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第3章萃取

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第3章萃取nullnull第三章 萃取分离 (Extraction separation) 萃取分离是指将样品中的目标化合物选择性地转移到互不相溶的另一相,从而使其与其它共存物质相互分离的一种方法 null萃 取 方 法 分 类液液萃取--LLE 双水相萃取--ATPE 固定相萃取--SPE 超临界萃取--SFE 反胶团萃取--RME 凝胶萃取--GE 微波萃取--MAE 固相微萃取—SPME 快速溶剂萃取ASE 其他液液萃取分离法 (一)基本原理 液液萃取分离法 (...

第3章萃取
nullnull第三章 萃取分离 (Extraction separation) 萃取分离是指将样品中的目标化合物选择性地转移到互不相溶的另一相,从而使其与其它共存物质相互分离的一种方法 null萃 取 方 法 分 类液液萃取--LLE 双水相萃取--ATPE 固定相萃取--SPE 超临界萃取--SFE 反胶团萃取--RME 凝胶萃取--GE 微波萃取--MAE 固相微萃取—SPME 快速溶剂萃取ASE 其他液液萃取分离法 (一)基本原理 液液萃取分离法 (一)基本原理 液液萃取分离法又称溶剂萃取分离(solvent extraction)法,简称萃取分离法,利用互不相溶的两个液相进行萃取的方法。 通常一相是水相,另一相是有机溶剂,即在被分离物质的水溶液中,加入与水互不混溶的有机溶剂,借助于萃取剂的作用,使一种或几种组分进入有机相,而另一些组分仍留在水相中,从而达到分离的目的。 萃取过程的本质:将物质由亲水性转化为疏水性,最终达到分离的过程。溶剂萃取的优缺点溶剂萃取的优缺点优点:仪器设备简单,操作方便。 分离选择性高。 应用范围广(无机和有机物;常量和微量组分)。 处理量大,适于工业分离,易于连续自动操作。 缺点:有机溶剂易挥发,多对人体有害。 手工操作比较麻烦,费时。 分离效率不高(比LC小2-3个数量级)。 null(二) 基本概念 1.亲水性物质:易溶于水而难溶于有机溶剂的物质 疏水性或亲油性物质:难溶于水而易溶于有机溶剂的物质 2 . 萃取和反萃取:是一对矛盾的两个方面,既然可以制造一定的条件使物质由亲水性向疏水性转化,进行萃取;同样地,创造另一个条件,就可以使物质由疏水性向亲水性转化,进行 “反萃取” 3. 萃取溶剂:是指构成有机相的不与水相混溶的液体,它将水中的疏水性物质溶解在其中 萃取剂是指与亲水性物质发生化学反应,生成可被萃取的疏水性物质的试剂。 null(三)基本参数 1. 分配系数KD 设水相中有某A,加入有机溶剂并使两相充分接触后,A在两相中进行分配,并在一段时间后达到动态平衡。 (A)H2O  (A)org 当温度和离子强度一定时,A在两相中的平衡浓度之比为常数,定义为分配系数: KD= [A]有/[A]水 null 2. 分配比D 当溶质在某一相或两相中发生离解,缔合,配位或离子聚集现象时,同一溶质在同一相中就可能存在多种形态。同一物质的每种形态在两相中的分配系数都不一样。故分配比定义为某种物质在两相之间各形态总浓度的比值。 D=CA(有)/CA(水) 式中CA(有)为A在有机相中的总浓度 CA(水)为A在水相中的总浓度 分配比不一定是常数,随实验条件(pH,萃取剂,溶剂,盐析剂等)而变化。 当溶质在两相中只有一种形态时,D=KDnull3. 萃取率 衡量萃取效果的一个重要指标 ① E= 对于一次萃取: ② E= 可见:E的大小取决于分配比和相比(两相体积比)null③ 经过n次萃取后,水相中剩余A质量仅为mn, 则 mn = 4. 分离系数 表示A、B两组分在萃取中被分离的情况: 当DA和DB比较接近时,分离系数β接近于1,表明A、B两组分难以通过萃取分离。反之,DA和DB相差越大,二者被分离的程度越好。m0为水相中A的最初浓度,即总浓度null(四) 重要的萃取体系 中性配合萃取体系(简单分子萃取体系) 螯合物萃取体系 (丁二酮肟,双硫腙等) 离子缔合物萃取体系 (金属络阳离子+阴离子, 金属络阴离子+碱性染料,金属络阴离子+高分子胺) 三元络合萃取体系 溶剂化合物萃取体系 (金羊盐萃取,磷酸三丁酯) 协同萃取体系 (两种以上萃取剂) 1. 中性配合萃取体系1. 中性配合萃取体系特点 被萃取物在水相中以中性分子形式存在 萃取剂也是中性分子(含有适当配位基团) 被萃取物与萃取剂形成中性配合物 例 TBP-煤油体系从硝酸溶液中萃取硝酸铀酰 被萃取物形式:UO2(NO3) 2 (铀的其他形态如UO22+, UO2NO3+等不被萃取) 萃取剂:TBP(磷酸三丁酯) 中性配合物: UO2(NO3) 2·2TBP null中性配合萃取剂 中性含磷萃取剂: 磷酸酯;膦酸酯;次膦酸酯;膦氧化物;焦磷酸酯;膦的有机衍生物 中性含氧萃取剂: 酮,酯,醇,醚等,如MIBK(甲基异丁基酮) 中性含硫萃取剂: 亚砜,硫醚 含氮中性萃取剂:吡啶等。 