基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层、制备及应用的制作方法

本发明涉及分析化学和环境分析领域，特别是涉及基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

固相微萃取((solid-phasemicroextraction,spme)技术是1989年由加拿大waterloo大学pawlinszyn及其合作者arthur等提出的。固相微萃取克服了传统样品前处理技术的缺陷，集采样、萃取、浓缩、进样于一体，减少了繁琐的样品处理过程并降低了分析检测时间。其显著的技术优势正受到环境、食品、医药行业分析人员的普遍关注，并大力推广应用。在固相微萃取的发展中，一个制约因素就是固相微萃取涂层的开发。

目前商用的固相微萃取涂层有聚二甲基硅氧烷，聚丙烯酸酯，聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯，聚二甲基硅氧烷/羧乙基，二乙烯基苯/羧乙基，聚乙二醇/二乙烯基苯，二乙烯基苯等几种。商品化的涂层大多都是广谱性的，对某种或某类特定的分析物的选择性比较弱。这限制了该技术的进一步应用。此外，商品化的涂层存在的一些缺点，如热不稳定性、机械强度差、选择性低、对极性基质(如水溶液)中极性化合物的萃取效率低也成为限制spme技术应用的因素。现在也发展了一些自制的涂层，在选择性和灵敏度方面都有提高，但是涂层材料的种类仍然有待发展。材料的发展使得固相微萃取涂层焕发新的活力，特别是一些新型高效的吸附材料。因此，发展高效、高选择性、理化性质稳定、低成本、耐用的涂层成为spme技术研究和应用的重点。

共轭微孔有机聚合物(conjugatedmicroporouspolymers,cmps)是一类通过共价键链接的含有碳、氢、氧、氮、硼等轻质元素的微孔聚合物材料。这类材料可通过不同的有机配体，组成具有不同拓扑结构的聚合物。也可通过单体的调配及其反应条件的变化合成具有不同孔径大小的微孔聚合物。强健的共价键及固有的微孔结构赋予该类材料极其稳定的物理性能。不同的拓扑结构和孔径结构使该类材料在特异性选择和吸附方面有良好的应用潜力。

目前cmps在气体吸附特别是对co2的储存方面有卓越成效，而且在催化、荧光传感、光捕获方面都有报道应用，但是在分离分析方面应用较少，因此将该类材料应用于分离分析方面有待开发。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的在于，提供一种基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层及其制备方法，该涂层具有比表面积大、孔径均一、热稳定性好等优点，是一种很好的吸附性材料，可通过该材料的多孔吸附作用和金属位点络合配位等作用，对目标分子进行富集，同时由于该涂层材料含共轭π结构，因此可以对结构中含有双键的化合物进行有效富集。该涂层具有热稳定性好、富集能力强等优点，可应用于固相微萃取的萃取头，在食品分析、环境分析等方面得到有效的应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层的制备方法，其特征在于包括：金属卟啉悬浮液的制备和固相微萃取纤维的预处理，然后在固相微萃取纤维的表面涂覆金属卟啉悬浮液得到基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层，

所述金属卟啉悬浮液的制备包括以下步骤：

s11：在微波合成条件下制备卟啉共轭微孔有机聚合物；

s12：通过卟啉共轭微孔有机聚合物与金属盐作用合成金属卟啉共轭微孔有机聚合物；

s13：由金属卟啉共轭微孔有机聚合物制备金属卟啉悬浮液。

作为一种实施方式，所述步骤s11卟啉共轭微孔有机聚合物的制备方法是：在惰性气氛和微波合成条件下，卟啉单体和对苯二硼酸通过suzuki偶联反应合成卟啉共轭微孔有机聚合物，微波合成条件是搅拌速度800rpm，反应功率100w，反应温度90℃，反应时间90min。

进一步地，惰性气氛和微波合成条件下，所述suzuki偶联反应合成卟啉共轭微孔有机聚合物的具体方法是：将卟啉单体、对苯二硼酸分散于溶剂1,4-二氧六环中，超声混合均匀，冻结-抽气-解冻循环三次，加入k2co3溶液和催化剂pd(pph3)4，再次冻结-抽气-解冻循环三次，所述卟啉单体、对苯二硼酸、碳酸钾和催化剂的物质的量之比为10:20:80:1；所述步骤s11和步骤s12之间还包括：suzuki偶联反应结束后，过滤，残渣用四氢呋喃、甲醇、丙酮依次清洗产物，为了进一步的将多孔内未反应完全的物质清洗干净，然后再分别用四氢呋喃、甲醇、丙酮索氏清洗24h，90℃真空干燥12h，得到干燥后的卟啉共轭微孔有机聚合物。

