一种共价有机框架表面功能化固相萃取整体柱

1.本发明属于整体柱制备领域，具体涉及一种共价有机框架表面功能化固相萃取整体柱。


背景技术：

2.整体柱又称连续床，是通过在管内原位聚合的方法制备而成的一种具有多孔 结构的连续柱床。由于整体柱具有独特的网络空间结构，具有渗透性好、传质速度快、机械稳定性强、易于化学修饰以及生物相容性好等诸多优点，在色谱分离和样品前处理等领域得到广泛应用。
3.共价有机框架（cof）是完全由轻质元素通过共价连接而成的一类新型多孔晶态有机聚合物，具有骨架密度低、比表面积大、孔隙率高、孔径尺寸可控和结构可功能化等优点，近年来成为材料科学领域的研究前沿。目前将共价有机框架引入整体柱的方法大多是通过物理掺杂，尚未有共价有机框架表面功能化整体柱的报道。本发明基于表面带有活性环氧基团的聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）基质整体柱，使用碱性对苯二胺溶液作为功能化试剂，通过同步发生的开环反应和对苯二胺的自聚反应，实现基质整体柱表面的聚对苯二胺纤维功能化；再将制备亚胺型cof的反应液注满整体柱，以聚对苯二胺纤维作为结合位点，通过席夫碱反应在整体柱表面原位生成cof微球，制备cof表面功能化整体柱。本发明为共价有机框架引入整体柱提供了一种新途径。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种共价有机框架表面功能化固相萃取整体柱。本发明以聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）（poly(gma-co-edma)）整体柱作为基质整体柱，使用碱性对苯二胺溶液作为功能化试剂。在碱性条件下，对苯二胺的氨基会打开基质整体柱表面的环氧基团，通过环氧开环反应与基质连接，同时由于开环形成的氧自由基会引发对苯二胺的氧化自聚，从而在基质整体柱表面形成一层聚对苯二胺（ppda）纤维。聚对苯二胺纤维表面含有大量氨基，为cof在整体柱表面的功能化提供了大量的作用位点，对cof的表面功能化十分有利。之后，再将制备亚胺型cof的反应液与乙酸水溶液的混合液注满整体柱，以ppda纤维作为结合位点，利用ppda纤维表面的大量氨基使得cof微球与ppda纤维之间形成了化学链接，再通过席夫碱反应在整体柱表面原位生成cof微球，制备cof表面功能化整体柱。由于cof表面功能化整体柱与中等极性及非极性分析对象（例如苯二氮卓类化合物）之间的π-π堆积作用以及疏水相互作用，该整体柱可实现复杂实际样品中的微量中等极性及非极性分析对象的在线富集与检测。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明首先提供了一种共价有机框架表面功能化固相萃取整体柱，其是先以聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）整体柱作为基质整体柱，使用碱性对苯二胺溶液作为功能化试剂对其表面进行聚对苯二胺纤维功能化，再将亚胺型共价有机框
架的反应液与乙酸水溶液的混合液注满整体柱，以聚对苯二胺纤维作为结合位点，在整体柱表面原位生成共价有机框架微球，制得共价有机框架表面功能化整体柱。
6.其中，上述作为功能化试剂的碱性对苯二胺溶液为0.5-3 mol/l的对苯二胺甲醇溶液，且所述碱性对苯二胺溶液中含0.1-0.5 mol/l的氢氧化钠。
7.其中，上述亚胺型共价有机框架由氨基配体和醛基配体反应得到，其中，所述氨基配体为1,3,5-三(4-氨苯基)苯，所述醛基配体为对苯二甲醛、2,5-二乙烯基-1,4-苯二甲醛、2,5-二羟基-1,4-苯二甲醛或2,5-二甲氧基-1,4-苯二甲醛中的任意一种。
