一种新型固相微萃取探针及其制备方法和应用与流程

本发明属于固相微萃取领域，具体涉及一种新型固相微萃取探针及其制备方法和应用。

背景技术：

固相微萃取(spme)技术是基于目标分析物在样品基质和萃取相之间平衡分配的样品前处理技术。该技术集采样，萃取，浓缩，进样于一体，不消耗溶剂，能在不同的复杂基体样品中绿色、高效、快速地处理特定的痕量物质，并且可与仪器实现在线联用。因此spme被广泛应用于环境保护，食品监测，生物医学等领域。

固相微萃取技术的核心在于探针上固相微萃取涂层的选择和固载，涂层的发展和制备影响萃取的效果，检测的选择性，灵敏度，使用寿命，重现性和应用范围等。

目前商品化的涂层有聚二甲基硅氧烷(pdms)，二乙烯苯(dvb)，聚丙烯酸酯(pa)和碳分子筛(car)等不同厚度的单一、混合物或共聚物涂层。其中，pdms和pa为均相聚合物涂层，其他的为多孔颗粒聚合物涂层。均相聚合物涂层萃取选择性较差，通常只能通过增加其厚度来增加萃取总容量。多孔颗粒聚合物涂层，可以通过提高涂层的多孔性来增加萃取总容量。然而商品化的固相微萃取探针多使用石英纤维作为载体，操作过程中萃取头易折断，且还存在以下问题：商品化的萃取涂层种类有限，价格昂贵(800～900元/支)，萃取效率偏低，萃取选择性差等缺点。这些不利因素限制了固相微萃取技术的进一步和发展，因而急需开发研究出更多的新型固相微萃取涂层。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种新型固相微萃取探针及其制备方法和应用。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种新型固相微萃取探针，包括不锈钢纤维和涂覆于不锈钢纤维上的表面涂层，所述表面涂层为多壁碳纳米管/聚苯胺-聚吡咯@聚二甲基硅氧烷(mwcnts/pani-ppy@pdms)复合涂层。

上述方案中，所述不锈钢纤维的直径为0.2±0.03mm，长度为20±3mm。

上述方案中，所述表面涂层的长度为1～2cm，厚度为6～10μm。

上述新型固相微萃取探针的制备方法，包括如下步骤：

(1)不锈钢纤维的预处理：将不锈钢纤维的一端进行超声清洗并干燥；

(2)取多壁碳纳米管水分散液，加入去离子水，超声分散，再加入苯胺和吡咯，涡旋得到均一的电解液，取两根步骤(1)预处理过的不锈钢纤维分别作为阳极和阴极插入其中，经原位电沉积后取出阳极不锈钢纤维，用去离子水清洗并烘干，重复上述电沉积-清洗-烘干步骤两次，得到涂覆有多壁碳纳米管/聚苯胺-聚吡咯(mwcnts/pani-ppy)复合材料涂层的固相微萃取探针；

(3)将步骤(2)制备所得多壁碳纳米管/聚苯胺-聚吡咯复合材料纤维头浸入到聚二甲基硅氧烷甲苯溶液中，静置后取出，固化，即得到涂覆有多壁碳纳米管/聚苯胺-聚吡咯@聚二甲基硅氧烷复合涂层的固相微萃取探针；

(4)探针的老化：在氮气保护下，将步骤(3)中所述涂覆有多壁碳纳米管/聚苯胺-聚吡咯@聚二甲基硅氧烷(mwcnts/pani-ppy@pdms)复合涂层的固相微萃取探针置于管式炉中老化，得到所述新型固相微萃取探针。

