CN109647362A - 一种氧化石墨烯接枝硅胶整体柱的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化石墨烯接枝硅胶整体柱的制备方法及应用，利用酰胺化反应将氧化石墨烯接枝到氨基化硅胶整体柱上，制备出对多环芳烃具有良好萃取性能的萃取分离介质。以芘、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽为分析对象，以液相色谱检测的样品峰面积为定量依据，该氧化石墨烯接枝硅胶整体柱对芘、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽的富集倍数分别达到了78.5、98.2、102.4。本发明采用酰胺化反应使操作简单、条件温和、产率高；制备出的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱具有选择性好，基质均匀，通透性良好，萃取富集效率高的优点，适用于多环芳烃的分离和富集。

Description

一种氧化石墨烯接枝硅胶整体柱的制备方法及应用
技术领域
本发明属于复杂体系分离分析中固相萃取介质的制备领域，具体涉及一种氧化石墨烯接枝硅胶整体柱的制备方法及应用。
背景技术
氧化石墨烯是石墨烯的一种衍生产物，不仅拥有较大的比表面积和较强的π电子共轭体系，而且其片层表面还含有丰富的羧基、羟基等官能团，可通过共价键或非共价键修饰到载体表面，制得功能性复合材料，用于分析对象的分离富集。氧化石墨烯对含苯环类化合物有较强的分离富集能力，在痕量PAHs检测中有较好的应用前景。Xu等制备的氧化石墨烯共价键合萃取纤维，实现了环境水样中多环芳烃的萃取检测。
毛细管整体柱具有相对比表面积较大，样品通过时压强小，传质速度快，分析时间短等优势。根据基质材料的不同，整体柱可分为有机聚合物整体柱和硅胶整体柱两大类。有机聚合物整体柱不耐有机溶剂溶胀、pH应用范围窄，限制了其应用范围。硅胶整体柱机械强度高，耐高温耐有机溶剂，拥有连续的多孔结构，较大的比表面积，材料易被修饰不同功能基团从而提升萃取性能，在样品前处理及分离分析领域应用广泛。但目前的硅胶整体柱基质不均匀，通透性也不好，灵敏度不高，在应用中受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化石墨烯接枝硅胶整体柱的制备方法及其在多环芳烃的萃取富集中的应用，该方法采用酰胺化反应使操作简单、条件温和、产率高；制备出的整体柱具有选择性好，基质均匀，通透性良好，萃取富集效率高等优点，适用于多环芳烃的分离和富集。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，用于对芘、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽的固相微萃取，萃取条件为：上样溶剂为甲醇和水的混合溶液，其中，甲醇和水的体积比为1:9，上样速率为50μL/min，上样量为1mL，洗脱液为丙酮，洗脱速率为20μL/min，洗脱液收集体积为10μL。
本发明解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现：
前述的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，其中，所述氧化石墨烯接枝硅胶整体柱对芘、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽的富集倍数分别为78.5、98.2、102.4。
前述的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，结合HPLC-UV建立对多环芳烃的定量分析方法，该方法的相关系数不低于0.9967，对芘、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽的检出限(信噪比S/N＝3)依次为0.08μg/L、0.02μg/L、0.05μg/L，对芘、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽的定量限(信噪比S/N＝10)依次为0.25μg/L、0.07μg/L、0.16μg/L，芘、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽实际样品平均加标回收率(n＝3)依次为81.7％-106.9％、81.5％-107.8％、82.5％-104.7％，芘、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽的相对标准偏差(n＝3)依次为1.7％-5.8％、1.0％-4.5％、1.5％-6.5％。
