本發(fā)明屬于固相萃取劑制備領(lǐng)域，具體涉及一種磁性CCPs固相萃取劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

燒烤肉作為一類傳統(tǒng)風(fēng)味食品備受廣大消費(fèi)者喜愛。燒烤工藝賦予了肉制品特殊的風(fēng)味和色澤，但是同樣在燒烤過程中不可避免的給肉制品帶來了一定的安全隱患，隨著加熱過程產(chǎn)生以苯并(a)芘(Ba P)為代表的多環(huán)芳香烴類化合物(PAHs)是燒烤肉制品中主要危害因素。

目前利用高效液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法檢測(cè)苯并(a)芘含量技術(shù)已相對(duì)成熟，結(jié)果準(zhǔn)確，回收率高。但是在雜質(zhì)含量較高的燒烤類食品中萃取出苯并(a)芘還有一定難度，所以必要的前處理方法尤為重要。通常采用固相萃取結(jié)合超聲波萃取，加速溶劑萃取，索氏提取等其他手段優(yōu)化萃取效果，提高萃取效率。早期許多學(xué)者采用索式提取為主的方法提取肉制品中的苯并(a)芘，雖然可以保證較好的萃取效果以及較高的回收率，但是該方法操作復(fù)雜，處理單個(gè)樣品耗時(shí)多。還有一些磁性碳基質(zhì)的材料(如材料表面修飾葡萄糖等小分子)、磁性金屬有機(jī)骨架材料也可用于食品中苯并(a)芘的去除。由于修飾的磁性固相萃取具有操作簡(jiǎn)便、材料可以重復(fù)回收利用等優(yōu)點(diǎn)，很大程度上節(jié)省了人力和物力。但是由于這類被修飾的材料比表面積小、作用位點(diǎn)少、耐酸堿性差等，實(shí)際使用時(shí)又限制了其應(yīng)用。

磁性納米材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和磁性能，在催化、生物分離和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來，功能化磁性納米材料及其復(fù)合材料在分析化學(xué)領(lǐng)域如污染物去除和萃取凈化方面顯示了巨大的應(yīng)用潛力。

多孔有機(jī)骨架材料(POFs)具有與無機(jī)分子篩相似的性質(zhì)，常被稱為“有機(jī)分子篩”。它們的共同特點(diǎn)是：(1)通過共價(jià)鍵結(jié)合具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；(2)材料的組成元素為常見的輕質(zhì)元素(C、O、B、N、Si)，材料的密度較低；(3)材料為晶形材料，結(jié)構(gòu)規(guī)整，孔道均一，孔徑分布窄細(xì)；(4)含有大的共軛體系，具有剛性結(jié)構(gòu)。多孔有機(jī)骨架材料的單體種類多樣，合成方法簡(jiǎn)單，該材料在氣體吸附、光電、催化等方面具有潛在的應(yīng)用。特別是在吸附性能方面，與活性炭、分子篩、沸石等傳統(tǒng)的吸附劑材料相比，多孔有機(jī)骨架具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：合成單體種類多，可形成不同的結(jié)構(gòu)類型以及可以引入特殊的官能團(tuán)，從而達(dá)到對(duì)一些物質(zhì)特異性的識(shí)別和吸附；材料表面孔徑大小可調(diào)控，具有較大的比表面積。這些特點(diǎn)使多孔有機(jī)骨架材料在分子識(shí)別和吸附等相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用潛力很大，尤其在樣品預(yù)處理中應(yīng)用前景更大。

基于磁性納米材料的快速分離和多次重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合多孔有機(jī)骨架材料比表面積大、多孔及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，合成磁性共價(jià)有機(jī)骨架復(fù)合材料，用于復(fù)雜樣品的前處理，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和潛在的社會(huì)價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種磁性CCPs固相萃取劑及其制備方法，主要用作吸附材料，用于吸附食品中的致癌物，本發(fā)明中采用原位合成方法制備環(huán)境友好型磁性CCPs多孔復(fù)合吸附材料，其合成工藝簡(jiǎn)單。CCPs為Fe₃O₄@SiO₂-NH₂@三聚氰氯和4,4聯(lián)吡啶(Fe₃O₄@SiO₂-NH₂nanoparticles with cyanuric chloride and 4,4-bipyridine groups)英文首字母的組合。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種磁性CCPs固相萃取劑，由三層結(jié)構(gòu)組成，由內(nèi)向外依次是磁性Fe₃O₄內(nèi)核，所述磁性Fe₃O₄內(nèi)核外依次包裹SiO₂層和CCPs層，所述CCPs層含有C＝N和C＝C鍵；