null中性配合萃取举例 萃取强酸:非极性溶剂可以萃取近乎中性分子的弱酸,但不能萃取强酸;极性溶剂(醇,醚,酮,酯)可以萃取强酸。 如醚萃取硝酸: H+ + NO3- + E  HNO3·E 或者 H+ + NO3- + H2O + E  HNO3·H2O·E 有机相中溶剂化的H+与溶剂或水分子要形成氢键。 萃取金属离子 UO22+ + 2NO3- + 2TBP  UO2(NO3)2·2TBP2. 冠(穴)醚萃取体系2. 冠(穴)醚萃取体系金属阳离子与冠(穴)醚中的杂原子(O,N,S,P等)靠静电相互作用形成配合物后进入有机相。 配合物的稳定性与冠(穴)醚的空穴直径,冠(穴)醚环上杂原子种类、数目和空间排列,环上取代基,金属离子的体积和电荷,溶剂性质等有关。 穴醚因具有两个以上环,为三维结构化合物,其球形空穴对金属离子的配合能力比单环的冠醚要大得多。 冠(穴)醚的亲水杂原子向内侧,外侧是疏水-CH2-CH2-基,因而使萃取配合物在有机相溶解性增加。穴醚[2,2,2]与金属离子的配合反应 穴醚[2,2,2]与金属离子的配合反应 3. 溶剂化合物萃取体系3. 溶剂化合物萃取体系以乙醚萃取6M盐酸水溶液中的Fe3+为例 (1) 水相中被萃取金属离子Fe3+与适当的阴离子Cl-结合形成配阴离子 Fe3+ + 4 Cl-  FeCl4- (2) 含氧萃取剂与进入有机相的水合H+结合形成金金羊盐阳离子 R-O-R(org) + H+ + Cl-  R2OH+ (org) + Cl- (3) 金属配阴离子与萃取剂金羊盐阳离子缔合生成金羊盐 R2OH+ (org) + FeCl4-  R2OH+· FeCl4- (五)影响萃取的各种因素(五)影响萃取的各种因素1. 萃取剂浓度的影响 自由(游离)萃取剂浓度增加,分配系数上升。 自由萃取剂浓度指有机相中未参与形成萃合物的萃取剂浓度。 浓度高到一定程度后会出现活度系数降低的趋势。 2. 酸度的影响 不同萃取体系中酸度的影响不同。 3. 金属离子浓度的影响 null4. 盐析剂的影响 盐析现象:在萃取中,向水相中加入另一种无机盐使得金属分配系数上升的现象。所加无机盐称盐析剂。 盐析剂往往含有与被萃物相同的阴离子,加入盐析剂将产生同离子效应,使分配系数上升。 由于盐析剂的水合作用,使得水相中的一部分水成了它们的水合水,从而降低了自由水的浓度。同时也就提高了金属离子的活度,使分配系数提高。 null(六) 萃取分离技术方式 在实验室中进行萃取分离主要有以下三种方式 a. 单级萃取又称间歇萃取法  通常用60一125mL的梨形分液漏斗进行萃取,萃取一般在几分种内可达到平衡,分析多采用这种方式。 b.多级萃取又称错流萃取  将水相固定,多次用新鲜的有机相进行萃取,提高分离效果。 c. 连续萃取  使溶剂得到循环使用,用于待分离组分的分配比不高的情况。这种萃取方式常用于植物中有效成分的提取及中药成分的提取研究。萃取时间,一般从30s到数分钟不等。 null双水相萃取 (Agueous two phase extraction,ATPE) ATPE被认为是生物下游工程中一种极有前途的初级分离单元操作。大部分生物制品的原液是低浓度和有生物活性的,需要在低温或室温条件下进行富集、分离,因而常规的萃取技术在这些领域中的应用受到限制。双水相体系就是考虑到这种现状,基于液液萃取理论同时考虑保持生物活性所开发的一种新型的萃取分离技术。该技术对于生物物质的分离和纯化表现出特有的优点和独有的技术优势。在固液分离中---细胞碎片和胞内蛋白质的分离等方面,显示了极大的优越性和发展潜力。 60年代瑞典学者Alberttson提出了双水相萃取技术. null(一) ATPE的发展历史 1896年Beijerinek将琼脂和可溶性淀粉混合时发现了双水相现象. 60年代瑞典学者Alberttson提出了双水相萃取技术. 70年代中联邦德国的Kula MR等人首先将双水相体系用于从细胞匀浆液中提取酶和蛋白,大大改善了胞内酶的提取过程. 目前,双水相萃取技术已实现了细胞器、细胞膜、病毒等多种生物体和生物组织以及蛋白质、酶、核酸、多糖、生长素等大分子生物物质的分离与纯化. 90年代以后对用ATPE技术分离抗生素,氨基酸,甚至废水中放射性元素的生物小分子进行研究,显示出很好的应用前景.null(二)双水相现象 当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一水时,由于聚合物之间或聚合物与盐之间的不相容性,当聚合物或无机盐浓度达到一定值时,就会分成不互溶的两相。因使用的溶剂是水,因此称为双水相。 C点为临界点或褶点。曲线TCB称为结线,直线TMB称为系线。结线上方是2相区,下方为单相区。