CN109589931B - 一种磁性共价有机骨架化合物固相萃取吸附剂及制备方法 - Google Patents

一种磁性共价有机骨架化合物固相萃取吸附剂及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁性共价有机骨架化合物磁固相萃取吸附剂及制备方法，属于分析化学及食品安全检测技术领域。本发明提供一种磁性共价有机骨架化合物固相萃取吸附剂及其制备方法，利用Fe离子与TpBD中N原子配位，使用共沉淀方法得到的COF‑(TpBD)/Fe3O4混合物作为吸附剂，用于萃取、纯化食品基质中的芳香族化合物，特别是邻苯二甲酸酯类目标物。本发明方法简化了样品前处理的过程，使用共沉淀法合成磁性吸附剂，简单快速易得，降低了萃取工作量，并且本发明方法使得邻苯二甲酸酯类化合物的检出限大大降低。

Description

一种磁性共价有机骨架化合物固相萃取吸附剂及制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁性共价有机骨架化合物磁固相萃取吸附剂及制备方法，属于分析化学及食品安全检测技术领域。
背景技术
磁性固相萃取(MSPE)吸附剂可在样品溶液中快速分散吸附，使用外部磁体即可快速分离。与传统固相萃取(SPE)相比，MSPE具有许多明显的优点，包括操作简单，降低有机溶剂的消耗，避免SPE填充物紧密堆积而引起的高背压以及快速简单的外部磁铁分离分析物，易于与检测仪器联用等优点。MSPE的重要组成部分是吸附材料，它决定了该方法的灵敏度和选择性。因此开发对PAEs有吸附效应的磁性固相萃取(MSPE)吸附剂，可以提高吸附性能。
共价有机骨架(COF)是一类具有高度有序结构的新型结晶多孔材料，由有机构建单元构成。COF具有许多独特的性质，例如永久的孔隙率和大比表面积，这使得COF在色谱领域中表现出极大的潜力。然而其较低的密度使得其形态往往十分分散，影响了它的应用。因此，将它进行磁化，可以结合MSPE的优点，从而促进COF的实际应用。目前已有核-壳结构的COF@Fe3O4材料作为磁固相萃取吸附剂的报道，但合成过程需要严格控制，限制了材料的广泛应用。比如，已报道的Fe3O4@TpBD核-壳结构磁共价-有机骨架纳米球需要加入原硅酸四乙酯(TEOS)和(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)以引入氨基，然后原位生长TpBD，整个过程需要严格控制；无氨基改性剂参与的Fe3O4@COF-(TpBD)核-壳结构纳米球仍然需要严格控制合成过程，以保证较好晶型结构。
基于COF材料TpBD具有π-π共轭体系、刚性的孔道尺寸
Figure BDA0001893251000000011
化学、热稳定性等特点，我们将其应用于具有芳香结构的目标物的萃取分析。考虑到邻苯二甲酸酯(PAEs)化学结构和分子尺寸(约为
Figure BDA0001893251000000012
)，利用其和TpBD的尺寸选择效应、π-π共轭和疏水作用力，我们以食品中的PAEs为例进行研究。邻苯二甲酸酯通常被用作增塑剂以增加塑料的柔韧性，透明性，耐久性和使用寿命。由于其潜在致癌性和可能的内分泌调节作用，被认为是具有发育毒性的内分泌干扰化学物质。由于PAEs不与塑料基体发生化学结合，在某些条件下容易从食品塑料包装材料转移到食品中，所以PAEs的食品污染已成为公众关注的问题。目前，许多国家都制定了邻苯二甲酸酯的限量值。中国***办公厅明确规定，邻苯二甲酸酯类物质不得接触油脂类食品和婴幼儿食品，食品、食品添加剂中的邻苯二甲酸二(α-乙基已酯)(DEHP)、邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)和邻苯二甲酸二正丁酯(DBP)最大残留量分别为1.5mg/kg、9.0mg/kg和0.3mg/kg。近年来，PAEs对食品的污染引起越来越多的关注。