部的一端固定到一根比圆柱形纤维基底稍粗一点的硬质支撑部的一端上，该硬质支撑部的另一端通过螺丝固定到推塞上。萃取头装在中空针筒中。不使用时，萃取部位于中空针筒内部；需要使用时，推动推塞，带动萃取部平移穿出中空针筒，萃取待测样品。现有技术中的萃取头采用了两段式设计——萃取部结合硬质支撑部，以增加整根萃取头的韧性，但这同时也给萃取头的制备大大增加了难度——将细小的圆柱形纤维基底同轴地固定到硬质支撑部上需要很精准的制造工艺，目前世界范围内只有一两家公司可以实现，从而导致萃取头价格非常昂贵。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明提出了一种固相微萃取纤维萃取头，具有改进的结构构造，其制备原材料容易得到，并使其制备工艺能够得到极大简化。

为达到上述目的，本发明的固相微萃取纤维萃取头包含：一支撑部和一萃取部，萃取部包含一萃取部纤维体，萃取部纤维体上附着有萃取吸附层，支撑部包含一支撑部纤维体，支撑部纤维体上附着有加强涂层，萃取部纤维体和支撑部纤维体为一体结构。

进一步地，一段带有加强涂层的石英纤维的一端1-2cm去除加强涂层后作为萃取部纤维体，该段石英纤维的其他部分作为支撑部。

进一步地，加强涂层为聚酰亚胺涂层。

进一步地，萃取部纤维体经过表面粗糙化及碱性溶液浸泡处理以暴露更多的硅醇基。

进一步地，萃取部纤维体的表面粗糙化及碱性溶液浸泡处理以暴露更多的硅醇基的具体步骤为：将萃取部纤维体浸入氢氟酸中腐蚀进行表面粗糙化，然后在氢氧化钠溶液中浸泡以暴露更多的硅醇基。

进一步地，萃取吸附层为聚合物层，化学键合在经过表面粗糙化及碱性溶液处理的萃取部纤维体上。

进一步地，聚合物通过下列反应形成：

首先形成OH-PDMS溶胶-凝胶溶液：

第一步：水解反应

第二步：聚合反应

第三步：OH-PDMS溶胶-凝胶反应

然后萃取部纤维体表面的硅醇基和OH-PDMS溶胶-凝胶溶液进行键合反应，形成聚合物层：

本发明通过改进固相微萃取纤维萃取头的结构，使得萃取头的萃取部和支撑部一体化，在萃取头制备过程中，萃取部和支撑部原本就是一个整体，省去了现有技术中非常难以完成的将萃取头的萃取部和支撑部相互连接的工艺步骤，在很大程度上降低了固相微萃取纤维萃取头的制备难度和成本。

本发明还提出了一种固相微萃取纤维萃取头的制备方法，通过直接对一段石英纤维的一部分进行粗糙化、更多暴露硅醇基、以及键合萃取吸附层处理，得到一体化结构的固相微萃取纤维萃取头，使得纤维萃取头的制备工艺大为简化。

本发明的固相微萃取纤维萃取头的制备方法包含：

步骤(1)：取一段带有加强涂层的石英纤维，其一端1-2cm长度用作制备萃取部，将一端1-2cm长度上的加强涂层去除形成萃取部纤维体，并将暴露出的萃取部纤维体进行粗糙化及碱性溶液浸泡处理以更多的暴露硅醇基，洗净晾干；

步骤(2)：制备OH-PDMS溶胶-凝胶溶液；

步骤(3)：将步骤1中处理好的萃取部纤维体插入制备好的OH-PDMS溶胶-凝胶溶液中，加热一段时间后取出，此时萃取部纤维体上键合有萃取吸附材料，干燥老化；

步骤(4)：验证萃取部，若未达要求则重复步骤3，直至形成满足要求的萃取吸附层厚度。

进一步地，加强涂层是聚酰亚胺涂层。

进一步地，步骤(1)中，将暴露出的萃取部纤维体进行粗糙化及碱性溶液浸泡处理以暴露更多的硅醇基的具体步骤为：将萃取部纤维体浸入氢氟酸中腐蚀，然后在氢氧化钠溶液中浸泡以暴露更多的硅醇基。

进一步地，步骤(2)中，制备OH-PDMS溶胶-凝胶溶液的方法为：将甲基三甲氧基硅氧烷、端羟基聚二甲氧基硅氧烷、含氢硅油、三氟乙酸和水混合后，置于超声波清洗器中持续超声，即得到OH-PDMS溶胶-凝胶溶液。

进一步地，制备OH-PDMS溶胶-凝胶溶液的反应方程式为：

第一步：水解反应

第二步：聚合反应

第三步：OH-PDMS溶胶-凝胶反应

进一步地，步骤(3)中萃取吸附材料为聚合物，由OH-PDMS溶胶-凝胶溶液和经过粗糙化和暴露更多的硅醇基处理的萃取部纤维体表面的硅醇基进行键合反应形成，反应方程式为：

