微升级别立体光刻技术实现功能性萃取吸附剂的高分辨率3D打印

《Analytical Chemistry》：Microliter-Scale Stereolithography Enables High-Resolution 3D Printing of Functional Extraction Sorbents

　　

尽管立体光刻（stereolithography, SLA）平台在分析科学领域具有革命性潜力，但传统SLA平台所需的大体积树脂需求仍然是新型材料开发的重要障碍。本研究报告了一种对SLA 3D打印系统的变革性改进，使得研究人员能够使用低至150 μL的预聚物体积制造小直径萃取吸附剂。研究人员比较了SLA与液晶显示（liquid crystal display, LCD）打印机在打印基于离子液体（ionic liquid, IL）和深共晶溶剂（deep eutectic solvent, DES）混合物时的性能，包括打印成功率和预聚物混合物的可重复使用性。SLA方法在不同直径的萃取吸附剂上表现出更高的打印成功率，这些吸附剂被用作固相微萃取（solid-phase microextraction, SPME）纤维。研究人员测定了打印件的物理化学性质及其表征，包括直径和质量的测量，以及热重分析。所得聚合物离子液体（polymeric IL, PIL）纤维被应用于从水样中提取15种分析物，包括萜烯、多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）和烷基酚，随后通过气相色谱-质谱联用（gas chromatography–mass spectrometry, GC–MS）进行直接热解吸分析。研究人员对IL含量、SPME纤维直径和萃取动力学进行了萃取优化研究。该方法在萜烯萃取验证中表现出优异的线性（R² > 0.967），检测限（limits of detection, LOD）和定量限（limits of quantification, LOQ）分别为0.05–1.3 μg L^–1和0.2–4 μg L^–1。此外，对三根打印纤维的统计分析确认了高度的纤维间重现性，其萃取效率无显著差异。

**研究背景与问题提出**

分析化学领域近年来越来越多地采纳绿色分析化学（green analytical chemistry, GAC）的原则，致力于发展更安全、减少废物产生并降低整体能耗的可持续方法。将GAC整合到样品制备方法中，同时不断提升其分析性能并与色谱及质谱工作流程相结合，推动了"更绿色"微萃取策略的发展。与传统液液萃取和固相萃取方法相比，微萃取方法减少了样品和有机溶剂的用量，同时消除了有毒物质的使用。在各种微萃取形式中，基于吸附剂的技术包括固相微萃取（SPME）、管内固相微萃取（in-tube solid phase microextraction, IT-SPME）、薄膜微萃取（thin-film microextraction, TFME）和搅拌棒吸附萃取（stir bar sorptive extraction, SBSE）近年来取得了巨大进展。这些方法通常涉及将少量吸附剂材料置于合适的支撑体上，使其暴露于样品中以促进分析物的预浓缩和分离。这些配置的多样性主要旨在增加吸附剂的表面积与体积比，从而提高目标分析物的萃取效率。因此，能够制造具有新型构型吸附剂的方法可以改善萃取方法的速度、选择性和整体效率。

自20世纪80年代增材制造问世以来，3D打印在科学与工程领域以及分析化学中引起了显著关注。其卓越的精度和重现性使得复杂三维模型的快速原型制作成为可能，提供了卓越的定制化潜力。虽然存在多种3D打印方法，但材料挤出和桶式光聚合因其商业可及性和低成本而被广泛采用。熔融沉积建模（fused deposition modeling, FDM）通过加热和挤出固体热塑性丝材以逐层方式构建3D打印物体。相比之下，桶式光聚合方法通过紫外光引发的光化学固化液体树脂来生产高质量表面的物体。在这类打印机中，立体光刻（SLA）打印机使用聚焦紫外激光逐点追踪和固化截面几何形状，确保高精度，其打印分辨率由激光光斑尺寸决定。相反，数字光处理（digital light processing, DLP）和液晶显示（LCD）打印机通过同时固化整层来实现更快速的物体制造。DLP利用数字微镜装置投影层图像，而LCD则依靠液晶面板掩蔽光源，其分辨率由像素尺寸控制。近期3D打印的进步通过生产具有定制几何形状的高重现性吸附剂彻底改变了样品制备技术，这些几何形状通常难以实现或耗时较长。此外，使用专用打印材料可以制造具有增强萃取选择性和容量以及机械稳定性的吸附剂。