因此开发检测各种样品中邻苯二甲酸酯的简便快速、环保、实用方法十分有必要。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种磁性共价有机骨架化合物固相萃取吸附剂及其制备方法，并将其应用于邻苯二甲酸酯的磁固相萃取。本发明通过共沉淀和静电吸附的方法快速简便地合成新型磁固相萃取吸附剂，基于COF材料的大比表面积、多孔性、大的π-π共轭体系和热稳定性的特点，该吸附剂对芳香族化合物具有显著的富集作用。目前，将COF材料磁化的方法多为合成核-壳结构的纳米材料，合成过程需要严格控制。因此，发明一种简单快速地将COFs磁化并且可以高效分离富集芳香族化合物的方法是本发明的重点之一。本发明可应用于较复杂基质的直接磁固相萃取，可搭配气相色谱或液相色谱检测。
本发明的第一个目的是提供一种新型磁固相萃取吸附剂的制备方法，所述方法是利用COF-TpBD与Fe离子配位键结合实现共沉淀，包括：将COF-TpBD、铁离子源置于水中，加热至30～80℃，然后加入氨水,反应完全后分离得到COF-(TpBD)/Fe3O4磁固相萃取吸附剂。
在本发明的一种实施方案中，所述COF-(TpBD)与铁离子源的指质量比例为(0.04～0.12)：1，所述铁离子源包括二价铁离子源和三价铁离子。
在本发明的一种实施方案中，所述二价铁离子源和三价铁离子的质量比为1：(1.5～3)。
在本发明的一种实施方案中，所述氨水与水溶液的体积比为3％～10％。
在本发明的一种实施方案中，所述COF-TpBD与铁离子源的质量比例为(0.04～0.12)：1。
在本发明的一种实施方案中，所述COF-TpBD具有高结晶度，离域体系，化学稳定性好。
在本发明的一种实施方案中，所述COF-TpBD的合成方法包括利用溶剂热法原位生长法、离子热法、微波辅助溶剂热法、加热回流法、室温溶液法等方法实现。
在本发明的一种实施方案中，所述方法为共沉淀法，其中COF-(TpBD)与Fe3O4共沉淀的机理，是利用COF-(TpBD)中的N原子(具有孤对电子)与Fe离子(具有空轨道)以配位键结合。
在本发明的一种实施方案中，所述二价铁离子源包括其盐酸盐、硫酸盐、硝酸盐中的一种或多种。
在本发明的一种实施方案中，所述三价铁离子源包括其盐酸盐、硫酸盐、硝酸盐中的一种或多种。
在本发明的一种实施方案中，所述方法具体包括：
(1)将COF-TpBD、FeSO4·7H2O和FeCl3·6H2O与150mL水混合，并通入氮气；
(2)将混合溶液搅拌均匀，并加热至30～80℃，加入4.5～15mL氨水，并继续搅拌30～40min；
(3)待上述溶液冷却后，使用外部磁铁将合成的材料收集，并依次使用去离子水和乙醇洗涤材料，干燥备用。
在本发明的一种实施方案中，所述COF-TpBD是利用溶剂热法合成，并使用丙酮、四氢呋喃、乙醇洗涤，干燥得到的。
本发明的第二个目的是提供一种新型磁固相萃取吸附剂COF-(TpBD)/Fe3O4。
本发明的第三个目的是提供一种萃取或者分离芳香族化合物的方法，所述方法包括利用上述的磁固相萃取吸附剂。
在本发明的一种实施方案中，所述方法包括：
(1)按照质量体积比，将COF-(TpBD)/Fe3O4 10～40mg，加入到10～100mL待测物溶液中，并将溶液涡旋振荡15～50分钟；
(2)磁力收集COF-(TpBD)/Fe3O4，并用纯水洗涤两次；
(3)然后加入甲醇或乙腈，洗脱COF-(TpBD)/Fe3O4上的目标物；
(4)使用外部磁铁将COF-(TpBD)/Fe3O4吸附于容器壁上，收集上清液，即得芳香族化合物溶液。
所述萃取或者分离的原理为：COF-(TpBD)/Fe3O4中的COF-(TpBD)与目标物之间通过孔道尺寸的选择效应、π-π共轭作用和疏水作用力中的一种或几种进行吸附。
本发明的第四个目的是提供一种芳香族化合物的检测方法，所述方法是预先对待测物进行前处理得到样品，然后对所得样品进行检测；所述前处理是利用上述的磁固相萃取吸附剂进行的。