所以组成在系线上的点,分为2相后,其上下相组成分别为B和T,B、T量的多少服从相图的杠杆定律。null(三)双水相萃取 (ATPE)原理 一种或几种物质在水中以适当的浓度溶解,在一定条件下形成互不相溶的水溶液系统。通过溶质在两水相之间分配系数的差异而进行萃取的技术称为双水相萃取技术,也称为水溶液两相分配技术。双水相萃取与水-有机相萃取的原理相似,都是依据物质在两相间的选择性分配。当萃取体系的性质不同时,物质进入双水相系后,由于表面性质、电荷作用和各种力(如憎水键、氢键和离子键等) 的存在和环境因素的影响,使其在上、下相中的浓度不同。 null生物物质在双水相体系中的分配 生物样品的复杂性 分配机理的复杂性 包括可溶物(蛋白质、核酸)、悬浮颗粒(细胞或细胞器); 各种物质的大小、形状和性质不同; 存在形式不同(离解状态、聚集状态) 分配机理的解释 界面张力作用 电位差作用(Donnan效应) null界面张力作用 微小粒子在液体中由于热运动而随机分布,界面张力的影响使它呈不均匀分布,并聚集在双水相体系中具有较低能量的一相中。 电位差作用 带电大分子(粒子)在两相中分配时,会在两相产生电位—Donnan效应。Donnan效应使得某些物质选择性地通过Donnan膜,即某种(类)物质在某相富集。 null 几类双水相体系 聚合物-聚合物-水: 聚丙稀乙二醇-甲氧基聚乙二醇 聚乙二醇-聚乙烯醇 高分子电解质-聚合物-水: 硫酸葡聚糖钠盐-聚丙稀乙二醇 羧甲基葡聚糖钠盐-甲基纤维素 高分子电解质-高分子电解质-水: 硫酸葡聚糖钠盐-羧甲基纤维素钠盐 硫酸葡聚糖钠盐-羧甲基葡聚糖钠盐 聚合物-低分子量组分-水: 聚丙稀乙二醇-磷酸钾 甲氧基聚乙二醇-磷酸钾 聚丙稀乙二醇-葡萄糖 表面活性剂-表面活性剂-水:null葡聚糖-甲基纤维素双水相体系 等体积的2.2%葡聚糖与0.72%的甲基纤维素的水溶液形成的双水相体系 上相: 0.39%葡聚糖 0.65%甲基纤维素 98.96%水下相: 1.58%葡聚糖 0.15%甲基纤维素 98.27%水null(四)影响溶质分配行为及萃取效率的主要参数聚合物的分子量 成相溶液的浓度 pH 无机盐种类及浓度,离子环境 温度 null(五)双水相萃取优点 这两相中水分都占很大比例(85%一95%),加上相界面张力极低,活性蛋白或细胞在这种环境中不易失活。 两相的界面张力小,因此两相易分散,双水相系统之间的传质和平衡过程速度快。 不存在有机溶剂残留问题,高聚物一般是不挥发性物质,因而操作环境对人体无害。 操作条件温和,整个操作过程在常温常压下进行。 易于放大,这是其他过程无法比拟的。 影响双水相体系的因素比较复杂,从某种意义上说,可以采取多种手段来提高选择性或提高收率。 易于进行连续化操作。 两相的相比随操作条件而变化。(六)方法研究进展及应用(六)方法研究进展及应用 最早模式非离子型聚合物--非离子型聚合物--水系统非离子型聚合物--无机盐--水系统发展方向新型双水相体系新型功能双水相系统廉价的双水相系统与物理场作用、其他分离技术和生物过程的集成null双水相萃取体系的应用 例如酶、核酸、生长激素、病毒等生物物质的分离纯化 1. 目标酶进入富PEG上相; 2. 富PEG上相中加盐后形成新双水相,目标酶进入上相。 3. 富PEG上相中加盐后形成新双水相,目标酶进入下相。 破碎的细胞  PEG/磷酸盐 下相: 上相产物:目标蛋白质 细胞碎片、杂蛋 白、核酸、多糖 形成PEG/磷酸盐体系 下相:核酸、 杂蛋白、多糖 形成PEG/磷酸盐体系 +盐+盐上相产物:目标酶下相:目标酶 上相:PEG,蛋白质nullnull参考文献 1.微生物胞内产物分离的新方法,工业微生物,1994,24(1),33 2.双水相萃取技术研究新进展,现代化工,2004,24(6),22 3.双水相萃取技术研究进展及应用, 化工生产与技术,2003,10(1),19 4 双水相萃取体系的研究,应用化学,2001,18(3),173 5 双水相萃取技术在分离提纯生物物质中的应用,江西化工,2002,(2),3 6 双水相萃取技术的研究进展,东北师大学报,2000,32(3),34 7 双水相萃取技术在植物SOD 提取纯化中的应用,中国食物与营养, 2008, (6), 43 null三 固相萃取 (SPE-solid phase extraction) 七十年代后期,出现了以固体物质作为萃取剂的化学分离和纯化的方法,即固相萃取 null(一)固相萃取的原理 固相萃取是一个包括液相和固相的物理萃取过程。在固相萃取中,固相对分离物的吸附力比溶解分离物的溶剂更大。当样品溶液通过吸附剂床时,分离物浓缩在其表面,其他样品成分通过吸附剂床;通过只吸附分离物而不吸附其他样品成分的吸附剂,可以得到高纯度和浓缩的分离物。 