8.本发明还提供了上述一种共价有机框架表面功能化固相微萃取整体柱的制备方法，包括以下步骤：1）聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）基质整体柱的制备：先将色谱用不锈钢空柱管用甲醇冲洗20分钟，放入60℃烘箱烘干待用；基质整体柱的制备填料由300 mg甲基丙烯酸缩水甘油酯、100 mg乙二醇二甲基丙烯酸酯、480 mg 1,4-丁二醇、120 mg n,n-二甲基甲酰胺与1.2 mg偶氮二异丁腈组成，用旋涡混合器混匀后，超声15分钟；用注射器将配好的填料注入前述的不锈钢空柱管中，放入60℃水浴反应24小时；反应结束后，以甲醇为流动相，用液相色谱泵冲洗不锈钢柱约1小时，以去除床层内残留的致孔剂、未反应的单体以及反应生成的一些低聚物，即得到聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）基质整体柱；2）聚对苯二胺纤维表面功能化：配置0.5-3 mol/l 碱性对苯二胺甲醇溶液（含0.1-0.5 mol/l 氢氧化钠），将该溶液通过微量注射泵注入聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）基质整体柱中，注满密封后，常温反应24-72小时；反应结束后，先以甲醇为流动相，用液相色谱泵冲洗不锈钢柱约1-2小时，再换成乙腈冲洗约1-2小时，即完成基质整体柱的聚对苯二胺纤维表面功能化；3）共价有机框架表面功能化固相萃取整体柱的制备：取0.04 mmol的氨基配体与0.06 mmol的醛基配体，加入至5 ml乙腈配置成共价有机框架反应液；将共价有机框架反应液、12 mol/l乙酸水溶液与完成表面功能化的基质整体柱分别放入冰箱在4℃下预冷2小时，接着取1.0 ml 共价有机框架反应液加入30-100 μl的12 mol/l乙酸水溶液，震荡混匀，用微量注射泵将其注入完成表面功能化的基质整体柱中，注满密封后，放入50-80℃水浴反应；1小时后将柱子取出自然冷却10分钟左右，按前述的方法从反方向再次注入共价有机框架反应液与乙酸水溶液的混合液，注满密封后，再次放入50-80℃水浴反应；重复上述操作3次；最后一次注入完毕后，不锈钢柱置于50-80℃水浴中反应12小时，使其充分反应；反应结束后，以乙腈为流动相，用液相色谱泵冲洗不锈钢柱约2小时，即得到共价有机框架表面功能化固相萃取整体柱。
9.本发明还提供了上述一种共价有机框架表面功能化固相微萃取整体柱在富集萃取中等极性及非极性分析对象中的应用。
10.本发明的显著优点在于：1）本发明巧妙地利用了聚对苯二胺纤维表面大量的氨基，为共价有机框架的表面功能化提供了大量的反应位点，从而提高了共价有机框架的表面覆盖率，实现了共价有机框架表面功能化固相微萃取整体柱的制备。
11.2）在之前其他工作报道的使用共价有机框架物理掺杂整体柱中，绝大多数cof都
是被包埋在整体柱基质中，导致cof的性能无法得到充分展示。而本发明提出的cof表面功能化法可以确保cof都在整体柱表面，有利于充分发挥cof独特的性能。
12.3）本发明先通过低温和减少催化剂的用量来降低cof的生成速率，从而预留出足够的cof反应液装柱时间；再通过提高反应温度来降低生成的cof微粒粒径，防止cof堵塞基质材料的通孔。
13.4）本发明工艺简单、易于操作、不需要昂贵的仪器。
附图说明
14.图1是制备过程中三种整体柱的扫描电子显微镜图（放大倍数为10000倍）与对应edax能谱图。其中，a与d是聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）基质整体柱，b与e聚对苯二胺纤维表面功能化后整体柱，c与f是共价有机框架表面功能化整体柱。
15.图2是制备过程中三种整体柱的傅里叶变换红外光谱图。其中，a是聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）基质整体柱，b聚对苯二胺纤维表面功能化后整体柱，c是共价有机框架表面功能化整体柱。
