何 靜,李 濤,董美玉,董 南
(貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,貴州 貴陽 550025)
新型固相微萃取涂層材料的制備及其在迷迭香揮發(fā)性成分檢測(cè)分析中的應(yīng)用
何 靜,李 濤,董美玉,董 南*
(貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,貴州 貴陽 550025)
利用溶膠-凝膠法制備了含全羥基取代五元瓜環(huán)(Q[5])的新型固相微萃取涂層。以全羥基取代五元瓜環(huán)(Q[5](OH)10)和端羥基聚二甲基硅氧烷(OH-PDMS)為起始原料,γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)為偶聯(lián)試劑,通過水解和縮合反應(yīng)制備了 PDMS/Q[5](OH)10新型涂層。采用掃描電鏡、傅立葉紅外光譜、差示掃描量熱分析和熱重分析分別對(duì)涂層組織形貌、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及熱穩(wěn)定性進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明該涂層具有較大的表面積,良好的熱穩(wěn)定性(360 ℃)和較長(zhǎng)的使用壽命。將該涂層制備成固相微萃取纖維,聯(lián)用氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)對(duì)迷迭香的揮發(fā)性成分進(jìn)行了分析,并用面積歸一法測(cè)定其相對(duì)含量。優(yōu)化的萃取條件為:萃取溫度80 ℃,萃取時(shí)間45 min,樣品質(zhì)量0.200 0 g。在此條件下,鑒定出迷迭香中的25種揮發(fā)性成分,含量較高的成分為1,8-桉葉素、樟腦和α-蒎烯。將自制纖維與商用纖維(PDMS/DVB/CAR)的萃取效果進(jìn)行了對(duì)比,從萃取成分的數(shù)量和含量來看,自制纖維的萃取效果和商用纖維相當(dāng),說明自制的固相微萃取纖維可用于植物中揮發(fā)性成分的快速檢測(cè)分析。
溶膠-凝膠技術(shù);固相微萃取涂層;全羥基取代五元瓜環(huán);氣相色譜-質(zhì)譜;迷迭香
迷迭香為唇形科植物迷迭香RosmarinusofficinalisL.(ROL)的全草,原產(chǎn)南歐各國。迷迭香揮發(fā)油對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、霍亂弧菌等有抗菌作用,效力中等[1]。 迷迭香揮發(fā)油的提取一般采用水蒸氣蒸餾結(jié)合溶劑萃取法[2]、超臨界CO2萃取法[3]等,分析檢測(cè)主要采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)[4-5]。采用傳統(tǒng)方法提取時(shí),樣品用量多,操作復(fù)雜,過程損失較大,且需使用有機(jī)溶劑。
固相微萃取(SPME)技術(shù)是一種新穎的樣品前處理技術(shù)。該技術(shù)由加拿大Waterloo大學(xué)的Pawliszyn教授于1989年最先提出[6],美國Supelco公司于1993年將其商品化。SPME集采樣、萃取、濃縮、進(jìn)樣于一體,具有簡(jiǎn)便、快速、便攜、高效、無需有機(jī)溶劑及易與氣相色譜、高效液相色譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、毛細(xì)管電泳等分析儀器聯(lián)用的優(yōu)點(diǎn)。因此,在環(huán)境分析[7-8]、食品分析[9]、藥物分析[10-11]、生物樣品分析[12]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。SPME目前已商品化的涂層有聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯和聚二甲基硅氧烷/羧乙基等。商品涂層是將吸附材料直接涂覆在石英纖維載體上,其穩(wěn)定性和選擇性較差,推薦使用溫度普遍偏低(200~280 ℃),使用壽命短(一般約為40~100次),價(jià)格昂貴,因而大大限制了其應(yīng)用。隨著分析樣品的增多,尤其是對(duì)復(fù)雜基體中樣品檢測(cè)需求的擴(kuò)大,開發(fā)高選擇性、高效的固相涂層材料成為SPME研究的重要方向。