null一个样品包括分离物 和干扰物通过吸附剂;(2) 吸附剂选择性的保留 分离物和一些干扰物, 其他干扰物通过吸附 剂;(3) 用适当的溶剂淋洗吸 附剂,使先前保留的 干扰物选择性的淋洗 掉,分离物保留在吸 附剂床上;(4) 纯化、浓缩的分离物 从吸附剂上淋洗下来。(二) 固相萃取过程 null(三) 固相萃取的类型 固相萃取技术经过二十多年的发展,主要有以下类型: 石墨碳(反相)SPE 离子交换树脂SPE 金属配合物吸附剂SPE 键合硅胶SPE 聚合物吸附剂SPE 免疫亲和吸附剂SPE 分子嵌入聚合物SPEnull(四)固相萃取剂的选择原则分子印迹聚合物固相萃取 (molecularly imprinted solid-phase extraction,MISPE) 分子印迹聚合物固相萃取 (molecularly imprinted solid-phase extraction,MISPE)   分子印迹技术(molecular imprinting technique,MIT) 是在“抗原-抗体”作用学说以及“专一性吸附”理论的启发下建立起来的,是指制备对某一特定目标分子(模板分子、印迹分子或烙印分子) 具有特异选择性的聚合物的过程,由此制备的聚合物被称为分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymers ,MIPs)。与传统的分离或分析介质相比,MIPs 的突出特点是对被分离物具有高度选择性,此外,还具有稳定的物理化学特性和机械性能,能耐高温、高压;抵抗酸、碱、高浓度离子及有机溶剂的作用,并可以反复使用。因此,MIPs 在固相萃取领域具有较大的应用潜力 null MIPs 制备的基本原理是,在适当的溶剂中,经交联剂作用,模板分子与一种或几种功能单体形成含有模板分子的聚合物母体,然后通过物理或化学途径除去母体中的模板分子, 最终得到分子印迹聚合物(MIPs).根据模板分子与单体结合方式的不同,印迹技术可分为非共价法、共价法和半共价法。非共价法中,MIPs 的合成和识别都依赖于模板分子与功能单体间的非共价键(氢键、静电引力、金属螯合作用、电荷移动、输水作用、范德华力等) ;在共价法中,模板分子与功能单体之间形成的是可逆共价键。共价法制备的MIPs 选择性好,但可逆化学反应种类有限、印迹过程复杂,而且MIPs 识别速度慢,限制了其普遍适用性。参考文献参考文献1. 固相萃取法固定相的选择原则,大连轻工业学院学报,1996,(4) 2. 分子印迹聚合物及其在固相萃取中的应用,中国海洋大学学报,2008,38(3),237 超临界萃取 (Super Critical Fluid Extraction, SFE) 超临界萃取 (Super Critical Fluid Extraction, SFE) 超临界萃取是以某一介质作为萃取剂 , 在其临界温度和临界压力的条件下, 从液体或固体物料中萃取出待分离的组分的一种方法null(一) 超临界萃取产生历史  1943 年Messmore报道了采用超临界萃取技术从石油中脱沥青的专利, 奠定了超临界萃取技术应用的基础. 1978 年德国Hag建立了世界上第一套用于脱除咖啡豆中咖啡因的工业化SFE 装置。 1979年Paul和Wise出版了《气体萃取原理》一书 null(二) 超临界流体 超临界流体(Super Critical Fluid, 简称SCF) :是物质处于其临界点(Tc、Pc)以上状态时所呈现的一种高压、高密度流体,此时, 该物质成为既非液态又非气态的单一相, 称为超临界流体。SCF 的相区在图的右上方, 气体不再因压缩而液化 null(三) 超临界流体物理特性及其萃取原理 物理特性 超临界流体由于接近液体的密度使之具有较高溶解度 , 由于接近气体的粘度 , 使之具有良好的流动性能 , 扩散系数介于气液之间 , 使之对待萃取的物料组织有良好的渗透性, 这些特征大大提高 了溶质进入超临界流体的传质速率。 超临界流体对萃取成分的溶解 度与压力密切相关 , 随着压力的增加 , 流体气相密度迅速增加 , 当 压力稍大于临界压力时 , 溶质在超临界流体中的溶解度急剧增加 , 这样可将溶质萃取出来 ; 反之 , 当压力下降时 , 溶解度随之急剧降 低 , 这样可将溶质从超临界流体中分离出来。当然通过提高超临界 流体温度 , 也可使流体密度降低 , 使得溶质的溶解度下降从而使溶 质分离出来。 null萃取分离的基本原理 超临界流体萃取分离过程是利用超临界流体的溶解能力与其密度和介电常数的关系,即利用压力和温度对超临界流体的渗透性和溶解能力的影响而进行的。将超临界流体与待分离的物质接触,使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和相对分子质量大小的成分萃取出来;然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体,被萃取物质则自动完全析出或基本析出,从而达到分离提纯的目的。