一种超分子低共熔溶剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于微量金属元素检测技术领域，特别是涉及一种超分子低共熔溶剂及其制备方法和应用。

背景技术

食用植物油作为我国居民膳食结构中的关键组成部分，其安全性受到广泛关注，植物油中微量元素的含量对于食用植物油的新鲜、储存和安全起着重要的作用，一些微量金属(如Cu和Fe)可以直接与脂质反应生成脂质烷基自由基，产生活性氧，也可通过过氧化氢分解加速食用植物油的自动氧化。因此，检测植物油中微量元素的含量和种类对于人们正确认识其食用安全性和营养价值具有重要作用。

在食用植物油微量元素测定中，传统的前处理方法主要有湿法消解、微波消解、高压消解罐消解和干灰化法消解等。花生油、大豆油、菜籽油等植物油的有机质含量太高，在湿法消解中加入高氯酸和硝酸消解时极易发生爆炸等危险事故，即使先加入硝酸预消解过夜也仍存在较高的危险性，且消解所需时间较长。另外消解样品体积太小，影响精准度，体积太大则容易碳化，影响总体实验过程。

低共熔溶剂(Deep eutectic solvent，DES)是一种新型的绿色溶剂，由氢键供体(Hydrogen bond donor，HBD)和氢键受体(Hydrogen bond acceptor，HBA)通过氢键作用形成，二者在一定温度下以一定摩尔比混合。当使用天然物质作为组分时，所形成的DES被称为天然低共熔溶剂(Natural deep eutectic solvent，NADES)，随着近几年进一步地发展，出现了超分子深共晶溶剂(Supramolecular deep eutectic solvents，SUPRADESs)，该超分子深共晶溶剂是一种以包合物为特征的新型低共熔溶剂亚类，是一项对绿色化学发展具有重要影响的新发现。

与普通有机试剂相比，SUPRADESs具有许多独特的性质，如文献中已知的SUPRADESs由绿色成分组成，其物理化学性质与传统的DESs相似，并且其超分子性质允许选择性结合许多化合物，在许多应用中，SUPRADESs显示出比DESs更高的效率。由于在其结构中包含环糊精，这些溶剂能够通过形成氢键与许多化合物结合，同时与它们的主-客体机制相互作用。将DESs的环保特性与环糊精的环保特性相结合，有望成为绿色化学领域的一大突破。SUPRADESs因其优越性能，在无机化学领域可以作为纳米合成材料；在有机化学领域，可以用于CO

发明内容

本发明的目的在于提供一种超分子低共熔溶剂及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题。为了减少食用油在加工和储存过程中的氧化，通过检测食用油中微量金属元素，尽量控制食用油中必需微量元素的营养构成，本发明通过采用超分子低共熔溶剂与涡旋辅助液-液微萃取技术，结合电感耦合等离子发射光谱，建立了食用油中微量元素铜、锌、铁、锰元素的检测方法，完善了对食品中金属元素的安全监控手段，平衡人们的饮食结构，也为食用油中微量金属元素的高通量分析提供了经济可靠的新方法。

本发明提供的技术方案之一：

一种超分子低共熔溶剂，由环糊精和有机酸组成，所述环糊精为羟丙基-β-环糊精，所述有机酸为DL-乳酸。

优选的，所述羟丙基-β-环糊精和DL-乳酸的质量比为1∶4。

本发明提供的技术方案之二：

一种超分子低共熔溶剂的制备方法，将所述的羟丙基-β-环糊精和DL-乳酸混匀后，加热搅拌至均匀透明的液态，得到一种超分子低共熔溶剂。

优选的，所述加热的温度为60-80℃，时间为20-30min。

本发明提供的技术方案之三：

一种食用油中微量元素的检测方法，以所述的一种超分子低共熔溶剂为萃取剂，通过超分子低共熔溶剂-分散液液微萃取技术取提取食用油中的铜、锌、铁和锰。

分散液液微萃取技术(Dispersive liquid-liquid microextraction，DLLME)是一种微型化液相萃取的前处理方法。通过萃取剂在分散剂中强大的分散能力，在样品溶液中分散成细小液滴，形成萃取剂-分散剂-样品溶液三相乳浊液体系，增大了萃取剂和分析物的接触面积，使分析物在样品溶液和萃取剂之间快速达到分配平衡而完成萃取，通过离心即可分离出含有分析物的萃取剂。

