一种杯4开链冠醚固相微萃取萃取头及其制备方法

摘要

本发明公开了一种杯[4]开链冠醚固相微萃取萃取头及其制备方法，该萃取头的特殊之处是在石英纤维的表面键合有杯[4]开链冠醚/羟基硅油复合涂层，这种萃取头采用溶胶－凝胶与自由基引发交联相结合的方法制备。本发明所提供的固相微萃取萃取头具有高的热稳定性和耐溶剂冲洗、耐强碱能力，使用寿命长，对极性和非极性芳香和脂肪族化合物均有很好的吸附能力，在食品分析、环境监测和兴奋剂的检测领域均具有重要的应用前景。而且该萃取头的制备方法简单、快速、重现性好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固相微萃取(SPME)萃取头及其制备方法，尤其是萃取头的石英纤维表面键合有杯[4]开链冠醚和羟基硅油的复合涂层的固相微萃取萃取头及其制备方法，属于高分子化学领域，也属于分析化学领域。

技术背景

固相微萃取是在固相萃取基础上发展起来的一种简单、快速、灵敏、无溶剂的样品前处理方法。其中，固相微萃取萃取头是该技术的核心部分。尽管近几年来固相微萃取技术得到了快速的发展，但是还存在一些急需解决的问题。首先，绝大多数商用萃取头是采用物理涂渍和部分交联的方法制备的，操作温度低，抗溶剂冲洗能力弱，使用寿命短。其次，现有的固相微萃取萃取头涂层种类少，灵敏度较低，因而大大地限制了它的应用范围。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种新的固相微萃取萃取头及其制备方法，该固相微萃取萃取头以含有乙烯基活性基团的杯[4]开链冠醚和羟基硅油为涂层材料，采用溶胶-凝胶与自由基引发交联相结合的方法制备。

本发明所采用的技术方案如下：

一种杯[4]开链冠醚固相微萃取萃取头，其特殊之处是它的石英纤维的表面键合有杯[4]开链冠醚和羟基硅油的复合涂层(C[4]open-chain crownether/OH-TSO)。

其中杯[4]开链冠醚涂层材料为含有乙烯基活性基团5，11，17，23-四-叔丁基-25，27-二(2-烯丙氧乙氧基)-26，28-二羟基杯[4]芳烃。

本发明还提供了上述杯[4]开链冠醚/羟基硅油固相微萃取萃取头的制备方法，步骤如下：

(1)取10-60mg含有乙烯基活性基团的杯[4]开链冠醚，用140-250μL二氯甲烷稀释，加入质量为杯[4]开链冠醚质量1.5-10倍的羟基硅油，再加入80-120μL四乙氧基硅烷 或甲基三甲氧基硅烷，加入30-60μL乙烯基三乙氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷，加入6-10mg二苯甲酮充分混合，加入30-100μL含3-10％(体积比)水的三氟乙酸，然后加入0-15μL的含氢硅油，将所得物超声振荡3-10分钟，然后在8000-16000r/min下离心4-8分钟，取出上层清液备用。

(2)将已去掉保护层的干燥的石英纤维一端插入溶胶清液中约10-60分钟，反复操作数次得到一定厚度的涂层，取出后在干燥器中放置8-24小时，然后在紫外灯下光固化10-60分钟，在N₂保护下于250-320℃老化2-3h即得所需固相微萃取萃取头。

由上述技术方案可知，本发明提供的键合有杯[4]开链冠醚和羟基硅油的复合涂层的固相微萃取萃取头采用溶胶-凝胶方法制备，而杯芳烃是继环糊精和冠醚之后的第三代主体分子，对有机分子具有良好的识别能力。开链冠醚是一种具有类似于冠醚-CH₂CH₂O-结构单元的非环多醚化合物，它保留有冠醚对极性化合物的选择性配位能力。杯[4]开链冠醚结合了杯[4]芳烃和开链冠醚两种主体化合物的优点，利用其双重识别、协同效应提高其对极性和非极性化合物的萃取和富集能力，是一类极有前途的固相微萃取涂层材料。因此这种萃取头具有高的热稳定性和溶剂稳定性，使用寿命长，对极性和非极性的芳香和脂肪族化合物均具有很好的萃取能力，而且制备过程简单、快速、重现性好。

