一种功能化石墨烯涂层探头及固相微萃取手柄的制备方法与流程

本发明涉及样品前处理技术，尤其涉及一种功能化石墨烯涂层探头及固相微萃取手柄的制备方法，该固相微萃取手柄也可以叫做固相微萃取装置。

背景技术：

固相微萃取(Solid Phase Microextraction,SPME)是20世纪90年代兴起的一项样品前处理技术，是在固相萃取技术上发展起来的一种无溶剂样品微萃取新技术。该技术最先由加拿大Waterloo大学的Pawliszyn教授的研究小组于1989年首次进行开发研究，属于非溶剂型选择性萃取法。

固相微萃取将采样、萃取、浓缩、进样等步骤有效集成于一体。与固相萃取技术相比，固相微萃取操作简单，携带方便，费用低廉，克服了固相萃取技术中回收效率低、吸附剂孔道易堵塞的弊端；具有简便、快速、灵敏、高效和对环境友好等优点，不仅可对传统样品进行处理、甚至还可以进行活体和原位采样。另外，SPME还可与气相色谱和气质联用仪等仪器联用，因此是进行科学研究与实验室常规分析所需的重要样品前处理技术，已受到分析化学工作者的高度关注。

现有技术中的固相微萃取手柄由手柄以及设置在手柄一端的萃取探头构成，萃取探头是一根具有一定长度，其上涂有不同涂层的载体。萃取探头与不锈钢丝连接，外面套有不锈钢管，用于保护载体不被折断。不锈钢管可以穿透橡胶或者塑料垫片进行取样或者进样。

由于涂层性质、结构和种类决定了萃取探头的稳定性、选择性和吸附容量。因此，固相微萃取技术的核心任务之一便是开发涂层材料。许多研究结果表明，石墨烯具有比表面积大、热稳定性和化学稳定性优良、机械强度高、对具有苯环结构的分子有较强的选择吸附能力等诸多优点，是一种理想的固相微萃取涂层材料。但由于石墨烯表面缺乏大量的极性官能团，因此其对极性分子的吸附能力并不理想。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低廉、制作过程简单的且性能优异的功能化石墨烯涂层探头及固相微萃取手柄的制备方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种功能化石墨烯涂层探头的制备方法，包括以下步骤：

(1)、金属针芯预处理：将金属针芯前段用酸腐蚀处理然后洗净、干燥得到预处理后的金属针芯；

(2)、将所述预处理后的金属针芯浸入3-氨基丙基-三乙氧基硅烷中反应，获得氨基化处理的金属针芯；

(3)、在60～80℃下将所述氨基化处理的金属针芯浸入0.1wt％的氧化石墨分散液中，1～3h后取出，于室温干燥6～8h，即得氧化石墨修饰的金属针芯；

(4)、将所述氧化石墨修饰的金属针芯浸于氨水溶液中，反应结束后洗净、干燥，然后与乙酰氯进反应得到酰基化处理的金属针芯；该酰基化处理的金属针芯洗净、干燥，即得功能化氧化石墨烯为涂层的金属针芯；

(5)重复所述步骤⑶～⑷4～7次，直至涂层厚度为50～100μm，即得处理的金属针芯；

(6)将所述厚度合格的金属针芯在气相色谱汽化室纯氮气氛围中老化，然后将涂层部分用水合肼溶液进行还原处理，即得还原处理后的金属针芯；

(7)对所述还原处理后的金属针芯在高纯氮气氛围中220～280℃进行老化处理0.5～2h，即得功能化石墨烯为涂层探头。

优选的，所述的步骤(3)中所使用的氧化石墨分散液是利用超声和磁力搅拌处理的方法，将氧化石墨分散于去离子水中形成浓度为0.1wt％的氧化石墨分散液。

优选的，所述的步骤(6)中老化的温度为50～70℃，时间为6～8h。

优选的，所述的步骤(6)中还原处理所用的水合肼溶液浓度为10～20wt％且pH＝～10，温度为70～90℃，时间为16～20h。水合肼溶液pH可用氨水调节。

优选的，所述步骤(7)中老化的条件是指温度为250℃，时间为0.5h。

优选的，所述步骤(1)中，将金属针芯前段2cm之外的部分用惰性物质覆盖保护，然后将前端2cm垂直浸入浓度为1mol/l的盐酸中进行腐蚀，10～14h后依次用去离子水、甲醇、丙酮和氯仿冲洗，最后去除金属针芯表面的保护物，经50～70℃干燥至恒重，即得预处理后的金属针芯。

