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中文摘要 面向目标分子的纳米纤维吸附特性研究 一脂溶性维生素分离富集新技术 中文摘要 研究生：刘智永：导师：康学军 东南人学公共卫生学院 现代科学技术的迅猛发展推动了现代分析仪器的发展。分析仪器灵敏度的提高及分析对象基体的复 杂化，对样品的前处理提出了更高的要求。目前，现代分析方法中样品前处理技术的发展趋势是速度快、 批量人、自动化程度高、成本低、劳动强度低、试剂消耗少、利于人员健康和环境保护、方法准确可靠， 这也是评价样品前处理方法的准贝u 。 脂溶性维生素是机体维持正常代谢和机能必需的微量元素，具有促进机体生长、维持表皮完整、生 殖、骨骼及视觉，促进生育、抗衰老等诸多作用。由于脂溶性维生素在外界环境中不稳定，易受光、氧 等影响而被氧化破坏，影响因素较多，因此寻找合适的测定方法同步测定多种脂溶性维生素仍然是目前 检验技术的难点。目前的国家卫生标准方法以及一些方法学研究仍存在测定时间长、方法繁琐，可能导 致样品中脂溶性维生素损失，同收率也不高。 本文着眼于研究分析工作中的样品前处理技术，重点研究以纳米纤维为吸附剂的面向各类存在分子 形式的脂溶性维生素v a 、v d 、v e 、v k ( 含醇、酚、酯、醌形式) 的多种样品的前处理方法，主要包括以下 两个方面： 一、面向目标分子的纳米纤维的制备 利用静电纺丝法制各纳米纤维，所纺制的纤维直径在纳米范围内。利用纤维的吸附特性成功的制备 固相萃取小柱。在提取分离的过程中，目标分子即脂溶性维生素的油水分配系数将影响其在分离介质和 溶液中的吸附和分布，这一因素至关提取效率，另外，萃取介质中功能基团如羧基、磺基与目标分子的 键合配位等化学价键作用也对分离有很大影响。根据物质分子的萃取符合“相似相溶”原则和功能基团 等其他因素影响，本文面向不同类的脂溶性维生素分子，根据被提取物质的性质，选择和制备各种极性 不同的纳米纤维。主要以含苯环结构的聚苯乙烯( p s ) 以及含氮高聚物聚丙烯腈为原料研制成系列非极性、 弱极性物萃取用纤维，力求基于分子间相互作用而提取富集目标分子。 优化了影响静电纺丝纤维性能的主要1 ：艺参数。包括调整纺丝液的粘度；配制最佳纺丝液浓度，制 备了不同直径( 1 9 0 n m - - - - , 3 0 0 0 n m ) 的一批纳米纤维，以便考察直径对萃取效率的影响；调整了纺丝电压和 同化距离，以及推液速度，以便可以得剑最佳的实验条件，制备高质量的纳米纤维。同时为了表征制备 i 东南人学硕士学位论文 的纳米纤维的微观结构，采用h i t a c h is 3 0 0 0 n 扫描电镜观察纳米纤维的表面形貌，计算纤维的平均直 径。 进一步的探讨纳米纤维吸附目标物的机理。以聚苯乙烯为主体合成了带有不同取代基的纳米纤维， 主要为带磺酸基的聚苯乙烯和带羧基的聚苯乙烯纳米纤维。为了验证两种取代基是否接枝到主体聚苯乙 烯分子上，借助红外光谱技术证明了制备的纳米纤维中两种取代基的存在。 二、基于纳米纤维的多种样品中脂溶性维生素的富集与测定 基于纳米材料的吸附特性制备了萃取器件，用于样品的前处理( 分离、富集) 。选取有代表性的四种 脂溶性维生素，通过对相关影响因素的优化，以及对检出限、精密度、同收率的考察，充分验证纳米纤维 装填的萃取器件应用于多种样品前处理的可行性。本文经方法验证后，成功对奶粉、复合维生素片以及血 浆中多种脂溶性维生素的分离富集和测定，与样品标识含量或其他方法比对，充分显示了本方法的优越性。 应用纳米纤维而建立起来的富集方法，提取操作简单，不需要贵重仪器。操作快速，更适合现代分 析的需求。有机溶剂使用仅为几百微升，大大减少了对人体的伤害、也减少了对环境的二次污染，符合 绿色环保的要求。与现有方法相比，该样晶预处理方法更加快速、灵敏、简单、价廉，符合无( 少) 溶 剂的样品前处理发展趋势。 关键词：纳米纤维；电纺：同相萃取；维生素 i i 英文摘要 r e s e a r c ho f a d s o r p t i v ep r o p e r t i e so f n a n o f i b e r st o o b j e c t i v ee l e m e n t - - s e p a r a t i o na n de n r i c h m e n to f f a t - - s o l u b l ev i t a m i n sw i t hn e w t e c h n o l o g y a b s t r a c t l i uz h i - y o n g k a n gx u e - j u n s c h o o lo fp u b l i ch e a l t h , s o u t h e s tu n i v e r s i t y t h ed e v e l o p m e n to fa n a l y t i c a li n s t r u m e n t sw a sp r o m o t e db yr a p i dp r o g r e s so fm o d e ms c i e n c ea n d t e c h n o l o g y w i t ht h es e n s i t i v i t yo fa n