石墨烯量子点磁性复合纳米粒子分散固相微萃取
石墨烯量子点磁性复合纳米粒子分散固相微萃取-毛细管电泳法测定肉桂酸及其衍生物
肉桂酸及其衍生物是一种重要的香料, 广泛存在于多种中药材中, 是健胃、袪风、抗糖尿病的有效成分[1], 同时具有抗氧化性、抗微生物活性、抗癌性等重要的临床应用价值, 已被广泛应用于医药品和食品添加剂中[2, 3]。由于医药品、食品等样品中肉桂酸及其衍生物的含量较低, 且样品基质复杂, 需要对样品进行前处理, 以消除基质干扰, 从而提高检测灵敏度。磁性纳米颗粒作为一种新型的萃取材料, 因具有较大的比表面积和外加磁场下的可操控性, 被越来越多地应用于样品前处理中[4]。目前, 通过修饰和包覆磁性纳米材料表面使其具有吸附特性是制备磁性萃取材料最常用的手段。
石墨烯量子点(GQDs), 作为一种新型量子点, 其独特性质由石墨烯和量子点的性质共同决定。GQDs的粒径小于100 nm, 厚度为0.5~1.0 nm, 表面含有羟基、羧基、烷氧基等含氧基团, 具有良好的水溶性[5-8]。当GQDs的粒径减小到10 nm时, GQDs拥有显著的量子限制效应和边缘效应[9, 10], 并能够使GQDs产生光致发光性能和上转换发光性能等新的理化性质[11]。目前关于GQDs的研究热点主要集中在物理性质方面, 特别是电子结构和电学性质, 并在生物成像[12-15]、光电器件[16, 17]、生物传感[18, 19]等领域展现出了广阔的应用前景。由于GQDs结构中含有离域的π电子体系, 可以和苯环形成强的π -π作用力, 预示着它可能是一种对含有苯环的物质具有较强吸附作用的吸附剂。
基于GQDs和磁性纳米粒子的优点, 本研究以具有良好顺磁性的Fe3O4纳米粒子作为GQDs的固相载体, 采用一步化学共沉淀法合成了Fe3O4-GQDs磁性复合纳米粒子, 并将其用作分散固相微萃取剂, 以快速富集5种肉桂酸及其衍生物(肉桂酸、3, 4-二甲氧基肉桂酸、4-甲氧基肉桂酸、阿魏酸、反-4-羟基肉桂酸), 并采用毛细管电泳法(CE) 进行定量分析。通过优化影响萃取效率的关键因素(包括吸附时间、吸附剂用量、样品pH、脱附时间), 发展了一种快速、高效的肉桂酸及其衍生物的检测方法。
1 实验部分
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 1.2 石墨烯量子点的制备 1.3 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的制备 1.4 样品前处理 1.5 毛细管电泳的分离条件 2 结果与讨论 2.1 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的表征 2.1.1 电镜表征 2.1.2 红外光谱表征 2.1.3 热重分析 2.1.4 元素分析 2.1.5 磁性分析 2.2 萃取条件的优化 2.2.1 吸附时间的选择 2.2.2 吸附剂用量的选择 2.2.3 样品溶液pH的选择 2.2.4 脱附时间的选择 2.3 分离条件的优化 2.3.1 分离电压的选择 2.3.2 缓冲溶液pH的选择 2.3.3 缓冲溶液浓度的选择 2.4 方法学考察 2.5 实际样品分析 3 结论 参考文献
1.1 仪器与试剂
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 1.2 石墨烯量子点的制备 1.3 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的制备 1.4 样品前处理 1.5 毛细管电泳的分离条件 2 结果与讨论 2.1 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的表征 2.1.1 电镜表征 2.1.2 红外光谱表征 2.1.3 热重分析 2.1.4 元素分析 2.1.5 磁性分析 2.2 萃取条件的优化 2.2.1 吸附时间的选择 2.2.2 吸附剂用量的选择 2.2.3 样品溶液pH的选择 2.2.4 脱附时间的选择 2.3 分离条件的优化 2.3.1 分离电压的选择 2.3.2 缓冲溶液pH的选择 2.3.3 缓冲溶液浓度的选择 2.4 方法学考察 2.5 实际样品分析 3 结论 参考文献
IFS120HR傅里叶变换红外光谱仪(Bruker, 德国); 449F3同步热分析仪(Netzsch, 德国); VairoEL元素分析仪(Elementar, 德国); 7410振动样品磁强计(Lake Shore, 美国); 贝克曼P/ACE MDQ毛细管电泳系统(Fullerton, CA, USA); 熔融石英毛细管(75 μ m i.d.，375 μ m o.d.，总长48 cm，有效长度40 cm, 河北永年县锐沣色谱器件有限公司)。
鳞片石墨粉、磷酸二氢钾、十水合四硼酸钠、氯化钡购自国药集团化学试剂有限公司; 浓硫酸、浓硝酸、浓盐酸、氢氧化钠、氨水均购自天津市百世化工有限公司; 大孔树脂柱购自西安蓝晓科技新材料股份有限公司; 六水合三氯化铁(FeCl3·6H2O)、四水合氯化亚铁(FeCl2·4H2O) 均购自成都市科龙化工试剂厂; 肉桂酸(纯度99%)、3, 4-二甲氧基肉桂酸(纯度99%)、4-甲氧基肉桂酸(纯度98%)、阿魏酸(纯度99%)、反-4-羟基肉桂酸(纯度98%) 均购自百灵威科技有限公司。