前述的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，所述氧化石墨烯接枝硅胶整体柱的制备方法为：
(1)制备氨基化硅胶整体柱：
将四甲氧基硅烷、聚乙二醇、尿素、醋酸在冰水浴条件下搅拌成均匀透明的溶液，超声脱气后，注入预处理后的毛细管中，封端后于40℃陈化20～24h，再升温至75℃保温3～5h制得硅胶整体柱，依次用去离子水、无水甲醇冲洗除杂；然后将氨基供体试剂氨丙基三甲氧基硅烷-甲醇溶液注入硅胶整体柱，封端后于70℃反应6～8h，得到氨基化硅胶整体柱，再用无水甲醇冲洗除杂后备用；
(2)制备氧化石墨烯接枝硅胶整体柱：
将氧化石墨烯加入水中，超声后分散液注入步骤(1)所得氨基化硅胶整体柱中，封端后于40℃反应6h，通过酰胺化反应制得氧化石墨烯接枝硅胶整体柱，之后依次用去离子水、无水甲醇冲洗，去除未反应剩余物。
进一步，步骤(1)中所述四甲氧基硅烷、聚乙二醇、尿素、醋酸的用量可以依次为0.90ml、0.10g、0.22g、2ml，醋酸的浓度为0.01mol/L。
进一步，四甲氧基硅烷、聚乙二醇、尿素、醋酸的用量可以依次按照0.90mL、0.10g、0.22g、2mL呈相同倍数增加或减小。
进一步，步骤(1)中所述的氨基供体试剂氨丙基三甲氧基硅烷-甲醇溶液中氨丙基三甲氧基硅烷与无水甲醇的体积比为3:7；该氨基供体试剂注入硅胶整体柱的速率为50μL/min，用量为1mL。
进一步，步骤(2)中是将氧化石墨烯水分散液以30μL/min的速率注入氨基化硅胶整体柱中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明制备得到的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱，基质均匀，通透性良好，酰胺化反应的应用使修饰过程易于操作，反应转化率较高。在对多环芳烃富集研究中发现，氧化石墨烯接枝硅胶整体柱有高的富集效率和高选择性，并且由于活性基团-NH2的存在，为整体柱的柱后衍生化提供了更多的可能。本发明提供的制备氧化石墨烯接枝硅胶整体柱的新方法，克服了有机聚合物整体柱不耐有机溶剂溶胀、pH应用范围窄等问题，最终所得氧化石墨烯接枝硅胶整体柱具有选择性好，基质均匀，通透性良好，富集效率高的优点，适用于多环芳烃的分离和富集。
附图说明
图1为氧化石墨烯修饰前(a)和修饰后(b)硅胶整体柱的拉曼谱图；
图2为氧化石墨烯修饰前硅胶整体柱的扫描电镜图；
图3为氧化石墨烯修饰后硅胶整体柱的扫描电镜图；
图4为氧化石墨烯接枝硅胶整体柱对芘(b1)、苯并[a]芘(b2)和二苯并[a,h]蒽(b3)混合标准溶液富集前(a)和富集后(b)的液相色谱图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明采取的技术手段和技术效果，以下结合实施例，对本发明进行详细说明。
一种氧化石墨烯接枝硅胶整体柱的制备方法，利用酰胺化反应将氧化石墨烯基团接枝到氨基化硅胶整体柱上，制备出对芳烃基团具有良好萃取性能的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱。
作为本发明较优的实施方式，所述氨基化硅胶整体柱的制备方法为：将四甲氧基硅烷、聚乙二醇、尿素、醋酸在冰水浴条件下搅拌成均匀透明溶液，并注入已处理的毛细管中，控制柱温进行反应，制得硅胶整体柱，然后利用氨丙基三甲氧基硅烷进一步修饰得到氨基化硅胶整体柱。所述酰胺化反应过程为：将氧化石墨烯的水分散液注入到氨基化硅胶整体柱中，经恒温反应即可得到氧化石墨烯接枝硅胶整体柱。
本发明所述的制备方法制备的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃的固相微萃取中的应用，萃取过程为：以芘、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽的甲醇/水(甲醇：水体积比为1:9)溶液为分析对象，以液相色谱检测的样品峰面积为定量依据，萃取条件如下：上样溶剂为甲醇/水混合溶液，其中，甲醇与水的体积比为1:9，上样速率为50μL/min，上样量为1mL，洗脱液为丙酮，洗脱速率为20μL/min，洗脱液收集体积为10μL。
为使本发明的内容更明显易懂，以下结合具体实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1
