《萃取分离法》PPT课件.ppt

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1、第六章 chapter 6,萃取分离法Extraction separation method,6.1 溶剂萃取6.2 胶体萃取6.3 双水相萃取6.4 超临界流体萃取6.5 固相萃取6.6 溶剂微胶囊萃取,主要内容,I2水溶液,原因:I2在CCl4中的溶解度大于在水中的溶解度，I2在相间的转移是物理过程。而更多的情况下，被萃取对象要与试剂（萃取剂）发生化学作用。,CCl4,I2/CCl4,H2O,实例:,6.1 溶剂萃取,溶剂萃取（solvent extraction，液-液萃取）,定义：溶于某一液相中的组分，在与第二液相接触后转入第 二液相的过程。通常是水相-有机相。,原理：利用组分在两互

2、不相溶的溶剂之间的分配行为的差异 进行分离的方法。,萃取泛指任意两相间的传质过程，包括液-固萃取（固相萃取）、SFE、逆流（色谱）萃取等。,反萃取被萃物进入有机相后，再用水相将其中部分组分萃取出来。主要目的是把随目标物质进入有机相的杂质除掉。,溶剂萃取法的发展过程,19世纪中期人们就知道用有机溶剂萃取某些无机物。如1842年Peligot用二乙醚萃取硝酸铀酰。,Peligot,溶剂萃取法的发展过程,1891年Nernst从热力学观点出发阐明了液-液分配的定量关系。,20世纪40年代以后，溶剂萃取走向成熟：完善的理论体系 丰富的萃取模式 广泛的应用领域,溶剂萃取法的优缺点,优点 仪器设备简单，操

3、作方便；分离选择性高；应用范围广：无机物、有机物；大量、微量组分富集。处理量大，适合工业规模分离，易于实现连续自动操作。,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（柱效）不高。（比LC小23个数量级）,6.1.1 基本概念,1.分配平衡常数（萃取）分配常数KD KD为常数的条件：（1）溶质A在溶液中的浓度极低；（2）A在两相中的分子形态相同；（3）温度一定。,碘在水和CCl4之间的分配（25C）I2,mol/L I2,mol/L KD 0.1148102 10.09102 87.89 0.0762102 6.52102 85.54 0.0500102 4.26102

4、 85.20 0.0320102 2.72102 85.00,H2O,CCl4,热力学分配平衡常数K0 KD也称（萃取）分配系数,2.分配比 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。如：OsO4在CCl4/H2O体系中分配时：OsO4在水中水解：OsO4 H2O HOsO5H HOsO5 OsO52 HOsO4在CCl4中聚集：4 OsO4(OsO4)4 水相形态：OsO4，HOsO5，OsO52 CCl4相形态：OsO4，(OsO4)4,osmium（Os，锇）来自希腊文中“易挥发”,分配比（D）因为同一物质的每种形态在两相中的分配系

5、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。,注：1.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。2.当溶质在两相中只有一种形态时，DKD。,3.萃取率（E）对于一次萃取：以CaqVorg除上式，得：可见：E的大小取决于分配比和相比（两相体 积比）,当相比为1（即VaqVorg）时：分配比D较小时，可以减小相比（即增加有机溶剂体积）提高萃取率，但增大有机溶剂体积会使有机相中溶质浓度降低，不利于后继分离和测定工作。所以，通常是采用多次萃取或连续萃取来提高萃取率。,多次萃取经n次萃取后，水相中残留溶质A的平衡浓度Cn为：当VaqVorg时：式中C0为

6、水相中A的最初浓度，即总浓度。,4.分离系数（分离因子）对于单一形态溶质，DKD，于是有：,当水相中同时存在两种以上的溶质时，其在两相中分配比不同，萃取后，在两相中相对含量发生变化。通常用分离因子（或分离系数）表示两种溶质相互分离的程度。,A，B越大，A和B两种溶质就越容易分离。,6.1.2 主要萃取体系,1.萃取过程(1)水相中可萃取络合物的生成,(2)可萃取络合物在水相和有机相间的分配平衡,(3)可萃取络合物在有机相中的化学反应（聚合，离解或与其它组分反应）,2.萃取体系的分类 基于组分萃取到有机相的形式分类 中性配合萃取体系（简单分子萃取体系）阳离子交换萃取体系（螯合萃取体系）离子缔合萃

