专利名称：功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱及其制备方法
技术领域：
本发明属于化学分析测试仪器设备领域，具体涉及来说，本发明涉及一种功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱，本发明还涉及该萃取柱的制备方法。
背景技术：
固相萃取(Solid phase extraction, SPE)技术自70年代后期问世以来，在诸多领域得到了长足的发展。在国外已逐渐取代了传统的液-液萃取而成为样品前处理的可靠而有效的方法。SPE技术是基于液相色谱原理的一种分离、纯化方法。其吸附剂为固定相， 根据固相萃取剂对液相待测物的吸附作用，当待测物通过萃取剂时，其中样品中的目标物就被吸附在萃取剂上。然后采用适宜的选择性溶剂洗脱或热解吸附，达到分离和富集目标化合物的目的。与液-液萃取相比，固相萃取有很多优点固相萃取不需要大量互不相容的溶剂；处理过程中不会长生乳化现象。它采用高效、高选择性的吸附剂(固定相)，能显著减少溶剂的用量，简化样品的处理过程，同时所需费用也有所减少。一般来说，固相萃取所需时间为液-液萃取的1/2，而费用为液-液萃取的1/5。其缺点是目标化合物的回收率和精密度要低于液-液萃取。自从1991年日本科学家Sumio Ii jima发现碳纳米管(CNTs)以来，由于碳纳米管独特的电学、力学及化学性能，成为近年来颇受关注的一种新兴功能材料。碳纳米管具有较大的比表面积和独特的表面性质，其管壁的共轭结构体系可与其他具有共轭结构的化合物发生强烈吸附作用，使其对环境基体中的有机和无机污染物都具有一定的吸附作用和较大的吸附容量，因而碳纳米管作为一种固相萃取剂有独特的优点。研究发现，多壁碳纳米管 (MWCNTs)的吸附能力优于C18、硅石和活性炭。经过碳纳米管的吸附、洗脱后，再进行质谱、 气相色谱、高效液相色谱、毛细管电泳、原子吸收光谱等分析，简化了样品的预处理过程，可成功应用于不同药物及芳香烃与直链烷烃化合物的检测。目前，以碳纳米管为吸附剂进行固相萃取分离富集主要集中在有机化合物和金属离子的研究上。最近利用碳纳米管吸附生物大分子的研究也取得了一定的进展，羧基化的碳纳米管可用于分离碱性蛋白质，从而有可能将这种新型、高效的吸附剂应用于提取生物样品中的生物大分子。另外，碳纳米管还具有良好的生物兼容性，具有保留被吸附的生物大分子活性的能力，因此以其作为固相萃取生物大分子的吸附剂有着广泛的应用前景。功能化的多壁碳纳米管可实现对目标物质的特定吸附，其吸附量比普通的MWCNTs SPE柱大，提高了目标物质的回收率。因此可针对不同的目标物质制备不同功能的功能化的多壁碳纳米管。但在市场上很少有见商品化的f-MWCNTs SPE柱，大多f-MWCNTs SPE柱是靠实验者手工填装，难有一定标准。碳纳米管是一种高分子的无机材料，管与管之间吸附力较强，因此碳纳米管不溶于水和有机溶剂并且成束难以分散，这是限制碳纳米管在各个领域的应用研究不过广泛的主要原因。
发明内容
本发明目的是提供一种功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱，它将作为一种新型的样品前处理材料，反相萃取非极性到中等极性的物质，用于富集、净化水样、食品或者化妆品中的目标物质。本发明的另一目的是提供功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱的制备方法。本发明的目的是这样实现的一种功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱，其特征在于所述固相萃取柱的基质为功能化的多壁碳纳米管，该功能化的多壁碳纳米管 (f-MWCNTs)是由原始多壁碳纳米管经纯化、羧基化、酰氯化、功能化等步骤共价化学修饰所得，共价化学修饰按以下步骤进行