附图说明

图1为本发明所制备的杯[4]开链冠醚/羟基硅油萃取头与商用PDMS、PDMS/DVB和PA萃取头对啤酒中脂肪酸、醇和酯类化合物萃取能力的比较。

图2为杯[4]开链冠醚/羟基硅油萃取头与商用PDMS和PA萃取头对尿样中麻黄碱和伪麻黄碱类化合物萃取能力的比较。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，其中所用的杯[4]开链冠醚为含有乙烯基活性基团的5，11，17，23-四-叔丁基-25，27-二(2-烯丙氧乙氧基)-26，28-二羟基杯[4]芳烃(C[4]open-chain crown ether)。这种杯[4]开链冠醚可在实验室用常规方法合成。羟基硅油(OH-TSO，分子量为3000-5000)购自成都硅应用与研究中心，四乙氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，含氢硅油(分子量为1000-2000)购自武汉大学化工厂。三氟乙酸购自北京化工厂。

实施例1：

取30mg杯[4]开链冠醚，用160μL二氯甲烷稀释，加入80mg羟基硅油、100μL四乙氧基硅烷、50μL γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷，加入12mg二苯甲酮充分混合，加入60μL含5％(体积比)水的三氟乙酸，然后加入10μL含氢硅油，继续超声振荡5分钟，在12000r/min离心分离5分钟，取出上层清夜备用。将已去掉保护层的干燥的石英纤维一端插入溶胶清液中约50分钟(视所需萃取头的厚度反复操作数次)，取出后在干燥器中放置18小时，然后在紫外灯下光固化50分钟，在N₂保护下于280℃在气相色谱气化室老化2h，所得的萃取头厚度为45-75μm。

实施例2：

取50mg杯[4]开链冠醚，用200μL二氯甲烷稀释，加入100mg羟基硅油、110μL四乙氧基硅烷、50μL乙烯基三乙氧基硅烷，加入9mg二苯甲酮充分混合，加入100μL含5％(体积比)水的三氟乙酸，然后加入12μL含氢硅油，继续超声振荡8分钟，在12000r/min离心分离8分钟，取出上层清夜备用。将已去掉保护层的干燥的石英纤维一端插入溶胶清液中约40分钟(视所需萃取头的厚度反复操作数次)，取出后在干燥器中放置16小时，然后在紫外灯下光固化40分钟，在N₂保护下于300℃在气相色谱气化室老化2h，所得的萃取头厚度为45-85μm。

实施例3：

取10mg杯[4]开链冠醚，用140μL二氯甲烷稀释，加入100mg羟基硅油，加入80μL甲基三甲氧基硅烷，加入30μL乙烯基三乙氧基硅烷，加入6mg二苯甲酮充分混合，加入30μL含5％(体积比)水的三氟乙酸，然后加入8μL的含氢硅油，继续超声振荡3分钟，在8000r/min下离心4分钟，取出上层清液备用。将已去掉保护层的干燥的石英纤维一端插入溶胶清液中约20分钟，反复操作数次得到一定厚度的涂层，取出后在干燥器中放置8小时，然后在紫外灯下光固化30分钟，在N₂保护下于250老化2.5h，即得所需固相微萃取萃取头。

实施例4：

取60mg杯[4]开链冠醚，用250μL二氯甲烷稀释，加入90mg羟基硅油，加入120μL四乙氧基硅烷，加入60μL乙烯基三乙氧基硅烷，加入10mg二苯甲酮充分混合，加入70μL含10％(体积比)水的三氟乙酸，然后加入15μL的含氢硅油，继续超声振荡10分钟，在16000r/min下离心8分钟，取出上层清液备用。将已去掉保护层的干燥的石英纤维一端插入溶胶清液中约60分钟，反复操作数次得到一定厚度的涂层，取出后在干燥器中放置24小时，然后在紫外灯下光固化60分钟，在N₂保护下于320℃老化3h，即得所需固相微萃取萃取头。

实施例5：

取20mg杯[4]开链冠醚，用180μL二氯甲烷稀释，加入120mg羟基硅油，加入100μL四乙氧基硅烷，加入40μL乙烯基三乙氧基硅烷，加入8mg二苯甲酮充分混合，加入50μL含3％(体积比)水的三氟乙酸，继续超声振荡6分钟，在12000r/min下离心6分钟，取出上层清液备用。将已去掉保护层的干燥的石英纤维一端插入溶胶清液中约30分钟，反复操作数次得到一定厚度的涂层，取出后在干燥器中放置12小时，然后在紫外灯下光固化20分钟，在N₂保护下于300℃老化2.5h即得所需固相微萃取萃取头。