所述磁性CCPs固相萃取劑的結(jié)構(gòu)如下：

一種所述磁性CCPs固相萃取劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)采用水合熱法制備磁性Fe₃O₄納米顆粒；

(2)以上述步驟(1)制備的磁性Fe₃O₄納米顆粒為核，采用檸檬酸溶液對(duì)磁性Fe₃O₄納米顆粒進(jìn)行表面修飾，然后以四乙氧基硅烷為偶聯(lián)劑按照法在含有磁性Fe₃O₄納米顆粒的醇水體系中直接用氨水水解四乙氧基硅烷，制備具有核殼結(jié)構(gòu)的磁性Fe₃O₄@SiO₂顆粒；

(3)將上述步驟(2)制備的磁性Fe₃O₄@SiO₂顆粒超聲分散至有機(jī)溶劑中，攪拌條件下加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，然后升溫，反應(yīng)數(shù)小時(shí)后，洗滌、干燥，得到氨基修飾的Fe₃O₄納米顆粒；

(4)將上述步驟(3)制備的氨基修飾的Fe₃O₄納米顆粒超聲分散于有機(jī)溶劑中，加入縛酸劑、4,4聯(lián)吡啶和三聚氯氰，程序升溫反應(yīng)數(shù)小時(shí)后，洗滌、干燥，得到磁性CCPs固相萃取劑。

采用水合熱法制備磁性Fe₃O₄納米顆粒的技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用，制備過程為：將FeCl₃·6H₂O固體溶解于乙二醇溶劑中，加入無水乙酸鈉和聚乙二醇，超聲混合均勻，隨后將混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，在200℃下反應(yīng)12小時(shí)，反應(yīng)完成后用乙醇和水交替洗滌3次，在100℃下干燥2小時(shí)，制得Fe₃O₄納米顆粒。

優(yōu)選的，在所述步驟(2)中，將所述步驟(1)制備的磁性Fe₃O₄納米顆粒與檸檬酸溶液以質(zhì)量比計(jì)為1∶150～1∶200超聲混合均勻，40℃攪拌條件下反應(yīng)12h，反應(yīng)完畢后固液分離，將分離后的固體用乙醇、水交替洗滌，得到的固體溶解在乙醇溶液中，然后以質(zhì)量比計(jì)按照磁性Fe₃O₄納米顆粒∶四乙氧基硅烷∶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25％的氨水溶液為1∶1.5∶2.5～1∶2∶3加入四乙氧基硅烷，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25％的氨水溶液，40℃攪拌條件下繼續(xù)反應(yīng)12h，反應(yīng)完成后固液分離，洗滌后在50℃下真空干燥12h，制得具有核殼結(jié)構(gòu)的磁性Fe₃O₄@SiO₂顆粒。

優(yōu)選的，所述檸檬酸溶液的濃度為0.5mol/L。

優(yōu)選的，所述乙醇溶液中乙醇與水體積比為4:1。

優(yōu)選的，在所述步驟(3)中，將所述步驟(2)制備的磁性Fe₃O₄@SiO₂顆粒超聲分散在無水甲苯溶劑中，以質(zhì)量比計(jì)按照磁性Fe₃O₄@SiO₂顆?！?-氨丙基三乙氧基硅烷為1∶1.5～1∶2加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，攪拌均勻后迅速升溫至115℃，氮?dú)鈿夥障路磻?yīng)12h，反應(yīng)完畢后，固液分離，洗滌，在50℃下真空干燥12h，制得氨基修飾的Fe₃O₄納米顆粒。