优选的，将所述超分子低共熔溶剂和硝酸溶液加入食用油中，涡旋后加热，离心分层，将混合富集相溶液消解，检测消解液中提取到的食用油中的铜、锌、铁和锰。

本发明采用超分子低共熔溶剂-分散液液微萃取技术提取食用油中的微量元素，其中硝酸溶液为分散剂，通过超分子低共熔溶剂在硝酸溶液中体现出强大的分散能力，在食用油中分散成细小液滴，形成超分子低共熔溶剂-硝酸溶液-食用油三相乳浊液体系，增大了超分子低共熔溶剂与微量元素的接触面积，促使微量元素在食用油和超分子低共熔溶剂之间快速达到分配平衡，进而完成萃取。

本发明的超分子低共熔溶剂中的氢键供体为DL-乳酸，萃取时加入硝酸溶液，在酸性环境下DL-乳酸夺取羧酸中氢离子，使混合水相中羧酸根负离子数量增多，易与食用油中金属离子产生配位。羟丙基-β-环糊精具有亲水外表面和疏水的空腔，使其能够在水溶液中形成包合物，金属离子配位产物进入羟丙基-β-环糊精的空腔内，基于羟丙基-β-环糊精的主-客体相互作用，间接增加了配位后金属离子在混合水相中的溶解度，增加金属离子的萃取稳定性。除此之外，环糊精衍生物上修饰的多个羟丙基给金属离子提供更多络合点位，进一步加强超分子低共熔溶剂对金属离子的吸附能力。

更为优选的，所述食用油、超分子低共熔溶剂和硝酸溶液的体积比为100-150∶8∶2。

所述硝酸溶液的质量浓度为5wt％。

更为优选的，所述涡旋的时间为5min，所述加热的温度为75℃，加热的时间为20min。

优选的，所述食用油包括食用植物油、食用动物油。

优选的，所述检测消解液中提取到的食用油中的铜、锌、铁和锰的方法为通过电感耦合等离子体发射光谱技术同时检测。

电感耦合等离子体发射光谱(Inductively Coupled Plasma Optical EmissionSpectrometer，ICP-OES)目前已被广泛应用在微量元素分析中，该方法实现了多元素同时测定，且具有较宽的线性范围，分析时间也较短。ICP-OES能够满足食用油中大多数微量金属元素含量的同时测定，是目前在国内外无机元素分析技术中较为常用的分析方法。

本发明的有益效果：

在食用油的微量元素的测定中，不论干法还是湿法消解，均需要对食用油进行冷消解，再进行实际样品消解，耗时久，通过本发明提出的超分子低共熔溶剂富集微量元素后，再将超分子低共熔溶剂进行消解，可以缩短至少一半时间，大大减少了工作时间，还能避免产生因油脂消解不完全生成的致癌物质。

本发明采用超分子低共熔溶剂-分散液液微萃取技术克服了传统液液分配操作繁琐、费时、需消耗大量有毒有害溶剂、易对环境产生污染等缺点，具有消耗溶剂少、富集倍数高、提取效率高、操作简便、快速、易与各种分析仪器联用等优点，展现出了广阔的应用前景。

本发明克服了现有传统萃取技术使用有机试剂量大的缺点，通过富集间接去除食用油的消解过程，提供了一种超分子低共熔溶剂-分散液液微萃取技术，联合电感耦合等离子体发射光谱技术同时检测植物油中铜、锌、铁、锰四种微量元素的方法，该方法灵敏度高，重复性好，回收率高。

本发明提出的一种食用油中微量元素的检测方法可应用于常见各类食用植物油(大豆油、玉米油、菜籽油等)或者动物油脂(如黄油或鱼油)中四种微量金属元素(铜、锌、铁和锰)的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中铜元素的标准曲线；

图2为实施例1中锌元素的标准曲线；

图3为实施例1中铁元素的标准曲线；

图4为实施例1中锰元素的标准曲线；

图5为实施例2中的萃取过程示意图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明的室温指的是25±2℃。

本发明的实施例提供了一种超分子低共熔溶剂，由环糊精和有机酸组成，所述环糊精为羟丙基-β-环糊精，所述有机酸为DL-乳酸。

加入的羟丙基-β-环糊精过多会提高所得超分子低共熔溶剂的黏度，不利于后续超分子低共熔溶剂在样品溶液中的分布，加入的羟丙基-β-环糊精过少会降低所得超分子低共熔溶剂的萃取能力，因此本发明实施例优选羟丙基-β-环糊精和DL-乳酸的质量比为1∶4。

本发明的实施例还提供了一种超分子低共熔溶剂的制备方法，将所述的羟丙基-β-环糊精和DL-乳酸混匀后，加热搅拌至均匀透明的液态，得到一种超分子低共熔溶剂。

加热的温度过低或者加热的时间过短均会妨碍羟丙基-β-环糊精和DL-乳酸的充分混匀，当加热的温度超过80℃或者加热的时间超过30min时，羟丙基-β-环糊精和DL-乳酸混匀程度不再提高，因此在本发明的一些优选实施例中加热的温度为60-80℃，时间为20-30min。