7、取体系 协同萃取体系 其他萃取体系（如高温萃取体系）,6.1.2.1 中性配合萃取体系,（1）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,如：磷酸三丁酯（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)22TBP,萃取金属离子U UO22+2NO3+2TBP UO2(NO3)22TBP,磷酸三丁酯,中性配合物,磷酸三丁酯,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

8、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,（2）中性配合萃取剂,6.1.2.2 阳离子交换萃取体系,萃取剂通常是既溶于水又溶于有机溶剂的有机酸，在两相中有分配。被萃取物通常是金属阳离子，它与有机酸生成配合物或螯合物。Mn+(aq)+nHA(org)MAn(org)+nH+(aq)有机酸萃取金属离子的过程可看作是水相中的阳离子与有机酸HA中氢离子的交换反应。,（1）特点,酸性含磷萃取剂：烷基磷酸（如二烷基磷酸）螯合萃取剂：-二酮（如乙酰丙酮），8-羟基喹啉类，污类，羟胺衍生物，双硫腙，酚类。有机羧酸和磺酸：羧酸和磺酸在煤油、苯和

9、CCl4中常成为二聚体。,（2）阳离子交换萃取剂,酸性萃取剂对金属离子的萃取：萃取剂HA两相中分配：HA(aq)HA(org)萃取剂水相中离解：HA H+A-水相中金属与萃取剂阴离子配位：Mn+nA-MAn 在水相形成的金属配合物（或螯合物）两相中分配 MAn(aq)MAn(org),（3）萃取步骤,二烷基磷酸萃取稀土 RE3+3(HA)2 RE(HA)23 3H+二烷基磷酸以二聚体参与配位,（4）举例,6.1.2.3 离子缔合萃取体系,阴（阳）离子萃取剂与阳（阴）离子被萃取物在水相中缔合后进入有机相。一般是阳离子萃取剂与金属配阴离子形成的缔合体系。被萃取物以多样形式被萃取。如形成非溶剂化配位

10、盐、溶剂化配位盐、阴离子配合物等。离子缔合萃取平衡比较复杂，定量处理比较困难。,（1）特点,胺类萃取体系：常用胺类萃取剂为脂肪胺 如：叔胺萃取硫酸铀酰阴离子交换萃取机理 2R3N（org）H2SO4（R3NH)2SO4（org）UO22+2SO42-UO2(SO4)22-(R3NH)2SO4（org）UO2(SO4)22-(R3NH)2UO2(SO4)2（org）SO42-,（2）萃取体系,冠醚与阳离子配位后，阳离子原来的配对阴离子仍伴随在外。,冠（穴）醚萃取体系,硫氰化铷,穴醚2,2,2与金属离子的配合反应,冠（穴）醚萃取体系特点（1）金属阳离子与冠（穴）醚中的杂原子（O、N、S、P等）分子

11、间相互作用形成配合物后进入有机相。（2）配合物的稳定性与空穴直径、杂原子种类、数目和空间排 列、环上取代基、金属离子体积和电荷、溶剂性质等有关。（3）穴醚具有多环，三维结构，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。（4）冠（穴）醚的亲水杂原子向内侧，外侧是疏水的CH2 CH2基，使萃取配合物在有机相溶解性增加。,机理：以乙醚萃取6 mol/L盐酸水溶液中的Fe3+为例 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 含氧萃取剂与进入有机相的水合H+结合成佯盐阳离子 H+R-O-R（org）+H+Cl-R-O-R（org）+Cl-金属

12、配阴离子与萃取剂佯盐阳离子缔合生成佯盐 R R OH+(org)FeCl4 OHFeCl4 R R,佯盐萃取体系：,6.1.2.4 协同萃取体系,混合萃取剂同时萃取某一物质时，其分配比显著大于相同浓度下各单一萃取剂分配比之和。即协同效应：D协同D加和D1D2 无协同效应：D协同 D加和 反协同效应：D协同 D加和 协萃系数R：R=D协同/D加和,（1）协同萃取作用,二(2-乙基己基）磷酸（P204）与中性含磷萃取剂协萃体系萃取UO22+的协萃系数 含磷萃取剂（B）TBP BDBP TOPO 单独含磷萃取剂的分配比 DB 0.0002 0.002 0.06 单独P204萃取剂的分配比 DP204