将萃取分离两过程合为一体,这就是超临界流体萃取分离的基本原理。 超临界萃取工艺有变压法和变温法两种 null(四)一些概念 夹带剂 在选择超临界萃取萃取剂时,使用单一气体时,溶解度或者选择性往往受到一定的限制,此时可选用与被萃取物亲合力强的组分加入超临界流体,以提高其对被萃取组分的选择性和溶解度,这类物质通常被称作夹带剂。 程序升压 按照事先设定的程序连续改变体系的压力达到连续改变溶剂的萃取选择性的目的,从而将不同极性的成分进行分步提取。 流体改性 常常指为了提高对某组分的溶解能力,而采用在萃取剂中加入改性剂使其极性类似被萃取组分的操作。 基体改性 常常指为了提高对某组分的溶解能力,而采用在样品中加入改性剂使其极性类似萃取剂的操作。null(五) 超临界流体萃取实质 超临界流体萃取过程介于蒸馏和液液萃取过程之间。可以这样设想,蒸馏出的物质在流动的气体中,利用不同的蒸气压进行蒸发分离;液液萃取是利用溶质在不同溶液中的溶解能力的差异进行分离;而超临界流体萃取是利用临界或超临界状态的流体,依靠被萃取的物质在不同的蒸汽压力下所具有的不同化学亲和力和溶解能力进行分离、纯化的单元操作,即此过程同时利用了蒸馏和萃取现象,蒸气压和相分离均起作用。 null( 六 ) 超临界流体萃取的特点 (1) 萃取过程在较低温度范围内进行 , 特别适用于具有热敏性或易氧化的成分。萃取介质通常选用二氧化碳 , 二氧化碳化学性质 稳定 , 无腐蚀性、无毒性、不易燃、不易爆 , 萃取后容易从分离成 分中脱除 , 不会造成污染 , 适用于食品和医药行业。 (2) 工艺条件容易控制 , 通过对温度和压力进行调节, 可以实现选择性萃取和分离。 (3) 萃取产物的理化性质保持良好 , 产品质量好, 且无溶剂残留问题 , 萃取介质循环利用 , 无环境污染问题。 (4) 超临界流体萃取需要冷媒和高压支持且生产量较小 , 操作成本大。null(七) CO2 超临界萃取 CO2 作为SCF 具有以下优点 (1)二氧化碳的临界温度为31.1℃,临界压力7.32MPa, 临界点容易达到; (2) 无毒、无色、无臭,容易去除; (3) 不燃爆, 使用安全; (4) 具有惰性性质,一般不与被萃取物质发生反应; (5) 价廉,容易制取和回收; (6) 不污染环境; (7) 具有抑菌效果。缺点:对非极性溶质的分离不很有效,可通过流体改性和基体改性来实现对其的萃取分离。null超临界 C02 萃取物的溶解特点 (1)  分子量大于 500 道尔顿的物质具有一定的溶解度。 (2) 中、低分子量的卤化碳、醛、酮、酯、醇、醚是非常易溶的。 (3) 低分子量、非极性的脂族烃 (20 碳以下 ) 及小分子的芳烃化合物是可溶的。 (4) 分子量很低的极性有机物 ( 如乙酸 ) 是可溶的 ,酰胺、氨基甲酸乙酯、偶氮染料的溶解性较差。 (5) 极性基团 ( 如羧基、羟基 ) 的增加通常会降低有机物的溶解性。 (6) 脂肪酸及其甘油三酯具有低的溶解性 , 但单酯化作用可增强脂肪酸的溶解性。 (7) 同系物中的溶解度随分子量的增加而降低。 (8) 氨基酸、果酸和大多数无机盐是不溶的。 null一些物质在液体CO2 中的溶解度 null参考文献 超临界流体萃取, 安徽化工,1995, (2), 19. 介绍原理特点及应用 超临界流体萃取技术的应用研究进展, 化工纵横,2003, 17(1), 7. 介绍应用 超临界流体萃取技术的研究进展, 华北工学院学报,1998, 19(3), 235. 介绍该技术特点应用及夹带剂选择原则 4 超临界流体萃取及其在我国的研究应用进展,化学进展,1999, 11(3), 227. 介绍理论研究 5 超临界流体萃取实验技术,分析仪器,1995,(1), 6. 介绍溶剂改性及不同萃取剂等控制选择性的因素 6 超临界CO2 萃取杏仁油的响应面优化,中国粮油学报,2008,23(1), 93. 响应面优化 null反胶团萃取 Reversed micelle extraction,RME (一)产生背景 传统的分离方法难应用于蛋白质的提取和分离, 原因在于大多数蛋白质不溶于非极性有机溶剂,且与有 机溶剂接触后会引起蛋白质的变性和失活。因此,寻找 高效且保持蛋白质高活性的分离方法是人们长期探索的 目标。 反胶团萃取(RME)就是在这一背景下(20世纪80年代中期)发展起来的。 null(二) 反胶团萃取原理 正向胶团(normal micelle) 是表面活性剂分子在极性溶剂, 如水中形成的一种亲水基团(头) 朝外,而疏水基团(尾) 朝内的具有非极性内核的多分子聚集体。洗涤剂中的表面活性剂分子在水中形成的就是这种胶团, 其非极性内核可以溶解各种油污。从而达到去污的效果。 与此相反, 表面活性剂在非极性溶剂如某些有机溶剂中就会形成亲水头向内和疏水尾向外的具有极性内核(polar core) 的多分子聚集体(aggregates) , 由于其表面活性剂的排列方向与一般的正向胶团相反, 因此, 称为反胶团。 