16.图3是高效液相色谱图。其中，a为直接用高效液相色谱检测6种苯二氮卓类新型毒品混合物的色谱分离图；b为以聚对苯二胺纤维表面功能化后的整体柱作为固相微萃取整体柱，构建管内固相微萃取-高效液相色谱在线联用系统，检测6种苯二氮卓类新型毒品混合物的色谱分离图；c为以共价有机框架表面功能化整体柱作为固相微萃取整体柱，构建管内固相微萃取-高效液相色谱在线联用系统，检测6种苯二氮卓类新型毒品混合物的色谱分离图。样品浓度：100 ng/ml。峰识别：1，硝西泮；2，艾司唑仑；3，奥沙西泮；4，三唑仑；5，地西泮；6，氟硝西泮。
具体实施方式
17.为了使本发明所述内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
18.本实施例提供了一种共价有机框架表面功能化固相萃取整体柱的制备方法，具体包括以下步骤：1）聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）基质整体柱的制备：先将长度为33毫米，内径为2.1毫米的不锈钢空柱管用甲醇冲洗20分钟，放入60℃烘箱烘干待用；基质整体柱的制备填料由300 mg甲基丙烯酸缩水甘油酯、100 mg乙二醇二甲基丙烯酸酯、480 mg 1,4-丁二醇、120 mg n,n-二甲基甲酰胺与1.2 mg偶氮二异丁腈组成，用旋涡混合器混匀后，室温下超声15分钟（超声频率为40 khz，超声功率为100 w）；用注射器将配好的填料注入前述的不锈钢柱中，放入60℃水浴反应24小时；反应结束后，以甲醇为流动相，用液相色谱泵冲洗不锈钢柱约1小时，以去除床层内残留的致孔剂、未反应的单体以及反应生成的一些低聚物，即得到聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）基质整体柱；表1 制备流程选用的部分方案
2）聚对苯二胺纤维表面功能化：按照表1称取相应的对苯二胺与氢氧化钠，加入20 ml甲醇，用漩涡混合器震荡均匀，室温下超声20分钟左右（超声频率为40 khz，超声功率为100 w），得到对应浓度的碱性对苯二胺甲醇溶液。将碱性对苯二胺甲醇溶液通过微量注射泵注入聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）基质整体柱中，注满密封后，在常温下进行反应，对应的反应时间见表1；反应结束后，先以甲醇为流动相，用液相色谱泵冲洗不锈钢柱约2小时，再换成乙腈冲洗约2小时，即完成基质整体柱的聚对苯二胺纤维表面功能化；3）共价有机框架表面功能化固相萃取整体柱的制备：取14.06 mg的1,3,5-三(4-氨苯基)苯（tapb）与11.17 mg的2,5-二乙烯基-1,4-苯二甲醛（dva），加入至5 ml乙腈配置成共价有机框架反应液；将共价有机框架反应液、12 mol/l乙酸水溶液与2）中完成表面功能化的基质整体柱分别放入冰箱在4℃下预冷2小时，接着取1.0 ml 共价有机框架反应液，按表1添加对应量的12 mol/l乙酸水溶液，震荡混匀，用微量注射泵将其注入完成表面功能化的基质整体柱中，注满密封后，放入水浴中进行反应，水浴温度见表1；1小时后将柱子取出自然冷却10分钟左右，按前述的方法从反方向再次注入共价有机框架反应液与乙酸水溶液的混合液，注满密封后，再次放入前述的水浴进行反应；重复上述操作3次；最后一次注入完毕后，不锈钢柱置于前述的水浴中反应12小时，使其充分反应；反应结束后，以乙腈为流动相，用液相色谱泵冲洗不锈钢柱约2小时，即得到所述共价有机框架表面功能化固相萃取整体柱。
19.应用实施例1按上述具体实施方式及表1方案b所述制备聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）基质整体柱和聚对苯二胺纤维表面功能化后整体柱，共价有机框架表面功能化整体柱，并分别进行扫描电子显微镜测试和能谱分析。如图1a-c所示，基质整体柱（a）表面呈现不规则块状的结构；而聚对苯二胺纤维表面功能化后整体柱（b）表面有细长的丝状物，这是由于碱性条件下，对苯二胺在基质整体柱表面发生自聚反应生成了聚对苯二胺纤维，证明了聚对苯二胺纤维对基质表面的成功功能化；共价有机框架表面功能化整体柱（c）表面覆盖了大量类球状聚合物，其粒径约600 nm，这表明共价有机框架微球通过聚对苯二胺纤维的结合，几乎完全覆盖了整体柱的表面。