優(yōu)選的，所述攪拌條件的轉(zhuǎn)速30-50轉(zhuǎn)/分。

優(yōu)選的，在所述步驟(4)中，將所述步驟(3)中制得的氨基修飾的Fe₃O₄納米顆粒與縛酸劑、4，4聯(lián)吡啶和三聚氯氰按照質(zhì)量比1∶1∶1∶1.5～1∶1.5∶1.5∶2加入無水甲苯溶劑中，混合均勻后按照程序升溫在0℃反應(yīng)2h，50℃反應(yīng)3h，110℃反應(yīng)12h，反應(yīng)完畢后固液分離，用甲苯和丙酮交替洗滌3次，再用乙醇和高純水分別洗滌2次，最后用乙醇洗滌2次，洗滌完畢后在70℃干燥12h。

優(yōu)選的，所述縛酸劑為N,N-二異丙基乙胺。

所述磁性CCPs固相萃取劑可作為吸附食品中致癌物的吸附材料應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明的磁性CCPs固相吸附劑具有較強(qiáng)的磁性，這樣在對(duì)食品中致癌物吸附后，還可以借助外部的磁場(chǎng)作用實(shí)現(xiàn)與液相的快速分離，可避免離心或者過濾分離操作帶來的不便，大大降低了操作的難度和成本，提高了吸附效率；

(2)本發(fā)明的磁性CCPs固相吸附劑比表面積大，孔徑分布均勻，表面帶有季胺基功能團(tuán)，對(duì)一些極性小分子可以特異性吸附；

(3)本發(fā)明的磁性CCPs固相吸附劑合成方法簡(jiǎn)單，所需原料成本低，具有環(huán)境友好及可大量復(fù)制和重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)；

(4)本發(fā)明首次將多孔骨架材料通過共價(jià)鍵鍵合到磁性納米粒子表面，為磁性材料與多孔有機(jī)骨架材料(POFs)等多孔材料的鍵合研究提供了技術(shù)參考；

(5)本發(fā)明制備的磁性固相萃取劑對(duì)食品中多環(huán)芳烴達(dá)到吸附平衡僅需要3分鐘，相比現(xiàn)有技術(shù)中的磁性納米顆粒對(duì)水中多環(huán)芳烴的吸附時(shí)間為30分鐘來說，短時(shí)間就可以達(dá)到吸附平衡。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中氨基修飾的Fe₃O₄納米顆粒合成示意圖；

圖2為實(shí)施例1中磁性CCPs固相萃取劑合成示意圖；

圖3為實(shí)施例1中制得的磁性CCPs固相萃取劑傅里葉紅外光譜圖；

圖4為實(shí)施例1中制得的磁性CCPs固相萃取劑磁滯回線；

圖5為實(shí)施例1中制得的磁性CCPs固相萃取劑掃描電鏡圖；

圖6為實(shí)施例1中制得的磁性CCPs固相萃取劑XRD圖；

圖7為實(shí)施例1中制得的磁性CCPs固相萃取劑對(duì)苯并(a)芘的吸附結(jié)果示意圖；

圖8為實(shí)施例1中制得的磁性CCPs固相萃取劑重復(fù)使用結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

一種磁性CCPs固相萃取劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)水合熱法制備磁性Fe₃O₄納米顆粒

稱取2.7g FeCl₃·6H₂O固體于100ml燒杯中，加入80ml乙二醇，超聲使其溶解，然后加入7.2g無水乙酸鈉和2.0g的聚乙二醇，超聲20分鐘，隨后將混合溶液轉(zhuǎn)移到100ml高壓反應(yīng)釜中，在200℃下反應(yīng)12小時(shí)，反應(yīng)制得的Fe₃O₄用乙醇和水交替洗滌3次，在100℃下干燥2小時(shí)，制得Fe₃O₄納米顆粒，存儲(chǔ)于干燥器中備用；所制得的Fe₃O₄納米顆粒粒徑在100-200nm之間，單分散性好。