在本发明的一种实施方案中，所述检测包括气相色谱，或者气相色谱-质谱装置联用。
在本发明的一种实施方案中，所述芳香族化合物为具有苯环结构及双键共轭结构的分子量小于1000道尔顿的芳香族化合物，包括C10～C20的烃基，或具有芳基、酯、醚、胺、酰胺等基团的烃基或双键的烃基，或酯基等疏水团的化合物。
本发明的第五个目的是提供一种邻苯二甲酸酯类化合物的萃取方法，所述方法包括：
(1)将上述的磁固相萃取吸附剂COF-(TpBD)/Fe3O4、盐加入到待测物溶液中得到混合溶液，进行吸附；
(2)取出COF-(TpBD)/Fe3O4，加入甲醇或乙腈进行洗脱解析，分离除去COF-(TpBD)/Fe3O4，即得邻苯二甲酸酯PAEs溶液。
在本发明的一种实施方案中，COF-(TpBD)/Fe3O4与待测物溶液的质量体积比为(10～40)：(10～100)mg/mL。
在本发明的一种实施方案中，步骤(1)中盐浓度为0.5％～1.5％w/v。
在本发明的一种实施方案中，步骤(1)中的吸附时间为5～45min。
在本发明的一种实施方案中，步骤(2)洗脱时间2～25min。
在本发明的一种实施方案中，步骤(1)中混合溶液的pH值为5.0～8.0。
本发明的第六个目的是提供一种芳香族化合物的检测方法，所述方法是预先对待测物进行前处理得到样品，然后对所得样品进行检测；所述前处理是利用上述的萃取方法进行的。
本发明与现有的技术相比，其显著优点是：
(1)本发明磁性吸附剂的制备方法简便快速，所得的磁性吸附剂的溶剂稳定性好，可重复使用5次以上；
(2)本发明芳香化合物的萃取分离方法解决了上述化合物传统分离富集方法易造成交叉污染，使用大量有机溶剂的问题，本发明不需使用大量有机溶剂和器皿，充分体现了其环境友好的特征；
(3)本发明芳香化合物的检测方法简化了样品前处理的过程，操作简单，降低了工作量，并且检测结果较好，多种PAEs的检出限和定量限都较低。
附图说明
图1是COF-TpBD与合成Fe3O4当量的原料的投料比的优化；
图2是TpBD、Fe3O4、COF-(TpBD)/Fe3O4的X-射线衍射(XRD)图；
图3是Fe3O4和COF-(TpBD)/Fe3O4的磁滞曲线；
图4是TpBD、Fe3O4、COF-(TpBD)/Fe3O4的傅里叶转换红外光谱(FT-IR)图；
图5是萃取溶剂的种类优化图；
图6是萃取溶剂体积的优化图；
图7是磁性吸附剂的用量优化图；
图8是不同溶液样品体积的优化图；
图9是萃取时间的优化图；
图10是洗脱时间的优化图；
图11是盐离子浓度的优化图；
图12是pH值的优化图。
具体实施方案
结合实例对本发明作进一步的描述：
实施例1：制备基于COF材料的磁固相萃取吸附剂
(1)COF材料的制备：通过溶剂热反应生成稳定的共价有机骨架化合物材料。选用的COF材料为COF-TpBD，合成所用原料分别为三醛基间苯三酚(Tp)63mg(0.3mmol)，联苯胺(BD)48mg(0.45mmol)。合成所用有机溶液为均三甲苯3mL，1，4-二氧六环3mL，催化剂为6M乙酸溶液0.3mL。将上述材料超声混合均匀后转移入特氟龙反应釜，120℃反应72小时。材料取出用丙酮反复洗涤，并真空干燥备用。
(2)COF材料的磁化：使用共沉淀法合成COF-(TpBD)/Fe3O4。取六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)0.4g，七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)0.25g，与适当研磨后的COF-TpBD 35mg于圆底烧瓶中，并加入100mL纯水。在60℃下使用特氟龙搅拌棒搅拌均匀，并加入9mL氨水，加热至80℃继续搅拌30min，然后冷却至室温。使用纯水洗涤所得材料2～3次，然后使用乙醇洗涤2～3次，于真空干燥箱中干燥备用。
磁固相萃取吸附剂的表征：
