专利名称：一种固相萃取柱及其制备方法
技术领域：
本发明提供了一种固相萃取柱，用于食品中农药残留检测的样品提取净化，本发明还公开了固相萃取柱的制备方法，属于分析化学材料技术领域。
背景技术：
近年来，食品中农药残留问题得到普遍关注，相关的研究也日益增多。农药的种类众多，我国常用的农药有有机氯类、有机磷类、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类等。有机氯类包括六六六，DDT等，我国在1983年禁用该类农药，但由于其半衰期长，至今仍在土壤、地下水中残存，它们容易在人体内蓄积造成慢性中毒，严重危害人类健康。有机磷类和氨基甲酸酯类会会抑制生物体内胆碱酯酶的活性，导致传到介质代谢紊乱，产生迟发性神经毒性。拟除虫菊酯类农药会影响细胞色素C和电子传递系统，引起肌肉震颤与抽搐。样品的净化在农残检测的过程中起着至关重要的作用，食品中农药残留检测的样品净化通常有液-液萃取法、凝胶渗透色谱法、固相萃取法，液-液萃取法是最早使用的一种提取净化方法，利用待测农药在两种不相容的溶剂中溶解度(分配系数)的差异而达到分离的目的，方法耗费溶剂较多，且容易乳化。凝胶渗透色谱是基于体积排除的机理，通过具有分子筛性质的固定相，用来分离分子质量较小的物质还可以分析分子体积不同、具有相同化学性质的高分子同系物。固相萃取作为样品前处理的重要手段逐渐被人重视。固相萃取(Solid PhaseExtraction,简称SPE)，也称固相提取，是一项结合了选择性保留、选择性洗脱等过程的分离技术。其净化模式主要分为两种第一为当复杂的样品溶液通过吸附剂(Sorbent)时，吸附剂会通过极性相互作用、疏水相互作用或离子交换等作用力选择性地保留目标化合物(Aimed Compound)和少量与目标化合物性质相近的干扰物,其他组分则透过吸附剂流出小柱，然后用另一种洗脱能力较强的溶剂体系选择性地把目标物洗脱下来，从而实现对复杂样品的分离、纯化和富集。第二种是指样品溶液通过吸附剂时，主要干扰物被保留，目标物和部分杂质随溶剂流出，在加入 适量溶剂，将目标物完全洗出。这种机制常常用于水果、蔬菜、等样品中多种农药残留的分析以及离子分析中去除脂溶性干扰物。目前市场上固相萃取柱多为单层产品，蔬菜、水果中农残检测用多为双层产品。长期以来，农药残留检测主要采用双层固相萃取净化样品，但是样品类型的复杂化、多样性以及传统吸附填料的单一吸附性质使得检测工作者的工作难度越来越大，这其中备受关注的中草药样品尤为明显。中草药样品成分复杂，主要包括氨基酸、蛋白质、脂肪、皂甙类、多糖类、多肽类化合物，同时含有挥发油、脂肪酸、维生素、微量元素、及重金属等其它成分，对检测工作提出了严峻的挑战。因此，研制一种新型的固相萃取产品解决该需求是本发明的主要目的。
发明内容
本发明公开一种固相萃取柱，解决了传统固相萃取产品的净化效果差的缺点，提高了样品的洁净程度，增加了样品检测的准确性，具有通用性，对于被检测的样品基质选择性低，可适用于绝大多数食品样品的检测。本发明还提供了固相萃取柱的制备方法，适用于工业化生产。本发明提供的固相萃取柱，其技术解决方案如下