null(三) 影响反胶团生物催化萃取的因素(文献1-3) 表面活性剂的种类及浓度 pH 助表面活性剂 温度的影响 null(四) 理论研究进展(文献3,4) 热力学研究:由于对引起蛋白质萃取前后系统自由能变化的认识不同,从而有不同的热力学模型。这些热力学模型都是在假设反胶团呈球形,每个反胶团内只能包埋一个蛋白质分子的前提下推导的。由于反胶团的细微结构及蛋白质与反胶团间相互作用的复杂性,至今为止,还没有一个一致公认的较为准确的热力学模型。 动力学研究:由于界面性质,分子质量的改变以及各因素之的相互依存的关系对动力学的影响还不是很清楚,因而增加了研究的难度。所以目前尚不能完全从理论上对过程的传质速率等进行预测。 null(五) 开发与应用(文献5-8) 反胶团萃取得到了大量的研究和开发,并显示了巨大的应用潜力。其最早被应用于蛋白质萃取,目前应用研究层出不穷:有蛋白质,核酸,酶,微纳米级高聚物的分离。 null参 考 文 献 [1] Shah C.Process Biochemisty,2000:971 [2] Maruenda Egea FC. Journal of Biotechnology,2002:159 [3] Naeo K. Biochemical Engineering Journal,2001,9:67 [4] Carva1ho CML. J. Biotechnology,2000:1 [5] Alexander S.Chemical physical letters, 2001:233 [6] 王少君,等. 大连轻工业学院学报,2001 ,12 :235 [7] 黄培,等. 高校化学工程学报,2002 ,4 (16) :119 [8] 王艳菊, 张喜梅,等. 化学工业与工程,2002 ,6 (19) :261 [9] 蛋白质分离纯化新技术—反胶团萃取, 粮食和油脂,2008,(8),1 null六 凝胶萃取 (Gel extraction, GE) (一)凝胶萃取的历史 Flodin于1960年首次提出用凝胶离心分离技术作为 浓缩高分子溶液的方法. Deteman用Sephadex凝胶浓缩了血红蛋白等聚合物. 1986年, Cussler较系统地阐述了凝胶萃取的概念, null(二) 凝胶萃取原理 Cussler等在1984年首次提出的新分离过程。该过程中使用的凝胶呈所谓的酸敏性、温敏性或电敏性,即凝胶的溶胀度可随环境pH或温度或外加电压的微小改变而大幅度变化。过程的基本步骤为:首先凝胶与溶液接触,吸收其中的溶剂而溶胀,溶质则受凝胶网络的排斥,在溶液相得以浓缩;将浓缩液与凝胶分离后略改变凝胶的环境温度、酸度或电位使其释放出吸收的大部分溶剂;最后将凝胶与释放液分离,凝胶可重复使用。 溶质分配和凝胶滞胀分别是影响凝胶萃取过程分离效率和能力的主要因素。 null(三) 凝胶的类型及影响因素 凝胶在外界条件影响下发生相变.根据外界条件的不同,可将凝胶分为温敏型,酸敏型和电敏型三类。 温敏型凝胶:特点是具有一个临界温度,即凝胶的温度上升或下降到此温度时,发生体积溶胀或皱缩。 酸敏型凝胶:一般而言,当溶液的pH值或电解质组份浓度发生变化时,对离子型凝胶相变有很大影响但对非离子型凝胶影响很小。 电敏型凝胶:某些离子型凝胶处于电场中可引起非连续可逆的体积变化。 null七 微波萃取 (Microwave Aided Extraction,MAE) (一)微波萃取(MAE)步骤 1986年首次报道(文献1) 准确称取一定量的待测样品置于微波制样杯内, 根据萃取物情况加入适量的萃取溶剂(不超过50mL )。按微波制样要求, 把装有样品的制样杯放到密封罐中, 然后把密封罐放到微波制样炉里。设置目标温度和萃取时间, 加热萃取直至加热结束。把制样罐冷却至室温, 取出制样杯, 过滤或离心分离, 制成可进行下一步测定的溶液。null (二) 微波萃取的原理 微波一般是指波长在1mm 到1m 范围(相对频率为300- 300000MHz) 的电磁波。 微波萃取的机理可从两方面考虑, 一方面微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质, 到达物料的内部维管束和腺胞系统。由于吸收微波能, 细胞内部温度迅速上升, 使其细胞内部压力超过细胞壁膨胀承受能力, 细胞破裂。细胞内有效成分自由流出, 在较低的温度条件下被萃取介质捕获并溶解。通过进一步过滤和分离, 便获得萃取物料。另一方面, 微波所产生的电磁场, 加速被萃取部分成分向萃取溶剂界面扩散速率, 用水作溶剂时, 在微波场下, 水分子高速转动成为激发态, 这是一种高能量不稳定状态,或者水分子汽化, 加强萃取组分的驱动力,或者水分子本身释放能量回到基态, 所释放的能量传递给其他物质分子, 加速其热运动, 缩短萃取组分的分子由物料内部扩散到萃取溶剂界面的时间, 从而使萃取速率提高数倍, 同时还降低了萃取温度, 最大限度保证萃取的质量。 