13、 135 135 135 混合萃取剂的分配比 D协同 470 3500 3500 协萃系数 R 3.5 25.9 25.9TBP=磷酸三丁酯；BDBP=二丁基膦酸丁酯；TOPO=三辛基氧膦,生成了更为稳定的含有两种以上配位体的可萃物。生成的配合物疏水性更强，更易进入有机相中。如单独阳离子交换萃取反应：Mn+n HA(org)MAn(org)加入中性配合萃取剂S后的协同萃取反应：Mn+n HA(org)x S(org)MAnSx(org)n H,（2）协同萃取机理,6.1.3 影响萃取的各种因素,（1）萃取剂浓度的影响 游离萃取剂（有机相中未参与形成络合物的萃取剂）浓度增加，分配系数上升。但，浓

14、度很大时，会出现分配系数降低的趋势。,（2）酸度的影响 不同萃取体系中酸度的影响不同。中性配合萃取体系中，酸度直接影响与金属形成中性盐的阴离子的浓度。阳离子交换萃取体系中H直接和金属离子竞争萃取剂。（3）金属离子浓度的影响 金属离子浓度较低时，对萃取几乎无影响，金属离子浓度很高时，会导致有机相中游离萃取剂浓度降低。,（4）盐析剂的影响盐析现象：向水相中加入另一种无机盐使被萃取物分配系数上升的现象。所加无机盐称盐析剂。效果：盐析剂往往含有与被萃物相同的阴离子，同离子效应使分配系数上升。盐析剂的水合作用使水相中部分水成了其水合水，降低了自由水的浓度。同时也提高了金属离子的活度，分配系数提高。,（5

15、）温度的影响,看萃取反应吸热还是放热。温度对TBP萃取铀影响见右图,（6）杂质离子的影响,如：水相中存在能与金属离子配位的阴离子，会抑制（减弱）萃取配合物的生成,（7）萃取剂的影响 萃取剂的结构和性质直接影响其与金属离子的配位。（8）稀释剂的影响 稀释剂：加入有机相中起溶解萃取剂、减小有机相粘度、抑制乳化等作用的惰性溶剂。稀释剂影响萃取剂的聚合，且可能与萃取剂形成氢键。（9）第三相形成的影响 第三相的形成影响萃取过程，必须避免。,6.1.4 溶剂萃取方法,1.分批萃取（单级萃取）操作简单，是实验室常用的萃取方法。被萃物分配比较大时，只需进行1次萃取操作。分批萃取适合于一个组分定量留在水相，而另

16、一个组 分在两相间分配的情况。几种常用萃取仪器（见下页）,溶剂萃取装置,2.连续萃取（多级萃取）将含有被分离物质的水相与有机相多次接触以提高萃取效率的分离方法。连续萃取装置的基本构成 萃取器：样品溶液和有机溶剂在此进行萃取。烧瓶：既作萃取液接受器，也是萃取剂蒸发器。冷凝器：将萃取剂蒸汽冷凝，回滴到萃取器中，进行下一 级萃取。（装置实例见下页）,有机溶剂比水轻时的装置,有机溶剂比水重时的装置,6.1.5.1 液相微萃取（liquid phase microextraction,LPME）,1996年Cantwell：液相微萃取法(LPME)新的样品前处理方法。（1）最初提出的LPME形式是微液(

17、MD)-液相微萃取法(LPME)，优点：避免了SPME使用中存在的残留量的问题，有机接收相溶液的变换更是提高了方法的选择性，但MD-LPME也存在一些问题。（2）1999年Pedersen-Bjergaard等提出了LPME技术的另一种形式,就是中空纤维膜-液相微萃取法(HF-LPME)。,6.1.5 溶剂萃取新技术,LPME 特点：集采样、萃取和浓缩于一体，萃取效率高、消耗有机溶剂少(几至几十L)、操作简单和快捷廉价等，是一项环境友好的样品前处理新技术，方便与后续分析仪器连接，实现再线样品前处理，主要用于环境样品中痕量、超痕量有机污染物的测定。,LPME方式:直接液相微萃取(Direct-L