分别称取20 mg肉桂酸、3, 4-二甲氧基肉桂酸、4-甲氧基肉桂酸、阿魏酸、反-4-羟基肉桂酸, 置于100 mL烧杯中, 加入20 mL甲醇溶解, 然后转移至100 mL容量瓶中, 用去离子水定容至刻度, 配制质量浓度为200 mg/L的肉桂酸及其衍生物的混合标准溶液。
1.2 石墨烯量子点的制备
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 1.2 石墨烯量子点的制备 1.3 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的制备 1.4 样品前处理 1.5 毛细管电泳的分离条件 2 结果与讨论 2.1 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的表征 2.1.1 电镜表征 2.1.2 红外光谱表征 2.1.3 热重分析 2.1.4 元素分析 2.1.5 磁性分析 2.2 萃取条件的优化 2.2.1 吸附时间的选择 2.2.2 吸附剂用量的选择 2.2.3 样品溶液pH的选择 2.2.4 脱附时间的选择 2.3 分离条件的优化 2.3.1 分离电压的选择 2.3.2 缓冲溶液pH的选择 2.3.3 缓冲溶液浓度的选择 2.4 方法学考察 2.5 实际样品分析 3 结论 参考文献
根据本课题组的前期工作制备GQDs[20]。称取1.5 g鳞片石墨粉于圆底烧瓶中, 加入120 mL浓硫酸-浓硝酸混合溶液(5 : 1, v/v), 于140 ℃搅拌30 h, 得到红棕色分散液, 待冷却至室温后, 用饱和NaOH溶液调节反应溶液的pH值至7.0。随后, 于0 ℃析出反应液中的Na2SO4, 抽滤, 得到少盐的石墨烯量子点分散液。将100 mL少盐的石墨烯量子点分散液通过已预处理好的2 L大孔树脂柱, 进行动态吸附。首先使用去离子水进行洗脱, 并向流出液中滴加1 mol/L BaCl2溶液, 检查流出液中是否含有盐, 直至反应无沉淀产生, 开始收集棕黄色的流出液; 当流出液颜色变为淡黄色时, 说明去离子水对吸附在大孔树脂上的GQDs的洗脱能力变弱, 此时采用80%(v/v) 乙醇溶液进行洗脱, 收集流出液; 最后, 合并两种流出液后, 进行旋蒸、干燥, 得到棕色的GQDs。
1.3 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的制备
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 1.2 石墨烯量子点的制备 1.3 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的制备 1.4 样品前处理 1.5 毛细管电泳的分离条件 2 结果与讨论 2.1 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的表征 2.1.1 电镜表征 2.1.2 红外光谱表征 2.1.3 热重分析 2.1.4 元素分析 2.1.5 磁性分析 2.2 萃取条件的优化 2.2.1 吸附时间的选择 2.2.2 吸附剂用量的选择 2.2.3 样品溶液pH的选择 2.2.4 脱附时间的选择 2.3 分离条件的优化 2.3.1 分离电压的选择 2.3.2 缓冲溶液pH的选择 2.3.3 缓冲溶液浓度的选择 2.4 方法学考察 2.5 实际样品分析 3 结论 参考文献
采用一步化学共沉淀法制备Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子[2]。称取5.2 g FeCl3·6H2O、2.0 g FeCl2·4H2O、0.85 mL浓盐酸、0.3 g GQDs于25 mL去离子水(N2除氧) 中, 超声处理至少15 min, 直至铁盐溶解, 于80 ℃向上述溶液中滴加氨水, 用机械搅拌器剧烈搅拌(非磁力搅拌), 直至溶液的pH值为9.0~10.0, 整个反应过程均在N2保护下。在外磁铁作用下, 用去离子水洗涤, 至溶液的pH值为7.0, 最后将Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子干燥, 备用。
1.4 样品前处理
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 1.2 石墨烯量子点的制备 1.3 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的制备 1.4 样品前处理 1.5 毛细管电泳的分离条件 2 结果与讨论 2.1 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的表征 2.1.1 电镜表征 2.1.2 红外光谱表征 2.1.3 热重分析 2.1.4 元素分析 2.1.5 磁性分析 2.2 萃取条件的优化 2.2.1 吸附时间的选择 2.2.2 吸附剂用量的选择 2.2.3 样品溶液pH的选择 2.2.4 脱附时间的选择 2.3 分离条件的优化 2.3.1 分离电压的选择 2.3.2 缓冲溶液pH的选择 2.3.3 缓冲溶液浓度的选择 2.4 方法学考察 2.5 实际样品分析 3 结论 参考文献
