一种磁场强化固相微萃取效果的方法与流程

本发明属于分析化学样品前处理技术领域，尤其涉及一种磁场强化固相微萃取效果的方法。

背景技术：

样品前处理技术一直是分析领域中最为活跃的领域，也是分析结果可靠性的关键内容之一。广泛应用的样品前处理技术主要是固/液相萃取及衍生技术(如lle、lpme、spe、spme等)，测定手段主要是光谱、色谱及联用技术。好的样品前处理技术需要满足：选择性好、检测限低、灵敏度高、效率高、成本低、绿色环保、易于集成化和微型化。在倡导绿色分析化学的今天，还希望分析过程尽量少用或不用毒性溶剂，改用离子液体、超临界流体等绿色溶剂，以及超声波、微波等绿色辅助萃取技术。

复杂基体中痕量物种测定主要存在的问题是由于样品处理步骤复杂导致的分析物损失和耗时。据统计，分析工作中80％的时间消耗在样品采集和制备过程中。对于固体、半固体、高粘度液体样品主要采用单步高压液相萃取和超临界流体萃加以解决。对于一般溶液样品来说，借助于脉冲电场辅助的液相微萃取技术和表面活性剂辅助的电膜萃取技术，以及结合分子印迹技术等手段，对于提高目标物的选择性、样品预处理的简单化和微型化非常有帮助。其中，膜萃取分离技术目前主要采用过滤、依靠孔径和电荷极性等特性的筛分分离、膜萃取解析达到浓缩目的。

磁场分离技术亦被称为“绿色分离技术”，其应用已经从分离强磁性大颗粒到去除弱磁性及反磁性的细小颗粒，从最初的矿物分选、煤脱硫发展到工业水处理，从磁性与非磁性元素的分离发展到抗磁性流体均相混合物组分间的分离。磁场分离技术已经在化工、环保、冶金等领域得到了较为充分的研究并有了部分的实际应用，包括高梯度磁分离水处理、控制晶体生长过程、多组分精馏工艺、稀土元素分离等。

磁场分离技术在样品前处理领域的应用目前主要是从电磁泳开始的分离各种磁性颗粒(简单快速的固液分离)：以磁性粒子为核，在外面修饰具有选择吸附性能的基质，在完成对于目标物的吸附萃取后，通过外部磁场利用磁力达到分离收集目标化合物的目的。其主要优势表现在：减少沉淀、离心和过滤等步骤，减少样品用量，磁力通常也不受化学变量(ph、离子强度和表面电荷特性等)的影响，容易实现简单快速的固液分离。磁力在分析领域还被用于微全分析/微流控系统中流体运动控制，以及传感器的界面更新等。

关于磁场强化液液萃取的研究，最早见于1993年，palyska首次报道了用dehpa(二异辛基磷酸)为萃取剂萃取cu²⁺，磁化萃取剂后，铜的分配比提高160倍。此后在冶金和化工等领域，零星报告了一些磁场强化液液萃取的文献。2012年开始陆续报道了磁场强化固相微萃取(magnetism-enhancedsolid-phasemicroextraction)的研究，例如：将磁性纳米粒子固相萃取剂用于微柱固相萃取(μspe)或管内固相微萃取(in-tubespme)时，通过施加磁场能够对目标物实现富集作用，在吸附和解析步骤中，利用反磁性排斥作用选择性操纵微流体装置内的微粒，通过控制磁场方向和磁力大小对于萃取效率和解析效率均有明显的改进作用。其主要原因在于fe3o4磁性纳米颗粒是顺磁性的物质，而大部分的有机分析物是反磁性的。当反磁性的化合物浸入到顺磁性介质中后，会在磁场最小的区域富集，磁场在特定的装置中，通过这种抗排斥作用预浓缩特定的分析物。由于磁场的作用几乎不受限制，利用磁场强化萃取过程有望得到更广泛的应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种磁场强化固相微萃取效果的方法，具有操作简单、检测灵敏度高、操作简单、灵活性大的特点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种磁场强化固相微萃取效果的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)制备固相微萃取基质材料，加入纳米磁核fe3o4通过超声分散制备磁性纳米复合物分散体系；