在柱管的底部压入出口筛板，装入石墨化碳黑层(吸附剂)，压入一层隔离筛板，再装入多氨基化填料层(吸附剂)，压入隔离筛板后装入疏水基团键合硅胶树脂层(吸附剂)，最后再压入进口筛板；柱管的底部设有萃取柱出口。进口筛板为亲酯型高分子材料烧结而成，孔径在10-200um，厚度5-10mm;出口筛板为疏水型聚合物膜材料制成，孔径5-100um，厚度3-6_。隔离筛板为通用筛板，孔径5-100um,厚度2-5mm ;材料均为聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯制成。石墨化碳黑的孔体积为0. 8-1. 2cm3/g,比表面积为250_400m2/g ;
多氨基化填料层的材料基体为高交联的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸酯聚合物，材料表面为伯胺、仲胺或者叔铵基团，聚合物基体比表面积为1000 m2/g ;
疏水基团键合硅胶为改性的金纳米粒子。本发明所述的石墨化碳黑的制备方法，包括以下步骤
取碳粉用硫酸、盐酸、水、甲醇、丙酮等有机溶剂洗去金属及其它有机物杂质，烘干，定量加入0. lmol/L NaOH后置于高温转化炉中，高纯氦气保护下，以10°C/min升温至1000°C，保温12小时，降至室温后迅速定量加入0. lmol/L K2HPO4,以20°C /min升温至2000°C，保温12小时，降温后重复加AK2HPO4步骤，产物经大量水洗后，丙酮洗涤烘干，即得；为正六元环片层结构，孔体积为0. 8-1. 2cm3/g,比表面积为250-400m2/g。在煅烧过程中加入Na盐、K盐等无机盐，通过空间占有效应，组织材料内部结构，生成孔体积合理、结构均匀、比表面积大的新型石漠化炭黑材料。传统的石墨化炭黑材料孔体积为0. 2-0. 6cm3/ g,比表面积为40-200m2/g,而本发明材料孔体积为0. 8-1. 2cm3/ g,比表面积为250-400m2/g，即本发明材料具有更多的正六元环片层结构，对色素类平面分子具有更强的亲和力，同时对大分子杂质有更强的保留作用。由于本发明其典型应用为农产品中农药残留的分析。植物性样品中往往含有大量色素，比如叶绿素、叶黄素、类胡萝卜素等，这些化合物通常会对农药残留分析产生影响并能危害分析仪器，所以需要去除。实验表明本发明石墨化碳黑材料对这类干扰物的保留最好，是农药多残留分析中必不可少的吸附剂。本发明所述的多氨基化填料的制备方法，包括以下步骤
反应器中加入多孔聚苯乙烯微球、大量浓盐酸、2mol氯化锌、Imol多聚甲醛，加热至70°C，反应24小时，产物过滤，大量水洗至中性后烘干，置于反应器中加入摩尔比3:2:1的浓氨水、乙二胺、三甲胺水溶液，氮气保护下60°C反应48小时，产物过滤，大量水洗至中性后烘干，既得；比表面积为1000 m2/g。传统的硅胶键合SAX、PSA材料其基体为多孔硅胶，比表面积为180-450 m2/g范围，新材料的聚合物基体比表面积可达到1000 m2/g，这样可提供更多的吸附位点，即采用少量的新材料即可吸附大于传统材料3倍以上的化合物；同时，本发明材料表面功能作用基团不是单一的传统型伯胺或季氨基团，而是两种或三种氨基存在形式的的混合基团即伯胺、仲胺、叔铵基团可同时存在，可同时吸附酚羟基类化合物、弱酸类化合物和强酸类化合物，而且本发明材料表面还具有聚合物材料基体的苯环基团，可吸附非极性和弱极性化合物，兼具极性吸附作用、非极性吸附作用和阴离子交换作用，可通过阴离子交换(水溶液)或极性吸附(非极性有机溶液)达到保留作用。当用在非极性溶液中(如正己烷)进行预处理时，能与带有-OH，-NH或-SH官能团的分子形成氢键。对阴离子型有机化合物(比如含有羧基、酚羟基的化合物)具有选择性的保留，同时也可与金属离子产生鳌合作用，用于提取金属离子。本发明所述的疏水基团键合硅胶的制备方法，包括以下步骤
