一种金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针及其制备方法与应用

1.本发明涉及金属有机框架的材料改性和固相微萃取的技术领域，尤其涉及一种金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针及其制备方法与应用。


背景技术：

2.微生物挥发性代谢物(microbial volatile organic compounds,mvocs)作为微生物的生长指标，正受到微生物研究者的重点关注。然而，mvocs中包含有多种性质各异的物质，要实现对这些物质的同时捕获与分析并不简单。因此，需要开发一种简便高效、能实现活体采样的样品前处理技术，以尽可能多地捕获mvocs，更准确地反映微生物的生长状态。固相微萃取(solid-phase microextraction，spme)是一种操作简便、溶剂用量少的绿色环保样品前处理技术，集采样、富集、净化、进样于一体，具有可与色谱、高分辨质谱等高效分析检测仪器联用的优点，目前在环境分析、食品检测、生命健康等领域被广泛应用。然而，当前商业化spme探针存在价格昂贵(800-900元一支)、广谱萃取性能不佳、非靶向物质捕获覆盖率低等缺点制约其在代谢物萃取领域中的应用，因此需要设计合理的spme探针涂层以实现对mvocs的广谱高效萃取。金属有机框架(mof)由于其多孔性、比表面积大、结构与功能多样性的特点，在mvocs萃取领域具有巨大的应用潜力。然而，微生物基质中的复杂性有可能导致mof结构的坍塌，因而需要对mof进行适当的改性，在尽可能实现其优异萃取性能的同时，尽可能保护其结构不受影响。


技术实现要素：

3.本发明解决了现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针及其制备方法与应用，本发明提出的金属有机框架/聚苯乙烯复合材料可实现对不同性质的挥发性物质萃取的效果，同时兼备耐受高温的特点，满足微生物挥发性代谢物的活体萃取和热脱附分析仪器的应用需求。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针，所述的固相微萃取探针的表面涂层为金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料，所述的金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料是通过在金属有机框架材料zif-67表面热引发苯乙烯进行自由基聚合反应得到。
5.优选地，所述的表面涂层的长度为1～2cm，厚度为10～50μm。进一步优选，所述的表面涂层的长度为1.5cm，厚度为30μm。
6.本发明还保护上述金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针的制备方法，包括如下步骤：
7.s1：将六水合硝酸钴和2-甲基咪唑溶解于甲醇中得到混合溶液，搅拌反应后，停止搅拌，混合溶液静置陈化反应，合成金属有机框架材料zif-67；
8.s2：在搅拌的状态下，将步骤s1合成的金属有机框架材料zif-67分散在苯乙烯中
进行自由基聚合反应，反应结束后，产物经洗涤和真空干燥后，得到金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料；
9.s3：将不锈钢丝伸入粘合剂溶液中，取出并吸干不锈钢丝表面的粘合剂溶液，然后在其表面均匀涂覆步骤s2得到的金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料并干燥，重复若干次，在惰性气体氛围下老化，即得所述的固相微萃取探针。
10.本发明提出的金属有机框架材料是一种以金属钴离子为中心，2-甲基咪唑为有机配体通过配位键作用自组装形成的有机-无机杂化材料，具有热稳定性好、比表面积大的优点。通过自发的热聚合自由基反应，可在材料表面修饰上一层聚苯乙烯，使材料在具有优异萃取性能的同时提高材料的稳定性。
11.优选地，步骤s1中，所述的六水合硝酸钴和2-甲基咪唑的质量比为(2～3):(3～4)；搅拌反应时间为20～40min，静置陈化反应时间为10～15h。进一步优选，步骤s1中，所述的六水合硝酸钴和2-甲基咪唑的质量比为2.91:3.28；搅拌反应时间为30min，静置陈化反应时间为12h。
12.优选地，步骤s2中，所述的金属有机框架材料zif-67和苯乙烯的质量体积比为1:20/3～1:125g/ml，反应温度为60℃～70℃，反应时间为20～30h。进一步优选，步骤s2中，所述的金属有机框架材料质量和纯苯乙烯的体积比为1:100g/ml，反应温度为65℃，反应时间为24h。
13.优选地，步骤s2中，所述的洗涤具体为先使用四氢呋喃浸泡产物，洗涤若干次，产物浸泡时间为20～30h，再使用二氯甲烷浸泡产物，洗涤若干次，产物浸泡时间为20～30h。进一步优选，所述的四氢呋喃和二氯甲烷洗涤次数均为3次，四氢呋喃和二氯甲烷的产物浸泡时间均为24h。