2)在磁性玻碳电极上磁性纳米复合物分散体系通过涂覆干燥处理完成固相微萃取涂层修饰，得到磁性玻碳修饰电极；

3)将制备好的磁性玻碳修饰电极浸泡在含有待测目标物的样品溶液中进行磁场强化固相微萃取；

4)萃取完成后的磁性玻碳修饰电极作为工作电极，利用电化学发光分析仪进行目标物含量测定。

作为优选，所述步骤1)的固相微萃取基质材料采用氧化石墨烯离子液体，具体制备过程为：

a、将9～11mg氧化石墨烯和18～22ml去离子水混合，再加入18～22mg1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([bmim]pf6)和34～36mgnaoh，超声震荡25～30min；

b.、将上述所得的混合物置于78～82℃条件下搅拌12～14h；

c.、然后边搅拌边缓慢加入28～32μl肼于该混合液中，并在78～82℃条件下保持2.5～3.5h，即得il-go纳米复合物；

d.、将所得的il-go纳米复合物离心，并用去离子水和乙醇各洗涤2～4次，然后重新分散在10ml去离子水中得il-go溶液。

进一步，所述步骤1)的磁性纳米复合物分散体系的制备过程为：

a、向40ml去离子水中溶解470～490mgfecl3·6h2o和170～190mgfecl2·4h2o并超声20～40min，然后在氮气保护下加热搅拌至84～86℃；

b、然后向上述溶液中中加入29～31％的氨水调节ph至9.8～10.2，并继续在氮气保护中剧烈搅拌1.5～2.5h；

c、反应结束后，离心分离得到黑色物质，用去离子水及乙醇分别清洗2～4次并在64～66℃真空干燥得fe3o4纳米粒子；

d、将上述中所得的fe3o4纳米粒子分散在il-go溶液中，fe3o4纳米粒子和il-go复合物的重量比为1：1.8～2.2，优选是1:2，随后所得混合物在78～82℃下搅拌反应1.5～2.5h，即得到fe3o4@il-go磁性纳米复合物溶液。

进一步，所述步骤2)在磁性玻碳电极上磁性纳米复合物分散体系修饰磁性纳米复合物的具体过程为：修饰前，将磁性玻碳电极依次用1.0、0.3、0.05μm的α-三氧化铝抛光粉抛光至镜面，清洗干净后将电极放入0.2mol/lkno3和1mmol/lk3fe(cn)6的混合液中扫描循环伏安曲线，电压范围为-0.2v～0.6v，扫速为50mv/s，得到的循环伏安曲线峰电位差在78mv以下，即表明电极抛光干净，然后将电极依次用去离子水和无水乙醇超声清洗，并用氮气吹干备用；取7～9μl(优选8μl)磁性纳米复合物溶液修饰在电极表面，然后置于35℃恒温干燥箱中干燥成膜，即得到磁性纳米复合物修饰磁性电极。

进一步，所述步骤3)的微萃取过程为：在室温下，将制备好的磁性玻碳修饰电极浸泡在样品溶液中，在90～110rpm转速下搅拌15～25min，进行吸附萃取。

最后，所述步骤4)的含量测定具体过程为：将磁性玻碳修饰电极取出，置于电化学发光测试液中进行含量测定，磁性玻碳修饰电极作为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，构建三电极系统，置入含有10μl0.01mol/lluminol、10μl30mmol/lh2o2、980μl0.1mol/l碳酸盐(ph＝9.9)缓冲溶液中，启动电化学反应，测定电化学发光强度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明磁场强化微萃取效率比未施加磁场有了明显提高，对于提高测定灵敏度非常有价值；