本发明以表面经过酸腐蚀的石英纤维为固相微萃取纤维载体，在溶胶-凝胶反应中引入含有羟基的前驱体和涂层固定相，通过热引发聚合制备一层萃取吸附层，利用重金属与羟基之间的配位作用以及聚合物的吸附能力，萃取和富集烷基汞。

本发明制备的固相微萃取纤维萃取头的优点如下：

1、制备工艺简单，原料易得，工艺设备少；

2、吸附容量高，化学性质稳定；

3、该纤维萃取头可用于测定水质中烷基汞，线性良好；

4、检出限低，灵敏度高。

5、重现性好，准确度高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。

图1是本发明首选实施方式的固相微萃取纤维萃取头的剖面示意图。

图2是本发明首选实施方式的固相微萃取纤维萃取头的萃取部用扫描电镜表征得到的照片。

图3是将本发明首选实施方式的固相微萃取纤维萃取头通过采用气相色谱-三重四极杆串联质谱法测定水质中烷基汞(甲基汞和乙基汞)得到的结果图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的首选实施方式的固相微萃取纤维萃取头1包含：萃取部11、支撑部15。其中，萃取部11包含一萃取部纤维体12，在萃取部纤维体12外表面附着有萃取吸附层14。支撑部15包含一支撑部纤维体16，在支撑部纤维体16外表面附着有加强涂层18。作为本发明的改进之处之一，在本首选实施方式中，萃取部纤维体12和支撑部纤维体16为一体结构，即二者是一个整体，从一根石英纤维上截下后，萃取部纤维体12和支撑部纤维体16之间不曾折断过。

在制备本发明的固相微萃取纤维萃取头时，从一根石英纤维上截取一根石英纤维段，其一端一定长度的纤维体用来制作萃取部，其他部分用来制作支撑部。优选地，出于制备简便，可采用市面上已有的石英纤维成品作为原材料。由于本发明的固相微萃取纤维萃取头所需要的石英纤维非常细，截面直径只有几十到几百μm，还不到1mm粗，很容易折损破裂，因此需要对支撑部提高强度，优选地，在支撑部纤维体16的表面涂覆有加强涂层18以提高石英纤维的强度和韧性。在本首选实施方式中，优选地，选取市场上已有的涂覆有聚酰亚胺涂层的石英毛细管成品来使用。在其他实施方式中，也可以采用表面涂覆有其他成分的加强涂层的石英纤维成品或者在石英纤维上另外涂覆加强涂层。

如图1所示，本发明的首选实施方式的固相微萃取纤维萃取头1采用表面涂覆有聚酰亚胺的中空石英纤维制备而成，因此其萃取部12还具有一中空孔13、支撑部具有一中空孔17，其中中空孔13和中空孔17相互连通。本发明的固相微萃取纤维萃取头1的制备方法包含以下步骤：

步骤(1)：取一截带有加强涂层的石英纤维，其一端1-2cm长度用作制备萃取部，将该一端1-2cm长度上的加强涂层去除形成萃取部纤维体，并将暴露出的萃取部纤维体粗糙化及碱性溶液浸泡以更多的暴露硅醇基，洗净晾干；

步骤(2)：制备端羟基聚二甲氧基硅氧烷(即：OH-PDMS)溶胶-凝胶溶液；

步骤(3)：将步骤1中处理好的萃取部纤维体插入制备好的OH-PDMS溶胶-凝胶溶液中，加热一段时间后取出，此时萃取部纤维体上已经附着有萃取吸附材料，干燥使该萃取吸附材料老化；

步骤(4)：验证萃取部，若未达要求则重复步骤3，直至形成满足要求的萃取吸附层厚度。

在图1中显示的是萃取部的萃取吸附层制备成之后，萃取部的粗细和支撑部的粗细一致，但这只是理论上的一致，在实际操作中，只要二者的粗细相差不大，即认为二者粗细一致，而并非严格意义上的完全一样，在此特别说明。

在步骤(1)中，如果加强涂层是聚酰亚胺，可通过火烧的方式去除，简单快捷；而在其他实施方式中，如果是其他材料的加强涂层，需要采用相应的方式去除。更具体地，将暴露出的萃取部纤维体进行粗糙化及碱性溶液浸泡以更多的暴露硅醇基的方法为：将萃取部纤维体浸入氢氟酸中腐蚀，然后在氢氧化钠溶液中浸泡以暴露硅醇基。然后洗净、室温晾干。其中，对萃取部纤维体进行粗糙化处理最主要地可以使其直径减小，使得在后面的步骤中制备了萃取吸附层之后，萃取部直径能够自由进出金属保护套筒。在粗糙化之后，再将萃取部纤维体在碱性溶液中浸泡，使得萃取部纤维体表面暴露更多的硅醇基，使得在萃取吸附层制备完成之后，萃取头在多次使用时的重现性得到显著提升。

在步骤(2)中，制备OH-PDMS溶胶-凝胶溶液的方法为：将甲基三甲氧基硅氧烷、端羟基聚二甲氧基硅氧烷(即：OH-PDMS)、含氢硅油、三氟乙酸和水混合后，置于超声波清洗器中持续超声，即得到OH-PDMS溶胶-凝胶溶液。在实际操作中，由于三氟乙酸采用的是三氟乙酸溶液，即三氟乙酸和水，因此可以根据三氟乙酸溶液的浓度选择是否还要另外加水。步骤(2)中，生成OH-PDMS溶胶-凝胶溶液的方程式如下：