瓜環(huán)是一類由亞甲基橋聯(lián)苷脲單元形成的新型大環(huán)化合物,從結(jié)構(gòu)來看,其內(nèi)部疏水性的空腔結(jié)構(gòu)可通過疏水作用與小分子發(fā)生包結(jié)作用,同時(shí)其空腔兩端口環(huán)繞的多個(gè)羰基可通過離子-偶極、氫鍵作用與極性分子發(fā)生主客體相互作用[13-14],因此瓜環(huán)是一類分子識(shí)別能力較強(qiáng)的大環(huán)主體化合物。本文利用瓜環(huán)的分子識(shí)別能力,將普通五元瓜環(huán)(Q[5])衍生化為全羥基取代五元瓜環(huán)(Q[5](OH)10)后,以γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)為偶聯(lián)劑,通過溶膠-凝膠方法和自由基交聯(lián)技術(shù),將瓜環(huán)化學(xué)鍵合在溶膠-凝膠涂層上,制備出含五元瓜環(huán)的新型固相微萃取涂層。將此涂層制備成固相微萃取纖維,并結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)對(duì)中藥迷迭香的揮發(fā)性組分進(jìn)行分析,取得了滿意的結(jié)果。
迷迭香干葉2015年購于貴陽市宏盛藥店,經(jīng)貴州省中醫(yī)大學(xué)陳德媛研究員鑒定為迷迭香;迷迭香干葉經(jīng)粉碎過100目篩備用。三氟乙酸(TFA)、γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)、正硅酸乙酯(TEOS)、端羥基聚二甲基硅氧烷(OH-PDMS)、含氫硅油(PMHS)均購自阿拉丁試劑(上海)有限公司。固相微萃取裝置:SPME手柄及50/30 μm PDMS/DVB/CAR StableFlex 萃取頭購自美國Supelco 公司。HP4890D氣相色譜儀、HP6890/5974C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國安捷倫公司);X-650 掃描電鏡(日本Hitachi公司);VERTEX70 傅立葉紅外光譜儀(德國Bruker公司);Netzsch Sta 449C 熱分析儀(德國Netzsch 公司)。
取10 mL聚氯乙烯離心管依次加入全羥基取代五元瓜環(huán)(Q[5](OH)1020 mg,二氯甲烷(CH2Cl2)700 μL,端羥基聚二甲基硅氧烷(OH-PDMS)150 μL,含氫硅油(PMHS)30 μL,正硅酸乙酯(TEOS)250 μL,γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)250 μL,振蕩混勻,再加入95%的三氟乙酸(TFA) 600 μL振蕩3 min,并以12 000 r·min-1離心5 min,取上層清液作為溶膠-凝膠涂層。
取一根長(zhǎng)10 cm直徑20 μm的石英纖維,其中1 cm作粘附溶膠凝膠涂層用。將其用丙酮浸泡3 h干燥,再置于1 mol·L-1的NaOH溶液1 h,用蒸餾水洗凈,然后放入0.1 mol·L-1HCl溶液30 min以中和表面殘留的NaOH,最后用蒸餾水洗凈并在氮?dú)獗Wo(hù)下干燥備用。將處理好的石英纖維放入制備好的溶膠-凝膠涂層溶液中30 min后,垂直提拉,通過沾取次數(shù)來控制涂層厚度。將涂漬好的石英纖維置于室溫下24 h,涂層厚度約46 μm,比表面積為0.371 1 m2/g。
自制SPME裝置的制備:將5 μL微量進(jìn)樣器針外套取下,前端截去2 cm,與1 μL 微量進(jìn)樣器內(nèi)芯組裝。并將有涂層的石英纖維粘到內(nèi)芯中固定,之后放在GC進(jìn)樣口中,在較小的氮?dú)饬飨?,先保持溫度?20 ℃,干燥60 min,再升溫到280 ℃,繼續(xù)干燥60 min,最后升至320 ℃,處理30 min。
稱取0.200 0 g迷迭香于10 mL螺口玻璃樣品瓶中,聚四氟乙烯隔墊密封,80 ℃萃取,插入SPME頂空取樣60 min,將萃取頭插入GC-MS進(jìn)樣口,于260 ℃解吸2 min 后進(jìn)樣分析,經(jīng)NIST 和Wiley 譜庫檢索,結(jié)合人工譜圖解析,確定迷迭香的揮發(fā)性成分。
SE-54石英毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);柱溫:初溫50 ℃,保持6 min,以6 ℃·min-1升至160 ℃,再以10 ℃·min-1升至240 ℃。進(jìn)樣口溫度260 ℃,檢測(cè)器溫度280 ℃,載氣:氮?dú)?99.999%),不分流進(jìn)樣,流速:1.0 mL·min-1,檢測(cè)器:氫火焰離子檢測(cè)器。
HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)彈性石英毛細(xì)管柱,柱流量1.0 mL·min-1;柱溫:初溫50 ℃,保持4 min,以4 ℃·min-1升至180 ℃,再以8 ℃·min-1升至250 ℃,保持5 min。載氣:高純氦氣;進(jìn)樣口溫度260 ℃,離子源溫度230 ℃,四極桿溫度150 ℃,離子化能量70 eV,掃描范圍29~300 amu。
