具有混合作用模式的陽離子交換固相萃取材料及其制備方法和應用
【專利摘要】一種具有混合作用模式的陽離子交換固相萃取材料及其制備方法和應用，其特征在于：該材料的制備方法如下：是由活化后的球形多孔硅膠與3?巰丙基三乙氧基硅烷在甲苯環境中反應生成巰丙基三乙氧基硅烷化硅膠（Sil?MPS），該巰丙基三乙氧基硅烷化硅膠（Sil?MPS）再與溴化1?芐基?3?烯丙基苯并咪唑鹽、對烯丙基苯磺酸鈉共同加入到乙腈溶劑中，再加入催化劑偶氮二異丁腈，氮氣保護下，進行反應，過濾，依次用甲苯、甲醇、水和丙酮各洗滌一次，干燥，即得具有混合作用模式的陽離子交換固相萃取材料——苯并咪唑離子液體固相萃取材料。將該材料應用于分離富集強極性化合物，可有效去除干擾、分離純化作用明顯。
【專利說明】
具有混合作用模式的陽離子交換固相萃取材料及其制備方法 和應用
技術領域
[0001] 本發明屬于化學檢測技術領域，具體涉及一種具有混合作用模式的陽離子交換固 相萃取材料(苯并咪唑離子液體固相萃取材料）、制備方法以及在分離富集強極性化合物中 的應用。
【背景技術】
[0002] 固相萃取(Solid-Phase Extraction，簡稱SPE)是近年發展起來一種樣品預處理 技術，由液固萃取和柱液相色譜技術相結合發展而來，主要用于復雜樣品中微量或痕量目 標化合物的富集和提純等，與傳統的液液萃取法相比較可以提高分析物的回收率，更有效 的將分析物與干擾組分分離，減少樣品預處理過程，操作簡單、省時、省力。目前，固相萃取 技術已經廣泛的應用于醫藥、食品、環境、商檢、化工等領域。
[0003] 固相萃取技術是利用固相吸附劑對液體樣品中不同成分吸附力的差異而將目標 物與干擾物分離的技術，其核心是固相萃取填料，根據不同的目標物選擇合適的固相萃取 材料可以高效、快捷地對目標分析物進行分離和富集。目前，傳統的固相萃取材料包括硅膠 基質材料，即在硅膠上鍵合十八烷基、辛基等基團而構成的C18固相萃取材料和C8固相萃取 材料，其主要是基于疏水作用對弱極性和非極性的目標分析物進行分離和富集。隨著生命 科學和藥物化學的發展，針對強極性帶電化合物的分離分析越來越重要，傳統的C18以及 C8固相萃取材料在分離富集這類化合物時存在作用力單一、富集效率差等問題，因此，亟 待開發新的固相萃取材料來提高對極性化合物的富集能力。近年來，結合反相疏水和離子 交換保留機理的混合模式固相萃取柱（MMC)因可以對極性帶電分析物提供很好的保留和 選擇性而得到了較快的發展。目前，市場上已有一些商品化的混合作用模式的固相萃取柱， 如Oasis MCX和ProElut PXC等，但這類固相萃取材料都存在著價格高、不能重復利用等缺 點。因此，開發制備方法簡單、實用的固相萃取材料，以提高分離和分析方法的專屬性和效 率是十分必要的。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的正是基于上述現有技術狀況而提供的一種具有混合作用模式的陽 離子交換固相萃取材料(苯并咪唑離子液體固相萃取材料），該材料能夠提高極性化合物的 分離和富集效率，其除了具有疏水和陽離子交換作用機理外，還涉及JT-JT作用、η電子轉移 等，在復雜樣品的分離分析中有潛在的應用價值。
[0005] 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的： 一種具有混合作用模式的陽離子交換固相萃取材料，具體是一種苯并咪唑離子液體固 相萃取材料，其結構式I為：