a l y t i c a li n s t r u m e n t sa n dt h ec o m p l e x i t yo fa n a l y t i c a lm a t r i c e si m p r o v i n g , s a m p l e sp r e t r e a t m e n ti sr e q u i r e dw i t hh i g h e re f f i c i e n t a tp r e s e n t , t r e n d so fs a m p l e s p r e t r e a t m e n ta r et h e f o l l o w i n g , f a s tv e l o c i t y ，l a r g eq u a n t i t i e s ，h i g hd e g r e eo f a u t o m a t i o n ，l o wc o s t ，l o wl a b o ri n t e n s i t y ，l e s sr e a g e n t c o n s u m p t i o n 、c o n d u c i v et oh e a l t ha n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a c c u r a t ea n dr e l i a b l e ，t h e s ea r ea l s og u i d e l i n e s f o re v a l u a t i n gm e t h o d so fs a m p l ep r e t r e a t m e n t t h i sw o r km a i n l yf o c u s e do nt h ed e v e l o p m e n to fan o v e lm e t h o d , w h i c hc o u l dd i r e c t l ye x t r a c to r g a n i c e l e m e n tw i t han o v e lm i c r o - e x t r a c t i o np r o c e d u r eu s i n ga ne l e c t r o s p u nn a n o f i b e ra sas p es o r b e n t t h em a i n c o n t e n to f r e s e a r c hi n c l u d et h r e ea s p e c t sa sf o l l o w i n g ： 1 p r e p a r a t i o no ff u n c t i o n a ln a n o f i b e r n a n o f i b e rw a sp r e p a r e db ye l e c t r o s p i n n i n gi nt h i sw o r k , t h ed i a m e t e ro fw h i c hw a sf r o m1 0 0n m 1 0p r n n a n o f i b e rw a ss u c c e s s f u l l ye m p l o y e da ss o r b e n tt op r e p a r ee x t r a c t i o nc a r t r i d g e s ，w h i c hw a sc a l l e df i b e r - p a c k e d s p ed e v i c e i nt h i sw o r k , p o l y s t y r e n e ( p s ) w a su s e da sm a t e r i a lt op r e p a r en o n - p o l a ra n dw e a kp o l a rn a n o f i b e ri n o r d e rt oe x t r a c tt a r g e tm o l e c u l eb a s e do ni n t e r m o l e c u l a ri n t e r a c t i o n t h em a i np r o c e s sp a r a m e t e r sw h i c hc o u l da f f e c tt h en a n o f i b e r p e r f o r m a n c ew e r eo p t i m i z e d t h em a i n p a r a m e t e r si n c l u d e dt h ev i s c o s i t yo fs o l u t i o n , t h ep o l y m e rm a s sc o n c e n t r a t i o n , t h ed i s t a n c eb e t w e e nn e e d l et o c o l l e c t i n ge q u i p m e n t , e l e c t r o s p i n n i n gv o l t a g e ，t h er a t eo fm o v