以Q[5](OH)10和OH-PDMS 為涂層的固定相,利用OH基團(tuán)的縮合反應(yīng),將溶膠-凝膠形成的三維立體網(wǎng)狀涂層化學(xué)鍵合在石英纖維載體上,其形成過程與曾照睿等的報(bào)道類似[15],可能結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1 涂層的可能結(jié)構(gòu) Fig.1 The possible structure of coating
圖2 是涂層的電鏡掃描圖。從圖2A、2B中可以看出自制溶膠-凝膠涂層的表面致密、均勻、無裂痕,其厚度為44~50 μm,平均厚度為46 μm。圖2B顯示自制涂層表面呈疏松的孔狀結(jié)構(gòu),圖2C、2D是單獨(dú)孔洞的放大圖,表面孔徑多為1~4 μm左右。涂層的多孔性增加了涂層的表面積,有利于提高涂層表面的負(fù)載能力,增加涂層對(duì)樣品的萃取吸附能力,提高萃取效率。
圖2 各種放大倍數(shù)下自制涂層的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 Scanning electron micrographs of homemade coating with variable magnifications A:×22;B:×500;C:×5 000;D:×3 000
圖3 空白溶膠-凝膠PDMS(a)、Q[5](OH)10(b)與PDMS/Q[5](OH)10(c)涂層的紅外譜圖Fig.3 FTIR spectra of blank sol-gel PDMS(a),Q[5](OH)10(b) and PDMS/Q[5](OH)10(c)coatings
圖4 PDMS/Q[5](OH)10涂層在氮?dú)夥諊碌腡G和DSC曲線圖Fig.4 TG and DSC curve of PDMS/Q[5](OH)10 coating in nitrogen gas atmosphere heating rate:10 ℃·min-1
圖4是涂層的差示掃描量熱(DSC)和熱重(TG)分析圖。從圖中可看出,PDMS/Q[5](OH)10涂層在氮?dú)鈿夥障拢?6.2 ℃時(shí)開始失去瓜環(huán)結(jié)合的結(jié)晶水,其質(zhì)量減少2.42%。在失去水后,加熱直至360 ℃其質(zhì)量均不會(huì)發(fā)生改變。升溫至600 ℃失重也僅為8.93%,這說明利用溶膠凝膠法制備的PDMS/Q[5](OH)10涂層,熱穩(wěn)定性好,其最高使用溫度可達(dá)360 ℃左右,優(yōu)于商品化涂層的最高溫度(300 ℃左右),同時(shí)也滿足氣相色譜熱解析的溫度(250~300 ℃),方便與氣相色譜儀聯(lián)用。涂層良好的熱穩(wěn)定性可能是源于涂層與石英纖維之間的化學(xué)鍵合作用[17],并且可以拓寬分析物質(zhì)的范圍,有利于分析沸點(diǎn)更高的化合物。
將涂層制備成固相微萃取纖維,以迷迭香中的主要成分1,8-桉葉素和α-蒎烯的峰面積之和為指標(biāo),用該自制萃取頭連續(xù)萃取90次,計(jì)算峰面積變化的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為6.4%,表明自制萃取頭重復(fù)性好,使用壽命長(zhǎng),同時(shí)也表明使用化學(xué)鍵合方式制備涂層可使萃取頭具有較長(zhǎng)的使用壽命,能較好地克服商品涂層因涂覆方式使用壽命較短的缺陷。
以迷迭香中的4種主要成分1,8-桉葉素、樟腦、龍腦和β-石竹烯的峰面積為考察對(duì)象,探討不同萃取條件對(duì)萃取峰面積的影響以得到最優(yōu)的萃取條件。
2.6.1萃取溫度采用自制PDMS/Q[5](OH)10萃取頭,分別在20、40、60、80、90 ℃條件下對(duì)迷迭香揮發(fā)性組分進(jìn)行頂空萃取,經(jīng)GC 分析獲得4種組分的峰面積。結(jié)果顯示,在溫度低于40 ℃時(shí),4種組分的峰面積變化不大,40 ℃后繼續(xù)升高溫度,峰面積不斷增大,80 ℃后趨于平衡,因此選擇80 ℃作為最優(yōu)的萃取溫度。
2.6.2萃取時(shí)間的優(yōu)化考察不同萃取時(shí)間(5、15、30、45、90 min)下4種組分峰面積的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著萃取時(shí)間的增長(zhǎng),揮發(fā)性組分的峰面積逐步增大,直到45 min后達(dá)到萃取平衡,因此選擇45 min為最佳萃取時(shí)間。
2.6.3萃取樣品質(zhì)量的優(yōu)化分別稱取0.050 0、0.100 0、0.200 0、0.300 0、0.500 0 g迷迭香樣品,用自制萃取頭進(jìn)行頂空萃取,經(jīng)GC 分析得到不同樣品質(zhì)量下?lián)]發(fā)性組分的峰面積。結(jié)果表明,樣品質(zhì)量在0.200 0 g后,揮發(fā)性組分的峰面積趨于平衡,因此選擇樣品量為0.200 0 g。