18、PME)、液相微萃取/后萃取(LPME/BE)顶空液相微萃取(HS-LPME),Apparatus of SDME,1-色谱进样器;2-有机溶剂;3-样品溶液 4 样品瓶；5-搅拌子;6-搅拌器,（1）微液(MD)-液相微萃取法(MD-LPME)顶空液相微萃取(HS-LPME),LPME的原理和装置,中空纤维膜-液相微萃取装置,（2）中空纤维膜-液相微萃取法(HF-LPME),HF-LPME的萃取模式有两种：两相萃取（动态或静态）三相萃取（动态或静态）,中空纤维纵向剖面,中空纤维膜萃取原理图,HF-LPME的影响因素,1.有机接收相：单一或混合有机相，具体要求：(1)水中溶解度低，减少水中溶解

19、损失；低挥发性，保证在萃取过程中不会挥发掉;(2)待测物在样品与有机相间分配系数较高，以提高回收率；在与GC联用时，有机相溶液应有较好的色谱行为;(3)有机相溶液的极性应与中空纤维膜材料相近，使之能很好 的被固定在微孔中。常用有机相：正己烷、辛醇；特殊有机相：如多羟基化合物(PH-PPP)作为有机固定 相溶液萃取有机氯农药。,Jingfu L用离子液体代替有机溶液固定在中空纤维上。离子液体具有以下优势:几乎没有蒸气压，不易挥发，使用过程中增加了固定相的稳定性，也不会给环境造成污染;有较大的稳定温度范围(-100-200)，较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口，扩大了同种离子溶液的适用范围

20、;通过阴阳离子的设计可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性，其酸度甚至可调到超酸性，因此可通过一定的阴阳离子的组合设计构筑“需求特定”或“量体裁衣”的离子液体，使萃取更为完全。,2.pH值,萃取过程中，为了得到更好的萃取效果，提高待测物在各相间的分配系数，通常都是通过调整样品溶液的pH值来得到的。pH值对于三相HF-LPME更为重要，可使待测物很好的通过有机相，且在进入接收相前后又不会由于反萃取作用而重新回到有机相或者样品溶液中。,3.萃取时的搅拌速度,为使待测物更容易通过两相界面、缩短萃取时间，提高重现性，通常在萃取操作过程中，需要搅拌样品溶液。,4.萃取时间,萃取时间主要由平衡过程所

21、决定，当待测物在各相之间的分配达到平衡以后，理论上增加萃取时间对其影响并不是很大。,5.样品盐度,提高盐度，盐析效应会降低某些待测物水相溶解度，提高分配系数。因此可根据待测物性质，适当提高溶液盐度。,6.萃取温度的选择,LPME的应用领域,（1）在生物样品方面的应用 生物样品(血液、尿样、唾液、乳汁等)中待测组分都能直接用HF-LPME作为样品的前处理方法。HF-LPME能提供较高的富集系数，即使样品体积很小，也能取得很好的效果。中空纤维膜还能净化样品溶液，0.2m的微孔能过滤掉大部分的细菌以及一些大分子物质。用HF-LPME处理生物样品如乳汁、血液等的时候，样品不需要稀释或者过滤就能直接进行

22、处理，减少了由于多步操作所带来的误差，这也是LPME技术运用于生物样品的优势之一。,（2）在环境样品方面的应用 环境样品一般都为混合污染物，因此在环境污染物样品中运用HF-LPME技术较MD-LPME更为广泛，因为各组分在各相之间的分配系数存在差异，方法的选择性得到提高，同时也避免了MD-LPME微液滴被样品污染的可能。目前，HF-LPME已经得到了很好的运用，特别是对有机污染物的测定，如除草剂、多环芳烃、有机氯农药、硝基苯酚等。,分散液液微萃取(DLLME,dispersive liquid-liquid microextraction),原理：和水互溶的有机溶剂将萃取剂分散到水相中，产生微

23、小雾滴，两相具有很大的界面，快速有效萃取。影响萃取效果的因素：萃取剂和分散剂种类、体积 溶液酸度 溶液盐度 溶液体积 萃取时间,装置和流程：,J Chromatogr A,1116(2006)：19,Yaghoub Assadi：Iran,6.1.5.2 微波辅助溶剂萃取（microwave assisted solvent extraction,MASE）,微波：1mm1m（300300000 MHz）波长的电磁波,微波辅助萃取：利用微波加热来加速溶剂对固体样品中目标物的萃取。,微波加热原理：被辐射物质吸收微波能量，该偶极子高速旋转（每秒数十亿次）和离子传导两种方式里外同时加热。微波加热特点