制備方法如下:是由活化后的球形多孔硅膠與3-巰丙基三乙氧基硅烷在甲苯環境中反 應生成巰丙基三乙氧基硅烷化硅膠(Sil-MPS)，該巰丙基三乙氧基硅烷化硅膠(Sil-MPS)再 與溴化1-芐基-3-烯丙基苯并咪唑鹽、對烯丙基苯磺酸鈉共同加入到乙腈溶劑中，再加入催 化劑偶氮二異丁腈，氮氣保護下，進行反應，過濾，依次用甲苯、甲醇、水和丙酮各洗滌一次， 干燥，即得具有混合作用模式的陽離子交換固相萃取材料一一苯并咪唑離子液體固相萃取 材料。
具體制備步驟如下： (1) 制備活化硅膠： 將球形多孔硅膠(粒徑40_75μπι、比表面積為480 m2/g)浸入體積濃度10%的鹽酸中，浸 泡6-8h，攪拌下回流14-16h，除去金屬離子，用G5砂芯漏斗過濾，用重蒸水反復沖洗至中性， 依次用甲醇、丙酮洗滌2-3次，120°C下真空干燥6-8h，得到表面均勻分布羥基的活化硅膠； (2) 制備疏丙基二乙氧基硅烷化娃月父： 將3-巰丙基三乙氧基硅烷與無水甲苯混合，在15-25r/m磁力攪拌下加入活化硅膠，加 入的3-巰丙基三乙氧基硅烷、無水甲苯和活化硅膠三者的比例關系為I ml: 5-8 ml :0.3-0.6 g，并升溫至110°C，在氮氣保護下回流24h;然后用G5砂芯漏斗過濾，依次用甲醇、重蒸 水、丙酮洗滌各1-2次，50-60 °C下真空干燥10-12h，得到巰丙基三乙氧基硅烷化硅膠（Si 1-MPS)； (3) 苯并咪唑離子液體固相萃取材料的制備 制備方法是:將溴化1-芐基-3-烯丙基苯并咪唑鹽、對烯丙基苯磺酸鈉、巰丙基三乙氧 基硅烷化硅膠加入到乙腈溶劑中，再加入催化劑偶氮二異丁腈，加入的溴化1-芐基-3-烯丙 基苯并味唑鹽、對稀丙基苯橫酸納、疏丙基二乙氧基硅烷化硅膠、乙臆和偶氣^異丁臆的比 例關系為lg: l_1.3g: 1.7-2g: 45-50ml: 0.1-0.15 g，氮氣保護下，在催化劑的催化下60 。(:反應24-26h，過濾，依次用甲苯、甲醇、水和丙酮各洗滌一次，60°C下真空干燥10_12h，即 得苯并咪唑離子液體固相萃取材料。
[0007] 溴化1-芐基-3-烯丙基苯并咪唑鹽的合成方法如下： 在100mL帶有回流管的三口燒瓶中加入1-芐基苯并咪唑和甲苯，氮氣保護下緩慢滴加 3_溴-1-丙烯，加入的1-芐基苯并咪唑、甲苯、3-溴-1-丙烯三者之間比例關系為18:15-20ml: 1.5-1.7ml，滴加完畢后，升溫至110°C，繼續加熱攪拌反應72h。反應結束后，將體系冷 卻后，蒸干溶劑，產品經20ml乙酸乙酯重結晶，得白色固體，即為溴化1-芐基-3-烯丙基苯并 咪唑鹽。
[0008] 將所制備的材料應用于強極性材料的分離富集，能夠提高極性化合物的分離和富 集效率，其除了具有疏水和陽離子交換作用機理外，還涉及π-π作用、π電子轉移等，在復雜 樣品的分離分析中有潛在的應用價值。
【附圖說明】
[0009] 圖1巰丙基三乙氧基硅烷鍵合硅膠(Sil-MPS)的紅外光譜圖。
[0010] 圖2苯并咪唑離子液體固相萃取材料的紅外光譜圖。
[0011]圖3四種烷基化噪呤化合物（I yg/mL)分離色譜圖， 圖中：峰I，N3-甲基腺嘌呤;峰2，N7-甲基鳥嘌呤;峰3，N3-乙基腺嘌呤;峰4，N 7-乙基鳥嘌 呤。
[0012] 圖4未經固相萃取的尿樣樣品色譜圖。. 圖5固相萃取處理后的尿樣加標(0.05μg/ml)色譜圖 圖中：峰I，N3-甲基腺嘌呤;峰2，N7-甲基鳥嘌呤;峰3，N3-乙基腺嘌呤;峰4，N 7-乙基鳥嘌 呤。
[0013] 圖6未經樣品前處理的奶粉樣品色譜圖。
[0014] 圖7經固相萃取后的的奶粉樣品色譜圖。
【具體實施方式】