null(三) 溶剂的选择 溶剂的极性对萃取效率有很大的影响。不同的基体,所使用的溶剂也完全不同。 从植物物料中萃取精油或其它有用物质,一般选用非极性溶剂。这是因为非极性溶剂介电常数小,对微波透明或部分透明,这样微波射线自由透过对微波透明的溶剂,到达植物物料的内部维管束和腺细胞内,细胞内温度突然升高,而且物料内的水分大部分是在维管束和腺细胞内,因此细胞内温度升高更快,而溶剂对微波是透明(或半透明) 的,受微波的影响小,温度较低。连续的高温使其内部压力超过细胞壁膨胀的能力,从而导致细胞破裂,细胞内的物质自由流出,传递转移至溶剂周围被溶解。 对于其它的固体或半固体试样,一般选用极性溶剂。这主要是因为极性溶剂能更好的吸收微波能,从而提高溶剂的活性,有利于使固体或半固体试样中的某些有机物成分或有机污染物与基体物质有效地分离。 null(四) 微波萃取技术的条件 微波萃取装置一般要求为带有控温附件的微波制样设备, 如CEM 公司的MA E1000 和O 1I1公司的7195 或7165 型微 波系统。 (2) 微波萃取用制样杯一般为聚四氟乙烯材料制成的样品杯。 (3) 微波萃取溶剂为具有极性的溶剂, 如乙醇、甲醇、丙酮 或水等。因非极性溶剂不吸收微波能, 所以不能用100%的非极性溶剂作微波萃取溶剂。一般可在非极性溶剂中加入一定比例的极性溶剂来使用, 如丙酮2环己烷(1∶1)。 (4) 实验要求: 在微波萃取中要控制溶剂温度使其不沸腾或在使用温度下不分解待测物。 null(五) 微波萃取与传统热萃取的区别   传统热萃取是以热传导、热辐射等方式由外向里进行, 而微波萃取是通过偶极子旋转和离子传导两种方式里外同时加热, 极性分子接受微波辐射的能量后, 通过分子偶极的每秒数十亿次的高速旋转产生热效应, 这种加热方式称为内加热(相对地, 把普通热传导和热对流的加热过程称为外加热)。与外加热方式相比, 内加热具有加热速度快、受热体系温度均匀等特点。通过比较发现在索氏萃取、超声萃取、超临界萃取(SFE)和微波帮助萃取法(MAE)中以MAE回收率及效率均较高。(文献3,4) null(六)微波萃取的条件选择-响应表面优化法 响应表面优化法(RSM)是数学方法和统计方法相结合的产物,通过近似构造一个具有明确表达形式的多项式来表达隐式功能函数,对受多个自变量影响的响应进行建模和分析,最终目的是优化响应值。简单而言,RSM就是将所有试验点均安排到球形的表面上的试验方法,是在有限的实验次数下通过建立连续变量曲面模型,并对影响结果的各因素及其交互作用进行优化与评价的多元优化方法。null 通过对因素与响应值进行多元回归分析,可以拟合成含有曲率的二阶的响应表面方程: Y = β0 + ∑βiXi +∑βii X2ii + ∑βijXi Xj 其中Y为响应值,β0为常数项,βi为因素影响系数,βij为因素间交互效应系数,βii为因素的二阶影响系数。该方程反映了因素和响应值间的相关关系,通过统计学的分析可对期望的响应值进行预计和评价。目前应用较多的复杂试验 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法包括BBD(Box–Behnken design)法,CCD(Central composite design)法和DM(Doehlert matrix)法等。nullTable 1 Box–Behnken design nullpuerarin extraction followed a second-order polynomial model: Y = –1231600 + 20152.5V + 16383.7P – 48759.8t –34.8VP + 1242.4Vt + 253.9Pt – 237.4V2 – 15.8P2 – 5901.5t2nullResponse surface and contour plots for the effects of extraction time and microwave power on puerarin extraction null Response surface and contour plots for the effects of extractant volume and microwave power on puerarin extraction nullResponse surface and contour plots for the effects of extraction time and extractant volume on puerarin extractionnull参考文献 1. R. N. Gedye, F. E. Smith, et al. Tet rahedron Lett,1986,27,279. 