作为一种实施方式，所述步骤s12金属卟啉共轭微孔有机聚合物的制备方法是：将干燥后的卟啉共轭微孔有机聚合物和二水合醋酸锌以物质的量之比为1:1.3同时分散于dmf，超声混合均匀，加热至120℃，搅拌反应12h，过滤，依次用甲醇、乙醇、水清洗，90℃真空干燥12h，得到干燥后的金属卟啉共轭微孔有机聚合物。

作为一种实施方式，所述步骤s13金属卟啉悬浮液的制备方法是：将干燥后的金属卟啉共轭微孔有机聚合物磨碎，异丙醇作为分散介质，加入peg-400作为分散辅助剂，超声分散30min，得到金属卟啉悬浮液。

作为一种实施方式，所述固相微萃取纤维的预处理方法为：

s21：截取17cm长的石英纤维，将其一端2cm浸入丙酮溶剂中浸泡10min，剥去外表面的聚酰亚胺涂层，然后用hcl溶液和naoh溶液使其表面活化，蒸馏水洗净，自然晾干。

作为一种实施方式，固相微萃取纤维的表面涂覆金属卟啉悬浮液的方法包括以下步骤：

s31：将石英纤维硅烷化：将步骤s21处理过的石英纤维一端浸入3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)中，连续10次提拉，放入真空干燥箱70℃干燥5min(由于石英纤维表面裸露羟基与硅烷化试剂反应形成si-o-si键，使纤维表面带有氨基官能团)；

s32：将步骤s31修饰过的石英纤维浸入金属卟啉悬浮液中，来回提拉10次，105℃干燥2min，然后将其浸入3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)中，来回提拉10次，真空干燥5min；

s33：将s31和s32作为一个来回，重复操作10次，得到涂层(可以用刀片刮去多余涂层，保留涂层长度为2cm)；

s34：将制得的涂层在气相色谱进样口进行老化，其老化条件为250℃老化1h，最后得到基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层。如图3所示，即该条件下的spme涂层，涂层呈现疏松多孔结构，使得萃取容量比较高。

本发明提供的基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层，由上述制备方法得到。

本发明还提供一种固相微萃取头，其特征在于，包括石英纤维和涂覆于石英纤维表面的上述基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层。

本发明还提供一种基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层在食品分析、环境分析方面的应用。

本发明的基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层，具有以下有益效果：

(1)基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层，孔径均匀，比表面积大，吸附容量高；

(2)由于硅烷化试剂aptes和金属卟啉微孔有机聚合物的共同作用下，对物质有选择吸附作用；

(3)金属卟啉微孔有机聚合物涂层热稳定性很高，且涂层的制作方式相对比较简单，易于操作和掌握。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是制备金属卟啉共轭微孔有机聚合物的反应示意图；

图2是基于金属卟啉微孔聚合物的热重图。

图3是基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层的扫描电镜图；

图4是基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层的制备及富集过程示意图；

图5是实施例2花椒挥发性成分色谱图，

其中：1：α-侧柏烯；2：(1r)-(+)-α蒎烯；3：桧烯；4：月桂烯；5：α-水芹烯；6：2-蒈烯；7：p-伞花烃；8：双戊烯；9：桉树脑；10：(e)罗勒烯；11：(z)-3,7-二甲基-1,3,6-十八烷三烯；12：萜品烯；13：反式-4-侧柏醇；14：萜品油烯；15：芳樟醇；16：4-萜烯醇；17：α-松油醇；18：萜品烯；19：β-蒎烯；20：胡椒酮；21：反式肉桂醛；22：甲基胡椒酚；23：4-侧柏醇；24：1-甲基-4-(1-甲基乙烯基)环己醇乙酸酯；25：2-蒈烯；26：β-榄香烯；27：(-)-异丁香烯；28：大根香叶烯；29：α-衣兰油烯；30：4,9-紫穗槐二烯；31：(+)-δ-杜松萜烯；

图6是实施例3香叶挥发性成分色谱图，

其中：1：蒎烯；2：桧烯；3：β-蒎烯；4：p-伞花烃；5：桉叶油醇；6：反式-4-侧柏；7：顺式-4-侧柏醇；8：4-萜烯醇；9：α-松油醇；10：反式肉桂醛；11：草蒿脑；12：γ-柠檬烯；13：1-甲基-4-(1-甲基乙烯基)环己醇乙酸酯；14：乙酸丁香酚酯；15：罗勒烯；16：依兰烯；17：β-榄香烯；18：甲基丁香酚；19：(-)-异丁香烯；20：(e)大根香叶烯；21：(-)α-桉叶烯；22：榄香醇；