e m e n to ft h es y r i n g e i no r d e rt oc h a r a c t e r i z e m i c r o s t r u c t u r eo ft h ep r e p a r e dn a n o f i b e r , h i t a c h is - 3 0 0 0 ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ew a se m p l o y e dt o a n a l y z es u r f a c em i c r o t o p o g r a p h yo fn a n o f i b e r , a n da v e r a g ed i a m e t e ro fn a n o f i b e rw a sc a l c u l a t e d t h ee x t r a c t i o nm e c h a n i s mo ft h en a n o f i b e r sw a sa l s o e x p l o r e d p s - c o o ha n dp s s 0 2 0 h ( t h r o u g h e o p o l y m e r i z a t i o no fs t y r e n ew i t ht h ec o r r e s p o n d i n gm o n o m e r ) w e r ep r e p a r e d t h ep s c o o ha n dp s s 0 2 0 h n a n o f i b e r sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf o u r i e rt r a n s f o r m ( f di rs p e c t r o s c o p y t h ef t i rs p e c t r ao fp s c o o ha n d p s s 0 2 0 he x h i b i tt h ep r e s e n c eo ft h ed i f f e r e n tf u n c t i o n a lg r o u p si nt h en a n o f i b e r s 东南大学硕士学位论文 2 e l e 贮t r o s p u np o l y m e rn a n o f i b e r sa sas o l i d - p h a s ee x t r a c t i o ns o r b e mf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fv i t a m i ni n m u l t i p l es a m p l e s t h ef i b e r - p a c k e ds p ed e v i c ew a su s e df o rt h et a 增e te x t r a c t i o ni nt h es a m p l ep r e t r e a t m e n t i no r d e rt o e x a m i n et h ea p p l i c a b i l i t yo fn a n o f i b e r sf o rt h ee n r i c h m e n to fv i t a m i nf r o mm u l t i p l es a m p l e s ，f o u rk i n d so f f a t - s o l u b l ev i t a m i n sw e r ep u r p o s e l ys e l e c t e da s r e p r e s e n t a t i v ec o m p o u n d sw h i c hc o u l db ec a t e g o r i z e d a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ts u b s t i t u e n tg r o u p s t h em e t h o dw a sa l s oa p p l i e dt or e a ls a m p l e s t h e n e wm e t h o dr e d u c e ds a m p l ep r e p a r a t i o nt i m ea n do r g a n i cs o l v e n tc o n s u m p t i o n , r e d u c e dh a z a r d st ot h e p e r s o n sa n de n v i r o n m e n t , a n di m p r o v e dt h es e n s i t i v i t ya n dr e p r o d u c i b i l i t yf o rt h ei n v e s t i g a t e dc o m p o u n d s t h e p r e s e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h