[0015] 本發明以下結合實施例(附圖）做進一步詳細描述： 制備方法實施例 苯并咪唑離子液體固相萃取材料的具體制備步驟如下： (1)制備活化硅膠： 將粒徑40-75μπι、比表面積為480 m2/g的球形多孔硅膠IOg浸入體積濃度10%的鹽酸 100-120 ml中，浸泡6-8h，攪拌下回流14-16h，除去金屬離子，用G5砂芯漏斗過濾，用重蒸水 反復沖洗至中性，依次用甲醇、丙酮洗滌2-3次，120°C下真空干燥6-8h，得到表面均勻分布 羥基的活化硅膠。
[0016] (2)溴化1-芐基-3-烯丙基苯并咪唑鹽的合成 在100mL帶有回流管的三口燒瓶中加入1-芐基苯并咪唑（2. lg，0.Ol mol)和40ml甲苯， 氮氣保護下緩慢滴加 3-溴-1-丙烯(3.4ml，0.04mol)，滴加完畢后，升溫至110°C，繼續加熱 攪拌反應72h。反應結束后，將體系冷卻后，蒸干溶劑，產品經20ml乙酸乙酯重結晶，得白色 固體2.95g，產率90%。相關測定數據如下：熔點m. p . 206.3-206.4°C。核磁共振氫譜：IH 匪R(500MHz，CDC13) δ 11.33(s， 1H)，7.75 (d， J=8.2Hz， 1H)， 7.64 (d， J=8.2Hz， 1H),7.60 (t,J=7.7Hz,lH), 7.56 (d, J=8.3Hz, 2H), 7.54 (s, 1H), 7.33 (dt, J= 20.1, 6.4Hz, 3H), 6.15 (ddt, J=16.4, 10.2, 6.1Hz,lH), 5.47 (d, J=41.OHz,2H), 5.33 (s，2H)</3C 匪R(151MHz，CDC13)S 145.60， 135.63， 134.18, 132.48， 132.26， 132.07, 131.30, 130.13, 130.06, 124.81, 116.61, 54.39, 53.13. (3) 制備疏丙基二乙氧基硅烷化娃月父： 將3-疏丙基三乙氧基硅烷6ml與無水甲苯40ml混合，在15-25r/m磁力攪拌下加入活化 硅膠3g，并升溫至IHTC，在氮氣保護下回流24h;然后用G5砂芯漏斗過濾，依次用甲醇、重蒸 水、丙酮洗滌1-2次，50-60°C下真空干燥10_12h，得到巰丙基三乙氧基硅烷化硅膠（Sil-MPS)； (4) 苯并咪唑離子液體固相萃取材料的制備 制備方法是:將溴化1-芐基-3-稀丙基苯并咪唑鹽（1.64g，5mmol)、對稀丙基苯磺酸鈉 (1.84g, IOmmol)、3.Og疏丙基三乙氧基硅烷化硅膠加入到80ml乙腈溶劑中，再加入催化劑 偶氮二異丁腈〇. 2g，氮氣保護下，在催化劑的催化下60°C反應24h，過濾，依次用甲苯、甲醇、 水和丙酮各洗滌一次，60°C下真空干燥10_12h，即得苯并咪唑離子液體固相萃取材料。
[0017] 采用紅外光譜法對上述材料進行了表征，對比巰丙基三乙氧基硅烷鍵合硅膠 (Sil-MPS)和苯并咪唑離子液體固相萃取材料的紅外光譜圖（參見圖1和2)可以看出，苯并 咪唑離子液體固相萃取材料的紅外光譜圖多出了 1483 Cnf1，1545 Cnf1，1596 Cnf1三個峰， 這是芳香族化合物的特征峰，說明苯并咪唑和苯磺酸基團成功鍵合到硅膠上面。
[0018] 采用元素分析法對制備的材料進行了表征，結果表明所制備的Sil-MPS的碳、氫、 硫元素含量是4.48%、1.25%和3.92%，而所制備的苯并咪唑離子液體的固相萃取材料的碳、 氫、硫、氮元素含量是11.48%、2.00%、0.65%和4.62%，根據氮含量的變化計算所鍵合上的1-芐基-3-稀丙基苯并咪唑為0.87 μ mol/m2，根據硫元素含量的變化計算鍵合上的對稀丙基 苯磺酸鈉的量為0.70 ymol/m2。結果表明，1-芐基-3-烯丙基苯并咪唑和對烯丙基苯磺酸鈉 已經成功的鍵合到了硅膠上面。合成的固相萃取材料中引入了苯并咪唑基團和苯磺酸基 團，使固相萃取材料不但具有陽離子交換作用，還能具有JT-JT作用4電子轉移，而且還具有 一定的親水性，具有多重混合作用模式。