用柠檬酸钠还原氯金酸法得到10-15nm直径的金纳米粒子，另取50um全多孔硅胶加入到反应器中，再依次加入二甲苯30ml、巯基硅烷试剂20ml、吡啶15ml加热回流反应24小时后降温，以甲苯、二氯甲烷、甲醇、丙酮洗涤产物后烘干，加入另一反应器中，加入起初制备的金纳米粒子，再加入过量的正十八硫醇，加热回流反应48小时，产物过滤并以甲醇、丙酮洗后烘干，即得。 疏水基团包括十八烧基、十_■烧基、羊烧基、己烧基、苯基、丁烧基、苯乙基、脂基，所谓改性是指硅胶表面含有金纳米粒子作为间隔桥梁，通过桥梁将疏水基团与硅胶连接在一起，即可增加疏水基团的稳定性，同时可利用金纳米粒子表面具有的亲水亲酯性质吸附杂质，使样品净化得到更加理想的效果。本发明疏水基团呈现非极性或弱极性，与样品中的烃基相互作用，通过色散力吸附样品中的杂质，由于绝大多数有机化合物分子均含有或多或少的非极性基团，非极性相互作用会使这些化合物保留在含有疏水基团的吸附剂上。由于疏水基团的长链效应，填料的极性作用比其它吸附相都小，因而填料对盐没有任何保留。也可以用疏水填料小柱对一些小分子和中等大小分子样品脱盐。此外，在离子分析中，可将含有目标离子的水溶液通过吸附剂，溶液中的弱极性干扰物物(比如脂肪、多环芳烃、邻苯二甲酸酯)被吸附剂保留，从而得到纯净的离子溶液。作为桥梁的纳米金粒子除了具有左右衔接的作用，还具有吸附杂质的功能。纳米金首先可通过非极性色散力吸附部分中等极性杂质，同时通过极性相互作用包括氢键(Hydrogen Bonding),偶极距(Dipole/Dipole),诱导偶极距(Induced Dipole/Dipole), η - π (P1-Pi)和其它多种相互作用力，吸附带有极性基团的干扰物，极性基团上往往是一些电负性差异较大的原子，电子云在这些原子间具有不同的密度，使官能团带有极性，这一性质进而使具有极性官能团的干扰物与吸附剂上的极性官能团发生相互作用。本发明的积极效果在于固相萃取柱为农残检测专用柱为三层吸附材料，通过选择性吸附、选择性洗脱净化复杂样品基质，除去氨基酸、蛋白质、脂肪、皂甙类、多糖类、多肽类化合物、挥发油、脂肪酸、维生素、微量元素、及重金属等杂质，给予GC、HPLC、GC-MS、HPLC-MS等分析仪器一个洁净的样品，延长分析仪器的使用寿命，节约成本，保证农残检测的准确性。主要用于食品、中草药及植物提取物中农药残留检测的样品前处理步骤，避免了传统固相萃取产品的净化效果差的缺点，大大提高了样品的洁净程度，有效的保护分析仪器，增加了样品检测的准确性，提高了检测的灵敏度，节约了时间，提高检测人员的工作效率。并且具有通用性，对于被检测的样品基质选择性低，可适用于绝大多数食品样品的检测。
图1是本发明固相萃取柱的示意图；1、进口筛板；2、隔离筛板；3、出口筛板；4、萃取柱出口 ；5、柱管；6、石墨化碳黑层；7、多氨基化填料层；8、疏水基团键合硅胶树脂层；
图2A为试验例I本发明固相萃取柱净化前的鲜人参提取液谱 图2B为试验例I本发明固相萃取柱净化后的鲜人参提取液谱 图3A为试验例2本发明固相萃取柱净化前的茶叶提取液谱 图3B为试验例2本发明固相萃取柱净化后的茶叶提取液谱 图4A为试验例3本发明固相萃取柱净化前的西洋参片提取液谱 图4B为试验例3本发明固相萃取柱净化后的西洋参片提取液谱图。
