氨基甲酸酯类化合物的分离、电离集成式萃取装置及应用的制作方法

1.本发明涉及分析化学领域，具体地，涉及氨基甲酸酯类化合物特异性萃取装置及其制备方法和应用。


背景技术：

2.氨基甲酸酯类农药(carbamate pesticides，cps)是一类合成农药，与有机磷农药相比，cps具有用量小、药效高、停留时间短、分解速度快等优点，广泛应用于农业、林业和畜牧业。然而，由于在农业生产中的不合理使用，环境和食品中cps残留将影响人畜健康。对环境和食品中的cps残留进行检测至关重要。目前，cps的主要检测方法是色谱法及色谱与质谱联用法，色谱法的检出限较高，而色谱与质谱联用法的检测耗时较长，两种方法都需要复杂的提取、净化、富集等前处理过程。
3.固体基底电喷雾质谱技术作为一种新型的分析技术手段，可以实现在大气压环境下对样品直接电离质谱分析。当用于氨基甲酸酯类化合物，例如氨基甲酸酯类农药分析检测时，由于常规的固体基底对氨基甲酸酯类农药没有选择性或选择性较差，无法实现复杂基质中微量甚至痕量水平存在的氨基甲酸酯类农药的富集和分离，导致基质效应明显，仪器检出限较高，难以实现对痕量物质的精准测定。
4.由此，氨基甲酸酯类化合物检测技术有待改进。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于氨基甲酸酯类化合物检测的分离、电离集成式萃取装置，既能实现对氨基甲酸酯类化合物的高选择性富集分离用于液相色谱检测，也能作为固体基底直接电离用于质谱检测。
6.根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于氨基甲酸酯类化合物检测的分离、电离集成式萃取装置的制备方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将不锈钢片进行酸化处理，以便得到酸化后的钢片；将石墨烯粉末粘附在所述酸化后的钢片，以便得到附着石墨烯的钢片；将模板分子、功能单体和致孔剂接触进行预聚合反应，以便得到预聚合溶液；以及将交联剂和引发剂溶解于所述预聚合溶液后，将所述附着石墨烯的钢片的至少部分浸入所述预聚合溶液中，进行聚合反应，以便获得所述萃取装置。
7.根据本发明实施例的制备萃取装置的方法，制备得到的萃取装置对氨基甲酸酯类化合物具有良好的特异性吸附和富集作用，提取富集的特异性强。萃取装置的洗脱液可用于液相色谱进行检测，也可以作为固定基底，通过电离离子化进行质谱检测，简化了检测步骤，并且检测的背景噪音低、特异性高。
8.另外，根据本发明上述实施例的制备萃取装置的方法，还可以具有如下附加的技术特征：
9.根据本发明的实施例，利用硅酮胶溶液将所述石墨烯粉末粘附在所述酸化后的钢
片上。
10.根据本发明的实施例，所述的硅酮胶溶液为固体硅酮密封胶和甲苯的混合溶液。
11.根据本发明的实施例，所述硅酮密封胶和所述甲苯的体积比为1-2:1。
12.根据本发明的实施例，所述模板分子为氨基甲酸酯类化合物，优选地，为异丙威。
13.根据本发明的实施例，所述功能单体为甲基丙烯酸(maa)。
14.根据本发明的实施例，所述交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯(egdma)。
15.根据本发明的实施例，所述模板分子与所述单体和所述交联剂的摩尔比为1：5-7：30-35。
16.根据本发明的实施例，所述引发剂为偶氮二异丁腈(aibn)。
17.根据本发明的实施例，所述致孔剂为氯仿和甲醇混合溶液，优选地，所述氯仿和甲醇的体积比为4-6：1。
18.根据本发明的实施例，所述不锈钢片至少具有一个角状端，优选地，所述不锈钢片呈等腰三角形。
19.根据本发明的实施例，所述聚合反应是在60-70℃除氧环境中进行的，时间为12-18小时，优选地，为12小时。
20.根据本发明的实施例，在所述聚合反应前，进一步包括：对所述附着石墨烯的钢片进行干燥超声处理，以便得到干燥超声后的钢片。