图7是实施例4烟叶中挥发性有机酸色谱图，

其中：1：乙酸；2：丙酸；3：丁酸；4：异戊酸；5：戊酸；6：巴豆酸；7：3-甲基戊酸；8：己酸；9：庚酸；10：辛酸；

图8是基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层对挥发性有机酸的富集倍数图；

图9是基于金属卟啉微孔聚合物的固相微萃取涂层与商用涂层的吸附性能比较图。

具体实施方式

实施例1

基于金属卟啉微孔有机聚合物的固相微萃取涂层的制备包括以下步骤：

(1)金属卟啉悬浮液的制备

s11：卟啉共轭微孔有机聚合物的合成(如图1所示)：

四溴苯基卟啉(186.10mg，0.1mmol)、对苯二硼酸(33.15mg，0.2mmol)、8ml1,4-二氧六环，加入烧瓶中，超声使混合均匀，冻结-抽气-解冻循环三次，除去氧气，加入k2co3溶液2.0ml(110.4mg，0.8mmol)和催化剂pd(pph3)4(11.6mg，10μmol)，放入微波炉内，冻结-抽气-解冻循环三次，搅拌速度为800rpm，氮气保护下，优选条件下，选择微波功率100w，反应温度90℃，反应时间90min，反应结束后，抽滤反应液，并用水、甲醇、四氢呋喃和丙酮依次清洗产物。用索氏提取进一步的提纯，分别用四氢呋喃、甲醇、丙酮回流清洗24h，90℃真空干燥12h，得到卟啉共轭微孔有机聚合物；

s12：金属卟啉共轭微孔有机聚合物的合成(如图1所示)：

取卟啉共轭微孔有机聚合物(0.08764mmol)、(ch3coo)2zn·2h2o(0.1139mmol)均匀分散于23mln,n-二甲基甲酰胺，120℃下加热反应12h。过滤，依次用甲醇、乙醇、水清洗，90℃真空干燥12h得到金属卟啉共轭微孔有机聚合物(zn-cmp)，如图2所示表示该材料的热重表征图，图中可知该材料热稳定性较好；

s13：将制得的zn-cmp材料磨碎，称取10mg，加入1ml异丙醇，加入0.1mlpeg-400，超声分散30min，保证材料均匀分散，得金属卟啉悬浮液。

(2)石英纤维的预处理

s21：取17cm长的石英纤维，将其一端大约2cm浸入丙酮溶剂中浸泡10min，剥去外面的聚酰亚胺涂层，然后用1mol/lhcl溶液浸泡1h，蒸馏水洗净烘干，再用1mol/lnaoh溶液浸泡1h，蒸馏水洗净，自然晾干烘干。

(3)基于金属卟啉微孔有机聚合物的固相微萃取涂层的制备

s31：将上述预处理后的石英纤维浸入硅烷化试剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)中来回提拉10次，70℃真空干燥烘干5min；

s32：将修饰过的石英纤维浸入金属卟啉悬浮液中，来回提拉10次，105℃烘干2min；

s33：重复s31到s32操作10次，得到zn-cmp固相微萃取涂层，用刀片刮去多余涂层，保留涂层长度为2cm；

s34：将spme涂层装入自制改装5μl进样器中，使用前插入色谱进样口250℃老化1h，即得基于金属卟啉微孔有机聚合物的固相微萃取涂层。经处理后的石英纤维及覆盖于其表面的基于金属卟啉微孔有机聚合物的固相微萃取涂层组成固相微萃取头。如图3所示，该条件下的spme涂层，涂层呈现疏松多孔结构，使得萃取容量比较高。

实施例2花椒中挥发性香味物质鉴定

(1)样品处理方法：将花椒样品研碎，过筛，称取200mg样品于20ml固相微萃取顶空品中，于60℃水浴中平衡30min，将实施例1制备得到的固相微萃取头插入顶空瓶中，萃取30min，最后石英纤维在气相色谱进样口保持3min，图4是固相微萃取涂层制备及萃取过程示意图。

(2)花椒气相色谱条件：载气：he气，柱流量，1ml/min；进样方式：分流；分流比：5：1；色谱柱：agilentdb-5ms(30m×0.25mm×0.25μm)；进样口温度：200℃；程序升温：60℃不保持，2℃/min升至85℃不保持，8℃/min升至200℃不保持，10℃/min升至220℃保持2min；传输线温度250℃。

花椒样品质谱条件：四级杆；扫描方式：scan；扫描范围：45～550u；离子源：电子轰击离子源(ei)，温度：250℃；电子能量：70ev。

(3)定性鉴定分析：定性分析采用nist谱库检索并且结合参考文献进行定性，具体结果如图5所示。

结果发现该涂层可以对花椒样品中的挥发性物质进行有效的萃取，并且结合文献和相关数据库对花椒中的挥发性物质进行鉴定。

实施例3香叶中挥发性香味物质鉴定

(1)样品处理方法：将香叶样品研碎，过筛，称取200mg样品于20ml固相微萃取顶空品中，于60℃水浴中平衡30min，将实施例1制备得到的固相微萃取头插入顶空瓶中，萃取30min，最后纤维在气相色谱进样口保持3min。