具体实施例方式实施例1
石墨化碳黑的制备
取碳粉用硫酸、盐酸、水、甲醇、丙酮等有机溶剂洗去金属及其它有机物杂质，烘干，定量加入0. lmol/L NaOH后置于高温转化炉中，高纯氦气保护下，以10°C/min升温至1000°C，保温12小时，降至室温后迅速定量加入0. lmol/L K2HPO4,以20°C /min升温至2000°C，保温12小时，降温后重复加AK2HPO4步骤，产物经大量水洗后，丙酮洗涤烘干，即得；经比表面积分析仪测试，孔体积为0. 8-1. 2cm3/g,比表面积为250-400m2/g。实施例2 多氨基化填料的制备
反应器中加入多孔聚苯乙烯微球、浓盐酸(50 :1，质量比)、2mol氯化锌、Imol多聚甲醛，加热至70°C，反应24小时，产物过滤，水洗至中性后烘干，置于反应器中加入摩尔比3:2:1的浓氨水、乙二胺、三甲胺水溶液，氮气保护下60°C反应48小时，产物过滤，大量水洗至中性后烘干，既得经比表面积分析仪测试，比表面积为1000 m2/g。实施例3
疏水基团键合硅胶的制备
用柠檬酸钠还原氯金酸法得到10-15nm直径的金纳米粒子，另取50um全多孔硅胶加入到反应器中，再依次加入二甲苯30ml、巯基硅烷试剂20ml、吡啶15ml加热回流反应24小时后降温，以甲苯、二氯甲烷、甲醇、丙酮洗涤产物后烘干，加入另一反应器中，加入起初制备的金纳米粒子，再加入过量的正十八硫醇，加热回流反应48小时，产物过滤并以甲醇、丙酮洗后烘干，即得。实施例4
根据图1所示，本发明固相萃取柱是由空心的柱管I和隔离筛板2、出口筛板3、及石墨化碳黑层6、多氨基化填料层7、疏水基团键合硅胶树脂层8构成，其中，
在柱管5的底部为萃取柱出口 4，由高密度的聚乙烯或聚丙烯等高分子材料制成，具有惰性特点可耐受各种极性和非极性有机溶剂；柱管5的管腔底部设有出口筛板3，并装有石墨化碳黑层6 (参见实施例1)，其上压入一层隔离筛板2，再装入多氨基化填料层7 (参见实施例2 :粒径50um，孔径60 A，比表面积为500 m2 /g，形状球形，碳载量:7%，pKa :10.1、
10.9)，压入隔离筛板2后装入疏水基团键合硅胶树脂层(参见实施例3 :粒径50um，孔径60A，比表面积；500 Hf /g，形状球形，碳载量17%)，最后再压入进口筛板I ; 进口筛板I为亲酯型高分子材料烧结而成，孔径在10-200um，厚度5-10mm ;出口筛板3为疏水型聚合物膜材料制成，孔径5-100um,厚度3-6mm。隔离筛板2为通用筛板,孔径5-100um,厚度2-5mm ;材料均为聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯制成。试验例1:
实验目的本发明固相萃取柱净化效果 样品名称鲜人参 测试时间2012. 9. 10
实验步骤1、取称2克样品，加入丙酮20 mL，高速匀浆I min后，以8000 rpm离心5min,取上清液，移至浓缩瓶中，再向残渣中加入20 mL丙酮，重复提取一次，合并上清液，于35 °C下旋转浓缩至近干，加入乙腈-甲苯(3+1) 5 mL溶解残渣，待净化。2、用10 mL乙腈-甲苯(3+1)预淋洗本发明固相萃取柱，流出液弃去。将5 mL提取液倾入固相萃取柱中，用20 mL乙腈-甲苯(3+1)进行洗脱。收集全部洗脱液于250mL浓缩瓶中，于35 °C水浴中旋转浓缩至近干。用乙腈溶解，并定容至I mL，经0.22 ym滤膜过滤后供液相色谱-质谱/质谱测定。3、将未经过本发明固相萃取柱净化的鲜人参提取液直接进行液相色谱-质谱/质谱测定。实验结果见谱图2A和图2B