21.根据本发明的实施例，该方法包括：将所述不锈钢片浸入1-2mol/l的硫酸溶液中，超声处理0.5-1.0小时后，用水冲洗所述钢片表面至中性后，氮气吹干，以便得到所述酸化后的钢片；将所述酸化后的钢片涂覆所述硅酮胶溶液，将所述氧化石墨烯粉末粘附于钢片上，于40-60℃条件下干燥30分钟，利用甲醇超声清洗，以便得到具有氧化石墨烯涂层的钢片；将所述模板分子和所述功能单体加入所述致孔剂中，室温预聚合2-4小时进行预聚合反应，以便得到预聚合溶液；所述交联剂和所述引发剂溶解于所述预聚合溶液后，将附着石墨烯的钢片的至少部分浸入所述预聚合溶液，除氧环境中，于55-70℃条件下聚合12-24小时，进行聚合反应，以便得到萃取装置初品；以及利用洗脱溶液对所述萃取装置初品进行洗脱处理，以便获得所述萃取装置。
22.根据本发明的另一方面，本发明提供了一种萃取装置。根据本发明的实施例，所述萃取装置是利用前述制备萃取装置的方法制备得到的。
23.根据本发明实施例的萃取装置具有良好特异性吸附和富集作用，提取富集的特异性强，萃取装置吸附和富集目标化合物的的洗脱液可用于液相色谱检测，也可以用于液相色谱串联质谱检测。
24.根据本发明的又一方面，本发明提供了一种检测装置。根据本发明的实施例，该装置包括前述的萃取装置。由此，该装置利用前述的萃取装置对化合物进行特异性吸附和富集作用，提取富集的特异性强，通过将高压电直接施加在萃取装置上，实现目标物的电离进入质谱检测器进行检测，避免了液相色谱的使用，简化了检测步骤，并且检测的背景噪音低、特异性高。
25.根据本发明的又一方面，本发明提供了一种对氨基甲酸酯类化合物进行定性/定量检测的方法。根据本发明的实施例，所述方法是利用前述的萃取装置或前述的检测装置进行的。由此，该方法利用前述的萃取装置对化合物进行特异性吸附和富集作用，提取富集
的特异性强，简化了检测步骤，并且检测的背景噪音低、特异性高。
26.根据本发明的实施例，所述氨基甲酸酯类化合物为甲萘威(car)、仲丁威(bpmc)、克百威(cbf)、异丙威(micp)和残杀威(ppx)中的至少一种
27.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
28.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
29.图1显示了根据本发明一个实施例的富集痕量氨基甲酸酯类化合物的萃取装置的制备流程示意图；
30.图2显示了根据本发明一个实施例的不锈钢片和萃取装置扫描电镜示意图，其中，a为10.0k放大倍数下氧化石墨烯的扫描电镜图；b为10.0k放大倍数下未加模板分子的聚合物的扫描电镜图；c为10.0k放大倍数下分子印迹石墨烯复合材料修饰的萃取装置的扫描电镜图；
31.图3显示了实施例1和对比例1和对比例2的萃取装置对5种氨基甲酸酯类农药的选择提取能力的示意图。
具体实施方式
32.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的装置或具有相同或类似功能的装置。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
33.在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.根据本发明的一个方面，本发明提供了一种制备萃取装置的方法。根据本发明实施例的制备萃取装置的方法，制备得到的萃取装置对氨基甲酸酯类化合物具有良好的特异性吸附和富集作用，既能实现对氨基甲酸酯类化合物的高选择性富集分离用于液相色谱检测，也能作为固体基底直接电离用于质谱检测。
35.根据本发明实施例的制备萃取装置的方法，制备得到的萃取装置对氨基甲酸酯类化合物的特异吸附性强，尤其适用于复杂基质样本中痕量氨基甲酸酯类化合物的富集和分离，例如真实环境样品和食品中氨基甲酸酯类农药(cps)的富集。cps是一类合成农药，与有机磷农药相比，cps具有用量小、药效高、停留时间短、分解速度快等优点，广泛应用于农业、林业和畜牧业。随着cps数量的不断增加，环境和食品中农药残留不可避免的将影响人类健康。因此，开发定量和定性监测其在食品和水样中的存在的cps分析方法是非常必要的。而利用本发明实施例的萃取装置吸附cps，特异性好，吸附性强，有利于提高检测方法的准确度和灵敏度。
36.为了便于理解本发明实施例的制备萃取装置的方法，在此，参考图1，根据本发明