在FDM中，通常采用具有固有萃取能力的聚合物或改性有吸附剂颗粒的热塑性复合材料。在桶式光聚合中，则通过将萃取吸附剂混合到商业光固化树脂中，或者将光聚合萃取材料直接配制成树脂混合物来实现。为了拓展桶式3D打印的应用，开发适合用作树脂的新型光聚合材料继续受到广泛关注。值得注意的是，创建高度可调和可光聚合"更绿色"材料的努力导致了对离子液体（IL）和深共晶溶剂（DES）日益增长的兴趣。IL是由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的熔融盐。类似地，DES是通过以特定摩尔比组合至少两种组分（通常是氢键受体和氢键供体）形成的液体。IL和DES均提供卓越的化学可调性，使其成为设计具有不同形状和尺寸的高度选择性萃取吸附剂的理想候选材料。尽管这些溶剂通过桶式3D打印的光聚合最近已被证实，但它们在样品制备中的应用仍然很大程度上未被探索。将IL和DES固有的化学可调性与增材制造的空间精度相结合，为制造定制化和高度选择性的萃取吸附剂提供了一种强有力的策略。

商业桶式聚合打印机的一个主要局限性是所需预聚物混合物体积较大（约100 mL），这往往导致大量浪费并增加实验室规模开发新型可打印材料的成本。为解决此问题，近期一项研究引入了使用改进构建板和树脂槽的LCD 3D打印机简单改进方法，使其仅需几毫升预聚物混合物即可打印。虽然该方法显著降低了所需树脂体积至几毫升，但其分辨率有限，且未能展示极小几何尺寸物体的制造。此外，预聚物混合物只能在单一打印周期中使用，导致更多浪费。最后，对关键打印参数（如树脂温度）缺乏控制，进一步限制了其对温度敏感混合物的适用性，并可能显著损害某些打印方法的重现性。因此，一种能够在改善打印条件用户控制的同时，实现小直径物体制造并最小化预聚物混合物体积的3D打印改进方法仍然是关键需求。

**研究开展与主要结论**

本研究中，研究人员展示了对SLA打印机的改进，使得使用低至150 μL的预聚物体积即可制造直径仅为几百微米的圆柱形萃取吸附剂。为证明该改进在样品制备和吸附剂制造中的适用性，研究人员使用IL和DES作为可聚合单体打印聚合物IL（PIL）和聚合物DES（PDES）吸附剂材料，制造了与传统SPME纤维尺寸相似的圆柱形吸附剂。改进后的SLA系统与改进的LCD打印机在打印成功率、树脂可重复使用性和整体打印分辨率方面进行了比较。所得的3D打印PIL吸附剂被应用于从水样中萃取萜烯、多环芳烃（PAHs）和烷基酚。为促进其分析，研究人员使用定制接口实现了3D打印纤维在气相色谱仪（GC）进样口内的直接热解吸，从而简化了3D打印SPME与GC-MS分析的耦合。为利用增材制造固有的可定制性，研究人员打印并测试了不同直径的纤维，以评估几何形状对萃取性能的影响。

研究人员对比了改进后的SLA和LCD打印系统在制造PIL和PDES吸附剂方面的性能。比较模型设计为圆柱形以模拟商业SPME纤维的几何形状。设计了四种标称直径（0.3、0.5、0.7和0.9 mm），每种固定长度为15 mm，以评估打印分辨率和不同预聚物混合物的最小可打印直径（即打印机阈值）。在比较中发现，SLA系统为两种预聚物混合物系统均提供了明显高于LCD系统的打印成功率。在所有混合物中，Form 3+打印机的打印成功率为69-100%（平均92%），而LCD打印机的成功率范围为0-60%（平均29%）。在预聚物混合物重复利用性方面，到第三个连续打印周期时，SLA平台仍保持高达92%的整体成功率，而LCD平台则出现显著下降，成功率低于15%。SLA打印机的优越性能源于其激光追踪聚合方式与LCD投影掩模曝光方式的本质差异，以及Form 3+打印机内置温控系统提供的更可控热环境。

研究人员对打印的PIL和PDES纤维进行了热稳定性评估。热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）结果显示，PDES纤维的热稳定性低于PIL纤维。在PIL纤维中，含有[NTf₂^–]阴离子的吸附剂比含有[Br^–]阴离子的吸附剂表现出更高的热稳定性。基于热稳定性考虑，研究人员选择由[HVIM⁺][NTf₂^–] IL混合物制造的PIL吸附剂进行后续分析研究和GC应用。

研究人员将3D打印纤维集成到改进的吸附剂笔中。该改进吸附剂笔提供圆柱形外壳，可容纳直径达约4 mm、长度约15 mm的吸附剂。将吸附剂置于笔内可最大程度减少顶空采样期间与溶液的接触，以及在GC进样口内插入和缩回期间与进样口壁和隔垫的接触，从而通过防止损坏显著延长吸附剂的使用寿命。空白萃取对照实验证实，不含纤维的改进笔对大多数分析物的萃取可忽略不计。