2)借助磁性电极提供外加磁场强化微萃取效果，非常简单方便；

3)本发明采用磁场强化固相微萃取与电化学发光检测联用方法，在实现样品前处理基础上直接利用电化学发光分析仪完成检测，提高了工作效率；

本发明具有萃取效率高、灵敏度高、稳定性好、成本低、简单快速等优点。

附图说明

图1是本发明提供的固相微萃取装置的结构示意图；

图2为本发明的电化学发光技术实现bpa检测的机理图；

图3为不同浓度的bpa对应的电化学发光强度曲线图；

图4为电化学发光强度值i与bpa浓度的对数值之间的线性关系图；

图5为fe3o4@il-go磁性纳米复合物修饰的磁性玻碳电极(mgce)和普通玻碳电极(gce)的电化学发光信号的比较图。

具体实施方式

以下以双酚a作为目标物、以电化学工作站和超微弱发光联用分析仪器(亦可称为电化学发光分析仪)作为检测手段，结合附图，对本发明作进一步详细描述

实施例1

1)制备固相微萃取基质材料，加入纳米磁核fe3o4通过超声分散制备磁性纳米复合物分散体系；

其中固相微萃取基质材料采用氧化石墨烯离子液体，具体制备过程为：

a、将10mg氧化石墨烯和20ml去离子水混合，再加入20mg1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([bmim]pf6)和35mgnaoh，超声震荡25～30min；

b.、将上述所得的混合物置于80℃条件下搅拌13h；

c.、然后边搅拌边缓慢加入30μl肼于该混合液中，并在80℃条件下保持3h，即得il-go纳米复合物；

d.、将所得的il-go纳米复合物离心，并用去离子水和乙醇各洗涤3次，然后重新分散在10ml去离子水中得il-go溶液。

磁性纳米复合物分散体系的制备过程为：

a、向40ml去离子水中溶解480mgfecl3·6h2o和180mgfecl2·4h2o并超声30min，然后在氮气保护下加热搅拌至85℃；

b、然后向上述溶液中中加入30％的氨水调节ph至10.0，并继续在氮气保护下剧烈搅拌2h；

c、反应结束后，离心分离得到黑色物质，用去离子水及乙醇分别清洗2～4次并在65℃真空干燥得fe3o4纳米粒子；

d、将上述中所得的fe3o4纳米粒子分散在il-go溶液中，fe3o4纳米粒子和il-go复合物的重量比为1：2，随后所得混合物在80℃下搅拌反应2h，得到磁性纳米复合物溶液；

2)在磁性玻碳电极上磁性纳米复合物分散体系通过涂覆、干燥处理完成固相微萃取涂层修饰，得到磁性玻碳修饰电极；

具体过程为：修饰前，将磁性玻碳电极依次用1.0、0.3、0.05μm的α-三氧化铝抛光粉抛光至镜面，清洗干净后将电极放入0.2mol/lkno3和1mmol/lk3fe(cn)6的混合液中扫描循环伏安曲线，电压范围为-0.2v～0.6v，扫速为50mv/s，得到的循环伏安曲线峰电位差在78mv以下，即表明电极抛光干净，然后将电极依次用去离子水和无水乙醇超声清洗，并用氮气吹干备用；取8μl磁性纳米复合物溶液修饰在电极表面，然后置于35℃恒温干燥箱中干燥成膜，即得到磁性纳米复合物修饰磁性电极。

3)在室温下，将制备好的磁性玻碳修饰电极浸泡在含有待测目标物的样品溶液中，装置如图1所示，装盛待测溶液2的容器1，容器1放置在磁力搅拌器6上，容器1内放置有搅拌磁子3，在容器的待测溶液里插置有磁性电极4，磁性电极4的底面涂覆有固相微萃取涂层5，在100rpm转速下搅拌20min，进行磁场强化固相微萃取；