的实施例，对该方法进行解释说明，该方法包括：
37.s100酸化处理
38.根据本发明的实施例，将不锈钢片进行酸化处理，以便得到酸化后的钢片。由此，以不锈钢为载体，易于进行功能涂层改性，不易变形，并且，发明人发现将多孔膜作为固体基底时具有较高的背景干扰，不锈钢片则显示出较低的背景噪声。此外，由于不锈钢片的导电性，可以直接将高压电施加不锈钢片上，可以直接将高压电施加不锈钢片上，因此铜夹子在本实验中可以省略，可以进一步的简化实验操作。
39.根据本发明的实施例，所述不锈钢片至少具有一个角状端，优选地，所述不锈钢片呈等腰三角形。根据本发明的实施例，所述等腰三角形的底长为1.0-2.0cm，高为1.5-2.0cm，所述不锈钢片121的厚度为0.1-0.5mm。不锈钢片呈等腰三角形，在三角尖端形成喷雾泰勒锥，角度太小或太大，洗脱溶剂会受表面张力阻碍喷雾形成，优选地，底长1.0cm，高2.0cm。
40.根据本发明的实施例，该酸化处理包括将所述不锈钢片浸入1-2mol/l的硫酸溶液中，超声处理0.5-1.0小时。根据本发明的实施例，酸化处理后，用去离子水冲洗所述不锈钢片表面至中性后，再用丙酮冲洗，氮气吹干备用，得到所述酸化后的不锈钢片；
41.s200粘附处理
42.根据本发明的实施例，将石墨烯粉末粘附在所述酸化后的钢片，以便得到附着石墨烯的钢片。
43.根据本发明的实施例，利用硅酮胶溶液将所述石墨烯粉末粘附在所述酸化后的钢片上。具体地，根据本发明的实施例，在钢片的一面涂覆硅酮胶溶液。
44.根据本发明的实施例，所述的硅酮胶溶液为固体硅酮密封胶和甲苯的混合溶液。由于中性硅酮，粘性强，涂层均匀，耐高温耐酸碱，在萃取装置后续制备过程中始终保持稳定的状态。
45.根据本发明的实施例，所述硅酮密封胶和所述甲苯的体积比为1-2:1。
46.s300预聚合反应
47.根据本发明的实施例，将模板分子、功能单体和致孔剂接触进行预聚合反应，得到预聚合溶液。由此，功能单体与模板分子预先结合，在后续交联剂加入后，能形成更多包裹模板分子的空间结构，减少功能单体与交联剂的无效聚合，提高聚合物的吸附性能和选择性能。
48.根据本发明的实施例，所述模板分子为氨基甲酸酯类化合物，优选地，为异丙威。根据本发明的实施例，所述功能单体为甲基丙烯酸(maa)。根据本发明的实施例，所述交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯(egdma)。由此，模板分子和功能单体在交联剂的作用下在钢板表面形成复合材料层，该复合材料层对氨基甲酸酯类化合物具有良好选择性和多重吸附位点，能通过多重相互作用力将其吸附在分子印迹聚合物的空隙上，选择性好，吸附性强。
49.根据本发明的实施例，所述模板分子与所述单体和所述交联剂的摩尔比为1：5-7：30-35。根据本发明的优选实施例，摩尔比为1：6：30。由此，功能单体接枝到交联剂上的比例适宜，在该比例下，交联剂和引发剂结合能有效引发聚合反应，形成的分子印迹聚合物印迹效果好。
50.根据本发明的实施例，预聚合反应将修饰后的不锈钢片浸入交联多聚物中，充氮
气，室温下预聚合4-6小时。
51.s400聚合反应
52.根据本发明的实施例，将交联剂和引发剂溶解于所述预聚合溶液后，将所述附着石墨烯的钢片的至少部分浸入所述预聚合溶液中，进行聚合反应，以便获得所述萃取装置。
53.根据本发明的实施例，所述引发剂为偶氮二异丁腈(aibn)。由此，催化交联反应的效率高。
54.根据本发明的实施例，所述致孔剂为氯仿和甲醇混合溶液，优选地，所述氯仿和甲醇的体积比为4-6：1。由此，该致孔剂既能有效溶解模板分子，使模板分子与功能单体稳定结合，又能充分发挥致孔剂的作用，促进交联物形成分子大小和形状相匹配的立体的容纳待测化合物的孔穴。
55.根据本发明的实施例，所述聚合反应是在60-70℃除氧环境中进行的，时间为12-18小时，优选地，为12小时。
56.根据本发明的实施例，在所述聚合反应前，进一步包括：对所述附着石墨烯的钢片进行干燥超声处理，以便得到干燥超声后的钢片。
