本發(fā)明涉及樣品前處理技術(shù)，尤其涉及一種功能化石墨烯涂層探頭及固相微萃取手柄的制備方法，該固相微萃取手柄也可以叫做固相微萃取裝置。

背景技術(shù)：

固相微萃取(Solid Phase Microextraction,SPME)是20世紀90年代興起的一項樣品前處理技術(shù)，是在固相萃取技術(shù)上發(fā)展起來的一種無溶劑樣品微萃取新技術(shù)。該技術(shù)最先由加拿大Waterloo大學(xué)的Pawliszyn教授的研究小組于1989年首次進行開發(fā)研究，屬于非溶劑型選擇性萃取法。

固相微萃取將采樣、萃取、濃縮、進樣等步驟有效集成于一體。與固相萃取技術(shù)相比，固相微萃取操作簡單，攜帶方便，費用低廉，克服了固相萃取技術(shù)中回收效率低、吸附劑孔道易堵塞的弊端；具有簡便、快速、靈敏、高效和對環(huán)境友好等優(yōu)點，不僅可對傳統(tǒng)樣品進行處理、甚至還可以進行活體和原位采樣。另外，SPME還可與氣相色譜和氣質(zhì)聯(lián)用儀等儀器聯(lián)用，因此是進行科學(xué)研究與實驗室常規(guī)分析所需的重要樣品前處理技術(shù)，已受到分析化學(xué)工作者的高度關(guān)注。

現(xiàn)有技術(shù)中的固相微萃取手柄由手柄以及設(shè)置在手柄一端的萃取探頭構(gòu)成，萃取探頭是一根具有一定長度，其上涂有不同涂層的載體。萃取探頭與不銹鋼絲連接，外面套有不銹鋼管，用于保護載體不被折斷。不銹鋼管可以穿透橡膠或者塑料墊片進行取樣或者進樣。

由于涂層性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和種類決定了萃取探頭的穩(wěn)定性、選擇性和吸附容量。因此，固相微萃取技術(shù)的核心任務(wù)之一便是開發(fā)涂層材料。許多研究結(jié)果表明，石墨烯具有比表面積大、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、機械強度高、對具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的分子有較強的選擇吸附能力等諸多優(yōu)點，是一種理想的固相微萃取涂層材料。但由于石墨烯表面缺乏大量的極性官能團，因此其對極性分子的吸附能力并不理想。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低廉、制作過程簡單的且性能優(yōu)異的功能化石墨烯涂層探頭及固相微萃取手柄的制備方法。

為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種功能化石墨烯涂層探頭的制備方法，包括以下步驟：

(1)、金屬針芯預(yù)處理：將金屬針芯前段用酸腐蝕處理然后洗凈、干燥得到預(yù)處理后的金屬針芯；

(2)、將所述預(yù)處理后的金屬針芯浸入3-氨基丙基-三乙氧基硅烷中反應(yīng)，獲得氨基化處理的金屬針芯；

(3)、在60～80℃下將所述氨基化處理的金屬針芯浸入0.1wt％的氧化石墨分散液中，1～3h后取出，于室溫干燥6～8h，即得氧化石墨修飾的金屬針芯；

(4)、將所述氧化石墨修飾的金屬針芯浸于氨水溶液中，反應(yīng)結(jié)束后洗凈、干燥，然后與乙酰氯進反應(yīng)得到?；幚淼慕饘籴樞荆辉擋；幚淼慕饘籴樞鞠磧?、干燥，即得功能化氧化石墨烯為涂層的金屬針芯；

(5)重復(fù)所述步驟⑶～⑷4～7次，直至涂層厚度為50～100μm，即得處理的金屬針芯；

(6)將所述厚度合格的金屬針芯在氣相色譜汽化室純氮氣氛圍中老化，然后將涂層部分用水合肼溶液進行還原處理，即得還原處理后的金屬針芯；

(7)對所述還原處理后的金屬針芯在高純氮氣氛圍中220～280℃進行老化處理0.5～2h，即得功能化石墨烯為涂層探頭。

優(yōu)選的，所述的步驟(3)中所使用的氧化石墨分散液是利用超聲和磁力攪拌處理的方法，將氧化石墨分散于去離子水中形成濃度為0.1wt％的氧化石墨分散液。

優(yōu)選的，所述的步驟(6)中老化的溫度為50～70℃，時間為6～8h。

優(yōu)選的，所述的步驟(6)中還原處理所用的水合肼溶液濃度為10～20wt％且pH＝～10，溫度為70～90℃，時間為16～20h。水合肼溶液pH可用氨水調(diào)節(jié)。