24、：内加热，加热速度快，受热体系温度均匀，且具有选择性。,微波辅助萃取装置,和家用微波炉原理和构造基本相同，但要求有控温、控压、定时和功率选择等附件。,密闭式微波辅助萃取装置和萃取罐,根据萃取罐的类型可分为两大类:密闭式微波辅助萃取装置和开罐式辅助萃取装置。,密闭式微波辅助萃取装置已广泛应用于环境分析、食品分析、中药有效成分萃取等领域。已报道的分析对象有多环芳烃、多氯联苯、二噁英、除草剂、杀虫剂、酚类、有机金属化合物、添加剂，以及中药中生物碱、萜类、茋类、酸类、苷类、黄酮、多糖等。与加热回流、索式提取等方法相比，MAE高效快速，节省溶剂。,开罐聚焦式微波辅助萃取装置,与密闭式装置相似，只是微波通

25、过波导管聚焦在萃取系统(样品)上，又称为聚焦式微波辅助萃取(Focused microwave-assisted extraction，FMAE)装置。萃取罐与大气连通，只能实现温度控制。,与密闭式相比，其优点：（1）常压下，尤其使用有机溶剂时操作安全；（2）萃取罐使用硼化玻璃、石英玻璃、PTFE 等多种材料；（3）聚焦方式提高了微波能利用的有效性，节省能源。但FMAE 装置一次不能萃取多个样品。,微波辅助萃取技术与其它方法的联用,1.与色谱、光谱等检测技术联用,2.与其它样品处理技术联用，如SPME、SPE、LPME等。其中尤以微波辅助萃取-顶空固相微萃取(MAE-HS-SPME)联用技术应

26、用最为广泛。,MAE-HS-SPME 装置：,6.1.5.3 加速溶剂萃取（accelerated solvent extraction,ASE）,解决固体、半固体样品前处理的新技术,ASE方法可完全取代传统萃取方法：索氏提取、超声萃取、微波萃取等。与传统萃取方式比，ASE快速溶剂萃取技术的显著特点：时间短（仅用15 min）、溶剂少（萃取10 g样品仅用15 mL溶剂）、萃取效率高。ASE极大地提高了萃取的工作效率。已被美国国家环保局批准为EPA3545号标准方法。ASE的已应用于环境、食品、制药和聚合物领域。,6.2 胶体(胶体、胶束)萃取(micellar extraction),胶团：

27、双亲（亲水也亲油）物质在水或有机溶剂中自发形成的聚集体。如表面活性剂是典型的双亲物质，在水或有机溶剂中达到一定浓度就会形成胶团（胶束）。,胶体萃取既用于有机物分离，也能用于无机物的分离，但应用较少。如：氯仿（或CCl4）萃取胶体金；乙醚或氯仿萃取胶体银或硫酸钡。,胶体（胶团）萃取：被萃取物以胶体或胶团形式被萃取。,1.基本概念,胶团的形成：,正向微胶团：,反向微胶团：,在水溶液中加入表面活性剂达到一定浓度时，会形成表面活性剂聚集体（胶团），在这种胶团头中，表面活性剂的极性头（基团）朝外（向水），而非极性尾朝内。,与正相微胶团相反，当向非极性溶剂中加入表面活性剂达一定浓度时，会形成憎水非极性尾朝

28、外（向溶剂），而极性头（亲水基）朝内的胶团。,(a)正向微胶团；(b)反向微胶团,（a）,（b）,胶团大小在毫微米（nm）级。,生物物质对分离体系的要求严格在分离过程中生物物质容易被破坏，很多常用分离方法（如蒸馏）难以采用。生物样品一般粘度较大，过滤和超滤等困难。生物物质（蛋白质）的亲水憎油性，使其难溶于一般有机溶剂；不适合通常的水相/有机溶剂相体系。生物物质直接与有机溶剂接触会引起变性。应尽可能避免直接接触。,对生物物质萃取所用溶剂的要求 即能溶解蛋白质并能与水分相，又不破坏蛋白质的生物功能。反向微胶团对生物物质的溶解 反向微胶团中有一个极性核心，包括表面活性剂的极性头组成的内表面，平衡离子