(1)纯化将一定质量的MWCNTs在35%盐酸中在80°C 100 °C下回流10 20 h， 经抽滤、去离子水洗涤、100 °C下干燥3 h得纯化的MWCNTs;
(2)羧基化纯化的MWCNTs于体积比为浓硫酸浓硝酸=31的混和液中，80 100 °C回流5 h，反应完后的黑色溶液用去离子水稀释，静置分层后，倒去上层酸性清液；用滤膜减压抽滤以分离沉淀下来的MWCNTs-COOH，并用去离子水洗至中性；滤得产物在真空干燥箱中50 80 °C干燥3 h ；
(3)酰氯化干燥后的MWCNTs-COOH研细后加入到装有新蒸S0C12、DMF的单口圆底烧瓶中，70°C 150 ！下磁力搅拌回流20 30 h，以把羧基化的MWCNTs-COOH转化为酰氯化多壁碳纳米管；反应完成后蒸馏或离心除去多余的SOCl2和DMF ；
(4)功能化将(3)所得产物蒸干后，加入对氨基苯甲酸乙酯于油浴装置中磁力搅拌回流20 h 50 h;冷却到室温，用滤膜减压抽滤，并用无水乙醇洗涤，产物在50 80 °C真空干燥箱中过夜干燥，得最终功能化多壁碳纳米管。本发明所述的功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱，其多壁碳纳米管的粒度为 5 50 μ m，固相萃取柱空管容积为1 6 mL，填装高度为0. 6 1. 2 cm,空管材质为聚烯烃。本发明的功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱，其制备方法按以下次序步骤进行
(1)将一微孔的聚乙烯筛板放入固相萃取柱空管的底部；
(2)将一定量的功能化多壁碳纳米管与一定量的硅藻土混合均勻，干法填装入柱内；
(3)再在功能化多壁碳纳米管和硅藻土混合物上端放入另一聚乙烯筛板；
(4)压紧填料使填装柱高度保持在0.6 1. 2 cm，制备成固相萃取小柱。所述功能化多壁碳纳米管装入柱前需完全除去吸附的水分，可在100 ！下于干燥箱中烘烤3 h。本发明所述功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱在使用前需用去离子水、乙酸乙酯、丙酮或甲醇进行净化以及活化等预处理。本发明f-MWCNTs SPE柱填装原理固相萃取柱管和筛板都以标准化生产，柱管高度和筛板厚度均为固定值，本发明固相萃取柱实际上是通过调节柱直径来调节所容纳液体的体积的，所以我们根据不同的直径选用不同量的功能化多壁碳纳米管，通过控制填装了功能化多壁碳纳米管的固相萃取柱内f-MWCNTs填装高度为0. 8 1. 2 cm，从而保证柱效。与现在的固相萃取柱采用勻浆高压填装方法不同，f-MWCNTs SPE柱采用填装高度控制法来保证填装好的SPE柱中f-MWCNTs填料的疏密程度，继而控制流速。具体的过程为在固相萃取柱内加入一定量的f-MWCNTs与硅藻土混合填料，慢慢把筛板压下，在压下的过程中不断震荡小柱保证小柱内f-MWCNTs上下填装疏密一致，使填料高度为0. 8 1. 2 cm。本发明将功能化多壁碳纳米管作为主要填料，硅藻土作为载体，制作成固相萃取柱，填装好的f-MWCNTs SPE柱是一种极性固相萃取小柱，其性能与普通碳纳米管SPE柱相比，由于f-MWCNTs SPE柱具有特定的官能团，它对目标物质的吸附性能强于普通碳纳米管 SPE柱，对于提高目标物质的回收率起到了一定的作用。