優(yōu)選的，所述步驟(7)中老化的條件是指溫度為250℃，時間為0.5h。

優(yōu)選的，所述步驟(1)中，將金屬針芯前段2cm之外的部分用惰性物質(zhì)覆蓋保護，然后將前端2cm垂直浸入濃度為1mol/l的鹽酸中進行腐蝕，10～14h后依次用去離子水、甲醇、丙酮和氯仿沖洗，最后去除金屬針芯表面的保護物，經(jīng)50～70℃干燥至恒重，即得預(yù)處理后的金屬針芯。

優(yōu)選的，所述步驟(2)中，將所述預(yù)處理后的金屬針芯浸入3-氨基丙基-三乙氧基硅烷中，室溫反應(yīng)10～14h后取出，于60～80℃聚合反應(yīng)4～6h，即得氨基化處理的金屬針芯。

優(yōu)選的，所述步驟(4)中，將所述氧化石墨修飾的金屬針芯浸于濃度為10～15mol/l的氨水溶液中，于60～80℃反應(yīng)10～14h，經(jīng)去離子水清洗、90～110℃干燥1～3h后，再與乙酰氯于室溫下反應(yīng)4～6h，得到?；幚淼慕饘籴樞荆辉擋；幚淼慕饘籴樞疽来谓?jīng)氯仿、丙酮、無水乙醇和去離子水清洗后，于110～130℃干燥0.5～1.5h，即得以功能化石墨烯為涂層的金屬針芯。

相應(yīng)的，一種固相微萃取手柄，包括金屬套管、玻璃套筒和金屬推桿；所述金屬推桿套設(shè)在玻璃套筒內(nèi)，金屬推桿后端伸出玻璃套筒外的端部設(shè)有手柄，金屬套管同軸固定在玻璃套筒前端，所述金屬推桿前端連接萃取探頭，萃取探頭伸出金屬套管之外；所述的玻璃套管后端設(shè)置凸緣中部設(shè)置具有彈性的手柄定位環(huán)，所述金屬推桿位于玻璃套筒外的桿身上設(shè)置具有彈性的金屬推桿定位環(huán)；所述萃取探頭由所述的功能化石墨烯為涂層探頭構(gòu)成，也就是說所述萃取探頭的前端2cm經(jīng)酸腐蝕后加工有功能化石墨烯涂層。所述的手柄定位環(huán)和金屬推桿定位環(huán)由橡膠或塑料或硅膠制成。

優(yōu)選的，所述的手柄由微量進樣器的前端金屬套管截去2cm之外的部分，然后將斷口打磨光滑；在金屬針芯前端2cm加工石墨烯涂層后制成萃取探頭。

優(yōu)選的，所述的金屬針芯與石墨烯涂層結(jié)合的面是經(jīng)鹽酸腐蝕處理過的粗糙面，所述石墨烯涂層厚度為50～100μm。

本發(fā)明采用將氧化石墨氨基化處理，再讓氨基與乙酸發(fā)生取代反應(yīng)的策略，向石墨烯表面引入極性官能團“-NHCOCH₃”，從而提高功能化石墨烯涂層對含有苯環(huán)和極性官能團化合物(如酚和苯胺等)的吸附能力。與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明采取了對石墨烯材料進行共價鍵功能化修飾的策略，向石墨烯材料引入了-NHCOCH₃極性管能團，從而使所開發(fā)涂層不僅保留了石墨烯的大比表面積、大π-π共軛苯環(huán)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，還提高了其對污染物分子中極性官能團的捕獲能力，進而提高了石墨烯涂層材料對極性污染物的萃取效率，特別是對既含苯環(huán)又含極性官能團的污染物(如苯丙胺類毒品、苯酚等)的萃取效率。