上述方案中，步骤(1)所述不锈钢纤维经丙酮、乙醇和超纯水超声清洗，每次超声清洗的时间为30min。

上述方案中，步骤(2)中所述电解液中，所述多壁碳纳米管的浓度为6～12mg/ml，所述苯胺和吡咯的浓度均为0.1mol/l。

上述方案中，步骤(2)所述原位电沉积采用二电极体系，电解液深度为1～2cm，9～12v直流电下沉积8～10s；探针干燥温度和时间为：60℃～80℃下干燥1h。

上述方案中，步骤(3)中所述聚二甲基硅氧烷甲苯溶液的浓度为0.4～0.6mg/ml；所述固化的温度和时间为：80℃～100℃下固化9～12h。

上述方案中，步骤(4)中所述老化的温度和时间为：230℃～250℃下老化1h。

上述新型固相微萃取探针在水体、复杂基质及活体动植物萃取领域的应用。

本发明的有益效果：本发明提供了一种固相微萃取探针，该探针用兼具多孔颗粒聚合物和均相聚合物涂层的mwcnts/pani-ppy@pdms复合材料作为固相微萃取涂层，该材料物理化学稳定性好，机械稳定性好；与单纯的多孔颗粒聚合物探针比较，本发明所述的探针生物相容性更好，抗基质干扰能力更强，更适用于复杂基质中有机物的前处理；且可以将本发明所述探针直接暴露于活体生物组织对目标分析物进行萃取和富集，并不会对生物体造成致命性损伤；解决了多孔颗粒聚合物探针无法直接用于未经任何前处理的生物样品的问题；也解决了均相聚合涂层萃取容量不够的问题；利用本发明所述探针进行分析检测，不仅检出限低、重现性好，且与已有的商业化纤维相比，萃取效率更高；同时，本发明所述的固相微萃取探针制备步骤简单快速、制备成本低，所制备出的涂层厚度均匀可控制，机械性能良好，具有极好的重现性。

附图说明

图1是mwcnts/pani-ppy@pdms复合材料固相微萃取探针的制备流程图。

图2a，2b分别是mwcnts/pani-ppy涂层放大10,000倍和300倍的场发射扫描电镜图；图2c是mwcnts/pani-ppy@pdms涂层放大300倍的场发射扫描电镜图。

图3是mwcnts/pani-ppy@pdms探针与商业化聚二甲基硅氧烷(pdms)，聚二甲基硅氧烷/二乙烯苯(pdms/dvb)，碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(car/pdms)，聚丙烯酸酯(pa)的吸附效果对比图。

图4是mwcnts/pani-ppy@pdms与mwcnts/pani-ppy探针及自制pdms探针的吸附效果对比图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例和对比例中，聚二甲基硅氧烷是由道康宁sylgard184硅橡胶的基本组分与固化剂按10:1重量比完全混合得到的混合液。

对比例1mwcnts/pani-ppy复合材料固相微萃取探针的制备

本发明通过原位电沉积制备mwcnts/pani-ppy复合材料纤维头，具体包括以下步骤：

(1)不锈钢纤维的预处理：将直径为0.2mm，长度为23cm不锈钢纤维一端依次经深度为5cm的丙酮、乙醇和超纯水超声清洗30min，并于60℃干燥1h；

(2)量取质量分数为10.36％的多壁碳纳米管水分散液1.74ml于40ml样品瓶中，加入18.26ml去离子水，超声分散10min，再加入182μl苯胺和139μl吡咯到上述稀释液中，涡旋0.5min得到均一的电解液；采用二电极体系，5ml塑料离心管为电解槽，以步骤(1)中预处理过的两根不锈钢纤维分别作为阳极和阴极插入深度为1.5cm的电解液中，在9v直流电下沉积8s后取出阳极不锈钢纤维，用去离子水清洗并于60℃干燥1h；重复上述电沉积-清洗-烘干步骤两次，得到长度为1.5cm，厚度为3.9μm的mwcnts/pani-ppy复合材料纤维头。

使用前，将5μl微量进样器中的针芯替换成上述探针，每次使用前在氮气保护下，250℃老化20min。

对比例2pdms固相微萃取探针的制备

(1)不锈钢纤维的预处理：将直径为0.2mm，长度为23cm不锈钢纤维一端依次经深度为5cm的丙酮、乙醇和超纯水超声清洗30min，并于60℃干燥1h；

(2)称取0.5g聚二甲基硅氧烷于塑料离心管中，加入1ml甲苯，涡旋0.5min，静置待气泡完全消失得到聚二甲基硅氧烷稀释液；

(3)将步骤(1)清洗的不锈钢纤维插入深度为1.5cm聚二甲基硅氧烷稀释液中，静置5s后取出，用滤纸擦干纤维头表面可见的液滴，100℃固化9h，得到pdms固相微萃取探针；