20.如图1d-f所示，基质整体柱（d）只出现了c, o（au元素的出现是喷金导致的）两种元素；而聚对苯二胺纤维表面功能化后整体柱（e）中还增加了n元素的信号，进一步证明了基质表面被聚对苯二胺纤维成功衍生，其中na元素的出现是由于样品中残留的naoh未完全去除；在共价有机框架表面功能化整体柱（f）中c元素信号明显增强，这是由于高含碳量的共价有机框架功能化提高了整体柱的总体碳元素含量。
21.应用实施例2按上述具体实施方式及表1方案a所述制备聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯）基质整体柱和聚对苯二胺纤维表面功能化后整体柱，共价有机框架表面功能化整体柱，并分别进行傅里叶变化红外光谱测试。如图2所示，基质整体柱的红外光谱（a）在1050 cm-1
处出现的吸收峰归属为环氧基团中c-o-c键的伸缩振动，在901 cm-1
处出现的吸收峰归属为环氧基团环的振动，这证明了基质材料的成功合成，而后两步功能化后的整体柱的红外光谱（b，c）没有这两个吸收峰，表明环氧基团几乎全部参与了功能化反应；聚对苯二胺纤维表面功能化后整体柱的红外光谱（b）在1607 cm-1
处出现的吸收峰归属芳香胺的n-h伸缩振动，而在共价有机框架表面功能化整体柱的红外光谱（c）中几乎没有出现这个吸收峰，这是由于聚对苯二胺纤维上的芳香胺几乎全部参与了共价有机框架的功能化；聚对苯二胺纤维表面功能化后整体柱的红外光谱（b）和共价有机框架表面功能化整体柱的红外光谱（c）在1527 cm-1
处出现的吸收峰归属苯环上c=c的伸缩振动，证明了聚对苯二胺纤维与共价有机框架均成功引入了基质整体柱。
22.应用实施例3按上述具体实施方式及表1方案f所述制备聚对苯二胺纤维表面功能化后整体柱和共价有机框架表面功能化固相微萃取整体柱，并以这两种整体柱作为固相微萃取整体柱，结合管内固相微萃取-高效液相色谱（in-tube spme-hplc）联用系统（专利号：cn107290455b），构建管内固相微萃取-高效液相色谱在线联用系统，考察其对6种100 ng/ml 苯二氮卓类毒品混合物（硝西泮，艾司唑仑，奥沙西泮，三唑仑，地西泮，氟硝西泮）的固相微萃取行为，并与高效液相色谱检测直接法进行对比。
23.具体分离条件：载样液组成：乙腈/水=10%/90% (v/v)；样品溶剂：乙腈/水=10%/90% (v/v)；进样流速：0.05 ml/min；进样体积：500 μl；洗脱液组成：乙腈/0.1%三氟乙酸=60%/40% (v/v)；洗脱流速：0.1 ml/min；洗脱体积：250 μl；分离流动相：乙腈/0.1%三氟乙酸=60%/40% (v/v)；分离流速：1.0 ml/min；柱温箱温度：40 ℃；检测波长：229 nm。
24.如图3所示，使用高效液相色谱直接检测时（曲线a），6种物质的检测强度都很低；而使用聚对苯二胺纤维表面功能化后整体柱作为固相微萃取整体柱（曲线b）时，检测峰强度得到一定的增强，然而干扰峰也有一定的增强，这说明聚对苯二胺纤维对苯二氮卓类化合物有一定的富集，但是由于聚对苯二胺纤维表面存在的大量氨基极性较强，导致其富集能力并不突出；使用共价有机框架表面功能化整体柱作为固相微萃取整体柱（曲线c）时，检测强度得到了进一步的增强，而且干扰峰强度较低，这说明共价有机框架对苯二氮卓类化合物表现出明显的富集能力，此外还体现了共价有机框架优越的净化能力。
25.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。