精密称取15 g补中益气丸, 加入50 mL 70%(v/v) 乙醇溶液, 于80 ℃加热回流2 h, 冷却至室温后过滤, 将得到的上清液旋蒸浓缩至30~40 mL, 用乙醇定容至50 mL, 摇匀, 备用。
称取150 mg Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子于10 mL样品管中, 加入6 mL预处理过的补中益气丸样品溶液或200 mg/L肉桂酸及其衍生物的混合标准溶液, 于室温下静置吸附50 min; 用磁铁将Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子分离, 收集于离心管底部, 弃去样品废液。加入0.5 mL去离子水, 洗涤Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子, 然后加入10 mL甲醇洗脱30 min, 富集吸附在Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子上的目标物, 收集洗脱液, 待CE分析。
1.5 毛细管电泳的分离条件
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 1.2 石墨烯量子点的制备 1.3 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的制备 1.4 样品前处理 1.5 毛细管电泳的分离条件 2 结果与讨论 2.1 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的表征 2.1.1 电镜表征 2.1.2 红外光谱表征 2.1.3 热重分析 2.1.4 元素分析 2.1.5 磁性分析 2.2 萃取条件的优化 2.2.1 吸附时间的选择 2.2.2 吸附剂用量的选择 2.2.3 样品溶液pH的选择 2.2.4 脱附时间的选择 2.3 分离条件的优化 2.3.1 分离电压的选择 2.3.2 缓冲溶液pH的选择 2.3.3 缓冲溶液浓度的选择 2.4 方法学考察 2.5 实际样品分析 3 结论 参考文献
毛细管在每次使用前用0.1 mol/L NaOH在高压(20 kPa) 下清洗5 min, 然后用水冲洗5 min, 再用电泳缓冲液冲洗5 min。
最佳分离条件:分离电压为15 kV; 电泳缓冲液为NaOH-硼砂缓冲溶液(50 mmol/L, pH 9.55);检测波长为288 nm。
2 结果与讨论
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 1.2 石墨烯量子点的制备 1.3 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的制备 1.4 样品前处理 1.5 毛细管电泳的分离条件 2 结果与讨论 2.1 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的表征 2.1.1 电镜表征 2.1.2 红外光谱表征 2.1.3 热重分析 2.1.4 元素分析 2.1.5 磁性分析 2.2 萃取条件的优化 2.2.1 吸附时间的选择 2.2.2 吸附剂用量的选择 2.2.3 样品溶液pH的选择 2.2.4 脱附时间的选择 2.3 分离条件的优化 2.3.1 分离电压的选择 2.3.2 缓冲溶液pH的选择 2.3.3 缓冲溶液浓度的选择 2.4 方法学考察 2.5 实际样品分析 3 结论 参考文献
2.1 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的表征
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 1.2 石墨烯量子点的制备 1.3 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的制备 1.4 样品前处理 1.5 毛细管电泳的分离条件 2 结果与讨论 2.1 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的表征 2.1.1 电镜表征 2.1.2 红外光谱表征 2.1.3 热重分析 2.1.4 元素分析 2.1.5 磁性分析 2.2 萃取条件的优化 2.2.1 吸附时间的选择 2.2.2 吸附剂用量的选择 2.2.3 样品溶液pH的选择 2.2.4 脱附时间的选择 2.3 分离条件的优化 2.3.1 分离电压的选择 2.3.2 缓冲溶液pH的选择 2.3.3 缓冲溶液浓度的选择 2.4 方法学考察 2.5 实际样品分析 3 结论 参考文献
2.1.1 电镜表征