优选的，所述步骤(2)中，将所述预处理后的金属针芯浸入3-氨基丙基-三乙氧基硅烷中，室温反应10～14h后取出，于60～80℃聚合反应4～6h，即得氨基化处理的金属针芯。

优选的，所述步骤(4)中，将所述氧化石墨修饰的金属针芯浸于浓度为10～15mol/l的氨水溶液中，于60～80℃反应10～14h，经去离子水清洗、90～110℃干燥1～3h后，再与乙酰氯于室温下反应4～6h，得到酰基化处理的金属针芯；该酰基化处理的金属针芯依次经氯仿、丙酮、无水乙醇和去离子水清洗后，于110～130℃干燥0.5～1.5h，即得以功能化石墨烯为涂层的金属针芯。

相应的，一种固相微萃取手柄，包括金属套管、玻璃套筒和金属推杆；所述金属推杆套设在玻璃套筒内，金属推杆后端伸出玻璃套筒外的端部设有手柄，金属套管同轴固定在玻璃套筒前端，所述金属推杆前端连接萃取探头，萃取探头伸出金属套管之外；所述的玻璃套管后端设置凸缘中部设置具有弹性的手柄定位环，所述金属推杆位于玻璃套筒外的杆身上设置具有弹性的金属推杆定位环；所述萃取探头由所述的功能化石墨烯为涂层探头构成，也就是说所述萃取探头的前端2cm经酸腐蚀后加工有功能化石墨烯涂层。所述的手柄定位环和金属推杆定位环由橡胶或塑料或硅胶制成。

优选的，所述的手柄由微量进样器的前端金属套管截去2cm之外的部分，然后将断口打磨光滑；在金属针芯前端2cm加工石墨烯涂层后制成萃取探头。

优选的，所述的金属针芯与石墨烯涂层结合的面是经盐酸腐蚀处理过的粗糙面，所述石墨烯涂层厚度为50～100μm。

本发明采用将氧化石墨氨基化处理，再让氨基与乙酸发生取代反应的策略，向石墨烯表面引入极性官能团“-NHCOCH₃”，从而提高功能化石墨烯涂层对含有苯环和极性官能团化合物(如酚和苯胺等)的吸附能力。与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采取了对石墨烯材料进行共价键功能化修饰的策略，向石墨烯材料引入了-NHCOCH₃极性管能团，从而使所开发涂层不仅保留了石墨烯的大比表面积、大π-π共轭苯环结构等优点，还提高了其对污染物分子中极性官能团的捕获能力，进而提高了石墨烯涂层材料对极性污染物的萃取效率，特别是对既含苯环又含极性官能团的污染物(如苯丙胺类毒品、苯酚等)的萃取效率。

2、本发明以稀盐酸糙化处理的金属针芯作为涂层的支载材料，同时提高了萃取探头对涂层的负载能力与探头和手柄之间的兼容性；通过化学键合的方法将涂层固定在金属针芯表面，大大增强了萃取涂层的机械强度、化学稳定性、热稳定性与使用寿命。

3、本发明根据样品中污染物的实际浓度，可利用金属推杆定位环来调节探头的有效萃取长度，以提高分析方法的灵敏度与线性范围；利用手柄定位环与金属推杆定位环可有效提高对萃取探头在样品中竖直位置的控制，从而提高了分析方法的重复率与准确度。

4、目前商业化SPME萃取探头品种非常有限，且市售手柄和萃取探头的价格也比较昂贵，这直接影响到了SPME对样品中污染物分析选择性、萃取效率以及该技术在分析工作中的广泛应用。而本发明的固相微萃取手柄具有成本低廉、简便、灵巧、易于携带的以功能化石墨烯材料为涂层探头的固相微萃取手柄。

本发明以微量进样器为原材料进行改造使用，因此，该固相微萃取手柄具有成本低廉、制作过程简单、适用范围广、与色谱仪器兼容性好等一系列优点，可用于对环境、食品、生物等样品中痕量污染物的分离和富集，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明功能化石墨烯涂层探头的制备原理图；