2、本發(fā)明以稀鹽酸糙化處理的金屬針芯作為涂層的支載材料，同時提高了萃取探頭對涂層的負載能力與探頭和手柄之間的兼容性；通過化學(xué)鍵合的方法將涂層固定在金屬針芯表面，大大增強了萃取涂層的機械強度、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性與使用壽命。

3、本發(fā)明根據(jù)樣品中污染物的實際濃度，可利用金屬推桿定位環(huán)來調(diào)節(jié)探頭的有效萃取長度，以提高分析方法的靈敏度與線性范圍；利用手柄定位環(huán)與金屬推桿定位環(huán)可有效提高對萃取探頭在樣品中豎直位置的控制，從而提高了分析方法的重復(fù)率與準確度。

4、目前商業(yè)化SPME萃取探頭品種非常有限，且市售手柄和萃取探頭的價格也比較昂貴，這直接影響到了SPME對樣品中污染物分析選擇性、萃取效率以及該技術(shù)在分析工作中的廣泛應(yīng)用。而本發(fā)明的固相微萃取手柄具有成本低廉、簡便、靈巧、易于攜帶的以功能化石墨烯材料為涂層探頭的固相微萃取手柄。

本發(fā)明以微量進樣器為原材料進行改造使用，因此，該固相微萃取手柄具有成本低廉、制作過程簡單、適用范圍廣、與色譜儀器兼容性好等一系列優(yōu)點，可用于對環(huán)境、食品、生物等樣品中痕量污染物的分離和富集，具有很好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明功能化石墨烯涂層探頭的制備原理圖；

圖2為本發(fā)明的功能化石墨烯涂層探頭的掃描電鏡圖；

圖3為本發(fā)明的固相微萃取手柄的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、金屬套管，2、萃取探頭，3、玻璃手柄，4、金屬推桿，5、金屬推桿定位環(huán)，6、手柄定位環(huán)。

具體實施方式

如圖3所示，本發(fā)明的固相微萃取手柄的具體結(jié)構(gòu)包括：金屬套管1、玻璃套筒3和金屬推桿4；所述金屬推桿4套設(shè)在玻璃套筒3內(nèi)，金屬推桿4后端伸出玻璃套筒3外的端部設(shè)有手柄，金屬套管1同軸固定在玻璃套筒3前端，所述金屬推桿4前端連接萃取探頭2，萃取探頭2伸出金屬套管1之外。所述的玻璃套管3后端設(shè)置凸緣中部設(shè)置具有彈性的手柄定位環(huán)6，所述玻璃套管3管身上設(shè)有刻度。所述金屬推桿4位于玻璃套筒3外的桿身上設(shè)置具有彈性的金屬推桿定位環(huán)5；所述萃取探頭2的前端2cm經(jīng)酸腐蝕后加工有功能化石墨烯涂層。即：所述萃取探頭2由所述的功能化石墨烯涂層探頭構(gòu)成。所述的手柄定位環(huán)6和金屬推桿定位環(huán)5由橡膠或塑料或硅膠制成。用于在實驗開始前根據(jù)經(jīng)驗將兩個定位環(huán)移動到需要位置。避免實驗過程中因為忙亂而推動金屬推桿4不到位，方便實驗操作。

結(jié)合圖1、2、3所示，一種功能化石墨烯涂層探頭及固相微萃取手柄的制作方法，具體實施例如下：

實施例一

利用現(xiàn)有的微量進樣器改裝加工固相微萃取手柄，微量進樣器購自：上海光正醫(yī)療儀器有限公司，整個過程包括以下步驟：

⑴金屬針芯預(yù)處理：

將微量進樣器金屬針芯(材質(zhì)為不銹鋼)前段5cm用加熱融化的石蠟進行涂覆，冷卻后，準確刮去最前端2cm的石蠟，然后將其垂直浸入濃度為1mol/l的鹽酸中進行腐蝕，10h后依次用去離子水、甲醇、丙酮和氯仿沖洗，以除去金屬針芯表面的剩余酸，最后刮去金屬針芯表面的石蠟涂層，經(jīng)50℃干燥至恒重，即得預(yù)處理后的金屬針芯。

⑵將預(yù)處理后的金屬針芯浸入3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)中，室溫反應(yīng)14h后取出，于70℃聚合反應(yīng)4h，即得氨基化處理的金屬針芯。