研究人员评估了IL含量对纤维可打印性和吸附剂物理化学性质的影响。四种预聚物混合物（IL-2A、IL-2B、IL-2C和IL-2D）的IL含量范围为55-97%（w/w）。不含交联剂的IL-2A混合物未能成功打印，而含交联剂的IL-2B、IL-2C和IL-2D均成功打印，表明交联对可打印性的重要性。交联剂含量的增加被发现提高了打印成功率，但也增加了打印纤维的直径和质量。热稳定性分析表明，较高IL分数（即较少交联剂含量）的吸附剂具有更大的热稳定性。综合考虑打印成功率、萃取效率和热稳定性，选择由IL-2B混合物（含85% IL和12%交联剂）打印的PIL纤维用于后续优化研究。

研究人员还评估了纤维直径对萃取性能和热解吸过程中分析物残留的影响。增加吸附剂质量可提高大多数萜烯的响应，但对更疏水、挥发性更低的分析物如PAHs和烷基酚的响应基本不变。较大直径的吸附剂表现出更高的分析物残留。为在萃取性能和残留之间取得平衡，选择直径为0.5 mm的吸附剂用于后续验证研究。

萃取动力学评估显示，萜烯的萃取效率在12小时内增加，随后趋于平稳。一些萜烯在萃取时间延长至48小时时出现效率下降，可能是由于长时间萃取过程中的分析物损失。大多数PAHs和烷基酚在48小时内未达到平衡。研究人员选择12小时作为最佳萃取时间。

方法验证结果表明，所有分析物均具有良好的线性，相关系数范围为0.967-0.993。LOD范围为0.05-1.3 μg L^–1，LOQ范围为0.2-4 μg L^–1。三根打印纤维的统计方差分析表明，对于大多数分析物，计算得到的F值低于临界F值，表明三根纤维之间不存在统计学上显著的萃取效率差异，证明了可接受的吸附剂间重现性。

研究人员评估了3D打印吸附剂的可重复使用性和纤维寿命。由于使用改进的VASE系统将每根3D打印纤维置于改进吸附剂笔内，减少了纤维与外部组件（包括GC进样口和隔垫）的直接机械接触，从而最大程度降低了纤维损坏或断裂的风险。在整个方法开发、优化和验证过程中，各种直径的测试纤维均未发生断裂。优化PIL配方的高热稳定性防止了GC-MS分析过程中的聚合物降解。

在实际样品分析中，研究人员对商业玫瑰水和橙花水进行了萜烯检测。成功检测到玫瑰水样品中的萜品烯、芳樟醇、4-萜品醇和香叶醇，以及橙花水中的萜品烯、芳樟醇、4-萜品醇和香叶醇。通过加标回收率评估方法准确性，所有回收率均在81%至118%范围内。

研究人员还将3D打印PIL吸附剂与商业85 μm聚丙烯酸酯（polyacrylate, PA）纤维进行了比较。PIL纤维表现出显著增强的萃取容量，与商业PA纤维相比，萜品烯和丁香酚的峰面积分别增加了522.8%和591.0%。这种高萃取效率可能归因于[HVIM⁺][NTf₂^–] IL单体提供的强疏水性、分散相互作用、氢键以及咪唑环与芳香分析物之间的π-π相互作用，同时更高的吸附剂质量也作出了贡献。

**研究讨论与结论**

本研究报告了对SLA 3D打印平台的成功改进，使得使用低至150 μL的预聚物体积即可制造小直径3D打印纤维。通过集成定制加工的铝制构建板和微型树脂槽，预聚物混合物的所需体积显著降低。使用该改进方法，研究人员从IL和DES基预聚物混合物中打印出各种直径的纤维。与LCD 3D打印机相比，改进的SLA平台在所有检测的预聚物混合物中提供了更高的打印成功率。研究人员研究了3D打印PIL纤维对萜烯、PAHs和烷基酚的萃取效率，随后进行热解吸和GC-MS分析。

本研究描述的打印机改进对于开发具有高分析性能的3D打印纤维至关重要，并显著扩展了其在样品制备中的应用。此外，它降低了开发新吸附剂材料的成本并减少了浪费，从而与绿色化学原则保持一致。尽管本研究利用基于IL和DES的混合物打印圆柱形模型以验证该改进，但该平台可以轻松适应各种其他光聚合材料和复杂的3D几何形状。在已建立PIL基吸附剂萃取性能的基础上，未来的工作将侧重于利用多种IL和DES的高度化学可调性来设计高选择性吸附剂，同时评估更广泛的打印模型。具体而言，探索不同的打印分辨率和其它类型的桶式光聚合（如DLP）可以提供更全面的理解，并为使用3D打印制造吸附剂带来许多其他优势。最后，后续研究将解决本研究中未涉及的环境和建模参数，如湿度和复杂吸附剂形式因子对打印成功率的影响。通过弥合增材制造与样品制备之间的差距，本研究为3D打印微萃取吸附剂在分析化学中的更常规应用铺平了道路。