图2为本发明的功能化石墨烯涂层探头的扫描电镜图；

图3为本发明的固相微萃取手柄的结构示意图；

图中：1、金属套管，2、萃取探头，3、玻璃手柄，4、金属推杆，5、金属推杆定位环，6、手柄定位环。

具体实施方式

如图3所示，本发明的固相微萃取手柄的具体结构包括：金属套管1、玻璃套筒3和金属推杆4；所述金属推杆4套设在玻璃套筒3内，金属推杆4后端伸出玻璃套筒3外的端部设有手柄，金属套管1同轴固定在玻璃套筒3前端，所述金属推杆4前端连接萃取探头2，萃取探头2伸出金属套管1之外。所述的玻璃套管3后端设置凸缘中部设置具有弹性的手柄定位环6，所述玻璃套管3管身上设有刻度。所述金属推杆4位于玻璃套筒3外的杆身上设置具有弹性的金属推杆定位环5；所述萃取探头2的前端2cm经酸腐蚀后加工有功能化石墨烯涂层。即：所述萃取探头2由所述的功能化石墨烯涂层探头构成。所述的手柄定位环6和金属推杆定位环5由橡胶或塑料或硅胶制成。用于在实验开始前根据经验将两个定位环移动到需要位置。避免实验过程中因为忙乱而推动金属推杆4不到位，方便实验操作。

结合图1、2、3所示，一种功能化石墨烯涂层探头及固相微萃取手柄的制作方法，具体实施例如下：

实施例一

利用现有的微量进样器改装加工固相微萃取手柄，微量进样器购自：上海光正医疗仪器有限公司，整个过程包括以下步骤：

⑴金属针芯预处理：

将微量进样器金属针芯(材质为不锈钢)前段5cm用加热融化的石蜡进行涂覆，冷却后，准确刮去最前端2cm的石蜡，然后将其垂直浸入浓度为1mol/l的盐酸中进行腐蚀，10h后依次用去离子水、甲醇、丙酮和氯仿冲洗，以除去金属针芯表面的剩余酸，最后刮去金属针芯表面的石蜡涂层，经50℃干燥至恒重，即得预处理后的金属针芯。

⑵将预处理后的金属针芯浸入3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)中，室温反应14h后取出，于70℃聚合反应4h，即得氨基化处理的金属针芯。

⑶利用超声和磁力搅拌处理的方法，将氧化石墨分散于去离子水中，形成浓度为0.1wt％的氧化石墨分散液。在60℃下将氨基化处理的金属针芯浸入氧化石墨分散液中，3h后取出，于110℃干燥3h，即得氧化石墨修饰的金属针芯。

⑷将氧化石墨修饰的金属针芯浸于浓度为15mol/l的氨水中，于70℃反应12h，经去离子水清洗、90℃干燥2h后，再与乙酰氯于室温下反应5h，得到酰基化处理的金属针芯，该酰基化处理的金属针芯依次经氯仿、丙酮、无水乙醇和去离子水清洗后，于130℃干燥0.5h，即得功能化氧化石墨烯为涂层的金属针芯。

⑸重复步骤⑶～⑷7次，直至用电镜扫描(SEM)方法检测涂层厚度为80～100μm，即得处理的金属针芯。

⑹将处理的金属针芯在气相色谱汽化室纯氮气氛围中老化，老化温度为60℃，时间为6h；然后将涂层部分用浓度为10wt％且pH＝～10的水合肼溶液进行还原处理，还原处理的温度为90℃，时间为20h；然后即得还原处理后的金属针芯。

⑺对还原处理后的金属针芯在气相色谱汽化室纯氮气氛围中250℃进行老化处理0.5h，即得萃取探头，也就是功能化石墨烯为涂层探头。萃取探头的SEM表征结果如图2所示，可见功能化石墨烯涂层十分均匀。

⑻将微量进样器金属套管前段准确量取2cm进行截取后，用细砂纸仔细将断口处打磨光滑，即得处理后的器金属套管1。将处理后的金属套管1、萃取探头2与玻璃套筒3、金属推杆4、金属推杆定位环5、手柄定位环6组装在一起，即得固相微萃取手柄。金属推杆定位环5和手柄定位环6均为橡胶环。

实施例二

利用现有的微量进样器改装加工固相微萃取手柄，微量进样器购自：上海光正医疗仪器有限公司，整个过程包括以下步骤：

⑴金属针芯预处理：

将微量进样器金属针芯(材质为不锈钢)前段5cm用加热融化的石蜡进行涂覆，冷却后，准确刮去最前端2cm的石蜡，然后将其垂直浸入浓度为1mol/l的盐酸中进行腐蚀，13h后依次用去离子水、甲醇、丙酮和氯仿冲洗，以除去金属针芯表面的剩余酸，最后刮去金属针芯表面的石蜡涂层，经65℃干燥至恒重，即得预处理后的金属针芯。

⑵将预处理后的金属针芯浸入3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)中，室温反应10h后取出，于80℃聚合反应6h，即得氨基化处理的金属针芯。