[0019] 應用實施例1 使用所制備的固相萃取材料，考察了其對尿液樣品中的強極性化合物烷基化嘌呤類物 質的富集純化性能。具體操作步驟如下： 1)固相萃取柱的裝填： 將市售的聚丙烯空柱管(規格為500mg/6ml，迪馬科技有限公司生產）先用水和甲醇清 洗;在柱管底部填入聚丙烯篩板，準確稱取500 mg(精確到0.1 mg)本發明制備的固相萃取 填料苯并咪唑離子液體固相萃取材料;適度振實、振平后，在填料上端填入聚丙烯篩板，適 度壓實，得到裝填好的固相萃取小柱，備用； 2 )固相萃取過程和液相條件： 影響固相萃取回收率的重要因素包括:固相萃取材料用量、洗脫劑種類、洗脫劑體積和 上樣速度等。實驗以四種烷基化嘌呤類化合物的回收率作為依據，分別對上述幾種影響因 素進行了優化，得到最佳的固相萃取處理條件。優化后過程如下： 將裝填好的固相萃取小柱懸直置于試管架上，用3mL甲醇活化、3mL水平衡，然后用移液 管加入5mL處理過的樣品；上樣后，用3mL 20%甲醇淋洗、3mL 60%甲醇洗脫;將洗脫液收集至 IOmL離心管中，濃縮至0.5 ml，過0.22 mm濾膜后，供HPLC分析。
[0020] 高效液相色譜條件：液相色譜柱(waters T3,3 ym，4.6mmX 100mm)，流動相為甲 醇-0.1%甲酸銨水溶液(20:80，v/v)，檢測波長為230 nm，流速0.4mL/min，柱溫為30 °C。在該 液相條件下，四種極性的烷基化嘌呤物質分離色譜圖見圖3所示，四種化合物在該條件下分 離良好。圖4是未經固相萃取處理的尿樣色譜圖，對比圖3和圖4可以看出，尿樣樣品中基質 比較復雜，會對檢測進行干擾，影響結果的準確性。圖5是尿樣樣品中加標的色譜圖，由圖中 可以看出固相萃取對樣品進行前處理后，尿樣樣品中的基質幾乎沒有干擾，經液相色譜檢 測，固相萃取后幾種物質的回收率在95%左右，表明其回收率高、富集效果好。除此之外，所 制備的固相萃取材料經5 ml甲醇、5ml水淋洗后可以重復利用，因此可以極大的節約成本， 降低檢測費用。
[0021] 實驗結果表明，該固相萃取材料柱具有良好的色譜性能，能夠選擇性吸附尿樣中 的烷基化嘌呤類化合物，有效去除尿樣樣品中的干擾雜質，提高了分析方法的專屬性，可以 用于尿樣等樣品中強極性物質的分離、純化和富集。
[0022] 應用實施例2 固相萃取材料對奶制品中三聚氰胺的分離純化作用 具體操作步驟如下： 1) 固相萃取柱的裝填:同應用實施例1 2) 固相萃取過程和液相條件： 色譜柱:Waters Atlantis HILIC 柱（150 mmX2.1 mm，5ym)，流動相乙臆-〇· 1%甲酸銨 水溶液(90:10，v/v)，流速0.4 ml/min，進樣量:5yL，檢測波長:240 nm，柱溫:20°C。
[0023]實驗結果:稱取2. OOg樣品加入15ml三氯乙酸和5mL乙腈，超聲震蕩離心提取。取上 清液5ml經3mL甲醇、3mL水活化后的固相萃取柱，用2ml甲醇-水（1:1)淋洗后，使用5ml 5%氨 水甲醇溶液洗脫，收集流出液，于40°C下用氮氣吹干;加入1ml乙腈-0.1%甲酸銨水溶液(90: 10，v/v )溶解，用0.22μπι有機濾膜過濾，濾液供HPLC測定。
[0024]從圖6中可以看出，未處理的奶粉樣品中雜質含量較大，目標物與雜質的分離度較 差，易被干擾。經過所制備的固相萃取材料處理后（圖7)，樣品雜質明顯減少，三聚氰胺與雜 質的分離度更高，分離純化作用明顯。