14.优选地，步骤s3中，所述的粘合剂溶液为硅酮胶/甲苯溶液，所述的硅酮胶/甲苯溶液中硅酮胶的质量浓度为0.2～0.8g/ml。进一步优选，所述的硅酮胶/甲苯溶液中硅酮胶的质量浓度为0.5g/ml。本发明将制备得到的固相微萃取探针插入spme套管中，每次使用前需在氮气保护中于250℃下老化10～20min后方可使用。
15.本发明利用硅酮胶，通过胶粘法制备固相微萃取探针，其中胶粘的次数将直接影响固相微萃取探针的厚度和金属有机框架/聚苯乙烯复合材料的负载量，从而影响制备探针对挥发性代谢物的萃取富集性能。
16.本发明还保护上述金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针在富集萃取微生物挥发性代谢物中的应用。
17.优选地，所述的微生物挥发性代谢物包括e.coli微生物挥发性代谢物、p.mirabilis微生物挥发性代谢物、l.rhamnosus微生物挥发性代谢物和l.acidophilus微生物挥发性代谢物。
18.本发明提出的金属有机框架/聚苯乙烯复合材料作为吸附剂应用于固相微萃取的涂层，利用金属有机框架上的金属位点和2-甲基咪唑中氮原子的作用，可实现对亲水性物质的吸附；同时，利用聚苯乙烯的修饰，可有效提高材料对疏水性物质的萃取效果，因而该材料可实现对挥发性代谢物的广谱高效捕获。此外，经过聚苯乙烯修饰后，材料具有三峰微孔分布的特性，三处的孔径分别分布在和这种特性将有利于材料对不同性质及不同尺寸的挥发性代谢物分子的萃取。因此，本发明所制备的金属有
机框架/聚苯乙烯固相微萃取探针完全满足挥发性物质的采样和热脱附仪器的分析要求，在微生物挥发性代谢物萃取领域具有较好的应用前景。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.1、本发明提出的固相微萃取探针表面含有金属有机框架/聚苯乙烯复合材料的涂层，兼备两种材料的优点。其中，本发明中的金属有机框架材料具有热稳定性好、比表面积大、金属位点与含氮量丰富等优点；此外，修饰的聚苯乙烯具有疏水结构有利于提高复合材料的稳定性及对疏水性物质的亲和性。
21.2、本发明所制备的金属有机框架/聚苯乙烯复合材料可实现对不同性质的挥发性物质萃取的效果，同时兼备耐受高温的特点，满足微生物挥发性代谢物的活体萃取和热脱附分析仪器的应用需求。微生物挥发性代谢物的萃取效果优于当前商用化的价格高昂的固相微萃取探针，具有稳定性好，萃取物覆盖范围广，分析对象的检出限低等优点。
附图说明
22.图1是实施例1制备得到的金属有机框架以及金属有机框架/聚苯乙烯复合材料用扫描电镜表征的探针微观形貌图(比例尺1μm)。
23.图2是实施例1制备得到的金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针用扫描电镜表征的探针微观形貌图(比例尺200μm)。
24.图3是实施例1提供的金属有机框架以及金属有机框架/聚苯乙烯复合材料的氮气吸附图及其孔径分布图。
25.图4是实施例1制备得到的金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针与未经聚苯乙烯复合的zif-67固相微萃取探针以及商用pdms探针对挥发性的极性(苯酚类)和非极性(多环芳烃)物质萃取性能对比图。
26.图5是实施例1的金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针与其他商用探针(pdms、pa、dvb/car/pdms)对大肠杆菌o157:h7挥发性代谢物的萃取性能对比图。
27.图6是实施例1的金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针对4种肠道微生物挥发性代谢物萃取的韦恩图。
具体实施方式
28.以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。除特别说明，本发明使用的设备为本技术领域常规市购产品。
29.一种金属有机框架材料/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针是通过以下步骤制备得到：
30.s1：将六水合硝酸钴和2-甲基咪唑溶解于甲醇中，充分搅拌混合一段时间，停止搅拌，混合溶液静置陈化结晶生长，合成出比表面积大，微孔含量丰富的金属有机框架材料zif-67，反应完成后收集并用甲醇洗涤产物，真空干燥后即可得到金属有机框架材料zif-67；
31.s2：在搅拌的状态下，将合成的金属有机框架材料zif-67分散在苯乙烯中，并升高反应温度，引发苯乙烯的自由基聚合反应，在聚合反应持续的时间内，苯乙烯将在金属有机框架材料的表面进行自由基聚合反应，反应结束后，分别用四氢呋喃和二氯甲烷洗去未反
应的苯乙烯单体，真空干燥后即可得到金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料；