(4)探针的老化：在氮气保护下，将步骤(2)中所述固相微萃取探针置于管式炉中250℃老化1h。

使用前，将5μl微量进样器中的针芯替换成上述老化后的探针，每次使用前在氮气保护下，250℃老化20min。

实施例1mwcnts/pani-ppy@pdms复合材料固相微萃取探针的制备

本发明通过原位电沉积制备mwcnts/pani-ppy复合材料涂层，再通过直接黏附法制备所述固相微萃取探针，制备流程如图1，具体包括以下步骤：

(1)根据对比例1的方法制备mwcnts/pani-ppy复合材料涂层；

(2)根据对比例2的方法制备聚二甲基硅氧烷稀释液；

(3)将步骤(1)所述的mwcnts/pani-ppy复合材料纤维头插入深度为1.5cm的聚二甲基硅氧烷稀释液中，静置5s后取出，用滤纸擦干纤维头表面可见的液滴，100℃固化9h，在涂层表面形成厚度为4.1μm的pdms保护层，即得到实验所需的mwcnts/pani-ppy@pdms复合材料固相微萃取探针；

(4)探针的老化：在氮气保护下，将步骤(3)中所述固相微萃取探针置于管式炉中250℃老化1h。

使用前，将5μl微量进样器中的针芯替换成上述老化后的探针，每次使用前在氮气保护下，250℃老化20min。

图2a，2b分别是mwcnts/pani-ppy涂层放大10,000倍和300倍的场发射扫描电镜图；图2c是mwcnts/pani-ppy@pdms涂层放大300倍的场发射扫描电镜图，图2显示了mwcnts/pani-ppy和mwcnts/pani-ppy@pdms涂层的表面形貌，说明了mwcnts/pani-ppy和mwcnts/pani-ppy@pdms涂层的成功制备。

实施例2固相微萃取探针对有机氯农药和杂环杀虫剂的富集能力

测定本发明实施例1制得的mwcnts/pani-ppy@pdms复合材料固相微萃取探针与四种商业化萃取探针对有机氯农药(六氯苯、百菌清)、杂环杀虫剂(氟虫腈、溴虫腈)的富集能力。

所述四种商业化探针从supelco公司采购，具体包括：聚二甲基硅氧烷(pdms)，厚度100μm,非极性探针，型号57300-u；聚二甲基硅氧烷/二乙烯苯(pdms/dvb)，厚度65μm，双极性,型号57310-u；碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(car/pdms)，85μm,双极性,型号57334-u；聚丙烯酸酯(pa)，厚度85μm，型号57304，极性。

将本发明实施例1制得的探针与四种商业化萃取探针分别萃取六氯苯(hexachlorobenzene)、百菌清(chlorothalonil)、氟虫腈(fipronil)、溴虫腈(chlorfenapyr)的混合标准水溶液。再将萃取完毕的探针插入气相色谱-质谱(gc-ms)进样口中热解吸，分析比较各物质的峰面积，从而比较不同探针对不同分析物的富集效果。如图3所示，本发明制备的mwcnts/pani-ppy@pdms复合材料固相微萃取探针与pdms/dvb探针对有机氯农药和杂环杀虫剂的富集能力相当，且高于其他三种商业化萃取探针。

实施例3mwcnts/pani-ppy@pdms探针与其他两种自制探针对有机氯农药和杂环杀虫剂的萃取能力比较

测定本发明实施例1制得的mwcnts/pani-ppy@pdms复合材料固相微萃取探针，对比例1制得的mwcnts/pani-ppy探针及对比例2制得的pdms探针对有机氯农药(六氯苯、百菌清)和杂环杀虫剂(氟虫腈、溴虫腈)的富集能力。

将本发明实施例1制得的探针，mwcnts/pani-ppy探针及自制pdms探针分别萃取六氯苯、百菌清、氟虫腈、溴虫腈的混合标准水溶液。再将萃取完毕的探针插入gc-ms进样口中热解吸，分析比较各物质的峰面积，从而比较不同探针对不同分析物的富集效果，如图4所示。

图4显示mwcnts/pani-ppy@pdms探针的吸附效果远高于mwcnts/pani-ppy探针及自制pdms探针；同时，从结果显示可以看出，mwcnts/pani-ppy@pdms探针与mwcnts/pani-ppy探针对各物质的萃取选择性一致，而与pdms涂层不一致，这表明经pdms修饰的探针仅在吸附效果上有所提高而不影响原始涂层的萃取选择性。

实施例4固相微萃取探针在有机氯农药和杂环杀虫剂的标准水样品中的分析检测

本发明使用实施例1制备得到的mwcnts/pani-ppy@pdms探针与gc-ms建立spme-gc-ms方法。具体地说，用固相微萃取探针萃取一系列不同浓度的六氯苯、百菌清、氟虫腈、溴虫腈混合标准水溶液，再经gc-ms热脱附分析，每一个条件平行测试5组，将得到的一系列峰面积与对应的浓度作图，得出所制探针对不同分析物的标准曲线。