本发明通过上述方法，制备其他的超分子低共熔溶剂，以羟丙基-β-环糊精作为氢键受体，分别以DL-乳酸、DL-苹果酸、甲酸、乙酸、无水柠檬酸、L-抗坏血酸等作为氢键供体合成多种超分子低共熔溶剂进行实验，将制备得到的上述不同超分子低共熔溶剂放置一周以上，DL-苹果酸和L-抗坏血酸出现结晶现象，证明由DL-乳酸、甲酸、乙酸、无水柠檬酸制备得到的超分子低共熔溶剂稳定性较好；但是，甲酸和乙酸具有刺鼻酸味；无水柠檬酸在合成过程中需要加入一定量水溶液，综合考虑，DL-乳酸在制备简便、安全和绿色等角度效果最突出。

本发明的实施例还提供了一种食用油中微量元素的检测方法，以所述的一种超分子低共熔溶剂为萃取剂，通过超分子低共熔溶剂-分散液液微萃取技术取提取食用油中的铜、锌、铁和锰。

在本发明的优选实施例中，将所述超分子低共熔溶剂和硝酸溶液加入食用油中，涡旋后加热，离心分层，将混合富集相溶液消解，检测消解液中提取到的食用油中的铜、锌、铁和锰。

加入的硝酸溶液过多会和超分子低共熔溶剂争夺金属离子，影响配位产物的稳定性，同时为了使方法达到较高的预富集系数和较短的离心时间，因此本发明的优选实施例中所述食用油、超分子低共熔溶剂和硝酸溶液的体积比为100-150∶8∶2。

在本发明的优先实施例中硝酸溶液的质量浓度为5wt％。

涡旋的时间过短不利于低共熔溶剂在样品溶液中的分布，涡旋的时间过长会延长检测程序的时间，因此在本发明的一些优选实施例中所述的涡旋时间为5min，所述的加热温度为75℃，加热时间为20min。

在本发明的优选实施例中，所述食用油包括食用植物油、食用动物油。

本发明的实施例中采用的试剂为：

羟丙基-β-环糊精、DL-乳酸(外消旋)、硝酸溶液、铜元素标准储备溶液、锌元素标准储备溶液、铁元素标准储备溶液、锰元素标准储备溶液、高氯酸、硝酸、高纯氩；所有的试剂均为分析纯，整个实验用水均为超纯水。

本发明的实施例中采用的仪器为：

1)电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-OES：使用美国PerkinElmer公司生产的Optima8000电感耦合等离子发射光谱仪，配有TND1-10型自动交流稳压器，W120D型无油空气压缩机，POLYSCIENCE WHISPERCOOL制冷器；电感耦合等离子体发射光谱条件：试样提升量：1mL；等离子体气体流速：15.0L/min；辅助器流量：0.2L/min；雾化器气体流量：0.55L/min；射频功率1300W；分析线：Cu(324.752)，Zn(206.200)，Fe(259.939)，Mn(257.610)；

2)磁力搅拌器；

3)恒温水浴锅；

4)涡旋混合器；

5)10mL移液枪、1000μL和10μL移液枪；

6)微波消解仪；

7)20mL离心管；

8)冷冻离心机。

实施例1

电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-OES检测铜、锌、铁和锰四种微量元素的方法验证

标准曲线的绘制

分别在5个50mL容量瓶中加入0.05、0.25、0.50、1.00、2.50、5.00mL浓度为10mg/L的铜、锌、铁和锰四种微量元素的标准储备液，并加入5wt％的硝酸定容，得到浓度为0.01、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00mg/L的铜、锌、铁和锰四种微量元素的线性标准溶液。

在电感耦合等离子体发射光谱的最佳工作状态下，将上述各浓度线性标准溶液分别上机，各浓度平行测定3次，以谱线强度y为纵坐标，浓度x为横坐标绘制标准曲线，线性方程、相关系数及线性范围见表1，图1为铜元素的标准曲线，图2为锌元素的标准曲线，图3为铁元素的标准曲线，图4为锰元素的标准曲线。

表1

加标回收和精密度测试

为了评价电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-OES检测铜、锌、铁和锰四种微量元素的准确性和精密性，配制低浓度和高浓度的铜、锌、铁、锰四种微量元素标准溶液，每个标准溶液测定5次并计算回收率。