实验结论经本发明固相萃取柱净化后，干扰明显减少。试验例2
实验目的本发明固相萃取柱净化效果 样品名称茶叶 测试时间2012. 9. 10
实验步骤1、取称2克样品，加入丙酮20 mL，高速匀浆I min后，以8000 rpm离心5min,取上清液，移至浓缩瓶中，再向残渣中加入20 mL丙酮，重复提取一次，合并上清液，于35 °C下旋转浓缩至近干，加入乙腈-甲苯(3+1) 5 mL溶解残渣，待净化。2、用10 mL乙腈-甲苯(3+1)预淋洗本发明固相萃取柱，流出液弃去。将5 mL提取液倾入固相萃取柱中，用20 mL乙腈-甲苯(3+1)进行洗脱。收集全部洗脱液于250mL浓缩瓶中，于35 °C水浴中旋转浓缩至近干。用乙腈溶解，并定容至I mL，经0.22 ym滤膜过滤后供液相色谱-质谱/质谱测定。3、将未经过本发明固相萃取柱净化的茶叶提取液直接进行液相色谱-质谱/质谱测定。实验结果见谱图3A和图3B。实验结论经本发明固相萃取柱净化后，干扰明显减少。试验例3 :
实验目的本发明固相萃取柱净化效果 样品名称西洋参片 测试时间2012. 9. 10
实验步骤1、取称2克样品，加入丙酮20 mL，高速匀浆I min后，以8000 rpm离心5min,取上清液，移至浓缩瓶中，再向残渣中加入20 mL丙酮，重复提取一次，合并上清液，于35 °C下旋转浓缩至近干，加入乙腈-甲苯(3+1) 5 mL溶解残渣，待净化。2、用10 mL乙腈-甲苯(3+1)预淋洗本发明固相萃取柱，流出液弃去。将5 mL提取液倾入固相萃取柱中，用20 mL乙腈-甲苯(3+1)进行洗脱。收集全部洗脱液于250mL浓缩瓶中，于35 °C水浴中旋转浓缩至近干。用乙腈溶解，并定容至I mL，经0.22 Um滤膜过滤后供液相色谱-质谱/质谱测定。3、将未经过本发明固相萃取柱净化的西洋参片提取液直接进行液相色谱-质谱/质谱测定。实验结果见谱图4A和图4B
实验结论经本发明固相萃取柱净化后，干扰明显减少。试验例4
本发明固相萃取柱的净化效果如下
SPE =ProElut GPR1. 5g/12ml ；
(1)活化10mL乙腈甲苯(3:1),流出液弃去；
(2)上样将待净化液加入小柱，收集流出液；
(3)洗脱5mL乙腈甲苯(3:1)洗旋转蒸发瓶后倒入小柱中，再加入20mL乙腈甲苯(3:1)，收集流出液；
(4)重新溶解在40-45°C 下用减压蒸馏将收集液浓缩至近干，再用氮气吹干，然后加A ImL正己烷溶解残渣后供GC-MS分析。结论经过上诉处理净化的产品，产品基质干扰明显减少，检测低限大大降低，对于多农残检测均可达到〈O. 01mg/kg。回收率达到彡80. 00%。避免了传统固相萃取产品的净化效果差的缺点，大大提高了样品的洁净程度，有效的保护分析仪器，增加了样品检测的准确性，提高了检测的灵敏度，节约了时间，提高检测人员的工作效率。并且具有通用性，对于被检测的样品基质选择性低，可适用于绝大多数食品样品的检测。
权利要求
1.一种固相萃取柱，包括空柱管、筛板、吸附剂，其特征在于在柱管的底部压入出口筛板，装入石墨化碳黑层，压入一层隔离筛板，再装入多氨基化填料层，压入隔离筛板后装入疏水基团键合硅胶层，最后再压入进口筛板；柱管的底部设有萃取柱出口。