32.s3：将不锈钢丝伸入粘合剂溶液中，取出并吸干不锈钢丝表面的粘合剂溶液，然后在其表面均匀涂覆金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料并干燥，重复数次使涂层厚度达到要求，最后在惰性气体氛围下老化即得所述固相微萃取探针。
33.下述实施例优选，步骤s1中，六水合硝酸钴、2-甲基咪唑的质量比为(2～3):(3～4)；搅拌与静置陈化反应温度皆为室温；搅拌反应时间为20～40min；静置陈化反应时间为10～15h。更优选的，六水合硝酸钴、2-甲基咪唑的质量比为2.91:3.28；搅拌与静置陈化反应温度为25℃；搅拌反应时间为30min；静置陈化反应时间为12h。
34.下述实施例优选，步骤s2中，金属有机框架材料和苯乙烯的质量体积比为0.2～0.3g/20～25ml(即1:20/3～1:125g/ml)。洗涤用四氢呋喃和二氯甲烷的体积均为10～20ml；洗涤次数为3～5次；洗涤后溶剂浸泡时间为20～30h。反应温度为60～70℃，反应时间为20～30h。更优选的，步骤s2中，金属有机框架材料和纯苯乙烯的质量体积比为0.25g:25ml。洗涤用四氢呋喃和二氯甲烷的体积均为15ml；洗涤次数为3次；洗涤后溶剂浸泡时间为24h。反应温度为65℃，反应时间为24h。
35.下述实施例优选，步骤s3中，粘合剂溶液为硅酮胶/甲苯溶液，硅酮胶/甲苯溶液中硅酮胶的质量浓度为0.2～0.8g/ml。表面涂层的长度为1～2cm，厚度为5～50μm。更优选的，硅酮胶/甲苯溶液中硅酮胶的质量浓度为0.5g/ml。表面涂层的长度为1.5cm，厚度为30μm。本发明将制备得到的固相微萃取探针插入spme套管中，每次使用前需在氮气保护中于250℃下老化10～20min后方可使用。
36.实施例1金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针的制备
37.1、金属有机框架材料的制备：
38.将2.91g六水合硝酸钴和3.28g 2-甲基咪唑分别溶解于200ml的甲醇，得到溶液a(含六水合硝酸钴)和溶液b(含2-甲基咪唑)。随后将溶液b缓慢倒入溶液a，得到混合溶液c。混合溶液c在室温下磁力搅拌充分反应30min。反应结束后，反应体系仍需要在室温下静置陈化12h，使其缓慢地进行自组装反应。陈化结束后，离心得到沉淀，用甲醇洗涤沉淀3次后，在60℃下真空干燥8h，得到紫色粉末金属有机框架材料zif-67。
39.2、通过苯乙烯热引发自由基聚合反应制备金属有机框架/聚苯乙烯复合材料：
40.将250mg zif-67和25ml纯苯乙烯混合于100ml的圆底烧瓶中并密封，超声10mi n使zif-67均匀分散于苯乙烯中，随后体系在65℃下搅拌反应24h。反应结束后，倾析倒出苯乙烯溶液，用四氢呋喃洗涤产物3次，每次用量为15ml，随后用15ml四氢呋喃浸泡产物24h。浸泡后用二氯甲烷洗涤产物3次，每次用量为15ml，之后用15ml二氯甲烷浸泡产物24h。最后在60℃下真空干燥24h得到暗紫色的金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料。
41.3、金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针的制备：
42.(1)清洗：将直径为127μm不锈钢纤维截成3～4cm长度后，依次在超纯水、甲醇、丙酮中浸泡，在室温下超声30min。丙酮洗完后在室温自然条件下挥干溶剂，备用。
43.(2)制胶：将0.5g硅酮胶于2ml的离心管中，向其中加入1.0ml甲苯后充分混合搅匀，超声10min，得到硅酮胶/甲苯溶液。
44.(3)制针：将步骤(1)预处理过的不锈钢丝前端浸没在硅酮胶/甲苯溶液中，没过不锈钢丝2cm以上，取出。用无尘纸吸干不锈钢丝表面多余的胶液滴，得到表面涂有一层极薄
的硅酮胶涂层的不锈钢丝。将涂有硅酮胶的不锈钢纤维放在金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料粉末中充分滚动并涂覆上一层复合材料的涂层，抖动不锈钢丝至无材料掉落，得到单层表面均匀的金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针。
45.刮去多余的涂层使该表面涂层的长度为1cm，厚度为30μm，将固相微萃取探针放入烘箱中放置除去多余溶剂并固化探针。在氮气保护下，将所得到的探针置于250℃下老化60min，将老化后的探针插入spme套管中。
46.如图1所示，用扫描电镜表征步骤s2得到的金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料的微观形貌及对比步骤s1得到的金属有机框架材料zif-67的差异。图1可观测到金属有机框架材料zif-67是规则的正十二面体，聚苯乙烯修饰后的复合材料变为不规则的球体，由此可见，聚苯乙烯成功修饰在金属有机框架材料zif-67表面，由图3中的氮气吸附表征可知所制得的金属有机框架/聚苯乙烯复合材料的孔隙结构情况，该材料在微孔范围具有三峰微孔分布的特性，三处的孔径分别分布在和
47.实施例2
48.与实施例1相同，不同之处在于：