本发明采用溶胶-凝胶与自由基引发交联相结合的方法来制备上述杯[4]开链冠醚/羟基硅油固相微萃取萃取头。该技术方案涉及了两种有机金属前体的水解，一种是四乙氧基硅烷(或甲基三甲氧基硅烷)，其水解产物通过缩聚反应形成一个无机介质的三维硅胶骨架，另一种是交联试剂乙烯基三乙氧基硅烷(或γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷)，其水解产物包含两种活性官能团，硅羟基和乙烯基，因此既可以通过硅羟基的缩聚反应与硅胶骨架形成一个有机整体，又可以通过乙烯基的自由基引发交联反应将含有乙烯基活性基团的杯[4]开链冠醚键合到复合涂层中。利用CH₂Cl₂和水洗过的萃取头做红外光谱图，仍含有杯[4]开链冠醚的特征峰：1484.00cm-1(νAr-C＝C-)，1361.30cm-1(νAr-C＝C-)和3357.20cm-1(νAr-OH)，说明杯[4]开链冠醚已经键合到涂层中。

采用本发明的技术方案制备的杯[4]开链冠醚/羟基硅油萃取头，由于涂层与纤维表面以及涂层材料之间发生了强的化学键合作用，因此具有很高的热稳定性、化学稳定性和耐溶剂冲洗、耐强碱能力，提高了萃取头的使用寿命，大大地扩展了固相微萃取的应用范围。采用本发明的技术方案，制备过程简单、快速、探头重现性好。

杯芳烃是一类由苯酚和甲醛经缩聚反应而生成的环状低聚物。杯芳烃分子具有可调节大小的空腔，且其上缘和下缘很容易进行化学修饰，很容易和非极性化合物发生疏水相互作用、π-π相互作用、偶极-偶极相互作用和包结作用，对非极性化合物具有很好的萃取能力。开链冠醚是一种具有类似于冠醚-CH₂CH₂O-结构单元的非环多醚化合物，它保留有冠醚的选择性配位能力。由于开链冠醚的类环腔结构和高的电子云密度，很容易和极性化合物发生偶极-偶极相互作用和氢键相互作用，对极性化合物具有很好的吸附能力。杯[4]开链冠醚结合了杯[4]芳烃和开链冠醚两种主体化合物的优点，利用其双重识别、协同效应提高了其对极性和非极性芳香和脂肪族化合物的萃取和富集能力(如酚类化合物、醇类化合物、脂肪酸类、酯类化合物以及麻黄碱和伪麻黄碱类兴奋剂)。

表1是本发明所制备的杯[4]开链冠醚/羟基硅油与商用PDMS、PDMS/DVB和PA萃取头萃取水中酚类样品的平衡分配系数Log K_spme的比较。从表中可以看出，杯[4]开链冠醚/羟基硅油萃取头具有较强的极性，对所有酚类样品的Log K_spme值都远远大于PDMS和PDMS/DVB萃取头，对大多数酚类样品，其Log K_spme值也大于极性的PA萃取头。

表1比较杯[4]开链冠醚/羟基硅油与商用PDMS、PDMS/DVB和PA萃取头萃取水中酚类样品的平衡分配系数Log K_spme。

  化合物                                            Log K_spme  C[4]open-chain crown  ether/OH-TSO(75μm)  PDMS  (100μm)  PDMS/DVB  (65μm)  PA(85  μm)  2-氯酚  2-硝基酚  2-甲酚  苯酚  4-甲酚  2，4-二甲酚  2，4二氯酚  3.40  3.63  3.14  2.62  3.60  2.83  4.43  0.91  1.01  0.60  -0.10  1.20  0.40  1.51  1.49  1.64  1.35  0.69  1.99  1.26  2.29  3.40  2.84  3.13  2.52  3.61  2.74  4.21

图1为本发明所制备的杯[4]开链冠醚/羟基硅油萃取头与商用PDMS、PDMS/DVB和PA萃取头对啤酒中脂肪酸、醇和酯类化合物萃取能力的比较。从图可知，杯[4]开链冠醚/羟基硅油萃取头对极性的醇类、酸类和非极性的酯类化合物均具有很好的萃取效果。

图2是杯[4]开链冠醚/羟基硅油萃取头与商用PDMS和PA萃取头对尿样中麻黄碱和伪麻黄碱类化合物萃取能力的比较。从图可知，杯[4]开链冠醚/羟基硅油萃取头对极性的麻黄碱和伪麻黄碱类兴奋剂具有很强的吸附能力。

用本发明所制备的萃取头测定水中酚类化合物、啤酒中的醇、脂肪酸和酯类风味物质以及尿样中的麻黄碱和伪麻黄碱类化合物，检测限低、线性范围广、重现性好，因而在环境监测、风味分析和兴奋剂检测领域均具有很好的应用前景。