en e wm e t h o di sav i a b l ea n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yt e c h n i q u ef o ra n a l y z i n g f a t - s o l u b l ev i t a m i n s k e yw o r d s ：n a n o f i b e r , e l e c t r o s p i n n i n g ，s o l i dp h a s ee x t r a c t i o n ，v i t a m i n s l l e s p e s p m 匣 h p l c h 【p l c u v r p h p l c s e m 溺 v d 3 v e v 硒 l o d r s d t h f d i f p s p s o o h p s - s 0 2 0 h p a n 东南大学硕士学位论文 主要缩写词表 a b b r e v i a t i o n s 液液萃取法( l i q u i d l i q u i de x t r a c t i o n ) 固相萃取法( s o l i dp h a s ee x t r a c t i o n ) 固相微萃取技术( s o l i d - p h a s em i e r o e x t r a c t i o n ) 高效液相色谱 高效液相色谱一紫外检测 反相高效液相色谱 扫描电子显微镜 r e t i n o l ，r e t i n y le s t e r s c h o l e c a l c i f e r o l a - t o c o p h e r o l ，t o c o p h e r o la c e t a t e m e n a d i o n e 检出限 相对标准偏差 四氢呋喃 n ，n _ 二甲基甲酰胺 聚苯乙烯 带羧基的聚苯乙烯 带磺酸基的聚苯乙烯 聚丙烯腈 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名：主临整日期：毕协 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生虢堂整导师签名碑日 期：= 夕：簟：口 论文主要创新点 论文主要创新点 1 结合材料科学、高分子化学、表面物理与化学、分析化学的新成就，以应用带动目的明确的纳米材料 研究，理论研究与应用研究高度结合。研究思路符合高效、低耗、绿色环保的要求。 2 基于电纺纳米纤维对目标分子富集提取纯化技术的研究与应用。目前的富集提取技术由于操作烦琐、 带来环境污染、成本高等原冈不能满足要求，本课题提出以电纺纳米纤维为提取材料，较好解决了上述 难题。 3 基于纳米纤维吸附特性制备的固相萃取小柱，应用于食品药品和血浆中脂溶性维生素的提取分离，极 大地简化此类样品的前处理过程，并且效果优异于常规处理方法，因此更能适应当前样品前处理需要和 趋势。 4 本论文积极探索纳米材料在分离方面的影响囚素，富集分离了脂肪类醇、酚、酯、醌代表性物质，广 泛的拓展纳米材料在分离方面的使用范围。 v 第一章绪论 第一章绪论 l 前言 样品前处理是目前分析测试工作的瓶颈，但是过去近百年中未受重视，近二十年来被意识到是分析 检测研究的薄弱环节，充分认识到研究发展高效率的样品前处理技术具有十分重要的意义。各种样品前 处理新技术、新方法的探索和研究已成为当代分析化学的主要发展方向之一。快速、简便、自动化的前 处理技术不仅省时、省力，而且可以减少由于不同人员操作及样品多次转移带来的误差，还可以避免使用 大量的有机溶剂并减少对环境的污染2 1 。 传统的样品前处理方法( 液液萃取、树脂吸附、索氏提取等) ，由于污染、繁琐耗时、不易自动化诸多 局限，已不能满足要求。近年来固相萃取( s o l i dp h a s ee x t r a c t i o n ，s p e ) 技术由于简便易行在诸多领域得到 了长足的发展。在国外己逐渐取代了传统的液液萃取而成为样品前处理的主要方法。s p e 通常采用微米级 的固体颗粒作为提取介质制成柱状、盘状的提取器件( 见图1 - 1 ，i ) 。但是由于提取效率有限，即使是微 量、痕量的目标物质，也需要o 1 9 以上的提取介质，还需用毫升级的溶剂洗脱已吸附在i 刮相介质上的目 标分子。为达到高灵敏检测的目的，仍需要挥发干燥溶剂这一步，不仅环境污染问题继续存在，对于热不 稳定物质也不适用。即便如此s p e 还是j “泛应用于样品前处理，结合各种现代仪器分析技术，进行复杂样 品中微最、痕营目标物的分析口j 1 。 1 9 8 9 年出现的固相微萃取( s o l i d p h a s em i c r o e x t r a c t i o n ，s p m e ) ( 见图卜1 ，i i ) ，是一种集萃取、浓 缩、进样于一体的样品前处理新方法，它以微米级直径的金属或熔融石英丝外涂吸附层吸附气态或液态 样品中目标物，再经气流热解析或溶剂解析下目标物送入检测仪器。