一种磁性固相萃取材料、其制备方法及应用与流程

本发明属于固相萃取，尤其涉及一种磁性固相萃取材料、其制备方法及应用。

背景技术：

1、磁性固相萃取(magnetic solid phase extraction，mspe)最早是heden等人在1972年开发的，他首次证明了磁性固相萃取材料分离生物活性蛋白的能力(biotechnol.bioeng.symp.，1972，pp.173-174.)。1973年，robinson等人利用磁性固相萃取材料有效地提取了搅拌反应器中产生的两种酶(biotechnology and bioengineering，15(1973)603-606)。1996年，towler等利用负载二氧化锰的磁铁矿，对海水中的镭、铅、钋等金属元素进行浓缩，并利用磁体对其进行有效分离(analytica chimica acta，328(1996)53-59)。然而，真正意义上的磁性固相萃取直到1999年才由m.safarikova和i.safarik等人发展起来，并应用于酞菁铜染料的萃取分离(journal of magnetism and magneticmaterials，194(1999)108-112)。

2、mspe技术是利用磁性吸附剂来萃取被分析物，在外部磁场作用下，目标分析物可随吸附剂迅速地与样品基质进行分离，最终通过合适的洗脱剂将分析物从吸附剂上洗脱下来，从而达到分离和富集的目的。以磁性颗粒作为载体的磁性固相萃取与传统固相萃取相比具有许多优点，(1)mspe是将磁性吸附剂直接分散到样品溶液中，增大接触面积，提高了萃取效率，并解决了柱阻问题；(2)分离分析物不需要离心或过滤，操作更简单；(3)容易洗涤和洗脱，避免使用大量有机试剂；(4)干扰更低，因为大多数样品杂质都是非磁性的；(5)mspe的操作条件是可控的，整个过程易于实现自动化；(6)大多数磁性吸附剂都可以很容易地回收再利用，大大节省了成本，保护了环境。因此，mspe在食品与药品分析、环境检测、海关检疫、生物医学等领域具有很大的应用前景。

3、mspe材料通常由磁性材料与功能化表面涂层组成，二者都需要具备一定的优良特性。其中，磁性成分通常为铁、钴、镍等为代表的金属氧化物及其复合物，它们通常具有良好的超顺磁性或铁磁性。四氧化三铁(fe3o4)纳米粒子由于制备过程简单、成本低、比表面积大、生物相容性好等优点，常用于磁性固相萃取领域。根据材料的结构特性，可将现有的mspe材料分为无机包覆型和有机包覆型。其中，常见的无机包覆型磁性固相萃取剂种类有：氧化铝包覆型、二氧化硅包覆型、碳材料包覆型等，此类型mspe材料的表面被带孔的或致密的无机材料层包裹，赋予其良好的物理和化学稳定性。多孔结构可以增大mspe材料的比表面积，提高吸附效果。fe3o4磁性纳米颗粒表面含有大量的羟基官能团使其能够与多种有机分子或者聚合物结合，fe3o4磁性纳米颗粒表面甚至可直接被琼脂糖、蛋白质及一般有机聚合物直接包覆，形成聚合物涂层。上述不同策略的最外有机聚合物涂覆层千差万别，可以是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮等，也可以是高分子共聚物，还可以是分子印迹型的，甚至是金属有机骨架材料(metalorganic frameworks，mof)，目的是提供更好的萃取选择性(journalof chromatography a，2012，1245，8–16，journal of chromatography a，2020，1630，461531，analyst，2012，137，3445，j.sep.sci.2017，40:909–918，cn105233799a)。因此，在fe3o4磁性纳米颗粒的外部修饰不同的有机或无机材料，可实现对不同类型的目标分子和离子的有效吸附，并提高固相萃取效率。

4、近年来，聚合物材料因其在较宽的酸碱范围内具有较高的结构稳定性和易于控制的理化性质而得到了广泛的研究和应用。并且，具有不同性质的单体共聚合，可形成具有不同功能的聚合物。上世纪九十年代，美国公司waters将亲水性的n-乙烯吡咯烷酮(nvp)和疏水性的二乙烯苯(dvb)共聚，制备了一种亲水亲脂平衡的水可浸润性的反相吸附剂(oasishlb)。由于吡咯烷酮具有一定的氢键受体和偶极极性，再加上二乙烯苯的π-π作用和共聚物的介孔结构，oasis hlb萃取柱对环境中抗生素、内分泌干扰物、杀虫剂、药物等多类物质具有良好的富集萃取效果。然而，这种反相吸附剂需要通过柱式分离的传统固相萃取方式来使用，易受样品的复杂基质影响，导致柱堵塞现象，影响分离效果，并且大体积样本萃取时间较长，大大限制了spe的工业化应用。中国发明专利申请(202010174037.1)将这种亲水亲脂平衡的水可浸润性的聚合物包覆在磁性颗粒表面制备出了mspe材料，这种磁性固相萃取材料既保留了聚合物萃取剂的优点，又具有磁性性能。通过mspe处理样品避免了柱堵塞现象，而且操作简便、萃取效率高(analytical chemistry，2018，90:14072-14080)。但是，上述这种添加磁性材料的亲水亲脂平衡聚合物体系，形成的微球不易控制，分散性和均匀性比较差，一些小颗粒易脱落。尤其是在制备混合型弱阳离子交换-反相吸附剂的时候，二乙烯基苯与对乙烯苯甲酸以及磁性纳米粒子的混合共聚体系很难形成微球。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种磁性固相萃取材料、其制备方法及应用，本发明中的方法制备的复合磁性固相萃取材料具有很好的均匀性、稳定性、可控性和灵活性，适合规模化稳定生产；这种固相萃取材料不仅选择性可调，而且吸附容量高、均匀性好。在化工、食品、环境以及生物领域的样品分析中，可以利用这些磁性固相萃取材料对样品进行有效的分离纯化和富集，提高分析灵敏度。