2.根据权利要求1所述的固相萃取柱，其特征在于进口筛板为亲酯型高分子材料烧结而成，孔径在10-200um，厚度5-10mm;出口筛板为疏水型聚合物膜材料制成，孔径5-100um,厚度3-6mm ;隔离筛板为通用筛板,孔径5-100um,厚度2_5mm ;材料均为聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯制成。
3.根据权利要求1所述的固相萃取柱，其特征在于 石墨化碳黑的材料为正六元环片层结构，孔体积为0.8-1. 2cm3/g，比表面积为250-400m2/g ； 多氨基化填料层的材料基体为高交联的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸酯聚合物，材料表面为伯胺、仲胺或者叔铵基团，聚合物基体比表面积为1000 m2/g ; 疏水基团键合硅胶为改性的金纳米粒子。
4.一种石墨化碳黑的制备方法，包括以下步骤 取碳粉用硫酸、盐酸、水、甲醇、丙酮等有机溶剂洗去金属及其它有机物杂质，烘干，定量加入O. lmol/L NaOH后置于高温转化炉中，高纯氦气保护下，以10°C/min升温至1000°C，保温12小时，降至室温后迅速定量加入O. lmol/L K2HPO4,以20°C /min升温至2000°C，保温12小时，降温后重复加入K2HPO4步骤，产物经大量水洗后，丙酮洗涤烘干，，孔体积为O.8-1. 2cm3/g,比表面积为 250_400m2/g。
5.一种多氨基化填料的制备方法，包括以下步骤 反应器中加入多孔聚苯乙烯微球、大量浓盐酸、2mol氯化锌、Imol多聚甲醛，加热至70°C，反应24小时，产物过滤，大量水洗至中性后烘干，置于反应器中加入摩尔比3:2:1的浓氨水、乙二胺、三甲胺水溶液，氮气保护下60°C反应48小时，产物过滤，大量水洗至中性后烘干，既得；比表面积为1000 m2/g。
6.一种疏水基团键合硅胶的制备方法，包括以下步骤 用柠檬酸钠还原氯金酸法得到10-15nm直径的金纳米粒子，另取50um全多孔硅胶加入到反应器中，再依次加入二甲苯30ml、巯基硅烷试剂20ml、吡啶15ml加热回流反应24小时后降温，以甲苯、二氯甲烷、甲醇、丙酮洗涤产物后烘干，加入另一反应器中，加入起初制备的金纳米粒子，再加入过量的正十八硫醇，加热回流反应48小时，产物过滤并以甲醇、丙酮洗后烘干，即得。
全文摘要
本发明提供了一种固相萃取柱及制备方法，在柱管的底部压入出口筛板，装入石墨化碳黑层，压入一层隔离筛板，再装入多氨基化填料层，压入隔离筛板后装入疏水基团键合硅胶树脂层，最后再压入进口筛板；柱管的底部设有萃取柱出口。本发明固相萃取柱为农残检测专用柱为三层吸附材料，通过选择性吸附、选择性洗脱净化复杂样品基质，除去氨基酸微量元素、及重金属等杂质，避免了传统固相萃取产品的净化效果差的缺点，大大提高了样品的洁净程度，有效的保护分析仪器，增加了样品检测的准确性，提高了检测的灵敏度，节约了时间，提高检测人员的工作效率。并且具有通用性，对于被检测的样品基质选择性低，可适用于绝大多数食品样品的检测。
文档编号B01J20/285GK103048400SQ20121052532
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者王明泰, 李爱军, 牟峻, 张代辉, 康明琴, 胡婷婷, 牛茜, 张勋 申请人:吉林出入境检验检疫局检验检疫技术中心