日内精密度通过1天之内平行分析5次加标样品所得到回收率的RSD表示，日间精密度通过连续5天重复分析加标样品所得到回收率的RSD表示。

由表2可见铜、锌、锰元素的回收率为99.2-123.8％，而铁元素回收率在52.0～66.4％，日内RSD为1.4～3.7％，日间RSD为2.6～5.4％，日内及日间RSD均低于5.4％。

表2

实施例2

超分子低共熔溶剂-分散液液微萃取技术联合电感耦合等离子体发射光谱仪测定植物油中铜、锌、铁和锰四种微量元素。

超分子低共熔溶剂的制备：称量1g羟丙基-β-环糊精(购自上海麦克林生物技术有限公司)和4g DL-乳酸，加入5mL容量瓶中混匀，在60℃下用恒温磁力搅拌器加热搅拌20min，直至形成淡黄色且均一透明的液态，冷却至室温，得到超分子低共熔溶剂，备用。

5wt％硝酸溶液的配制：准确吸取5mL硝酸(优级纯)，置于含50mL超纯水的容量瓶中，定容混匀至100mL。

配制铜、锌、铁、锰四种微量元素的标准混合溶液：按表3配制标准系列溶液所需储备液量所列铜、锌、铁、锰的体积精确吸取各元素标准储备液(浓度1000μg/mL，国家标物中心购买的单标)，置于100mL容量瓶中，用5wt％硝酸溶液准确定容，配制成1μg/mL的中间液，再按表3所列铜、锌、铁、锰的体积吸取中间液，配制成铜、锌、铁、锰的标准混合溶液。将得到的标准混合溶液转移到聚乙烯瓶中，放置在冷柜避光保存。

表3

按照表4铜、锌、铁、锰四种微量元素系列浓度梯度配制铜、锌、铁、锰四种微量元素的5个系列浓度梯度溶液，进行检测，根据所得数据绘制各元素的标准曲线图，由于ICP-OES的线性较宽，本方法线性较好，在0～5000μg/L范围内，相关系数达到0.999以上。

表4

绘制标准曲线后进样检测样品分析液，将所得结果与各个元素的标准曲线比对，得到待测液浓度。

本实施例采用的食用油为：新鲜大豆油(当地超市购买)和菜籽油(通过机械压榨得到)

萃取程序：通过超分子低共熔溶剂-分散液液微萃取技术取提取食用油中的铜、锌、铁和锰，使用10mL移液枪吸取10mL上述食用油，放入20mL透明离心管中，加入800μL超分子低共熔溶剂(萃取剂)和200μL的5wt％硝酸溶液(分散剂)，涡旋5min(整体为乳黄色)，在75℃条件下用恒温水浴锅加热20±2min，至油相和超分子低共熔溶剂相初步分层，然后离心分层(8000rpm，5min)，平稳后，立即用1000μL移液枪吸取下层混合富集相溶液0.2mL置于消化管内，加入8mL硝酸和2mL高氯酸进行微波消解，消解液最后用纯水定容至10mL，得到样品分析液，将样品分析液进样于电感耦合等离子体发射光谱系统进行元素分析，通过上述标准曲线计算样品溶液中微量元素的含量，萃取过程见图5。

检测结果：利用样品分析液中各元素含量、稀释倍数和样品中的水分含量计算上述食用油样品中的微量元素的含量，通过仪器自动计算，得到结果见表5。

表5

检出限和定量限的测定

根据3倍和10倍标准偏差计算检出限和定量限，计算方法：通过绘制的标准曲线后对空白基质重复检测，通过仪器计算出标准偏差，将3倍标准偏差换算成浓度为检出限，将10倍标准差换算成浓度为定量限，如表6所示。

表6

由表6可知，通过本发明提供的超分子低共熔溶剂-分散液液微萃取技术联合电感耦合等离子体发射光谱仪测定植物油中铜、锌、铁和锰四种微量元素，检出限为0.98～4.50μg/L，定量限为3.23～14.85μg/L。本发明通过加入少量超分子低共熔溶剂富集油样中微量元素，同时加入微量的5wt％硝酸溶液可以降低超分子低共熔溶剂的黏度，去除消解程序对食用油的冷消解过程，简化了操作步骤，同时避免了对食用油的直接消解，所建立方法的富集因子(萃取前样品浓度除以萃取后萃取相浓度)为10，且具有较好的灵敏度和较低的检出限。

通过加标回收测定回收率和精密度

分别将10mL的新鲜大豆油和菜籽油样品转移到离心管中，按照表7所示，分别加入低中高三个浓度的铜、锌、锰和铁标准混合溶液，并按照上述萃取程序进行操作，每个浓度各测三次计算平均值，得到平均回收率，结果见表7。

表7

由表7可知，铜、锌、锰元素的回收率在99.1％以上，铁元素最高为64.2％。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。