2、本发明提供一种磁性固相萃取材料的制备方法，包括以下步骤：

3、a)在二氧化硅包覆的fe3o4纳米磁性颗粒表面键合含双键的硅烷，得到双键功能化的磁性纳米粒子；

4、b)将含二乙烯基苯在内的物料与所述双键功能化的磁性纳米粒子通过悬浮聚合合成聚合物包覆的磁性微球；

5、c)通过傅-克反应在所述聚合物包覆磁性微球表面接枝羧基基团；

6、d)通过羧基活化的方法在接枝有羧基基团的磁性微球表面偶联含有氨基的化合物，得到磁性固相萃取材料。

7、优选的，所述fe3o4纳米磁性颗粒由溶剂热法制备得到。

8、优选的，所述含双键的硅烷为3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和乙烯基三(2-甲氧乙氧基)硅烷中的一种或几种。

9、优选的，所述步骤b)中，使用一种或多种有机单体对双键功能化的磁性纳米粒子进行包覆；

10、所述有机单体中包括二乙烯基苯，以及可选的其他单体；所述其他单体包括苯乙烯、丙烯酸甲酯、n-乙烯基吡咯烷酮、n-甲基丙烯酰胺、丙烯腈、丙烯酸等中的一种或几种。

11、优选的，所述步骤c)通过傅-克反应在所述聚合物包覆的磁性微球表面修饰含有苯甲酸基团的化合物。

12、优选的，所述傅-克反应的催化剂为无水四氯化锡，含有苯甲酸基团的化合物为对氯甲基苯甲酸。

13、优选的，在所述步骤d)中使用edc/nhs作为羧基的活化试剂；

14、所述含有氨基的化合物包括乙醇胺、氨基聚乙二醇、牛磺酸、n，n-二乙基乙二胺和(2-氨基乙基)三甲基氯化铵盐酸盐中的一种或几种。

15、本发明提供如上文所述的制备方法制备得到的磁性固相萃取材料；所述磁性固相萃取材料为具有弥散结构的微球，所述微球内部为磁性纳米粒子和含聚二乙烯苯的聚合物所形成的交叉网络，微球表面通过羧基接枝有含氨基的功能性基团，用于提供不同的吸附机制。

16、本发明提供如上文所述的磁性固相萃取材料在固相萃取中的应用。

17、本发明提供了一种磁性固相萃取材料的制备方法，包括以下步骤：a)在二氧化硅包覆的fe3o4纳米磁性颗粒表面键合含双键的硅烷，得到双键功能化的磁性纳米粒子；b)将含二乙烯基苯在内的物料与所述双键功能化的磁性纳米粒子通过悬浮聚合合成聚合物包覆的磁性微球；c)通过傅-克反应在所述二乙烯基苯聚合物包覆磁性微球表面接枝羧基基团；d)通过羧基活化的方法在接枝有羧基基团的磁性微球表面偶联含有氨基的化合物，得到磁性固相萃取材料。本发明精确并合理地设计了一种具有弥散结构的磁性固相萃取材料的两步法制备方案。首先，将磁性纳米颗粒进行二氧化硅包覆，并在其表面通过硅烷化形成含双键涂层，解决了分散性不好的问题；同时，由于表面的双键可以与成球性能好的单体如二乙烯基苯共聚形成弥散型磁性微球，也解决了无法形成微球的问题；另外，通过对形成的磁性微球进一步化学修饰如傅-克反应以及edc/nhs活化来进行胺基化合物的偶联等，实现了提高萃取选择性、回收率以及重复性的目标。本发明的制备方法具备可控性和灵活性，适合规模化稳定生产；所形成的弥散结构磁性固相萃取材料不仅选择性可调，而且分散性好、比表面积大、吸附容量高。这些磁性固相萃取材料可用于化工、食品、环境分析和生物检测领域的复杂样品的前处理，从而达到有效分离、纯化和富集的目的。