圖5 迷迭香揮發(fā)油的GC-MS總離子圖Fig.5 Total ion GC-MS chromatogram of essential oil in ROL
在上述最佳萃取條件下,用46 μm自制的PDMS/Q[5](OH)10萃取頭對(duì)迷迭香的揮發(fā)性組分及其相對(duì)含量進(jìn)行了測(cè)定。共鑒定出25種迷迭香成分,占揮發(fā)性成分的90.5%(見表1和圖5)。含量最高的是1,8-桉葉素、樟腦和α-蒎烯,與文獻(xiàn)報(bào)道值相符[1-2,4]。其中迷迭香揮發(fā)油中的活性成分如蒎烯、莰烯、水芹烯、α-水芹烯、1,8-桉葉素、樟腦、龍腦、乙酸龍腦酯、α-石竹烯等均被萃取并鑒定。為驗(yàn)證自制萃取纖維的萃取效果,以萃取揮發(fā)油最常用的商用纖維(PDMS/DVB/CAR)對(duì)相同樣品進(jìn)行了頂空固相微萃取并經(jīng)GC-MS 分析(表1)。從表1中可看出,自制纖維萃取出25種成分,商用纖維萃取出24種,兩者共有的成分為20種,并且相對(duì)含量相近。對(duì)于文獻(xiàn)報(bào)道中迷迭香揮發(fā)油中的優(yōu)勢(shì)成分或活性成分,如1,8-桉葉素、樟腦、α-蒎烯、崁烯、龍腦、α-石竹烯、β-石竹烯、α-水芹烯等成分,兩種纖維均能萃取出來并且含量相近,說明自制的固相微萃取纖維能有效地萃取植物中的揮發(fā)性成分。
表1 迷迭香的揮發(fā)性成分及相對(duì)含量Table 1 Chemical components in ROL essential oil
(續(xù)表1)
No.CompoundMolecularformulaRelativepercentcontent%(mean±RSD%)(n=3)50/30μmPDMS/DVB/CAR46μmPDMS/Q[5](OH)10112,4-Dimethylstyrene(2,4-二甲基苯乙烯)C10H12-0.126±6.512α-Terpinolene(α-松油烯)C10H16-0.523±6.913Linalool(芳樟醇)C10H18O0.866±4.9-14Camphor(樟腦)C10H16O9.340±3.86.654±3.615Borneol(龍腦)C10H18O2.660±4.41.345±5.316Terpinene-4-ol(4-萜烯醇)C10H18O0.520±5.80.512±4.817α-Terpineol(α-松油醇)C10H18O2.560±6.10.949±6.518Bornylacetate(乙酸龍腦酯)C10H20O20.662±7.30.594±6.819Ylangene(衣蘭烯)C15H240.128±5.8-20Copaene(古巴烯)C15H240.088±8.50.221±8.121cis-Caryophyllene(cis-石竹烯)C15H24-0.153±5.922Methyleugenol(甲基丁香酚)C11H14O20.170±6.9-23β-Caryophyllene(β-石竹烯)C15H2412.45±3.73.282±4.924α-Caryophyllene(α-石竹烯)C15H240.476±5.50.503±5.825β-Bisabolene(β-紅沒藥烯)C15H240.397±6.30.133±6.126d-Cadinene(d-杜松烯)C15H240.149±5.3-27Caryophylleneoxide(石竹烯氧化物)C15H24O0.338±6.70.088±8.228Hexadecanoic(棕櫚酸)C16H32O2-1.578±4.829Oleicacid(油酸)C18H34O24.851±4.110.64±4.2
*no detected
采用溶膠-凝膠技術(shù)制備了含全取代羥基五元瓜環(huán)的新型固相微萃取涂層。該涂層具有表面積大、熱穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),方便與各類分析儀器聯(lián)用。利用該新型溶膠-凝膠涂層制備的萃取纖維能有效地萃取迷迭香中的揮發(fā)性成分,萃取效果與商用纖維相當(dāng),但該自制纖維比商用纖維熱穩(wěn)定性更好。同時(shí),該纖維因?yàn)殒I合制備的方式,涂層不易脫落,比商用纖維更適用于不同的萃取模式(如浸入式萃取)。該自制纖維的制備可為開發(fā)高選擇性和高效的SPME提供一種新的材料種類和研究思路。
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Preparation of a Novel Solid-phase Microextraction Coating and Its Application in Determination of Volatile Components inRosmarinusofficinalisL.
HE Jing,LI Tao,DONG Mei-yu,DONG Nan*
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China)