(2)香叶气相色谱条件：载气：he；柱流量，1ml/min；进样方式：分流；分流比：5：1；色谱柱：agilentdb-5ms(30m×0.25mm×0.25μm)；进样口温度：200℃；程序升温：60℃不保持，2℃/min升至90℃，5℃/min升至200℃，10℃/min升至220℃保持2min；传输线温度，250℃。

质谱条件：四级杆；扫描方式：scan；扫描范围：45～550u；离子源：电子轰击离子源(ei)，温度：250℃；电子能量：70ev。

(3)定性鉴定分析：定性分析采用nist谱库检索并且结合参考文献进行定性，具体结果如图6所示。

结果发现该涂层可以对香叶样品中的挥发性物质进行有效的萃取，并且结合文献和相关数据库对其挥发性物质进行鉴定，为香料中挥发性物质的分析提供相关依据。

实施例4烟叶中的挥发性有机酸定量分析

(1)烟叶前处理:称取20mg烟末于20ml顶空瓶中，将实施例1制备得到的固相微萃取头插入顶空瓶中，在优选的萃取条件下，选择萃取时间20min，萃取温度70℃，解吸时间2min。

(2)气相色谱-质谱条件：

气相色谱：载气：he气，柱流量，1.7ml/min；进样方式：分流；色谱柱：db-wax(30m×0.25mm×0.25μm)；进样口温度：200℃；不分流；程序升温：60℃不保持，20℃/min升至90℃不保持，7℃/min升至105℃不保持，1℃/min升至140℃不保持；10℃/min升至147℃不保持4℃/min升至152℃不保持；10℃/min升至180℃保持1min；进样时间，2min；

质谱条件：四级杆；接口温度，250℃；离子源温度230℃。采集方式：sim；溶剂延迟时间：2min；各种挥发性有有机酸的离子碎片，乙酸：45,60；丙酸：45,55,57,73,74；丁酸：45,55,60,73；异戊酸：45,60,87；戊酸：45,55,60,73；巴豆酸：45,68,69,86；3-甲基戊酸：45,57,60,87；己酸：55,60,73,87；庚酸：55,60,73,87；2-甲基庚酸：57,74,87,73；辛酸：55,60,73,85,101,115。

(3)挥发性有机酸的定量分析。外标法对11种挥发性有机酸进行定量校正，对烟叶中的挥发性有机酸进行分析。在优化的条件下进行分析，得到如图7所示的色谱图，将得到的色谱图的峰面积带入定量校正曲线中，得到相应的挥发性有机酸的含量。乙酸：131μg/g；丙酸：0.873μg/g；丁酸：0.052μg/g；异戊酸：0.105μg/g；戊酸：0.173μg/g；巴豆酸：0.481μg/g；3-甲基戊酸：未检出；己酸：0.195μg/g；庚酸：0.153μg/g；2-甲基庚酸：未检出；辛酸：0.184μg/g。

(4)基于金属卟啉微孔有机聚合物的固相微萃取涂层的萃取效果

配制溶剂为甲醇混标溶液：30mg/l乙酸，丙酸，巴豆酸，15mg/l丁酸，异戊酸，戊酸，3-甲基戊酸，己酸，庚酸，辛酸，7.5mg/l2-甲基庚酸。取1μl混标放入20ml的气相色谱顶空瓶中，密封条件下使其完全挥发。将基于金属卟啉微孔有机聚合物的固相微萃取涂层暴露在顶空瓶中，70℃下萃取20min，气相色谱进样口200℃解吸2min，然后进行gc-ms分析。如图8表示纤维对各种挥发性有机酸的富集倍数。从图中可知，纤维对有机酸的富集倍数比较高，萃取选择性较好。

在同样的萃取条件下比较了常见的具有一定极性的商用萃取头和本发明自制的基于金属卟啉微孔有机聚合物固相微萃取头，如图9所示，由图中看出，相对于其它萃取头，本发明固相微萃取头的萃取效果普遍较好。

本发明的基于金属卟啉微孔有机聚合物的固相微萃取涂层可以对香料中挥发性物质进行有效富集，特别是萜烯类物质，结合nist谱库，对香料物质进行鉴定。同时该涂层可以对烟叶中挥发性有机酸进行有效的富集，结合gc-ms对其检测，研究发现，该涂层对挥发性有机酸富集倍数高，优于商用的几种常见涂层。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。