4)萃取完成后的磁性玻碳修饰电极作为工作电极，利用电化学发光分析仪进行目标物含量测定；

含量测定具体过程为：将磁性玻碳修饰电极取出，置于电化学发光测试液中进行含量测定，磁性玻碳修饰电极作为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，构建三电极系统，置入含有10μl0.01mol/lluminol、10μl30mmol/lh2o2、980μl0.1mol/l碳酸盐(ph＝9.9)缓冲溶液中，启动电化学反应，测定电化学发光强度。

上述磁场强化固相微萃取与电化学发光联用技术用于检测实际样品中双酚a含量的方法，具体步骤如下：

一、标准曲线的建立

a.修饰有fe3o4@il-go磁性纳米复合物的磁性玻碳电极用0.1mol/l的碳酸盐缓冲溶液冲洗干净后，在含有10μl0.01mol/lluminol、10μl30mmol/lh2o2、980μl0.1mol/l碳酸盐(ph＝9.9)缓冲溶液中，设定电位范围为-0.2～0.6v,扫描速度为100mv/s，启动电化学反应，测定电化学发光强度i0(没有双酚a存在时的luminol的电化学发光强度)；

b.修饰有fe3o4@il-go磁性纳米复合物的磁性玻碳电极浸泡在含有一系列不同浓度的双酚a样品溶液中，在100rpm转速下搅拌20min，进行吸附萃取；

c.将萃取吸附完双酚a的磁性玻碳电极作为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，构建三电极系统，置入含有10μl0.01mol/lluminol、10μl30mmol/lh2o2、980μl0.1mol/l碳酸盐(ph＝9.9)缓冲溶液中，设定电位范围为-0.2～0.6v,扫描速度为100mv/s，启动电化学反应，测定电化学发光强度i,记录一系列不同浓度的双酚a溶液对应的电化学发光强度i,建立电化学发光强度i与双酚a溶液浓度之间的定量关系；

二、待测样品的测定

a.将修饰有fe3o4@il-go磁性纳米复合物的磁性玻碳电极浸泡在含有双酚a的待测样品溶液中按上述操作进行吸附萃取，并用去离子水清洗干净；

b.然后将步骤a中萃取了bpa的磁性电极转移到含有10μl0.01mol/lluminol、10μl30mmol/lh2o2、980μl0.1mol/l碳酸盐(ph＝9.9)缓冲溶液中，设定同样的参数，启动电化学反应，测定电化学发光强度，利用电化学发光强度i与双酚a溶液浓度之间的定量关系，计算得到待测样溶液中双酚a的浓度。

实施例2

利用实施例1中fe3o4@il-go磁性纳米复合物修饰的磁性电极进行固相微萃取双酚a，并用电化学发光技术检测，检测双酚a的机理如图2所示，具体步骤如下：

1)在室温下，将修饰好的电极浸泡在含有双酚a样品溶液中，在100rpm转速下搅拌20min，进行吸附萃取。

2)萃取完成后将修饰电极取出置于电化学发光测试液中进行双酚a含量的测定。fe3o4@il-go修饰的磁性电极作为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，构建三电极系统，置入含有10μl0.01mol/lluminol、10μl30mmol/lh2o2980μl0.1mol/l碳酸盐(ph＝9.9)缓冲溶液中，启动电化学反应，测定电化学发光强度，获得一系列不同浓度的双酚a溶液对应的电化学发光强度i，电化学发光强度i与双酚a浓度对数在0.002～5.0μg/ml范围内呈线性关系(不同浓度的双酚a对应的电化学发光强度，如图3所示)标准曲线为i＝1205.427lgcbpa+3845.76347,线性相关系数r²为0.9981(电化学发光强度i与双酚a浓度对数之间的线性关系图，如图4所示)

待测样品的测定：

a.将修饰有fe3o4@il-go磁性纳米复合物的磁性玻碳电极浸泡在含有双酚a的待测样品溶液中按上述操作进行吸附萃取，并用去离子水清洗干净；

b.然后将上述萃取了双酚a的磁性电极转移到含有10μl0.01mol/lluminol、10μl30mmol/lh2o2、980μl0.1mol/l碳酸盐(ph＝9.9)缓冲溶液中，设定同样的参数，启动电化学反应，测定电化学发光强度，利用电化学发光强度i与bpa溶液浓度对数之间的定量关系i＝1205.427lgcbpa+3845.76347，计算得到待测样溶液中双酚a的浓度，单位为μg/ml。