A novel solid phase microextraction coating that contains perhydroxy cucurbit[5]uril was prepared by a sol-gel method.With 3-(2-cyclooxypropoxyl) propyltrimethoxysilane as cross-linking agent,Perhydroxyl cucurbit[5]uril(Q[5](OH)10) and hydroxy-terminated poly(dimethylsiloxane)(OH-PDMS) were used as starting coating material to bond chemically to a fused-silica substrate to form a PDMS/Q[5](OH)10coating by hydrolysis and polycondensation reactions.The surface morphology,microstructure and thermal stability of the obtained composite coating were characterized by scanning electron microscopy(SEM),Fourier-transform infrared spectrometry(FTIR),differential scanning calorimetry(DSC) and thermogravimetric(TG) analysis.The results showed that the coating has a large specific surface area,high thermal stability(360 ℃) and long lifetime.Its performance was tested using a homemade solid-phase microextraction coating fiber coupled with gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS) to analyze volatile components inRosmarinusofficinalisL(ROL).The optimized solid-phase microextraction conditions included an extraction temperature of 80 ℃,an extraction time of 45 min and a 0.200 0 g sample.The volatile components were extracted by head solid-phase microextraction(HS-SPME) with a homemade extraction fiber,and identified by GC-MS.The relative content of each component was determined by area normalization.Twenty-five compounds in the ROL were identified.The main compounds are 1,8-cineole,camphor andα-pinene.The homemade fiber was compared with commercial fiber(PDMS/DVB/CAR).According to the quantity and content of the extracts from ROL,the extraction effect of the two kinds of fiber are equivalent,which indicated that the homemade novel fiber could be applied in the rapid detection of volatile components in plants.
sol-gel technology;solid-phase microextraction coating;perhydroxy cucurbit[5]uril;gas chromatography-mass spectrometry;RosmarinusofficinalisL.(ROL)
10.3969/j.issn.1004-4957.2017.10.003
O657.7;O657.63
A
1004-4957(2017)10-1185-06
2017-05-18;
2017-06-19
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81160398,21665005)
*
董 南,博士,教授,研究方向:分析化學(xué),Tel:0851-83621679,E-mail:ndong@gzu.edu.cn