采用原位聚合法制備耐有機溶劑的固相微萃取涂層

吳芳，陸萬平，劉薇，張?zhí)m

（1.福建醫(yī)科大學 藥學院，福建 福州350108；

2.福州大學 食品安全與檢測教育部重點實驗室，福建 福州350002）

固相微萃?。⊿PME）是一種集萃取、濃縮、解吸和進樣于一體的樣品前處理技術，與氣相色譜（GC）、液相色譜（LC）等技術聯(lián)用可實現(xiàn)對復雜樣品的快速分離分析［1-2］.SPME-LC聯(lián)用通常采用有機溶劑解吸分析物，因而對涂層材料提出更高的要求，即涂層能在甲醇、乙腈等常用的強極性有機溶劑中穩(wěn)定存在，不發(fā)生溶解、溶脹或脫落的現(xiàn)象.現(xiàn)有的商品化涂層如聚丙烯酸酯（PA）、聚二甲基硅氧烷-二乙烯基苯（PDMS-DVB），聚乙二醇-碳分子篩（CW-TPR）等，很難在不同測定條件下同時滿足這些要求，因而成為制約SPME-LC發(fā)展的一大瓶頸.目前，發(fā)展大容量、穩(wěn)定性好、解析吸附快速的涂層材料仍是SPME-LC技術發(fā)展的重要方向［3］.有機聚合物整體材料以其優(yōu)異的性能［4-5］越來越為廣大研究者所青睞，近年來，將其作為萃取介質用于制備SPME涂層也見諸報道［6-12］.本文制備一種耐受有機溶劑的聚甲基丙烯酸酯有機聚合物新型固相微萃取（SPME）涂層材料，并對涂層的性能進行分析評價.

1 實驗部分

1.1 化學試劑

三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯（TMPTMA），使用前用活性炭固相萃取柱過濾；1-十六碳烯，γ-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷（γ-MAPS），1，4-丁二醇，環(huán)己醇，均購自Alfa Aesar（天津）化學有限公司；偶氮二異丁腈（AIBN），化學純，經(jīng)重結晶后使用，（天津福晨化學試劑廠）；甲醇、丙酮均為色譜純；農(nóng)藥標準品（美國Sigma公司）；所有實驗用水均為經(jīng)Milli-Q型化系統(tǒng)（美國Bedford Millipore公司）制得的超純水.除非特別說明，其他所用試劑均為分析純.

1.2 儀器及色譜條件

Agilent 1100型高效液相色譜儀（美國Agilent科技公司）：包括在線脫氣裝置、四元泵、六通閥進樣器及紫外可變波長檢測器；農(nóng)藥分析采用C8色譜柱（150mm×4.6mm，5μm，美國Agilent科技公司）；固相微萃取-液相色譜聯(lián)用接口（美國Supelco公司）；5，25μL液相進樣針（上海高鴿工貿有限公司）；環(huán)境掃描電鏡儀（荷蘭飛利浦公司）；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（河南鞏義予華儀器有限責任公司）；HGC-24A型氮吹儀（福建廈門精藝興業(yè)科技有限公司）.

1.3 有機聚合物SPME涂層的制備

首先對纖維表面進行硅烷化處理［13］，然后進行聚合制備涂層.

聚合反應如下：分別取210μL的交聯(lián)劑TMPTMA，315μL的反應功能單體1-十六碳烯，加入6 mg的引發(fā)劑AIBN，三元致孔劑環(huán)己醇，1，4-丁二醇和水（650μL的環(huán)己醇，227μL的1，4-丁二醇，98 μL的水），超聲15min使其充分溶解混勻，氮吹15min脫氧，所得混合物轉移至1.5mL的樣品瓶中.將硅烷化處理的纖維插入樣品瓶中，密封后置于恒溫水浴箱內，于60℃下反應24h.反應結束后，拔出纖維并浸入甲醇溶液中以去除多余的致孔劑、功能單體及反應產(chǎn)生的一些低聚物，最后用二次水沖洗并晾干備用.

三元致孔劑是惰性溶劑，對功能單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑是良性溶劑，對共聚物為非良性溶劑.在聚合過程中，由于惰性溶劑的存在，共聚物內產(chǎn)生相分離，最終使涂層固定相具有多孔結構［14］.

1.4 涂層性能的表征

涂層的微觀形態(tài)結構是影響涂層性能的重要因素，利用掃描電鏡觀察自制的聚（1-hexadecene-co-TMPTMA）SPME涂層表面和斷面的形貌，并對萃取涂層的耐有機溶劑性能、耐酸堿性能、機械性能、重現(xiàn)性及其萃取性能進行考察.

2 結果與討論

2.1 涂層形貌觀察

用環(huán)境掃描電鏡（SEM）詳細考察聚（1-hexadecene-co-TMPTMA）SPME涂層的表面和斷面形貌，結果如圖1所示.

圖1 有機聚合物SPME涂層的掃描電鏡圖Fig.1 SEM micrographs of the organic polymer SPME coating fiber

從圖1（a）可知：涂層表面粗糙不平，均勻分布大量的小突起.從圖1（b）進一步觀察發(fā)現(xiàn)：涂層表面遍布聚合物小球，小球間有納米級小孔隙（圖1（c））.

由聚合物小球聚集形成大小約2～4μm的小突起（或稱為“簇”），“簇”與“簇”之間有大小不等的微米級大孔隙（圖1（b）），聚合物小球及“簇”共同形成涂層的三維多孔結構.這種多孔結構中，納米級小孔顯著增大涂層的表面積，可提高涂層的萃取容量，從而有更低的檢測靈敏度.同時，微米級大孔隙使涂層有良好的通透性，保證了快速的傳質速率，不會導致過長的萃取或解吸時間，有利于實際應用.