⑶利用超声和磁力搅拌处理的方法，将氧化石墨分散于去离子水中，形成浓度为0.1wt％的氧化石墨分散液。在70℃下将氨基化处理的金属针芯浸入氧化石墨分散液中，2h后取出，于室温干燥7h，即得氧化石墨修饰的金属针芯。

⑷将氧化石墨修饰的金属针芯浸于浓度为10mol/l的氨水中，于60℃反应14h，经去离子水清洗、100℃干燥1h后，再与乙酰氯于室温下反应5h，得到酰基化处理的金属针芯，该酰基化处理的金属针芯依次经氯仿、丙酮、无水乙醇和去离子水清洗后，于130℃干燥0.5h，即得功能化氧化石墨烯为涂层的金属针芯。

⑸重复步骤⑶～⑷7次，直至用电镜扫描(SEM)方法检测涂层厚度为80～100μm，即得处理的金属针芯。

⑹将处理的金属针芯在气相色谱汽化室纯氮气氛围中老化，老化温度为70℃，时间为7h；然后将涂层部分用浓度为20wt％且pH＝～10的水合肼溶液进行还原处理，还原处理的温度为70℃，时间为12h；然后即得还原处理后的金属针芯。

⑺对还原处理后的金属针芯在气相色谱汽化室纯氮气氛围中250℃进行老化处理1-2h，即得萃取探头，也就是功能化石墨烯为涂层探头；其中：老化的条件是指温度为250℃，时间为0.5h。萃取探头的SEM表征结果如图2所示，可见功能化石墨烯涂层十分均匀。

⑻将微量进样器金属套管前段准确量取2cm进行截取后，用细砂纸仔细将断口处打磨光滑，即得处理后的器金属套管1。将处理后的金属套管1、萃取探头2与玻璃套筒3、金属推杆4、金属推杆定位环5、手柄定位环6组装在一起，即得固相微萃取手柄。金属推杆定位环5和手柄定位环6均为橡胶环。

实施例三

利用现有的微量进样器改装加工固相微萃取手柄，微量进样器购自：上海光正医疗仪器有限公司，整个过程包括以下步骤：

⑴金属针芯预处理：

将微量进样器金属针芯(材质为不锈钢)前段5cm用加热融化的石蜡进行涂覆，冷却后，准确刮去最前端2cm的石蜡，然后将其垂直浸入浓度为1mol/l的盐酸中进行腐蚀，14h后依次用去离子水、甲醇、丙酮和氯仿冲洗，以除去金属针芯表面的剩余酸，最后刮去金属针芯表面的石蜡涂层，经60℃干燥至恒重，即得预处理后的金属针芯。

⑵将预处理后的金属针芯浸入3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)中，室温反应12h后取出，于80℃聚合反应5h，即得氨基化处理的金属针芯。

⑶利用超声和磁力搅拌处理的方法，将氧化石墨分散于去离子水中，形成浓度为0.1wt％的氧化石墨分散液。在70℃下将氨基化处理的金属针芯浸入氧化石墨分散液中，2h后取出，于室温干燥7h，即得氧化石墨修饰的金属针芯。

⑷将氧化石墨修饰的金属针芯浸于浓度为12mol/l的氨水中，于80℃反应14h，经去离子水清洗、110℃干燥1h后，再与乙酰氯于室温下反应6h，得到酰基化处理的金属针芯，该酰基化处理的金属针芯依次经氯仿、丙酮、无水乙醇和去离子水清洗后，于110℃干燥1.5h，即得功能化氧化石墨烯为涂层的金属针芯。

⑸重复步骤⑶～⑷7次，直至用电镜扫描(SEM)方法检测涂层厚度为80～100μm，即得处理的金属针芯。

⑹将处理的金属针芯在气相色谱汽化室纯氮气氛围中老化，老化温度为70℃，时间为8h；然后将涂层部分用浓度为15wt％且pH＝～10的水合肼溶液进行还原处理，还原处理的温度为80℃，时间为18h；然后即得还原处理后的金属针芯。

⑺对还原处理后的金属针芯在高纯氮气氛围中250℃进行老化处理1h，即得萃取探头，也就是功能化石墨烯为涂层探头。萃取探头的SEM表征结果如图2所示，可见功能化石墨烯涂层十分均匀。

⑻将微量进样器金属套管前段准确量取2cm进行截取后，用细砂纸仔细将断口处打磨光滑，即得处理后的器金属套管1。将处理后的金属套管1、萃取探头2与玻璃套筒3、金属推杆4、金属推杆定位环5、手柄定位环6组装在一起，即得固相微萃取手柄。金属推杆定位环5和手柄定位环6均为橡胶环。