由于f-MWCNTs对物质的吸附是可逆，所以可以像使用C18 SPE柱一样，通过调整洗脱溶剂的极性，将目标物质洗脱下来。二者的使用方法十分相近，即使用前用甲醇或去离子水活化，上样溶液也为水相，通过调节真空控制流速，使溶液以合适的流速通过SPE柱，物质被保留在SPE柱上，可以真空抽干除水，物质用适当极性的有机溶剂淋洗和洗脱。它主要适于反相萃取非极性到中等极性的物质，用于富集、净化样品中目标物质。本发明的有益效果是
(1)固相萃取柱在使用时不可避免的要进行活化、净化、洗脱的操作，因此需要使用不同的溶剂。在进行添加溶剂时，要求在液面下降到筛板时换加不同溶剂，若加得太晚，会使填料中干涸产生气泡，影响结果的稳定性；若加得太早，会使加入的溶液在筛板上的原有溶液混合，产生一个我们不希望存在且无法预料极性的新洗脱液，使实验结果的可靠性降低。 但是f-MWCNTs SPE柱可以避免这一问题，因为多壁碳纳米管对多种溶剂的吸附性较一般的填料强，对液面的润湿性保持较长时间，可以使操作者有充分的时间更换不同溶剂。(2)f-MWCNTs SPE柱与传统的反相固相萃取柱MWCNTs SPE柱相比，该萃取柱吸附容量大，且能对特定物质有特定的吸附作用，能提高对目标物质的回收率。多壁碳纳米管成本低，材料易得，所用商品化的固相萃取空柱制备简单，易于批量生产，成本降低，功能化实验方案灵活多变，使f-MWCNTs SPE柱的适用范围增大。(3)由于f-MWCNTs SPE柱制备工艺的限制，生产的填料粒径长度范围较大5 100 μ m，所以一般填装效果上通常很紧，通过加入一定量的硅藻土，不仅使流速比一般的 MWCNTs SPE柱快，而且有利于目标物质在f-MWCNTs SPE柱内与f-MWCNTs充分作用，从而提高富集效果。(4)实验方法的建立时，可以参照现有的非极性SPE柱的使用资料，作部分修改， 可以尽快地建立起体系。
图1是功能化多壁碳纳米管(f-MWCNTs)的合成路线图。图2是用f-MWCNTs SPE柱富集净化化妆品中的尼泊金酯类防腐剂(加标)。峰信息(1)尼泊金甲酯；(2)尼泊金乙酯；(3)尼泊金异丙酯；(4)尼泊金丙酯； (5)尼泊金异丙酯；(6)尼泊金丁酯。图3是用f-MWCNTs SPE柱富集净化化妆品中的尼泊金酯类防腐剂(未加标)。峰信息(3)尼泊金异丙酯。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步的详细说明。A.萃取柱的准备 1、空柱材料和规格
现有的固相萃取小柱空柱规格从0.05 g/lmL到10 g/60mL不等。空柱材料为聚丙烯， 小柱上下各有20 ym孔径的聚乙烯筛板。上述空柱均可使用于本发明中，在下面的实验例中本发明采用0. 25 0. 30 g/3mL。2、MWCNTs 的粒度(长度)
固相萃取柱的填料粒度一般在5 50 μ m，且聚乙烯筛板的孔径为20 μπι，为了不使填料从筛板中流出，我们选用长度为5 50 μ m的MWCNTs作为改性原料进行功能化改性， 将改性所得产物f-MWCNTs作为SPE基质填料。3、填装量和填装高度的选择
SPE柱的流速与填装量和填装高度有关。填装量越多，填装高度越高，流速越慢，实验时间也相应较长。根据这一原则，对于f-MWCNTs SPE柱，在填装量上，我们选择采用0. 050 0. 150 g/3 mL的规格；在填装高度上，我们采用填装高度为0. 8 1. 2 cm (含硅藻土)。实施例1