所述一系列不同浓度混合标准水溶液的配制为：

s1.称取2mg六氯苯、4mg百菌清、8mg氟虫腈、2mg溴虫腈于40ml样品瓶中，加入20ml色谱级丙酮溶解所加固体，制备得六氯苯、百菌清、氟虫腈、溴虫腈的混合标准储备液a；

s2.取s1所述的储备液a0.1ml，加入9.9ml色谱级丙酮，制备得混合标准储备液b；

s3.取s2所述的储备液b150μl，加入14.85ml去离子水，制备得混合标准液①；取混合标准液①7.5ml，加入7.5ml去离子水，制备得混合标准液②；取混合标准液①3ml，加入12ml去离子水，制备得混合标准液③；取混合标准液①1.5ml，加入13.5ml去离子水，制备得混合标准液④；取混合标准液④1.5ml，加入13.5ml去离子水，制备得混合标准液⑤；取混合标准液⑤7.5ml，加入7.5ml去离子水，制备得混合标准液⑥；取混合标准液⑤1.5ml，加入13.5ml去离子水，制备得混合标准液⑦；取混合标准液⑦1.5ml，加入13.5ml去离子水，制备得混合标准液⑧；混合标准液①～⑧为制备标曲所用的溶液。

表1建立的spme-gc-ms方法的标准曲线、线性范围、检出限、定量限

其中y代表色谱峰面积，x代表加标浓度。

如表1所示，该方法的线性范围为0.001～40μg/l，线性相关系数在0.9944～0.9998之间，检出限(s/n＝3)为0.39～2.49ng/l，定量限(s/n＝10)为1.3～8.3ng/l，宽的线性范围和低的检测限说明该材料适合用于这些农药的检测。

本发明选取低、中、高三个浓度的加标水溶液各平行测定5次，考察了同一探针及不同探针的日内和日间相对标准偏差(rsd％)。如表2所示，同一探针和不同探针之间的rsd较小(低于13.8％)，说明该方法有很好的重现性。

表2建立的spme-gc-ms方法在加标水溶液中的重现性

实施例5固相微萃取探针在大蒜基质中的应用

将大蒜球茎捣碎均浆，并在其中添加一系列不同浓度的六氯苯，百菌清，氟虫腈，溴虫腈标准混合溶液；将本发明实施例1制备得到的mwcnts/pani-ppy@pdms探针直接插入加标大蒜球茎均浆组织中进行富集和萃取，再经gc-ms热脱附分析，每一个条件平行测试5组，将得到的一系列峰面积与对应的浓度作图，得出所制探针对不同分析物的标准曲线。

如表3所示，在实际基质中，该方法的线性范围为1～400ngg^-1，线性相关系数在0.9945～0.9993之间，检出限(s/n＝3)为0.38～1.9ngg^-1，定量限(s/n＝10)为1.27～6.33ngg^-1；宽的线性范围和低的检测限说明该材料适合用于复杂基质中的农药的检测；宽的线性范围和良好的线性决定系数也说明了该材料抗基质污染能力强，解决了生物大分子如，蛋白质、脂质等堵塞多孔颗粒聚合物探针孔洞而影响探针萃取效果的问题。

表3建立的spme-gc-ms方法在加标基质中的标准曲线、线性范围、检出限、定量限

实施例6固相微萃取探针在活体大蒜中的应用

本发明使用实施例1制备得到的mwcnts/pani-ppy@pdms探针与gc-ms建立活体(invivo)-spme-gc-ms方法。将本发明实施例1制备得到的探针直接插入5种大蒜球茎中进行富集和萃取，每种大蒜平行测定3次。如表4所示，所述探针在大蒜球茎中的rsd低于15.3％，说明活体植物中的生物大分子不会污染mwcnts/pani-ppy@pdms探针而降低其萃取效果，也说明了探针没有引起植物应激反应产生激素从而影响其萃取性能；该方法无需对大蒜球茎进行任何前处理，且不会对生物造成致命性伤害，说明mwcnts/pani-ppy@pdms探针生物相容性好，抗基质干扰能力强。

表4建立的invivo-spme-gc-ms方法在活体大蒜中的应用

其中，表4中括号中的数值代表的是rsd，nd代表的是未检测到该物质。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。