第一步：水解反应

第二步：聚合反应

第三步：OH-PDMS溶胶-凝胶反应：

在步骤(3)中，萃取吸附材料为聚合物，由上述OH-PDMS溶胶-凝胶溶液和经过粗糙化及碱性溶液浸泡处理的萃取部纤维体表面的硅醇基进行键合反应形成，反应方程式为：

在步骤(4)中，验证萃取部是指对萃取部进行测试，例如对其进行尺寸测量以获知萃取吸附层是否达到所需厚度、或者进行性能测试以获知萃取吸附层是否达到所需性能。其中萃取吸附层的性能和其厚度直接相关。

通过改进固相微萃取纤维萃取头的结构和制备工艺，得到了萃取部和支撑部一体化的固相微萃取纤维萃取头，省去了现有技术中非常难以完成的将萃取头的萃取部和支撑部相互连接的工艺步骤。

在制备好固相微萃取纤维萃取头1后，就可以进一步组装固相微萃取纤维装置。将具有萃取吸附层的固相微萃取纤维萃取头1的支撑部的暴露端用环氧树脂粘在螺丝上，干燥固定，将固相微萃取纤维萃取头1放入金属套筒中，置于干燥器干燥老化12h，再到气相色谱仪进样口中，干燥老化2h，温度从60℃逐渐升至200℃。老化完毕后取出在室温下冷却，备用。以后每次新用之前，固相微萃取纤维萃取头1均需在200℃下干燥老化0.5h。

下面结合更具体的参数来说明本发明的首选实施方式中的固相微萃取纤维萃取头的制备方法。

步骤(1)：将一段带有加强涂层的石英纤维的一端的1-2cm长度去除加强涂层后形成萃取部纤维体，并浸于氢氟酸中1h(萃取部纤维体粗糙化)，取出洗净后，先在1mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡1h以暴露更多的硅醇基，然后洗净，室温下晾干备用；

步骤(2)：OH-PDMS溶胶-凝胶溶液的制备：将300μL甲基三甲氧基硅氧烷、180mg端羟基聚二甲氧基硅氧烷、30mg含氢硅油、200μL三氟乙酸和10μL水混合后，置于超声波清洗器中持续超声30min，即得到OH-PDMS溶胶-凝胶溶液；

步骤(3)：将上述处理好的萃取部插入制备好的OH-PDMS溶胶-凝胶溶液中，加热一段时间取出，加热温度50℃以上，一般取50℃-80℃，温度越高反应越快，太高不好控制，这样纤维表面就键合上一层聚合物涂层(萃取吸附材料)，干燥老化；

步骤(4)：验证萃取部，若经过验证后，萃取吸附层的萃取容量不够，重复上述操作若干次直至萃取吸附层萃取容量满足要求。萃取容量满足要求即意味着萃取吸附层的厚度达到要求。

然后，将附着有羟基聚合物涂层的萃取部加支撑部用环氧树脂粘在螺丝上，固定后装在金属套筒中，置于干燥器干燥12h，再在气相色谱仪进样口中，老化2h，温度从60℃逐渐升至200℃(慢慢升温)。老化完毕后取出再室温下冷却，备用。以后每次新用之前，均在200℃下老化0.5h。

将该萃取部用扫描电镜表征，结果如图2所示。用该萃取部进行水质中烷基汞的萃取及富集，采用气相色谱-三重四极杆串联质谱法测定，多反应监控模式进行扫描。结果如图3所示。

用纯水配制不同浓度的烷基汞标准溶液，浓度范围在1～80ng/L之间，用本发明首选实施方式的固相微萃取纤维萃取头进行萃取、富集、测定，获得的结果线性关系良好，相关系数r≥0.990。

用纯水平行配制7份0.1ng/L烷基汞标准溶液，分析测定。按照HJ168-2010规定，计算7次平行测定的标准偏差S，根据方法检出限计算公式MDL(方法检出限)＝3.143×S，计算该方法的检出限，甲基汞为0.03ng/L，乙基汞为0.03ng/L。该方法检出限可以满足我国地表水及污水排放的限值要求。

采用本发明的固相微萃取纤维萃取头对水中烷基汞进行萃取、富集，检测得到的精密度和准确度结果见表1。实际样品加标浓度为0.10、5.00、50.0ng/L，甲基汞的RSD(相对标准偏差)在3.0～8.2％之间，回收率在77.8～114.8％之间；乙基汞的RSD在5.5～7.2％之间，回收率在92.2～114.3％之间。比较统计的数据可知，自制氢氟酸腐蚀-羟基化聚二甲基硅氧烷固相微萃取纤维的精密度和准确度较好，可以满足实验室分析的需要。

表1

通过上述描述，本领域的普通技术人员可以很容易地理解到，首先实施方式中采用的中空石英纤维的中空孔对于本发明的萃取纤维头并没有贡献,在其他实施方式中，还可以采用实心的石英纤维。

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。