用前述A步骤方法填装3 mL固相萃取柱，填装高度0.8 1.2 cm，填装量为0.08 0.15 g/3 mL。使用上述固相萃取柱萃取化妆品中的尼泊金酯类物质(加标回收和实际样品检测)。f-MWCNTs SPE柱使用前需用去离子水、乙酸乙酯、丙酮或甲醇预处理。具体过程如下称取1 g化妆品样品2份，样品1加入6种尼泊金酯类防腐剂标准品(6种防腐剂添加量均为2. 5 μ g)，样品2中未加标准物质。将样品1、2置于2个不同离心管内，分别用流动相定容至5 mL，超声萃取30 min，萃取液适当稀释后，用0.5 μ m滤膜过滤，样品1、2滤液供固相萃取柱上样。两根f-MWCNTs SPE柱活化完成后，使上述2种滤液分别通过f-MWCNTs SPE柱，控制流速为3 5 mL/min。待滤液全部通过SPE柱后，用10 mL去离子水淋洗，各自加压除去水分。干燥放置IOmin然后分别用3 mL甲醇开始洗脱并收集洗脱液，加压抽干，再加入2 mL甲醇进行二次洗脱并收集洗脱液，两次洗脱液收集在一起。洗脱液用浓缩氮气吹干，用流动相振荡溶解，定容至200 μ L，进行HPLC分析，HLPC色谱图见图2和图3。图2是用f-MWCNTs SPE柱富集净化化妆品中的尼泊金酯类防腐剂(加标)。峰信息(1)尼泊金甲酯；(2)尼泊金乙酯；(3)尼泊金异丙酯；(4)尼泊金丙酯； (5)尼泊金异丙酯；(6)尼泊金丁酯。图3是用f-MWCNTs SPE柱富集净化化妆品中的尼泊金酯类防腐剂(未加标)。峰信息(3)尼泊金异丙酯。由图可以看出f-MWCNTs SPE柱对于化妆品内6种尼泊金酯类防腐剂污染物富集效果良好，各种目标物的加标回收率达到92-103%，能很好的用于实际化妆品样品检测。其中图2可以检测到化妆品中尼泊金异丙酯的含量为0. 52 Pg/g。实施例2
用前述A步骤方法填装6 mL固相萃取柱，填装高度0.8 1.2 cm，填装量为0.15 0. 30 g/6 mL。使用上述固相萃取柱富集净化水样中的多环芳烃。CN 102527334 Af-MWCNTs SPE柱使用前用去离子水、乙酸乙酯、丙酮或甲醇预处理。具体过程如下分别采集海水和河水样品，样品分别离心，取上清液200 mL，用0. 5 μ m滤膜过滤，滤液转移至相应200 mL容量瓶中。取两根已填装的6 mL的f-MWCNTs SPE 柱，用去离子水、乙酸乙酯、丙酮或甲醇活化处理，使上述两种滤液分别通过f-MWCNTs SPE 柱，在真空泵下控制流速为3 5 mL/min。待滤液全部通过SPE柱后，用10 mL去离子水淋洗，各自加压除去水分。干燥放置IOmin然后分别用2 mL甲醇开始洗脱并收集洗脱液，加压抽干，再加入1 mL甲醇进行二次洗脱并收集洗脱液，两次洗脱液收集在一起。洗脱液用浓缩氮气吹干。用0.5 mL正己烷(分析纯经重蒸)溶解残渣，进样2 μ L进行GC分析。检测河水样品中八种多环芳烃含量在3. 5 10. 2 μ g/L之间；海水样品中未检出多环芳烃。 实际水样的加标回收率在89% 95%之间。实验例3用前述A步骤方法填装6 mL固相萃取柱，填装高度0. 8 1. 2 cm，填装量为0.15 0.30 g/6 mL。使用上述固相萃取柱富集牛奶样品中的新霉素残留。f-MWCNTs SPE柱使用前用去离子水、乙酸乙酯、丙酮或甲醇预处理。具体过程如下量取10 mL纯牛奶于15 mL聚丙烯塑料离心管中，加入一定体积10 μ g/mL新霉素标准液，振荡均勻，得到含一定浓度新霉素的加标牛奶样品。往其中加入1 mL 0.2 g/mL三氯乙酸溶液，振荡1 min，于25 V 6000 g条件下离心30 min。小心吸取上层 5 mL澄清液供固相萃取柱上样。f-MWCNTs SPE柱活化完成后，使上清液通过f-MWCNTs SPE 柱，控制流速为3 5 mL/min。待上清液液全部通过SPE柱后，用10 mL去离子水淋洗，加压抽干水分。小柱干燥放置5分钟。最终用1 mL 0.3 mol/L HClO4溶液分二次洗脱并收集洗脱液，洗脱液用浓缩氮气吹干，用流动相振荡溶解，定容至200 μ L，进行HPLC分析。牛奶样品中新霉素的加标回收在93% 101%之间。