通过XRD表征制备的TpBD，Fe3O4和COF-(TpBD)/Fe3O4晶体结构和纯度。如图2所示，合成的TpBD、COF-(TpBD)/Fe3O4的XRD实验图与模拟的一致，表明TpBD的成功制备并顺利磁化。Fe3O4和COF-(TpBD)/Fe3O4的磁滞曲线如图3所示。Fe3O4和COF-(TpBD)/Fe3O4的饱和磁化强度值分别为61.1和51.8。Fe3O4和COF-(TpBD)/Fe3O4相对较高的饱和磁化强度使得这种吸附剂易受磁场影响，易与溶液体系分离。
通过FT-IR光谱证实COF-(TpBD)/Fe3O4纳米材料的化学组成和结构(图4)。与COF-(TpBD)的光谱相比，COF-(TpBD)/Fe3O4的光谱在584cm-1处显示出额外的吸附带，这归因于磁铁矿的Fe-O-Fe振动。对于COF-(TpBD)，1442cm-1处的信号代表芳族C＝C键的特征拉伸带，C-N伸缩和C＝N键的特征峰分别在1292和1605cm-1，这是因为TpBD的合成反应中有从烯醇式结构转化为酮式结构的过程。
实施例2：
参照实施例1，本发明采用单因素试验对COF-TpBD与合成Fe3O4的铁源原料的投料比进行优化考察，由图1可知，投料比对材料的萃取吸附性能是具有较多影响的，在质量比0.04：1以下的用量，吸附效果普遍较差，不超过10％，0.04：1以上，吸附性能逐渐提升，在达到0.12：1时，多种化合物的吸附效果均达100％。
实施例3：使用COF-(TpBD)/Fe3O4对饮料样品中15种PAEs的萃取并检测
(1)标准液配制：浓度为1000mg/mL的PAEs-甲醇标准溶液，包括DMP/DEP/DIBP/DBP/DMEP/BMPP/DEEP/DPP/DHXP/BBP/DBEP/DCHP/DEHP/DphP/DNOP梯度稀释至100mg/mL、10mg/mL，分别作为贮存液和中间液。标准曲线工作液浓度为5μg/mL、10μg/mL、20μg/mL、50μg/mL、100μg/mL、200μg/mL、500μg/mL、1000μg/mL，现用现配。
(2)待测样品的前处理
啤酒，碳酸饮料和酒精碳酸类饮料在超声波浴中脱气，消除二氧化碳。然后，基质较复杂的饮料如牛奶饮料，果汁和奶茶用纯水以1：8的比例稀释，其他饮料用纯水以1：5的比例稀释，以在提取过程之前减少基质干扰。
(3)消除PAEs背景
由于PAEs在许多实验室产品中广泛可用，包括化学品和玻璃器皿，因此在实际样品中PAEs的分析中可能存在高背景。为避免PAEs污染，所有使用的玻璃器皿应用丙酮或正己烷洗涤，并在使用前在120℃下干燥至少4h。分析实验中使用的所有有机溶剂均为色谱纯级。应首先通过GC-MS分析那些不可避免使用的有机溶剂和塑料产品，以消除PAEs污染的可能性。
(4)磁性固相萃取
具体步骤为：1)取实施例1中制备的材料30mg COF-(TpBD)/Fe3O4，加入到50mL加标溶液或样品溶液中。2)将溶液涡旋振荡后，使用强力磁铁将COF-(TpBD)/Fe3O4收集，并用纯水洗涤两次。3)然后使用2mL甲醇进行解吸，并振荡洗脱COF-(TpBD)/Fe3O4上的目标物。4)使用外部磁铁将COF-(TpBD)/Fe3O4吸附于容器壁上，收集所有上清液并通过0.22μm膜过滤以在CG分析之前除去颗粒物质，使用GC分析。使用过的COF-(TpBD)/Fe3O4用甲醇洗涤三次，回收利用。
(1)本实验使用气相色谱-质谱联用进行检测。检测模式为多反应检测(MRM)模式。记录色谱图，经色谱仪自带软件积分得到峰面积，绘制15种邻苯二甲酸酯标准曲线，并计算得到待测样品中的各邻苯二甲酸酯的含量。
表1待测样品中的各邻苯二甲酸酯的测定
Figure BDA0001893251000000061
Figure BDA0001893251000000071
实施例4：
本实验对萃取条件进行了优化考察：参照实施例1中的条件，分别作单因素优化实验。