29、和水。此极性核心又称“水池（water pool）”，水池可以溶解极性分子，于是，极性的生物分子就可以溶于有机溶剂而不直接接触有机溶剂。,2.蛋白质的溶解模型,（1）水壳模型 蛋白质居于“水池”中心，水壳层则保护了蛋白质，使其生物活性不会改变。,（2）蛋白质亲水基进入反向微胶团,仅蛋白质的亲水基插入胶团内部的“水池”中，而其亲脂基团露在胶团外面，与表面活性剂的疏水剂或有机溶剂的碳氢部分接触。,（3）吸附模型,蛋白质分子吸附在胶团内部由表面活性剂亲水头组成的亲水壁上。,（4）溶解模型 蛋白质被几个胶团包围而溶解于表面活性剂胶团，胶团的非极性尾与蛋白质的亲脂部分直接作用,陆九芳p125c,3.影响

30、胶团萃取的主要因素,（1）表面活性剂和溶剂种类 表面活性剂多采用AOT（琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸钠）阴离子表面活性剂,有机溶剂：异辛烷。表面活性剂AOT能迅速溶于有机溶剂，也能溶于水而形成胶团。AOT作为反向微胶团表面活性剂的优点：（1）胶团的含水率高（0为5060），比季铵盐高一个数 量级以上；（2）AOT形成反向微胶团时，不需要助表面活性剂。,（2）水相pH值 蛋白质为两性分子，各种蛋白质有确定的等电点（pI），当pHpI时，蛋白质分子和表面活性剂内表面都荷负电，相互排斥，蛋白质难溶于胶团中。pH过低时，蛋白质会变质，溶解度也降低。,pH对蛋白质溶解度的影响,（3）离子强度 离子强度

31、增加，减小了蛋白质表面电荷与微胶团内表面电荷的相互作用，从而降低蛋白质在胶团中的溶解度。,陆九芳p127320,离子强度对蛋白质溶解度的影响,三种制备含蛋白质的反相微胶团的方法,注入法,相转移法,溶解法,含蛋白质水相,含表面活性剂的有机溶剂,缓慢搅拌,4.胶团萃取分离过程,（1）制备含蛋白质的反向微胶团的三种方法,蛋白质萃入有机相,含表面活性剂有机相,含蛋白质的水,水不溶蛋白质粉末,水的反向微胶团有机溶液,慢，含蛋白质有机相稳定,简单快速,（2）实例：胶团萃取分离3种蛋白质（核糖核酸酶、细胞色素C、溶菌酶）表面活性剂：AOT；有机相：异辛烷 利用离子强度和pH值调节蛋白质的溶解度差异。,蛋白质

32、混合物的分离过程,核糖核酸酶不溶于胶团而留在水相（酸度影响）,（核糖核酸酶、细胞色素C、溶菌酶）,细胞色素C、溶菌酶,溶菌酶,（盐度影响）,（酸度和盐度影响）,6.3 双水相萃取,1896年Beijerinck发现：（明胶琼脂）或（明胶可溶性淀粉）混浊不透明溶液 两个有界面的液相,两相的主成分都是水 上相 富含明胶 下相 富含琼脂（或淀粉）,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,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

33、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,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 包括可溶性物质（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）,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

34、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。,双水相萃取的应用 酶、核酸、生长激素、病毒等生物物质分离纯化萃取流程（右图）聚乙二醇（PEG）-磷酸盐体系萃取酶目标酶进入富PEG上相;富PEG上相中加盐后形成新双水相，目标酶进入上相。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 盐 白、核酸、多糖 形成PEG/磷酸盐体系 下相：核酸、上相产

35、物：目标酶 杂蛋白、多糖 盐 形成PEG/磷酸盐体系 下相：目标酶 上相：PEG，蛋白质,双水相体系的特点：水含量达7090，组成双水相的高聚物及某些无机盐不会导致生物物质失活或变性，有时有保护作用。可直接从含有菌体的发酵液和培养液中提取所需蛋白质，还能不经破碎直接提取细胞内酶。易于进行工业放大，处理量可以较大。萃取后，含有聚合物的目标产物可以采用常用的分离手段（超滤、电泳、色层分离等）将聚合物除掉。,6.4 超临界流体萃取(Supercrtical Fluid Extraction,SFE),6.4.1 超临界流体萃取的原理及特性,超临界流体(supercrtical fluid)：物质处于