由圖1（d）可知：涂層與纖維基底結合緊密.這應該得益于纖維表面的硅烷化處理 .實驗中使用的硅烷化試劑γ-MAPS具有烷氧基和烯基雙官能團，纖維表面硅烷化處理時，烷氧基與纖維表面的硅羥基發(fā)生反應，使纖維表面鍵合上帶烯基的官能團 .該官能團在聚合時參與反應，因而使聚合物涂層通過共價鍵與纖維緊密連接，形成一個“整體”［15］.這種鍵合作用可使涂層具有強的耐有機溶劑特性和機械性能，能有限避免涂層在萃取、解吸過程中脫落，大大提高涂層的穩(wěn)定性.

2.2 涂層耐有機溶劑性能

將自制的涂層纖維分別置于甲醇、乙腈、丙酮、二氯甲烷和正己烷等常用的有機溶劑中浸泡2h，以考察自制有機聚合物涂層的耐有機溶劑性能 .結果表明：浸泡后，纖維仍能在SPME裝置的保護套管內伸縮自如，肉眼也未觀察到涂層有脫落的跡象，初步說明涂層在有機溶劑中無明顯溶脹.

用掃描電鏡進一步觀察不同有機溶劑浸泡下涂層的表面形貌，如圖2所示 .由圖2可知：浸泡前后，涂層表面無明顯變化，說明涂層具有良好的耐有機溶劑性能.這種特性源自該聚合物涂層獨特的結構 .即涂層制備采用三元交聯(lián)劑TMPTMA，因此涂層呈高度交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結構，涂層本身不易溶于有機溶劑，而且涂層與纖維之間存在很強的化學鍵，使涂層不易于脫落.

2.3 涂層的機械強度

涂層的機械強度對涂層壽命有直接影響.將制備的聚合物涂層分別置于純水、乙腈和pH＝2的鹽酸溶液中，超聲處理30min（300W，40kHz）后，用掃描電鏡觀察涂層表面形貌，結果如圖3所示.

圖2 不同有機溶劑浸泡下有機聚合物SPME涂層的掃描電鏡圖Fig.2 SEM micrographs of the organic polymer SPME coating fiber dipping in different organic solvent

由圖3可知：涂層表面無明顯變化.說明超聲處理并未造成涂層的脫落.這同樣得益于該聚合物涂層高度交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結構，以及涂層與纖維之間強的化學鍵作用.

圖3 有機聚合物SPME涂層的掃描電鏡圖Fig.3 SEM micrographs of the organic polymer SPME coating fiber

2.4 農(nóng)藥萃取性能考察

用自制的涂層纖維對農(nóng)藥混合溶液進行萃取后用高效液相色譜（HPLC）檢測，然后與將農(nóng)藥混合溶液不經(jīng)萃取直接用HPLC檢測（進樣量為10μL），所得色譜圖進行比較，結果如圖4所示.

由圖4可知：在0.1μg·mL-1的農(nóng)藥標準品溶液直接進樣時，幾乎無響應；而相同濃度的溶液經(jīng)萃取后則有較高的響應，且響應與直接進樣20μg·mL-1標準品溶液時相當，說明自制涂層對農(nóng)藥有較高的富集效率.

圖4 萃取前后農(nóng)藥的HPLC色譜圖比較Fig.4 HPLC chromatograms of pesticides before and after extraction

2.5 涂層的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

用同根萃取纖維連續(xù)5次萃取進樣，考察根內涂層的萃取重現(xiàn)性 .結果表明：5次平行實驗峰面積的相對標準偏差（RSD）在7.0%～10.8%之間 .從不同批次的纖維中任選一根進行萃取實驗，考察不同根纖維間的重現(xiàn)性，峰面積的RSD從4.9% 到13.3%.結果表明：自制聚合物涂層重現(xiàn)性良好.此外，在6個月內，用涂層進行120次萃取，萃取效率無明顯變化，說明自制涂層有較長的使用壽命（商品化涂層的使用壽命一般為70～140次）.

2.6 涂層pH值耐受性

涂層的應用有時會受到pH值的限制，大部分商品化涂層的pH值適用范圍為2～11，部分涂層如CW／DVB纖維pH值適用范圍為2～9.為考察纖維的pH值耐受性，將纖維涂層分別置于pH＝2的鹽酸和pH＝12的NaOH溶液浸泡2h，然后對農(nóng)藥標準品溶液進行萃取，比較浸泡前后的萃取結果，結果如圖5所示.由圖5可知：經(jīng)強酸、強堿溶液浸泡后，自制聚合物涂層的萃取能力沒有明顯的改變，說明該涂層的pH值適用范圍為2～12.

圖5 強酸和強堿處理對農(nóng)藥信號的影響Fig.5 Effect of strong acid-base treatment on pesticides singals

3 結束語

采用原位聚合技術制備新型的有機聚合物SPME涂層.該涂層呈三維多孔結構，以化學鍵與纖維基底緊密結合，具有良好的有機溶劑耐受性、pH值耐受性、機械性能和萃取性能，重現(xiàn)性好，穩(wěn)定性高.涂層的各種特性表明，其在SPME-LC研究中有較高的應用價值，若能結合其他萃取技術如固相微萃取攪拌棒、管內固相微萃取，將會有更廣闊的應用前景.

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