57.根据本发明的实施例，该方法包括：将所述不锈钢片浸入1-2mol/l的硫酸溶液中，超声处理0.5-1.0小时后，用水冲洗所述钢片表面至中性后，氮气吹干，以便得到所述酸化后的钢片；将所述酸化后的钢片涂覆所述硅酮胶溶液，将所述氧化石墨烯粉末粘附于钢片上，于40-60℃条件下干燥30分钟，利用甲醇超声清洗，以便得到具有氧化石墨烯涂层的钢片；将所述模板分子和所述功能单体加入所述致孔剂中，室温预聚合2-4小时进行预聚合反应，以便得到预聚合溶液；所述交联剂和所述引发剂溶解于所述预聚合溶液后，将附着石墨烯的钢片的至少部分浸入所述预聚合溶液，除氧环境中，于55-70℃条件下聚合12-24小时，进行聚合反应，以便得到萃取装置初品；以及利用洗脱溶液对所述萃取装置初品进行洗脱处理，以便获得所述萃取装置。
58.根据本发明的实施例，该洗脱处理包括：利用洗脱液浸泡覆着后的不锈钢片30min，反复洗脱6-18次，优选地，为12次，洗脱后再用超纯水洗至中性，丙酮洗涤并挥干后备用。由此，有利于充分去除交联多聚物上的模板分子。
59.根据本发明的另一方面，本发明提供了一种萃取装置。根据本发明的实施例，所述萃取装置是利用前述制备萃取装置的方法制备得到的。
60.根据本发明实施例的萃取装置具有良好特异性吸附和富集作用，提取富集的特异性强，萃取装置的洗脱液可用于液相色谱检测，也可以用于液相色谱串联质谱检测。
61.根据本发明的又一方面，本发明提供了一种检测装置。根据本发明的实施例，该装置包括前述的萃取装置。由此，该装置利用前述的萃取装置对化合物进行特异性吸附和富集作用，提取富集的特异性强，通过将高压电直接施加在萃取装置上，实现目标物的电离进入质谱检测器进行检测，避免了液相色谱的使用，简化了检测步骤，并且检测的背景噪音低、特异性高。
62.根据本发明的实施例，该检测装置还包括解吸溶剂，该解吸溶剂为含0.1％甲酸的甲醇溶液。
63.根据本发明的又一方面，本发明提供了一种对氨基甲酸酯类化合物进行定性/定量检测的方法。根据本发明的实施例，所述方法是利用前述的萃取装置或前述的检测装置
进行的。由此，该方法利用前述的萃取装置对化合物进行特异性吸附和富集作用，提取富集的特异性强，简化了检测步骤，并且检测的背景噪音低、通量高、特异性高。
64.根据本发明的实施例，萃取装置与待测溶液接触后，目标化合物与萃取装置的结合率-时间大致情况为5-20min内显著上升，20-30min接近平衡。进而，根据本发明的实施例，将至少部分萃取装置浸入待测溶液中，在450rpm条件摇晃下，接触5-30min，优选地：为20min。由此，有利于化合物与萃取装置充分结合，使检测的准确度和回收率更高。
65.下面参考具体实施例，对本发明进行说明，需要说明的是，这些实施例仅仅是说明性的，而不能理解为对本发明的限制。
66.下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品，例如可以采购自sigma公司。
67.本发明中所用材料与试剂见表1。
68.表1
[0069][0070][0071]
实施例1
[0072]
利用本发明实施例的制备萃取装置的方法，以异丙威为模板分子，制备相应的萃取装置，具体如下：
[0073]
(a)将不锈钢片裁剪成底为1.5cm，高为2cm的等腰三角形。
[0074]
(b)利用1mol/l硫酸超声处理不锈钢片1小时。然后用超纯水反复洗涤至中性，并用丙酮冲洗后，氮吹快速干燥。
[0075]
(c)将处理后的不锈钢片正面朝上涂覆硅酮胶溶液，然后立即将不锈钢片盖在平铺氧化石墨烯粉末的玻璃皿中，并在不锈钢片的背部施加一定压力持续30s。将表面粘附氧
化石墨烯粉末的不锈钢片置于恒温干燥箱，40℃条件下干燥30分钟。将干燥后的涂覆氧化石墨烯的不锈钢片置于甲醇中超声，直到不再有氧化石墨烯粉末脱落，氮气吹干，从而得到氧化石墨烯涂层修饰的钢片。
[0076]
(d)将1mmol异丙威(模板分子)和6mmol甲基丙烯酸(maa)(功能单体)溶解在40ml的氯仿：甲醇(5:1v/v)混合溶液(致孔剂)中，室温预聚合4h，之后，30mmol乙二醇二甲基丙烯酸酯(egdma)和100mg偶氮二异丁腈(aibn)加入到上述溶液中，完全溶解后，加入上述处理后的氧化石墨烯涂层修饰的钢片，超声除氧5min，并充氮气5min，真空泵负压密封在氮气环境中，于65℃水浴聚合12h。