(2)制備具有核殼結(jié)構(gòu)的磁性Fe₃O₄@SiO₂納米顆粒

稱取2.0g上述步驟(1)制得的Fe₃O₄納米顆粒于500ml三口圓底燒瓶中，加入200ml 0.5mol/L檸檬酸溶液超聲10分鐘，在40℃攪拌反應(yīng)12小時(shí)，反應(yīng)完成后用磁鐵分離，依次用乙醇、水交替洗滌3次，最后將處理后的Fe₃O₄納米顆粒轉(zhuǎn)移到250ml三口圓底燒瓶中，加入160ml乙醇溶液(乙醇/水＝4/1，V/V)超聲10分鐘，加入6ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25％的氨水溶液劇烈攪拌20分鐘后，逐滴加入4ml四乙氧基硅烷(TEOS)溶液，在40℃攪拌反應(yīng)12小時(shí)，反應(yīng)完成后用磁鐵分離，向分離后得到的固體中加入50ml 0.1mol/L的鹽酸溶液，超聲10分鐘，用磁鐵分離棄去鹽酸溶液，依次用乙醇、丙酮、二次重蒸水、乙醇洗滌，然后在50℃下真空干燥12小時(shí)，即得到Fe₃O₄@SiO₂納米顆粒，存儲(chǔ)于干燥器中備用；

(3)制備氨基修飾的Fe₃O₄納米顆粒

稱取1.0g上述步驟(2)制得的Fe₃O₄@SiO₂納米顆粒于250ml三口圓底燒瓶中，加入60ml新蒸餾的無水甲苯，超聲20分鐘后在機(jī)械攪拌條件下逐滴加入2ml 3-氨丙基三乙氧基硅烷(ATPES)，迅速升溫至115℃后加快攪拌速度，在氮?dú)鈿夥障禄亓?小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后用磁鐵分離出固體，依次用甲苯、甲醇、丙酮、二次重蒸水、乙醇洗滌，然后在50℃下真空干燥12小時(shí)，即得到氨基修飾的Fe₃O₄納米顆粒(Fe₃O₄@SiO₂-NH₂)儲(chǔ)于干燥器中備用，反應(yīng)式如圖1所示；

(4)制備磁性CCPs固相萃取劑

稱取1.0g上述步驟(3)制得的Fe₃O₄@SiO₂-NH₂納米顆粒于250ml三口圓底燒瓶中，加入50ml新蒸餾的無水甲苯和1.5ml N,N-二異丙基乙胺，超聲30分鐘后在機(jī)械攪拌條件下加入0.56g三聚氯氰，記為A液；0.75g 4,4聯(lián)吡啶溶解于10ml無水甲苯，將其轉(zhuǎn)移到100ml的恒壓滴液漏斗中，記為B液；在機(jī)械攪拌條件下，將B液逐滴加入到A液中，在0℃下反應(yīng)2小時(shí)，然后升溫至50℃反應(yīng)3小時(shí)，最后升溫至110℃在氮?dú)鈿夥障路磻?yīng)12小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后用磁鐵分離出固體，依次用甲苯、丙酮、二次重蒸水、乙醇洗滌，然后在70℃下真空干燥12小時(shí)，即得到磁性CCPs固相萃取劑(Fe₃O₄@SiO₂@CCPs)。

上述實(shí)施例1中磁性CCPs固相萃取劑的合成示意圖如圖2所示。

采用FT-IR光譜儀對(duì)實(shí)施例1中制備的氨基修飾的Fe₃O₄納米顆粒及所制備的磁性CCPs固相萃取劑進(jìn)行表征，其傅里葉紅外光譜圖如圖3所示，氨基修飾的Fe₃O₄納米顆粒(Fe₃O₄@SiO₂-NH₂)在2910cm^-1出現(xiàn)了-CH₂-CH₂-CH₂-NH₂的碳?xì)滏I伸縮振動(dòng)吸收峰，說明3-氨丙基三乙氧基硅烷(ATPES)已經(jīng)成功修飾到Fe₃O₄@SiO₂粒子表面。磁性CCPs固相萃取劑在1312cm^-1和1571cm^-1出現(xiàn)了-C＝N-和-C＝C-的碳?xì)滏I伸縮振動(dòng)吸收峰，說明CCPs成功修飾到氨基修飾的Fe₃O₄粒子表面。