随后在s p m e 的基础上又衍生出多种 固相微萃取技术，如管内同相微萃取( i n t u b es o l i d p h a s em i c r o e x t m c t i o n ，i n t u b es p m e ) ；纤维管内固 相微萃取( f i b e ri n - t u b es p m e ) ；搅拌棒吸附葶取( s t i rb a rs o r p t i v ee x t r a c t i o n ，s b s e ) 等。各种s p m e 保 留了s p e 的优点，它几乎不需溶剂，实现了真正意义上的同相萃取，适用丁挥发性与非挥发性物质的分 析。但是由于仅用一根或一束微米直径的纤维外表面涂层起吸附作用，样品回收率不高，如纤维s p m e 的样品提取回收率仅有1 - - - 1 0 5 ，通常必须接质谱等高灵敏检测器进行检测，检测成本高昂。此外萃取器 件的价格昂贵( 手动s p m e5 0 0 5 支) 、使用中容易损坏( 折断或表面涂层脱落) ，难以广泛应用崎6 1 。 电纺聚合物纳米纤维作为一种新型材料，可以用于组织工程、人造器官、药物传递和创伤修复等诸多 领域，由于其具有纤维细度极小的特点和良好的电荷保持能力，使其表面能和活性增大，有很强的阻隔性和 静电吸附力，是一种优良的过滤和吸附材料h 圳。 本文侧重研究纳米纤维在分离吸附领域的应用，提出一种基于纳米纤维的圃相萃取技术。纳米级的 纤维，具有极大的比表面积( 是普通微米纤维的1 0 0 0 倍) ，极高的纵横比( 长度直径比) 、曲率半径和极强 的与其它物质的互相渗透力，有极好的柔韧性、吸附性、过滤性等。这些独特的性质使纳米纤维在宏观 l 东南大学硕士学位论文 上表现出新奇的性质，在许多领域显示广阔的应用前景。而目前纳米纤维应用于富集目标物的报道极少， 研究仅仅侧重丁除去有害物。 艇翟柱 i 填科 图1 - 1 固相萃取示意图 本文研究将电纺纳米纤维作为吸附材料，用于微量和痕量目标分子的富集。主要工作是将纳米纤维 作为圃相萃取介质，进行其分离、富集功能的应用基础研究。具体进行以下内容的研究： ( 1 ) 首先是利用静电纺丝法( e i e c t r o s p i n n i n g ) 制各纳米纤维，即利用聚合物溶液在强电场作用下形 成喷射流进而纺成直径在5 0n m 至o 1 0 0 0 删的纳米纤维。物质分子的萃取符合“相似相溶”原贝h ，不同的 纤维吸附不同的待测物。为此要根据被提取物质的性质，制备各种纳米纤维。研制基于目标物的功能化 的纳米纤维。 ( 2 ) 以纳米纤维组装成纳米小柱固相萃取器件。重点考察以下影响分离富集的因素：a ) 纤维的种 类和直径的影响；b ) 溶剂极性和离子强度的影响；c ) 洗脱溶剂种类和用量的影响；d ) 纳米萃取小柱对 物质稳定性的影响。 ( 3 ) 各种目标物高灵敏分析方法的建立。选取主要的脂溶性维生素为目标分子，以高效液相色谱法 检测分析目标分子，以回收率试验考察方法的准确度，日内精密度试验考察方法的精密度，考察方法检 出限。验证所建立方法的可行性。 ( 4 ) 基于建立的方法测定实际的样品。选取市场上的食品、药品和生物样品( 血浆) ，用本文研制成 的纳米萃取小柱对脂溶性维生素含鼍进行分离鉴别，并与已有的f i l i f 相萃取法对照，验证新建监测体系的可 行性。 2 纳米纤维介绍 2 丝 管 糍 螺 萁 琏 黝 节 融 针 涸 配 腿 一 黻 一 一 一 i口阻剐h融喇节 第一章绪论 2 1 基本定义 “纳米”( r u n ) 是一个长度单位，l n m = 1 09 米，纳米结构是指尺寸在l n m - 一1 0 0 r u n 范围内的微小结构。 由此得出狭义的纳米纤维的定义，即直径是l n m - - - 1 0 0 n m 的纤维。有文献资料认为纳米纤维还包括亚微米 尺寸1 0 0 n m 1 0 0 0 n m 及其以上直径的纤维，因此，广义上的纳米纤维直径应为l n m 1 0 0 0 n m ，即纳米 纤维的定义既包括纤维直径为纳米级的超细纤维，也包括在纤维内部、外部、表面进行以纳米尺寸控制的 精密构造设计，从而赋予新功能的纤维( 也叫纳米结构纤维) n 2 1 。 2 2 纳米纤维特性“3 1 纳米物质处于原子簇和宏观物质交界的过渡态的区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的 系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。它具有一系列新异的物理化学 特性。 小尺寸效应当微粒的尺寸小到与光波的波长、传导电子的德布罗意波长和超导态的相干长度透射深 度近似或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，粒子的声、光、电磁、热力学性质将会改变，如熔点 降低、分色变色、吸收紫外线、屏蔽电磁波等。 量子尺寸效应当粒子尺寸小到一定时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，此时，原 为导体的物质有可能变为绝缘体，反之，绝缘体有可能变为超导体。 量子隧道效应“隧道效应”是指微小粒子具有在一定情况下贯穿势垒的能力。电子具有粒子性和波 动性，冈此可产生此种现象，就像里面有了隧道一样可以通过。这种效应将是未来微电子器件的基础。 表面效应纳米微粒尺寸小，在单位体积中的比表面非常巨大，最高可达数千平方米c m 3 。