⑶利用超聲和磁力攪拌處理的方法，將氧化石墨分散于去離子水中，形成濃度為0.1wt％的氧化石墨分散液。在60℃下將氨基化處理的金屬針芯浸入氧化石墨分散液中，3h后取出，于110℃干燥3h，即得氧化石墨修飾的金屬針芯。

⑷將氧化石墨修飾的金屬針芯浸于濃度為15mol/l的氨水中，于70℃反應(yīng)12h，經(jīng)去離子水清洗、90℃干燥2h后，再與乙酰氯于室溫下反應(yīng)5h，得到?；幚淼慕饘籴樞荆擋；幚淼慕饘籴樞疽来谓?jīng)氯仿、丙酮、無水乙醇和去離子水清洗后，于130℃干燥0.5h，即得功能化氧化石墨烯為涂層的金屬針芯。

⑸重復(fù)步驟⑶～⑷7次，直至用電鏡掃描(SEM)方法檢測涂層厚度為80～100μm，即得處理的金屬針芯。

⑹將處理的金屬針芯在氣相色譜汽化室純氮氣氛圍中老化，老化溫度為60℃，時間為6h；然后將涂層部分用濃度為10wt％且pH＝～10的水合肼溶液進行還原處理，還原處理的溫度為90℃，時間為20h；然后即得還原處理后的金屬針芯。

⑺對還原處理后的金屬針芯在氣相色譜汽化室純氮氣氛圍中250℃進行老化處理0.5h，即得萃取探頭，也就是功能化石墨烯為涂層探頭。萃取探頭的SEM表征結(jié)果如圖2所示，可見功能化石墨烯涂層十分均勻。

⑻將微量進樣器金屬套管前段準確量取2cm進行截取后，用細砂紙仔細將斷口處打磨光滑，即得處理后的器金屬套管1。將處理后的金屬套管1、萃取探頭2與玻璃套筒3、金屬推桿4、金屬推桿定位環(huán)5、手柄定位環(huán)6組裝在一起，即得固相微萃取手柄。金屬推桿定位環(huán)5和手柄定位環(huán)6均為橡膠環(huán)。

實施例二

利用現(xiàn)有的微量進樣器改裝加工固相微萃取手柄，微量進樣器購自：上海光正醫(yī)療儀器有限公司，整個過程包括以下步驟：

⑴金屬針芯預(yù)處理：

將微量進樣器金屬針芯(材質(zhì)為不銹鋼)前段5cm用加熱融化的石蠟進行涂覆，冷卻后，準確刮去最前端2cm的石蠟，然后將其垂直浸入濃度為1mol/l的鹽酸中進行腐蝕，13h后依次用去離子水、甲醇、丙酮和氯仿沖洗，以除去金屬針芯表面的剩余酸，最后刮去金屬針芯表面的石蠟涂層，經(jīng)65℃干燥至恒重，即得預(yù)處理后的金屬針芯。

⑵將預(yù)處理后的金屬針芯浸入3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)中，室溫反應(yīng)10h后取出，于80℃聚合反應(yīng)6h，即得氨基化處理的金屬針芯。

⑶利用超聲和磁力攪拌處理的方法，將氧化石墨分散于去離子水中，形成濃度為0.1wt％的氧化石墨分散液。在70℃下將氨基化處理的金屬針芯浸入氧化石墨分散液中，2h后取出，于室溫干燥7h，即得氧化石墨修飾的金屬針芯。

⑷將氧化石墨修飾的金屬針芯浸于濃度為10mol/l的氨水中，于60℃反應(yīng)14h，經(jīng)去離子水清洗、100℃干燥1h后，再與乙酰氯于室溫下反應(yīng)5h，得到酰基化處理的金屬針芯，該酰基化處理的金屬針芯依次經(jīng)氯仿、丙酮、無水乙醇和去離子水清洗后，于130℃干燥0.5h，即得功能化氧化石墨烯為涂層的金屬針芯。