关于氧化石墨烯接枝硅胶整体柱的制备方法
步骤一、毛细管的预处理
石英毛细管首先用1moL/L NaOH活化，然后依次用1moL/L HCl和去离子水冲洗至中性，氮气吹干备用。
步骤二、氧化石墨烯的制备
在1.0g石墨粉中加入混合酸(H2SO4和H3PO4体积比为9:1的混合酸)134mL，机械搅拌下缓慢加入6.0g KMnO4，50℃油浴反应30h。反应结束冷至室温后倒入150mL冰水中，滴加8mL 30％H2O2。依次用10％HCl、无水乙醇、去离子水洗至中性，烘干后得氧化石墨。取适量氧化石墨于去离子水中经超声分散，既得氧化石墨烯水分散液。
步骤三、氨基化硅胶整体柱的制备
取0.90mL TMOS、0.10g PEG和0.22g Urea与2mL 0.01mol/L HAc混合，冰浴搅拌至澄清透明，超声脱气后，注入8cm长预处理毛细管中，封端后40℃陈化20h，再升温至75℃保持3h，制得硅胶整体柱，用去离子水和无水甲醇依次冲洗除杂。然后将1mL氨基供体试剂氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)-甲醇溶液以50μL/min的速率注入硅胶整体柱，封端后70℃反应6h，得到氨基化硅胶整体柱，用无水甲醇冲洗除杂后备用。该氨基供体试剂氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)-甲醇溶液是将氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)溶于无水甲醇中，氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)和无水甲醇的体积比为3:7。
步骤四、氧化石墨烯接枝硅胶整体柱的制备
将0.02mg/mL的氧化石墨烯水分散液1mL以30μL/min的速率注入氨基化硅胶整体柱，封端后40℃反应6h，通过酰胺化反应制得氧化石墨烯接枝硅胶整体柱，之后依次用去离子水、无水甲醇冲洗，去除未反应的氧化石墨烯。
图1中线a和线b分别为氧化石墨烯(GO)接枝前、后硅胶整体柱的拉曼谱图，线b表明：GO接枝后，在1350cm-1和1600cm-1出现了两个明显的吸收峰，分别为GO的特征峰D峰和G峰。表明GO已成功接枝到硅胶整体柱表面。
图2和图3分别为氧化石墨烯接枝前后硅胶整体柱的扫描电镜图，图3表明：GO接枝后，硅胶整体柱材料表面出现大量的褶皱，说明GO已成功接枝于硅胶整体柱表面。
实施例2
关于氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃的固相微萃取中的应用
萃取方法的建立：萃取方法以芘、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽三者的混合标准溶液为分析对象，将芘、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽三者均溶于甲醇/水溶液中(甲醇：水体积比为1:9)，以液相色谱检测的样品峰面积为定量依据，在以下萃取条件下进行：上样溶剂为体积比为1:9的甲醇/水混合溶液，上样速率为50μL/min，上样量为1mL，洗脱液为丙酮，洗脱速率为20μL/min，洗脱液收集体积为10μL。在优化的条件下，考察氧化石墨烯接枝硅胶整体柱对芘、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽的富集效果，结果表明，整体柱对芘、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽的富集倍数分别达到了78.5、98.2、102.4。
图4中线a和线b分别为氧化石墨烯接枝硅胶整体柱对芘(线b中标号1)、苯并[a]芘(线b中标号2)和二苯并[a,h]蒽(线b中标号3)混合标准溶液富集前和富集后的液相色谱图，线b表明富集后，色谱峰面积明显增大。
本发明以氧化石墨烯接枝硅胶整体柱为萃取介质，结合HPLC-UV建立了对多环芳烃(PAHs)的定量分析方法。以0.1-150μg/L系列标准溶液进行分析，以浓度为横坐标，萃取后样品色谱峰面积为纵坐标进行线性回归分析，测定了多环芳烃(PAHs)的标准曲线、线性范围、检出限(LOD，S/N＝3)和定量限(LOQ，S/N＝10)，结果如表1。实验测得该方法的相关系数不低于0.9967，检出限在0.02-0.08μg/L之间，定量限在0.07-0.25μg/L之间。芘、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽实际样品平均加标回收率(n＝3)分别为81.7％-106.9％、81.5％-107.8％、82.5％-104.7％，相对标准偏差(RSD)分别为1.7％-5.8％、1.0％-4.5％、1.5％-6.5％(n＝3)。