巨大的比 表面使得表面能极高。表面层原子所处的物理和化学环境不同于体内原子，而使它们可能形成一种新的 相一表面相。同样由于微小颗粒的因素使位于表面的原子数占相当大的比例。当材料尺寸d , n 1 0 r 皿左右 时，表面原子数目和体内原子数目几乎达到相等。表1 1 列出了纳米微粒尺寸与表面原子数的关系，图卜2 示出了表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间关系。 表1 - 1 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 纳米微粒之jd j i 1r t i包禽总熔f 数表臻fj 泉j ，廖 1 1 1 l 匕侈l 1 03 l0 12 0 矗4 l0 34 0 2 2 。s 1 0 08 ( i l3 09 9 3 东南大学硕士学位论文 鞠径d n m 囹1 - 2 表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系 由表卜2 和图卜l 可看出，随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大 所致。例如，粒径为l o n m 时，比表面积为9 0 m 2 g ，粒径为5 r i m 时，比表面积为1 8 0 m 2 g ，粒径下降到2 n m 比表面积猛增至l j 4 5 0 m z g 。这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，同时，表面能迅速增加，由 于表面原子数增多，原子配位不足以及很高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，因此很不稳定， 很容易与其他原子结合，以便使其稳定化，这就是活性和吸附性的基本原因。 本文主要以纳米表面效应为基础，应用具有大量微孔结构、比表面积( 接触面) 大以及较强的吸附力 等特性的纳米纤维为i 刮相吸附剂，制备同相萃取器件，分离复杂基质中的目标分子脂溶性维生素。 2 3 纳米纤维的制备方法5 埔1 分子技术制备法目前报导较多的是单管或多管纳米碳管束的制备，其制备方法主要有3 种：电弧放 电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法。前两种方法冈有多种形态碳产物共存，分离、纯化困难。电弧 放电法将石墨棒置于充满氢气的容器内，用高压电弧放电，在阴极沉积成纳米碳管。固定床催化裂解法 由天然气制备纳米碳管，将气体在分布板上有用活化了的催化剂吹成沸腾状态，在催化剂表面生长出纳 米碳管。这种方法工艺简便，成本低，纳米碳管规模易控制，长度火，收率较高，但该方法中催化剂只 能以薄膜的形式展开。 纺丝制备法这种方法又可分为聚合物喷射静电拉伸纺丝法、海岛型多组分纺丝法和单螺杆混抽法。 生物铜备法这种方法是利用细菌培养出更加细小的纤维素。我国科学家由木醋杆菌合成的纳米级纤 维素不含木质素，结品度高，聚合度高，分子取向好，具有优良的机械性能。 2 4 纳米纤维的应用n 7 。捌 用静电纺丝技术制得的纤维，直径可达纳米级，比用常规方法制得的纤维直径小几个数鼍级，具有比 表面积大、孔隙率高、长径比人、纤维精细程度与均一性高等优点，吸引了人们在纳米纤维材料的众多领 4 逞嚣翌譬卜琶箍争专罄卜莹瞧辩 第一章绪论 域进行了研究。 过滤和吸附材料纤维材料用作过滤介质具有高过滤效率和低空气阻力的优点。过滤效率与纤维的性 能有直接的关系，一般随着纤维直径的减小过滤效率是增大的。与静电纺丝技术有关的最早的商业产品是 “f r e u d e n b e r gn o n w o v e n s ”，它是用连续制备的静电纺丝作过滤介质。静电纺丝纳米纤维膜除了用作传 统的液体及气体过滤，还可以用特殊的聚合物或者选择一些溶剂的涂层用作分子过滤器，可以用于化学和 生物武器试剂的探测和过滤。 生物医用功能材料纳米纤维在生物医学上的应用是一个非常热门研究领域，主要包括组织t 程、药 物释放、药物载体、人工器官、组织修复等。 传感器材料传感膜的灵敏度与每单位质量膜的表面积成正比，由于静电纺丝纳米纤维的比表面积 比通用膜大很多，所以用在传感器方面可以人人提高其灵敏度。 超疏水性及其相关应用浸润性是固体表面的重要性质之一，改变同体表面的粗糙度可以改变其浸 润性。通常用水接触角的大小来衡量同体表面水的浸润性，水与固体表面接触角人于1 5 0 。的表面称为超 疏水表面，超疏水纤维在防护服，自清洁材料等方面有着重要的应用价值。 3 脂溶性维生素简介及其分析方法研究进展 3 1 脂溶性维生素简介 维生素( v i t a m i n ) 又名维他命，是维持人体生命活动( 生长、健康、繁殖和生产机能) 必需的一类有机物 质，在体内起催化作用，促进主要营养素( 蛋白质、脂肪、碳水化合物等) 的合成和降解，从而控制代谢。 维生素本质为低分子有机化合物，它们不能在体内合成，或者所合成的量难以满足机体的需要，所以必须 由外界供给。维生素的每日需要量甚少( 常以毫克或微克计) ，它们既不是构成机体组织的原料，也不是体 内供能的物质，然而在调节物质代谢、促进生长发育和维持生理功能等方面却发挥着重要作用，如果长期 缺乏某种维生素，就会导致维生素缺乏症( a v i t a m i n o s i s ) 。 