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 1.2 石墨烯量子点的制备 1.3 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的制备 1.4 样品前处理 1.5 毛细管电泳的分离条件 2 结果与讨论 2.1 Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的表征 2.1.1 电镜表征 2.1.2 红外光谱表征 2.1.3 热重分析 2.1.4 元素分析 2.1.5 磁性分析 2.2 萃取条件的优化 2.2.1 吸附时间的选择 2.2.2 吸附剂用量的选择 2.2.3 样品溶液pH的选择 2.2.4 脱附时间的选择 2.3 分离条件的优化 2.3.1 分离电压的选择 2.3.2 缓冲溶液pH的选择 2.3.3 缓冲溶液浓度的选择 2.4 方法学考察 2.5 实际样品分析 3 结论 参考文献
对制备的GQDs纳米粒子和Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的粒度和形貌进行透射电镜(TEM) 表征。由GQDs的TEM图及其粒径分布图(见图 1a) 可知, GQDs的粒径在1~5 nm范围内, 平均粒径为2.3 nm；由Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的TEM图(见图 2b) 可知, 该法制备的Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的粒径较小, 有利于提高吸附剂的分散性和吸附性能; 另外, 大量的GQDs包覆在黑色的Fe3O4颗粒上, 且包覆层结构致密。
2.1.2 红外光谱表征
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Fe3O4、GQDs、Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的红外光谱图见图 2。由Fe3O4的红外光谱图(见图 2a) 可知, 在565 cm-1处, 有Fe -O -Fe键的伸缩振动峰, 是Fe3O4的特征吸收峰; 在3 330 cm-1处, 有O -H的伸缩振动峰, 表明在Fe3O4纳米颗粒表面存在O -H。GQDs的红外光谱图见图 2b, 在3 330 cm-1附近有一个较大的吸收峰, 对应于GQDs的O -H伸缩振动; 在1 729 cm-1处, 有羧基的C=O伸缩振动吸收峰; 另外一个主要的吸收峰在1 661 cm-1处, 对应于GODs中芳香环骨架中C=C的伸缩振动; 1 450 cm-1处的峰归属于C -OH的伸缩振动。将Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的红外光谱图(见图 2c) 与Fe3O4、GQDs的红外光谱图进行对比, 在1 661 cm-1处存在C=O的伸缩振动峰, 说明Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子已被成功制备。
 | 图 1 (a) GQDs纳米粒子的TEM图及其粒径分布图和(b) Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的TEM图Fig. 1 (a) Transmission electron microscopic (TEM) image and particle size distribution of graphene quantum dots (GQDs) and (b) TEM image of Fe3O4-GQDs magnetic nanoparticles |
 | 图 2 (a) Fe3O4、(b) GQDs和(c) Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的红外光谱图Fig. 2 Infrared spectra of (a) Fe3O4, (b) GQDs and (c) Fe3O4-GQDs magnetic nanoparticles |
2.1.3 热重分析
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分别称取一定质量的Fe3O4、GQDs、Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子, 在0~800 ℃的温度范围内进行热重分析(见图 3)。在50~200 ℃期间，是表面吸附的水分或溶剂的蒸发过程; 在200~800 ℃期间，是有机物质的分解过程。从Fe3O4的热重分析结果可以看出(见图 3a), Fe3O4的质量几乎没有损失; 由GQDs的热重分析结果可知(见图 3b), 当温度高于200 ℃时, 有机物质的含量大幅降低; 由Fe3O4-GQDs的热重曲线可知(见图 3c), 在200~800 ℃的热分解过程中, Fe3O4纳米粒子失重约45%, 说明GQDs已被成功涂敷于Fe3O4纳米粒子表面。
 | 图 3 (a) Fe3O4、(b) GQDs和(c) Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的热重分析曲线Fig. 3 Thermogravimetric analysis curves of (a) Fe3O4, (b) GQDs and (c) Fe3O4-GQDs magnetic nanoparticles |
2.1.4 元素分析
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