49.步骤s1中，六水合硝酸钴、2-甲基咪唑的质量比为1:2，搅拌与静置陈化反应温度皆为室温；搅拌反应时间为20min；静置陈化反应时间为10h。
50.步骤s2中，金属有机框架材料和苯乙烯的质量体积比为即1:20/3g/ml。洗涤用四氢呋喃和二氯甲烷的体积均为20ml；洗涤次数为3次；洗涤后溶剂浸泡时间为30h。反应温度为60℃，反应时间为30h。
51.下述实施例优选，步骤s3中，硅酮胶/甲苯溶液中硅酮胶的质量浓度为0.2g/ml。表面涂层的长度为1cm，厚度为5μm。
52.实施例3
53.与实施例1相同，不同之处在于：
54.步骤s1中，六水合硝酸钴、2-甲基咪唑的质量比为1:1；搅拌与静置陈化反应温度皆为室温；搅拌反应时间为40min；静置陈化反应时间为15h。
55.步骤s2中，金属有机框架材料和苯乙烯的质量体积比为1:125g/ml。洗涤用四氢呋喃和二氯甲烷的体积均为10ml；洗涤次数为5次；洗涤后溶剂浸泡时间为20h。反应温度为70℃，反应时间为20h。
56.步骤s3中，硅酮胶/甲苯溶液中硅酮胶的质量浓度为0.5g/ml。表面涂层的长度为1.5cm，厚度为50μm。
57.试验例1：
58.金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针对挥发性物质的吸附性能
59.测定本发明实施例1得到的金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针、未进行复合的zif-67固相微萃取探针以及商用pdms探针对相应的挥发性物质吸附性能差异。
60.实施例1得到的金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针与zif-67固相微萃取探针以及商用pdms探针分别在含有4种苯酚类物质、5种多环芳烃类物质水样的顶空位置进行萃取，萃取时间为40min。萃取后的探针在气相色谱-四极杆飞行时间质谱
联用仪(gc-qtof-ms)脱附口进行解析和检测。其中热解吸温度为250℃；gc在50℃保持30s，随后以10℃/min的升温速率升至280℃，保持2min。三种探针对挥发性物质的萃取效果比较如图4所示，聚苯乙烯修饰后的zif-67-ps固相微萃取探针对这些物质的萃取效果皆优于未修饰的zif-67固相微萃取探针和商用pdms探针。
61.试验例2
62.金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针对微生物挥发性代谢物的吸附性能
63.测定本发明实施例1得到的金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针与商用固相微萃取探针对微生物挥发性代谢物的吸附性能差异。
64.实施例1得到的金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针与三种商品化的萃取探针(dvb/car/pdms探针、pa探针和pdms探针，均购自美国supelco公司)分别置于大肠杆菌o157:h7培养小瓶的顶空位置萃取其挥发性有机物，萃取时间为40min。其中大肠杆菌o157:h7的培养条件为37℃，150rpm培养过夜。将萃取完毕的探针直接置于gc-qtof-ms脱附口中进行热解吸和检测。其中，检测条件为热解吸温度为250℃；gc在50℃保持1min，随后以5℃/min的升温速率升至280℃，保持3min。
65.为了更好地比较不同探针对大肠杆菌o157:h7活体挥发性代谢物的富集能力，根据不同探针对各物质萃取得到的峰面积将进行归一化，如图5所示，自制探针对典型的微生物挥发性代谢物(长链烷烃、酮类、多硫化物、芳香类物质等)的富集能力优于三种商用spme探针。实验结果表明，实施例1得到的金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针对选定微生物的挥发性代谢物具有较高的代谢物捕获覆盖率和较好的萃取效果。
66.应用例1：金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针对4种肠道微生物挥发性代谢物的吸附
67.将实施例1得到的金属有机框架zif-67/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针萃取头置于4种肠道微生物培养小瓶的顶空中进行活体挥发性代谢物的萃取，萃取时间为40min。萃取结束后，探针将直接暴露于gc-qtof-ms的脱附口中进行热解吸和分析，热脱附温度为250℃。将得到4种肠道微生物挥发性代谢物进行一定的数据处理与分析鉴定，最后得到不同微生物代谢物的韦恩图(图6)。由图6可知，不同微生物间既有共同拥有的挥发性代谢物，亦有各自独特的代谢物。本应用实施例表明，金属有机框架/聚苯乙烯复合材料固相微萃取探针可实现微生物挥发性代谢物的富集萃取及分析。
68.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。