【主權項】
1. 一種具有混合作用模式的陽離子交換固相萃取材料，其特征在于：具體是一種苯并 咪唑離子液體固相萃取材料，其結構式I為：2. -種如權利要求1所述的具有混合作用模式的陽離子交換固相萃取材料的制備方 法，其特征在于：是由活化后的球形多孔硅膠與3-巰丙基三乙氧基硅烷在甲苯環境中反應 生成巰丙基三乙氧基硅烷化硅膠(Sil-MPS)，該巰丙基三乙氧基硅烷化硅膠(Sil-MPS)再與 溴化1-芐基-3-烯丙基苯并咪唑鹽、對烯丙基苯磺酸鈉共同加入到乙腈溶劑中，再加入催化 劑偶氮二異丁腈，氮氣保護下，進行反應，過濾，依次用甲苯、甲醇、水和丙酮各洗滌一次，干 燥，即得具有混合作用模式的陽離子交換固相萃取材料一一苯并咪唑離子液體固相萃取材 料。3. 根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于:具體制備步驟如下： (1) 制備活化硅膠： 將球形多孔硅膠浸入體積濃度10%的鹽酸中，浸泡6-8h，攪拌下回流14-16h，除去金屬 離子，用G5砂芯漏斗過濾，用重蒸水反復沖洗至中性，依次用甲醇、丙酮洗滌2-3次，120 °C下 真空干燥6-8h，得到表面均勻分布羥基的活化硅膠； (2) 制備疏丙基二乙氧基硅烷化娃月父： 將3-巰丙基三乙氧基硅烷與無水甲苯混合，在15-25r/m磁力攪拌下加入活化硅膠，加 入的3-巰丙基三乙氧基硅烷、無水甲苯和活化硅膠三者的比例關系為1 ml: 5-8 ml :0.3- 0.6 g，并升溫至110°C，在氮氣保護下回流24h;然后用G5砂芯漏斗過濾，依次用甲醇、重蒸 水、丙酮洗滌各1-2次，50-60 °C下真空干燥10-12h，得到巰丙基三乙氧基硅烷化硅膠（Si 1-MPS)； (3 )苯并咪唑離子液體固相萃取材料的制備 制備方法是:將溴化1-芐基-3-烯丙基苯并咪唑鹽、對烯丙基苯磺酸鈉、巰丙基三乙氧 基硅烷化硅膠加入到乙腈溶劑中，再加入催化劑偶氮二異丁腈，加入的溴化1-芐基-3-烯丙 基苯并味唑鹽、對稀丙基苯橫酸納、疏丙基二乙氧基硅烷化硅膠、乙臆和偶氣^異丁臆的比 例關系為lg: l_1.3g: 1.7-2g: 45-50ml: 0.1-0.15 g，氮氣保護下，在催化劑的催化下60 。(:反應24-26h，過濾，依次用甲苯、甲醇、水和丙酮各洗滌一次，60°C下真空干燥10_12h，即 得苯并咪唑離子液體固相萃取材料。4. 根據權利要求2或3所述的制備方法，其特征在于:所述球形多孔硅膠的粒徑40-75μ m、比表面積為480 m2/g。5. 根據權利要求2或3所述的制備方法，其特征在于:溴化1-芐基-3-烯丙基苯并咪唑鹽 的合成方法如下： 在100ml帶有回流管的三口燒瓶中加入1 -芐基苯并咪唑和甲苯，氮氣保護下緩慢滴加 3_溴-1-丙烯，加入的1-芐基苯并咪唑、甲苯、3-溴-1-丙烯三者之間比例關系為18:15-20ml: 1.5-1.7ml，滴加完畢后，升溫至110°C，繼續加熱攪拌反應72h。6. 反應結束后，將體系冷卻后，蒸干溶劑，產品經20ml乙酸乙酯重結晶，得白色固體，即 為溴化1-芐基-3-烯丙基苯并咪唑鹽。7. -種如權利要求1中所述的具有混合作用模式的陽離子交換固相萃取材料在分離富 集強極性化合物在的應用。
【文檔編號】B01D15/04GK105921116SQ201610335915
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】胡鍇, 趙閣, 謝復煒, 李翔, 王昇, 趙俊偉
【申請人】中國煙草總公司鄭州煙草研究院