权利要求
1.一种功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱，其特征在于所述固相萃取柱的基质为功能化的多壁碳纳米管，该功能化的多壁碳纳米管f-MWCNTs是由原始多壁碳纳米管经纯化、羧基化、酰氯化、功能化步骤共价化学修饰所得，共价化学修饰按以下步骤进行(1)纯化将一定质量的MWCNTs在35%盐酸中在80°C 100 °C下回流10 20 h， 经抽滤、去离子水洗涤、100 °C下干燥3 h得纯化的MWCNTs;(2)羧基化纯化的MWCNTs于体积比为浓硫酸浓硝酸=31的混和液中，80 100 °C回流5 h，反应完后的黑色溶液用去离子水稀释，静置分层后，倒去上层酸性清液；用滤膜减压抽滤以分离沉淀下来的MWCNTs-COOH，并用去离子水洗至中性；滤得产物在真空干燥箱中50 80 °C干燥3 h ；(3)酰氯化干燥后的MWCNTs-COOH研细后加入到装有新蒸S0C12、DMF的单口圆底烧瓶中，70°C 150 ！下磁力搅拌回流20 30 h，以把羧基化的MWCNTs-COOH转化为酰氯化多壁碳纳米管；反应完成后蒸馏或离心除去多余的SOCl2和DMF ；(4)功能化将(3)所得产物蒸干后，加入对氨基苯甲酸乙酯于油浴装置中磁力搅拌回流20 h 50 h;冷却到室温，用滤膜减压抽滤，并用无水乙醇洗涤，产物在50 80 °C真空干燥箱中过夜干燥，得最终功能化多壁碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱，所述多壁碳纳米管的粒度为5 50 μ m，固相萃取柱空管容积为1 6 mL，填装高度为0. 6 1. 2 cm,空管材质为聚烯烃。
3.根据权利要求1或2的功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱，其制备方法按以下次序步骤进行(1)将一微孔的聚乙烯筛板放入固相萃取柱空管的底部；(2)将一定量的功能化多壁碳纳米管与一定量的硅藻土混合均勻，干法填装入柱内；(3)再在功能化多壁碳纳米管和硅藻土混合物上端放入另一聚乙烯筛板；(4)压紧填料使填装柱高度保持在0.6 1. 2 cm，制备成固相萃取小柱。
全文摘要
本发明具体涉及“功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱及其制备方法”。本发明固相萃取柱的基质为功能化的多壁碳纳米管，是由原始多壁碳纳米管经纯化、羧基化、酰氯化、功能化共价化学修饰所得。该功能化多壁碳纳米管的填装高度为0.8～1.2cm。主要适于反相萃取非极性到中等极性的物质，用于富集、净化待测样品中的目标物质。本发明固相萃取柱具有对目标物的吸附容量大且对目标物质回收率高(92-103%)，制备成本低，材料易得，功能化过程简单，适应性强，易于批量生产的特点。
文档编号B01J20/20GK102527334SQ20111045590
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者孙希萌, 张美金, 纪淑英, 陈图锋, 陈耀文, 高文华, 黄晓鹏 申请人:汕头大学