[0077]
(e)用甲醇：乙酸(9.5:0.5v/v)反复浸泡洗脱，去除模板分子。洗脱后用纯水洗涤至中性，再用甲醇洗涤，最后氮气流干燥，得到萃取装置。
[0078]
对比例1
[0079]
利用实施例1的方法制备萃取装置，区别在于不加模板分子异丙威。
[0080]
对比例2
[0081]
利用实施例1的方法制备萃取装置，区别在不进行后续聚合流程。
[0082]
实施例2
[0083]
本实施例中，对实施例1、对比例1和对比例2制备的萃取装置进行表征，具体如下：
[0084]
利用扫描电子显微镜(日立s4800，日本)对实例1、对比例1和对比例2的萃取装置表面进行表征，加速电压20kv，实验结果如图2所示，对比例2表面只有氧化石墨烯涂层，呈层状多孔结构(图2a)，氧化石墨烯的层状结构既为分子印迹聚合物提供了大量的吸附空间，又提供了大量的修饰位点，这是提高吸附能力的基础。对比例1不存在模板分子，功能单体和交联剂可以自由结合。显微镜下，没有模板分子的聚合物聚集成片状，看不到明显的多孔结构(图2b)。实施例1合成过程存在模板分子，最终得到的聚合物层呈现模板分子识别腔的形状。显微镜下，模板分子聚合物聚集体具有更精细的多孔结构，为痕量目标分析物的快速吸收和解吸提供了结构基础，进一步证实分子印迹聚合物已成功交联修饰在氧化石墨烯表面(图2c)。
[0085]
实施例3
[0086]
本实施例中，分别利用实施例1、对比例1和对比例2的萃取装置对待测样本中的氨基甲酸酯类化合物进行提取和检测，具体如下：
[0087]
1、实验方法
[0088]
1)环境和食品样品前处理
[0089]
取当地河水作为真实环境样品，市售茶饮料和橙汁作为真实食品样品；将液体样品置于50ml离心管中，4℃离心10min(8000rpm，温度为4℃)，取出上清，用0.45μm微孔膜过滤器过滤，收集的溶液4℃保存于40ml棕色试剂瓶中；取10ml上述溶液作为供试剂。
[0090]
2)提取处理
[0091]
取等量上述供试液，分别加入实施例1、对比例1和对比例2的萃取装置，450rpm震荡，萃取20min，取出后使用去离子水快速清洗表面，去除共提物。
[0092]
3)检测分析
[0093]
目标物提取：用200μl超纯水清洗萃取钢片表面，然后用1ml甲醇-乙酸(9:1，v/v)超声洗脱，重复三次，收集洗脱液。n2吹干，用1ml稀释剂复溶，过0.22μm微孔滤膜，得到待测
液。将待测液进行液相色谱串联质谱检测。
[0094]
液相色谱条件：
[0095]
色谱柱：aglient zorbax sb-aq(4.6mm
×
150mm，3.5μm,agilent)；进样量3μl；柱温30℃；流速：0.5μl/min；流动相：a：0.2％甲酸水、b：0.1％甲酸乙腈，梯度洗脱条件为0-1.5min，90％a；1.5-2min内，a相降为50％；2-6.5min内，a相降为20％；6.5min-7min，a相升到90％；7-8min，90％a。
[0096]
质谱条件:
[0097]
扫描方式：esi

；检测方式：多反应监测(mrm)；电喷雾电压(is)：5500v；雾化气压力(gs1)：55psi；辅助气压力(gs2)：50psi；气帘气压力(cur)：20psi；离子源温度(tem)：550℃；驻留时间(dt)：100ms。
[0098]
2、实验结果
[0099]
实施例1、对比例1和对比例2的萃取装置对5种氨基甲酸酯类农药(甲萘威(carbaryl，car)和仲丁威(fenobucarb，bpmc)、克百威(carbfuran，cbf)、异丙威(isoprocarb，mipc)、残杀威(propoxur，ppx))进行选择性评价，结果如图3所示，实施例1的萃取装置对5种氨基甲酸酯类农药的吸附量远大于对比例1和对比例2，表明实施例1的萃取装置对5种氨基甲酸酯类农药具有独特的选择性。
[0100]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0101]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。