⑸重復(fù)步驟⑶～⑷7次，直至用電鏡掃描(SEM)方法檢測涂層厚度為80～100μm，即得處理的金屬針芯。

⑹將處理的金屬針芯在氣相色譜汽化室純氮氣氛圍中老化，老化溫度為70℃，時間為7h；然后將涂層部分用濃度為20wt％且pH＝～10的水合肼溶液進行還原處理，還原處理的溫度為70℃，時間為12h；然后即得還原處理后的金屬針芯。

⑺對還原處理后的金屬針芯在氣相色譜汽化室純氮氣氛圍中250℃進行老化處理1-2h，即得萃取探頭，也就是功能化石墨烯為涂層探頭；其中：老化的條件是指溫度為250℃，時間為0.5h。萃取探頭的SEM表征結(jié)果如圖2所示，可見功能化石墨烯涂層十分均勻。

⑻將微量進樣器金屬套管前段準確量取2cm進行截取后，用細砂紙仔細將斷口處打磨光滑，即得處理后的器金屬套管1。將處理后的金屬套管1、萃取探頭2與玻璃套筒3、金屬推桿4、金屬推桿定位環(huán)5、手柄定位環(huán)6組裝在一起，即得固相微萃取手柄。金屬推桿定位環(huán)5和手柄定位環(huán)6均為橡膠環(huán)。

實施例三

利用現(xiàn)有的微量進樣器改裝加工固相微萃取手柄，微量進樣器購自：上海光正醫(yī)療儀器有限公司，整個過程包括以下步驟：

⑴金屬針芯預(yù)處理：

將微量進樣器金屬針芯(材質(zhì)為不銹鋼)前段5cm用加熱融化的石蠟進行涂覆，冷卻后，準確刮去最前端2cm的石蠟，然后將其垂直浸入濃度為1mol/l的鹽酸中進行腐蝕，14h后依次用去離子水、甲醇、丙酮和氯仿沖洗，以除去金屬針芯表面的剩余酸，最后刮去金屬針芯表面的石蠟涂層，經(jīng)60℃干燥至恒重，即得預(yù)處理后的金屬針芯。

⑵將預(yù)處理后的金屬針芯浸入3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)中，室溫反應(yīng)12h后取出，于80℃聚合反應(yīng)5h，即得氨基化處理的金屬針芯。

⑶利用超聲和磁力攪拌處理的方法，將氧化石墨分散于去離子水中，形成濃度為0.1wt％的氧化石墨分散液。在70℃下將氨基化處理的金屬針芯浸入氧化石墨分散液中，2h后取出，于室溫干燥7h，即得氧化石墨修飾的金屬針芯。

⑷將氧化石墨修飾的金屬針芯浸于濃度為12mol/l的氨水中，于80℃反應(yīng)14h，經(jīng)去離子水清洗、110℃干燥1h后，再與乙酰氯于室溫下反應(yīng)6h，得到?；幚淼慕饘籴樞?，該?；幚淼慕饘籴樞疽来谓?jīng)氯仿、丙酮、無水乙醇和去離子水清洗后，于110℃干燥1.5h，即得功能化氧化石墨烯為涂層的金屬針芯。

⑸重復(fù)步驟⑶～⑷7次，直至用電鏡掃描(SEM)方法檢測涂層厚度為80～100μm，即得處理的金屬針芯。

⑹將處理的金屬針芯在氣相色譜汽化室純氮氣氛圍中老化，老化溫度為70℃，時間為8h；然后將涂層部分用濃度為15wt％且pH＝～10的水合肼溶液進行還原處理，還原處理的溫度為80℃，時間為18h；然后即得還原處理后的金屬針芯。

⑺對還原處理后的金屬針芯在高純氮氣氛圍中250℃進行老化處理1h，即得萃取探頭，也就是功能化石墨烯為涂層探頭。萃取探頭的SEM表征結(jié)果如圖2所示，可見功能化石墨烯涂層十分均勻。

⑻將微量進樣器金屬套管前段準確量取2cm進行截取后，用細砂紙仔細將斷口處打磨光滑，即得處理后的器金屬套管1。將處理后的金屬套管1、萃取探頭2與玻璃套筒3、金屬推桿4、金屬推桿定位環(huán)5、手柄定位環(huán)6組裝在一起，即得固相微萃取手柄。金屬推桿定位環(huán)5和手柄定位環(huán)6均為橡膠環(huán)。