测试了两种洗脱溶剂(乙腈和甲醇)，设置了不同的洗脱液体积(0.5mL×2、1mL、1mL×2、2mL)、磁性吸附剂的量(10、20、30、40mg)，不同的样品溶液体积(10mL，50mL，100mL，200mL)、萃取时间(5、10、20、30、40、45min)、洗脱时间(2、5、10、15、20、25min)、盐离子浓度(0、0.3、0.5、1、1.5％w/v)和pH值(5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0)。如图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12所示，最终选择了萃取效果较好的萃取条件：2mL甲醇作为洗脱溶剂，30mg COF-(TpBD)/Fe3O4作为吸附剂，30min作为萃取时间，15分钟作为洗脱时间，盐离子浓度为1％w/v，pH值7.0。

Claims (10)

1.一种磁固相萃取吸附剂的制备方法，其特征在于，所述方法是利用共价有机骨架化合物COF-TpBD中具有孤对电子的N原子与具有空轨道的Fe离子配位键结合实现共沉淀，包括：将COF-TpBD、铁离子源置于水中，加热至30～80℃，然后加入氨水，反应完全后分离即得COF-TpBD/Fe3O4磁固相萃取吸附剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述COF-TpBD与铁离子源的质量比为(0.04～0.2)：1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述铁离子源包括二价铁离子和三价铁离子，其中，二价铁离子和三价铁离子的质量比为1：(1.5～3)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述COF-TpBD/Fe3O4磁固相萃取吸附剂中具有吸附效果的材料为TpBD，利用孔道尺寸的选择效应、π-π共轭吸附和疏水中的一种或几种作用力，对目标物进行吸附。
5.一种磁固相萃取吸附剂，其特征在于，所述磁固相萃取吸附剂是利用权利要求1～4任一所述方法制备得到的。
6.一种萃取芳香族化合物的方法，其特征在于，所述方法是利用权利要求5所述的磁固相萃取吸附剂，包括：
(1)按照质量体积比，将COF-TpBD/Fe3O4 10～40mg，加入到10～100mL待测物溶液中，混匀；
(2)收集COF-TpBD/Fe3O4，洗涤；
(3)然后加入溶剂，洗脱COF-TpBD/Fe3O4上的芳香族化合物目标物；
(4)分离除去COF-TpBD/Fe3O4，收集清液，即得芳香族化合物溶液。
7.一种邻苯二甲酸酯的萃取方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)将权利要求5所述的磁固相萃取吸附剂COF-TpBD/Fe3O4、0.5％～1.5％w/v盐加入到待测物溶液中得到混合溶液，进行吸附；
(2)分离取出COF-TpBD/Fe3O4，加入甲醇或乙腈进行洗脱解析，分离除去COF-TpBD/Fe3O4，即得邻苯二甲酸酯PAEs溶液。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，COF-TpBD/Fe3O4与待测物溶液的质量体积比为(10～40)：(10～100)mg/mL。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中混合溶液的pH值为5.0～8.0。
10.一种芳香族化合物的检测方法，其特征在于，所述方法是预先对待测物进行前处理得到样品，然后对所得样品进行检测；所述前处理是利用权利要求5所述的磁固相萃取吸附剂，或者利用权利要求6～9任一所述的萃取分离方法进行的。
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