维生素的种类很多，通常按其溶解性分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。脂溶性维生素易溶于 大多数有机溶剂，不溶于水，在食物中常与脂类共存，脂类吸收不良时其吸收亦减少，甚至发生缺乏症。 常用的脂溶性维生素有：维生素a 、维生素d 、维生素e 、维生素k 等。 3 2 脂溶性维生素的结构、理化性质 本论文主要研究脂溶性维生素v a ，v d 3 ，v e ，v k 3 的分离以及测定，下面介绍它们的结构式和理化性质 【】 o 维生素a ( r e t i n 0 1 ) 结构式： 5 东南人学硕上学位论文 h 理化性质维生素a ，又称视黄醇或抗干眼醇，系高度不饱和脂肪醇。维生素a 在自然界中主要以脂肪酸酯 的形式存在，常见的是维生素a 乙酸酯和维生素a 棕桐酸酯。维生素a 纯品为黄色片状结晶，不溶于水，在 乙醇中微溶，易溶于油及其他有机溶剂中。遇光、空气或氧化剂则分解失效，在无氧条件下可耐热至1 2 0 1 3 0 ，但在有氧条件下受热或受紫外线照射时，均可使其迅速破坏失效。天然维生素a 只存在动物体中。 维生紊陷( c h o l e c a l c f f e r 0 1 ) 结构式： 理化性质维生素d 系类同醇的衍生物，是一类关系钙、磷代谢的活性物质。自然界中以多种形式存在。如 d 2 、d 3 、d 4 、 d 5 、d 6 、d 7 等，至少有1 0 种，其中维生素d 2 和维生素d 3 最为重要。维生素d 2 ( 骨化醇) 分 子式为： c 2 8 h “o = 3 9 6 6 6 ，维生素d 3 ( 胆骨化醇) 分子式为： c 2 ，h “0 = 3 8 4 6 5 。维生素d 贮存于肌体所有组织 中，以肝脏和脂肪组织中贮量较人。维生素d 3 为无色针状结品或白色结品粉末：无臭、无味：遇光或空气均 易变质。在氯仿中极易溶解，在乙醇、丙醇或乙醚中易溶，在植物油中略溶，在水中不溶。性质稳定，耐 热，贮存不易失效，但在空气或日光下能发生变化。 维生素e ( t o c o p h e r 0 1 ) 理化性质维生素e 是一组有生物活性的、化学结构相近似的酚类化合物的总称，目前已知的至少有8 种。 而以q 一生育酚分布最广，效价最高，最具代表性，分子式为： c z 9 1 t 如= 4 3 0 7 。维生素e 不稳定，经酯化后 可提高其稳定性，最常用的是维生素e 乙酸酯，分子式为： c 。- h 5 。0 3 = 4 7 2 8 ，干燥品含量为9 6 0 1 0 2 0 9 6 。 维生素e 在自然界分布很广，主要存在于植物中，动物体内不能合成维生素e ，仅在人和牛的初乳及蛋类中 有一定含量。维生素e 为微黄色或黄色透明的粘稠液体：几乎无臭：遇光色渐变深。不溶子水，易溶于无水 乙醇、丙酮、乙醚或石油醚。酸碱氢化过程及高温均不会破坏维生素e ，但它在空气中会缓慢氧化，紫外 线结构式： 6 第一章绪论 严 c h c i h 6 h c l 蠹h h 嘞0 叫娜斗 照射可使其分解。它可以保护其他易被氧化的物质使其不被破坏，所以它是极有效的抗氧化剂。 维生素k 3 ( m e n a d i o n e ) 结构式： 2 一甲基豢酾 。 翌硫骏氡钠甲基蒸馥 o a 3 h 2 0 理化性质维生素k 又称凝血维生素，是一类甲荼醒衍生物的总称。主要化学结构式为2 一甲基一1 ，4 一荼醌， 又n q 甲( 基) 萘醌，每一个化合物的侧链名不相同，共分两人类：一类是从天然产物中分离提纯获得的，即 从绿色植物中提取的维生素k l 和来自微生物的代谢产物维生素k 2 。另一类是人工合成的：包括亚硫酸萘醌 和甲荼醌，统称为维生素k 3 。维生素k 3 外观为白色或灰黄褐色结晶粉末，无臭，常温下稳定，遇光易分解， 易吸潮。溶于水，难溶于乙醇，几乎不溶于乙醚和苯：对皮肤和呼吸道有刺激性。维生素k 3 的活性约比维 生素k 2 高3 3 倍。食品添加剂中常用的是维生素k 3 ，专指甲萘醌或由距硫酸氢钠和甲萘醌反应而生成的弧 硫酸氢钠甲茶醌( m s b ) 。 3 3 脂溶性维生素的同步测定方法研究进展 脂溶性维生素的分析方法已有化学法、分光光度法、荧光法、电化学法、色谱法等，其中高效液相色 谱法由于其分离效能高、操作简便、应用范围广，已广泛应用于单组分或多组分脂溶性维生素的测定，尤 其非水反相高效液相色谱法在多种脂溶性维生素的同时测定中具有很大的应用前景。随着高效液相色谱设 备的不断更新换代，功能和分析手段的逐渐增加，高效液相色谱仪在生物化学、生物下程、医药研究、食 7 东南人学硕士学位论文 品分析等各个领域中被广泛应用。高效液相作为脂溶性维生素的常规检测方法，还必将会在提高检测质量 和速度上有更大的发展前景。 3 3 1 相关样品前处理技术研究现状 采用液相色谱法测定含脂溶性维生素样品中各种成分的含量的过程中，样品预处理是样品分析中至关 重要的一环，它的好坏，是保证测定结果是否准确的一个重要指标。萃取与净化技术主要用于样品制备过 程中，对样品进行预富集并除去分析物的干扰物质，使得到的样品上机液与所用的h p l c 方法相兼容。