实施例3

萃取效率的比较

基于双酚a能增敏luminol的电化学发光信号，所以萃取效率可以通过电化学信号的强弱来体现，利用具体实施例一中的合成的fe3o4@il-go磁性纳米复合物，取相同的量分别修饰在磁性玻碳电极(mgce)和普通玻碳电极(gce)表面,然后分别萃取相同浓度的双酚a，然后按照相同的实验条件，启动电化学反应，测定电化学发光强度，测试结果如图5所示，结果表明利用mgce作为工作电极时，电化学发光信号更强，表明萃取的双酚a更多，所以外部磁场能有效提高萃取效率。

实施例4

以实施例1中fe3o4@il-go磁性纳米复合物作为固相萃取材料，并以其修饰的磁性电极作为工作电极，以实施例2中的实验条件，检测三种不同浓度的双酚a标准溶液，结果如下表：

由上表可知，回收率在96.3％～105.4％之间，表明该方法的准确度高，rsd在5.2％～9.2％之间，表明精密度良好。

本发明的原理：

氧化石墨烯，一种以碳为基础的二维纳米材料，由于它具有大的比表面积，大量含氧官能团，并且氧化石墨烯具有大量离域的π电子结构，因此它可以与bpa发生π-π作用或形成氢键从而萃取吸附双酚a。离子液体作为一种新兴的绿色溶剂，导电性，热稳定性好，可以用来分散氧化石墨烯，提高修饰电极的稳定性和均匀性。

根据电磁场理论：磁场可以改变分子间距离，也就是可以改变分子间色散力的大小；分子中的磁矩主要由电子运动贡献，外加磁场会产生诱导磁矩，其方向与外磁场相反，所有闭壳层的分子都具有反磁性质；非极性分子，虽然正负电荷中心在宏观上是重合的，但由于每个原子都会在平衡位置进行振动，在某一瞬间，电子绕核震荡造成排列的畸变，会导致瞬间偶极的产生，上述作用仍然存在。因此，在外加磁场作用下，无论分子的电荷和极性特征如何，都会在不同层次上改变分子的电子运动状态和电子云分布，从而改变分子势垒和内聚力，进而引起宏观性质的变化，诸如表面张力、粘度、介电常数、溶解度、吸附作用、扩散系数、渗透压等方面的特性产生可测量的变化。也就是说，磁场能影响磁性固定相和样品溶液的宏观性质。

因此，当采用磁性固相材料进行样品前处理时，外加磁场必然对分析物在其表面的吸附分配作用产生影响,使得通过改变外加磁场的强度、频率和方向来优化操控样品组分的富集、纯化及分离过程成为可能。本发明在制备的固相微萃取基质材料中引入磁性纳米粒子四氧化三铁，利用磁性电极提供外加磁力，不仅可以提高萃取效果而且可以起到稳定修饰电极的效果。因此本发明合成fe3o4@il-go磁性纳米复合物作为固相微萃取材料修饰在磁性玻碳电极表面，借助电极内部磁铁提供磁力能较好的萃取吸附双酚a，同时fe3o4@il-go磁性纳米复合物修饰电极作为电化学发光检测中的工作电极，实现了目标物的磁场强化萃取与检测一体化。基于双酚a在碱性条件下羟基被氧化对luminol-h2o2电化学发光体系的抑制作用，待测溶液中双酚a含量越高，电化学发光强度的改变值δi也就越大，这也是实现双酚a检测的机理，其抑制机理如图1。

上述实施例只为说明本发明的技术构思，并不限制于上述举例，其目的在于让技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也一同包含这些改动和变型在内。