2. 微波萃取技术,化工技术与开发,2004年第33卷第1期P22 3. Lopez-A vila Viorica O , Young R, Teplitsky N. J. AOAC Int. [J ], 1996, 79(1): 142. 4. Andrzej Zloto rzynski. Critical Review in Anal. Chem. [J ], 1995, 25 (1) : 43. 超声萃取 超声萃取 超声萃取是利用超声的机械作用和空化作用提高分离效率的一种萃取或提取方法 (Super sonic extraction,Ultra sound extraction)null固相微萃取 (Solid phase microextraction , SPME) (一)固相微萃取SPME的诞生 1990 年Pawliszyn[文献1] 等提出了一种新的固相萃取技术—固相微萃取。该技术在一个简单过程中同时完成了取样、萃取和富集,对液体样品中痕量有机污染物萃取方面的重要贡献。SPME是九十年代兴起并迅速发展的新型的、环境友好的样品前处理技术,无需有机溶剂,操作也很简便。该技术使用的是一支携带方便的萃取器,适于室内使用和野外的现场取样分析。 null(二) SPME基本原理   它是一种基于气固吸附 (吸收) 和液固吸附 (吸收) 平衡的富集方法,利用分析物对活性固体表面(熔融石英纤维表面的涂层) 有一定的吸附(吸收) 亲合力而达到被分离富集目的方法。SPME方法包括吸附和解吸两步。吸附过程中待测物在样品及石英纤维萃取头外涂渍的固定相液膜中平衡分配,遵循相似相溶原理。这一步主要是物理吸附过程,可快速达到平衡。解吸过程随SPME后续分离手段的不同而不同。对于气相色谱(GC),萃取纤维插入进样口后进行热解吸,而对于液相色谱(LC),则是通过溶剂进行洗脱。 SPME有两种萃取方式,一种是将萃取纤维直接暴露在样品中的直接萃取法,适于分析气体样品和洁净水样中的有机化合物。另一种是将纤维暴露于样品顶空中的顶空萃取法,广泛适用于废水、油脂、高分子量腐殖酸及固体样品中挥发、半挥发性的有机化合物的分析。null(三) SPME装置 null(四) 应用研究[文献2-5] SPME萃取待测物后可与气相色谱、液相色谱联用进行分离。使用的检测器可以是MS、 FID 、 FPD、ECD、AED等,方法的最低检测限可达 ng 甚至 pg 水平。虽然SPME的一次提取水平大大低于常用的液-液萃取方法,但绝对进样量远远大于液-液萃取方法,灵敏度很高。目前SPME检测对象多为挥发半挥发有机化合物,我们常将各化合物与NaBH4或KBH4反应,生成易挥发的氢化物,再用顶空法萃取,之后进入气相色谱分离。 null(五) SPME发展展望   SPME是一项极具吸引力的样品前处理技术,但也存在一定的局限性。由于商品化纤维种类较少,且容易破碎,在很大程度上限制了该技术的应用范围。因此发展耐用的纤维及高效、高选择性的纤维涂层材料是SPME方法研究的重要方向。目前,我们正在这方面开展工作,希望能有所突破。null参考文献 1 Arthur C L, Pawliszyn J.Anal. Chem.1990,62,P2145 2 固相微萃取及其与某些分析技术联用,分析化学,2001,29,601 3 固相微萃取研究进展,分析科学学报,2002,18(5),429 4 固相微萃取技术在形态分析中的应用进展,分析测试技术与仪器, 2004,10(1),1 5 固相微萃取在分析化学中的应用,云南化工,1997,(3),9 6 三苄基杯[6]芳烃固相微萃取复合涂层的研制及其应用, 化学学报,2008,66(12), 1465 null(一) 快速溶剂萃取的基本原理 快速溶剂萃取是在一定的温度(50℃-200℃)和压力(1000-3000psi 或10.3-20.6 MPa)下用溶剂对固体或半固体样品进行萃取的方法。使用常规的溶剂、利用增加温度和提高压力提高萃取的效率,其结果大大加快了萃取的时间并明显降低萃取溶剂的使用量。 增加温度和提高压力对溶剂萃取的作用: 提高被分析物的溶解能力 降低样品基质对被分析物的作用或减弱基质与被分析物间的作用力 加快被分析物从基质中解析并快速进入溶剂 降低溶剂粘度有利于溶剂分子向基质中扩散 增加压力使溶剂的沸点升高,确保溶剂在萃取过程中一直保持液态十 快速溶剂萃取null(二)快速溶剂萃取 的特点 时间短(仅用15分钟)、 溶剂少(萃取10克样品仅用15毫升溶剂)、 萃取效率高。 由于快速溶剂萃取的特点显著,极大地提高了萃取的工作效率,在它推出的很短时间内就被美国国家环保局批准为EPA3545号标准方法。ASE的应用涉及环境、食品、制药和聚合物领域。
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