采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)表征磁性CCPs固相萃取劑的磁性，其磁滯回線如圖4所示，F(xiàn)e₃O₄納米顆粒的飽和磁化強(qiáng)度為110emu/g，F(xiàn)e₃O₄@SiO₂納米顆粒的飽和磁化強(qiáng)度為50emu/g，磁性功能化Fe₃O₄@SiO₂@CCPs的飽和磁化強(qiáng)度為35emu/g。雖然復(fù)合材料Fe₃O₄@SiO₂@CCPs的飽和磁化強(qiáng)度相比Fe₃O₄納米顆粒及Fe₃O₄@SiO₂納米顆粒降低，但仍具有較高的飽和磁化強(qiáng)度和順磁性，易被外磁場(chǎng)磁化，在外加磁場(chǎng)的作用下可以快速、高效地從溶液中分離出來，當(dāng)撤掉外磁場(chǎng)后，材料又可以很快的重新分散到溶液中。

采用掃描電鏡(SEM)觀察實(shí)施例1制備的CCPs固相萃取劑，其微觀結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，從圖5可以看出所制備的磁性Fe₃O₄@SiO₂@CCPs納米顆粒為球形結(jié)構(gòu)，磁功能化納米粒子大小均一、分散性良好。

利用X-射線衍射儀(XRD)表征磁性納米粒子的晶體類型，其XRD圖如圖6所示，由圖6可知，制備的Fe₃O₄@SiO₂納米顆粒，以及Fe₃O₄@SiO₂@CCPs納米顆粒的XRD衍射峰均出現(xiàn)了6個(gè)特征峰，特征峰位置2θ分別為30.1°、35.5°、43.1°、53.4°、57.0°、62.6°，分別對(duì)應(yīng)Fe₃O₄的(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)晶面，因此可以認(rèn)為合成的磁性納米材料內(nèi)核都是Fe₃O₄，表明Fe₃O₄表面修飾了SiO₂和CCPs后仍保持立方尖晶石結(jié)構(gòu)。

對(duì)上述實(shí)施例1中制備的磁性CCPs固相萃取劑的吸附性能測(cè)試，測(cè)試過程如下：

1、對(duì)燒烤制品中苯并(a)芘的吸附

取40mg實(shí)施例1中制備的磁性CCPs固相萃取劑于50ml燒杯中，加入10ml濃度為0.1μg/ml的苯并(a)芘樣品，設(shè)置超聲吸附時(shí)間分別為1、3、5、7、10和12min，然后利用磁鐵進(jìn)行磁分離，待溶液澄清后在磁鐵吸附力作用下棄去上清液，再加入5ml乙醇超聲解析3min，利用磁鐵分離收集解析液至玻璃管中，利用氮?dú)獯蹈珊蠹尤?ml復(fù)溶液(乙腈∶水＝88∶12，V/V)，濾液過0.22μm有機(jī)濾膜，用高效液相色譜測(cè)定溶液中苯并(a)芘的濃度。實(shí)施例1中磁性CCPs固相萃取劑對(duì)苯并(a)芘的吸附結(jié)果如圖7所示，由圖7可以看出，本發(fā)明磁性CCPs固相萃取劑對(duì)苯并(a)芘隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，在3分鐘時(shí)吸附效率達(dá)到92％，3分鐘后對(duì)苯并(a)芘回收率不再隨著時(shí)間的增加而增大，也就是說經(jīng)過3分鐘，磁性CCPs固相萃取劑對(duì)苯并(a)芘的吸附達(dá)到平衡，并且吸附率達(dá)到92％，時(shí)間短，吸附效率高。所述吸附效率，簡(jiǎn)稱為吸附率，也可以用苯并(a)芘回收率表示磁性CCPs固相萃取劑的吸附率。

2、本發(fā)明磁性CCPs吸附劑的重復(fù)利用率

將用過的磁性CCPs固相萃取劑經(jīng)過甲醇、高純水、乙腈交替清洗后再利用，分別測(cè)試了磁性CCPs固相萃取劑在使用一次、兩次、三次、四次、五次后對(duì)苯并(a)芘的吸附率，實(shí)施例1中磁性CCPs固相萃取劑重復(fù)使用結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，該材料在使用五次后對(duì)苯并(a)芘的吸附率并無顯著差異，對(duì)苯并(a)芘仍然具有較高吸附量，說明磁性CCPs固體萃取劑作為吸附劑具有良好的可再生性。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。