常用 的苯取与净化技术主要有：液液萃取、l 古i 相萃取技术、固相微萃取技术、压力液体萃取和亚临界水萃取、 吹扫一捕集技术、微波消解和微波辅助萃取技术、超临界流体萃取技术、免疫亲和同相萃取技术等。用于 维生素分析的净化技术主要有液液萃取陇1 ，固相萃取技术( s o l i d ph a s e e xt r a c t i o n s p e ) 堙3 1 、超临界流体萃取技 术1 、免疫亲和同相萃取技术1 。 经典的液液葶取方法是用氯仿、正己烷、庚烷、石油醚、乙醚等做萃取液提取维生素，通过改变p h 、 离子对作用、络合作用等方法使萃取平衡向有利于同收样品的方向移动，提高待测物的同收率，这种方法 广泛应用于组分的分离、提取或净化。但此法也存在着许多不足之处：在萃取过程中，乳化现象的形成造 成待测物的损失：共萃取物的干扰、限制了检测方法的选择：整个萃取过程烦琐，消耗大量时间，并造成结 果不稳定硎。 目前，样品处理方式已经由经典的液液萃取向固相萃取发展，与液相萃取相比围相萃取有很多优 点：s p e 处理过程中不会产生乳化现象：高效、高选择性吸附剂( 同定相) 的采用，显著减少了溶剂的用量， 简化样品的处理过程：同时所需费用也有所减少它是目前样品处理将分离与浓缩合为一步的最简捷、高 效、灵活的技术已有很多文献关于s p e 技术在维生素检测方法的应用1 。 超临界流体萃取是利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而达到萃取分离的目的，它的优点是 超i 临界流体冈其较液体溶剂更低的粘度和更高的扩散系数而更易穿过多孔性基体，提高了萃取速率，同时 由超临界流体提取的分析物可以通过压力的调节进行分离，省去了萃取过程中样品浓缩过程，节省了时间， 避免了挥发分析物的损失，它的缺点是由于整个提取装置较复杂且在高压下操作有一定的危险性，加之成 本较高，使其不易推广：而免疫亲和同相萃取是将抗体固定在固相载体材料上，制成免疫亲和吸附剂，将 样品溶液通过吸附剂，样品中的目标化合物因与抗体发生亲和作用而被保留在l 古l 相吸附剂上，它的优点是 由于免疫亲和作用具有很高的特异性，所以免疫亲和柱可以很方便地从复杂样品基质中分离其他萃取方法 难以萃取的目标化合物，它的缺点是不能普遍应用于相对分子质量小于1 0 0 0 的化合物，这方面的技术在9 0 年代中期以后才有所发展1 。 3 3 2 维生素分析方法的趋势和挑战 简便、快速、准确的分析方法是历来分析工作者所致力追求的目标。 国家分析检测标准如何适应当 8 第一章绪论 前科学的进步和飞速发展，如何适应不断变化着的市场和贸易往来，将是我们所面临的巨大挑战。目 前已知在膳食补充剂和强化食品中广泛使月j 的维生素有1 5 种以上，如果加上不同的形式则超过3 0 种。但 目前国家标准方法不到半数，而且多为单一方法。与实际需求相差甚远。 另一方面，随着营养科学的 发展和进步， 对人体中维生素的含量分析提出更高的要求。分子形式不同的维生素所起的功能和作用有 较大差异，简单测定总的含量已不能满足需要，这些给分析测定带来新的挑战。一个整体化合物的分 析、不同衍生物的准确鉴别是现代科学急需的有力证据，但也是高花费的。无疑对现在的许多实验室也 是难做到的，一方面是实验室需要昂贵的仪器，一方面是消费者需要付出更高的检测费用。无论如何， 随着产品开发研究、市场监督、国际贸易的发展和食品营养标签法规的出台、 以及食品安全法的颁布实 施，政府、科学界以及生产者对分析技术引起足够的重视和投入将是必须的。 g c - i s 、i c m s 以及h p l c - m s 都是新近发展起来的分析方法，主要用于有机化学、生物化学、医学、环 境科学等领域，但目前尚未成为脂溶性维生素的常规分析方法。且因操作复杂，费用昂贵，技术尚不够完 善，目前还不能在国内的人多数实验室中开展。但这些方法能够对分析物进行准确的分析，从发展趋势上 看，他们终将成为分析的主流，这些分析技术对样品的前处理更加严格，因此针对色谱分析的样品苹取和 净化技术，从而有效的去处复杂基质中干扰物质，高效的富集样品中的日标分子，无论现在还是以后都将 是分析丁作的重点和热点问题。 9 东南人学硕上学位论文 第二章面向目标分子的纳米纤维的制备 1 引言 油水分配系数是指物质在水相和油相( 非水相) 达平衡时，物质分子在非水相中的浓度和在水相中的 浓度之比，常用其对数形式l o g p 表示，自从6 0 年代初期h a n s c h 和f u j i t a 提出将化合物的油水分配系数作 为其疏水性质的量度以来，一直作为衡量化合物疏水性的标准。掌握化合物的l o g p ，可以预测组分在提取 溶剂或材料中的溶解性和吸附性，参照目标化合物的l o g p 选择最佳的提取溶剂或材料，使目标成分有效地 溶出和吸附，减少其在提取、分离中的损失，缩短提取周期，故l o g p 是重要的理化参数之一。了解样品中 各组分的l o g p 对于分离提取具有一定的指导意义陪。本文待测目标分子脂溶性维生素的相关参数如下所 示：l o g pr 曲0 1 6 9 ，l o g pc h o l 划。i f e r o l7 9 ，l o g 艮岫c o p h 锄i1 0 7 ，l o g pm a 础咄2 2 。依据“相似相溶”的原则和其 他影响，本文寻找与目标分子油水分配系数相近或吸附性强的的高聚物( 1