表1.三种PAHs的标准曲线、相关系数、线性范围、检出限、定量限结果
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，用于对芘、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽的固相微萃取，萃取条件为：上样溶剂为甲醇和水的混合溶液，其中，甲醇和水的体积比为1:9，上样速率为50μL/min，上样量为1mL，洗脱液为丙酮，洗脱速率为20μL/min，洗脱液收集体积为10μL。
2.如权利要求1所述的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，其特征在于：所述氧化石墨烯接枝硅胶整体柱对芘、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽的富集倍数分别为78.5、98.2、102.4。
3.如权利要求1所述的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，其特征在于：结合HPLC-UV建立对多环芳烃的定量分析方法，该方法的相关系数不低于0.9967，对芘、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽的检出限依次为0.08μg/L、0.02μg/L、0.05μg/L；对芘、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽的定量限依次为0.25μg/L、0.07μg/L、0.16μg/L；芘、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽实际样品平均加标回收率依次为81.7％-106.9％、81.5％-107.8％、82.5％-104.7％，芘、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽的相对标准偏差依次为1.7％-5.8％、1.0％-4.5％、1.5％-6.5％。
4.如权利要求1所述的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，其特征在于：所述氧化石墨烯接枝硅胶整体柱的制备方法为：
(1)制备氨基化硅胶整体柱：
将四甲氧基硅烷、聚乙二醇、尿素、醋酸在冰水浴条件下搅拌成均匀透明的溶液，超声脱气后，注入预处理后的毛细管中，封端后于40℃陈化20～24h，再升温至75℃恒温3～5h制得硅胶整体柱，依次用去离子水、无水甲醇冲洗除杂；然后将氨基供体试剂氨丙基三甲氧基硅烷-甲醇溶液注入硅胶整体柱，封端后于70℃反应6～8h，得到氨基化硅胶整体柱，再用无水甲醇冲洗除杂后备用；
(2)制备氧化石墨烯接枝硅胶整体柱：
将氧化石墨烯加入水中，超声分散后注入步骤(1)所得氨基化硅胶整体柱中，封端后于40℃反应6h，通过酰胺化反应制得氧化石墨烯接枝硅胶整体柱，之后依次用去离子水、甲醇冲洗，去除剩余反应物。
5.如权利要求4所述的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，其特征在于步骤(1)中所述四甲氧基硅烷、聚乙二醇、尿素、醋酸的用量依次为0.90mL、0.10g、0.22g、2mL，醋酸的浓度为0.01mol/L。
6.如权利要求5所述的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，其特征在于四甲氧基硅烷、聚乙二醇、尿素、醋酸的用量依次按照0.90ml、0.10g、0.22g、2ml呈相同倍数增加或减小。
7.如权利要求4所述的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，其特征在于步骤(1)中所述的氨基供体试剂氨丙基三甲氧基硅烷-甲醇溶液中氨丙基三甲氧基硅烷与无水甲醇的体积比为3:7；该氨基供体试剂注入硅胶整体柱的速率为50μL/min，用量为1mL。
8.如权利要求4所述的氧化石墨烯接枝硅胶整体柱在多环芳烃固相微萃取中的应用，其特征在于步骤(2)中是将氧化石墨烯水分散液以30μL/min的速率注入氨基化硅胶整体柱中。
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