36、其临界温度Tc和临界压力pc以上时，即使继续加压也不液化，只是密度增加，它具有类似液体的性质，还保留气体的性质。,相图,发展历史：100年前人们就知道超临界流体可以溶解很多物质的事实。20世纪50年代，美国将SFE用于工业分离。1963年，德国首次申请SFE分离技术的专利。20世纪8090年代成为热门学科。,超临界流体萃取：,以超临界流体作流动相，直接从固体（粉末）或液体样品中将目标物质（有机物）萃取出来的一种分离方法。,超临界流体与气体、液体传递性能的比较 气体 超临界流体 液体(常温常压)（Tc，Pc）(常温常压)密度 g/cm3 0.0060.002 0.2-0.5 0.6-1.6 粘度

37、 10-5kg/(m.s)1-3 1-3 20-300 自扩散系数 10-4 m2/s 0.1-0.4 0.710-3(0.2-2)10-5,SFE的优点:萃取剂常温常压下为气体，萃取后方便与萃取组分分离。较低的温度和不太高的压力下操作，适合天然产物的分离。超临界流体溶解能力可通过调节温度、压力、夹带剂（如醇 类）在很大范围内变化；还可用压力梯度和温度梯度。,SFE的缺点：萃取率较低，选择性不够高。,超临界流体的选择原则：化学性质稳定，对设备无腐蚀。临界温度应接近室温或操作温度，不能太高，也不能太低。操作温度应低于被萃取组分的分解、变质温度。临界压力应较低（降低压縮动力）。对被萃取组分的溶解能

38、力高，以降低萃取剂的消耗。选择性较好，易于得到纯品。,超临界流体萃取技术 方 法 目 的 用 途 分离机理 间接法 节省能量 大规模生产：(液液分离)化学原料 分配平衡 与能量相关的生产 直接法 精密分离 小批量生产：(选择性分离)医药品、食品工业,超临界流体萃取装置,超临界流体萃取基本过程,超临界流体萃取仪,大量饮食咖啡因对人体有害以往工业上除咖啡豆中咖啡因采用二氯乙烷萃取。缺点：（1）残留二氯乙烷影响咖啡品质；（2）二氯乙烷将部分有用香味物质（芳香化合物）带走。SFE除咖啡因：浸泡过的咖啡豆直接置于萃取容器中，连续（循环）用超临界CO2萃取（T7090；p1620MPa）10小时，气体中的

39、咖啡因用水吸收除去，蒸馏可回收咖啡因。经SFE处理后的咖啡豆中咖啡因含量从0.7-3%降低到0.02%。,实例1：从咖啡豆中除去咖啡因,有机锡的用途：船体涂料、渔网防污剂、杀虫剂、塑料添加剂、杀菌剂。有机锡的污染：海洋生物（鱼）、环境等。溶剂萃取的问题：繁琐费时。SFE：从大量脂肪基体中分离有机锡用于分析。CO2，T50，P100 kg/cm2，萃取30 min，萃取率94。,实例2：从生物体中提取有机锡,6.5 固相萃取(solid phase extraction,SPE),固相萃取：利用被测有机物在液固两相间的分配性质的差异进行分离的技术。固相萃取仪：萃取小柱 真空萃取箱 蠕动泵,6.5

40、.1 固相萃取的原理和应用,SPE优势：,回收率高分离选择性和分离效率高操作简单、快速、易于自动化无乳化现象可同时处理大批量样品使用有机溶剂少可处理小体积样品,已广泛应用于生物、医药、环境和食品等样品的前处理,SPE模式：固定相不同,正相SPE：极性固定相（二醇基、丙氨基硅胶小柱），从非极性溶剂样品中萃取有机酸、碳水化合物等极性物质。被萃取物的保留基于氢键、键及偶极间相互作用等极性基团的作用。反相SPE：非极性或弱极性固定相（烷基键合硅胶，如C18、C8等），萃取非极性至中等极性化合物，应用最广的SPE方法，保留依托范得华力和疏水作用。离子交换SPE：离子交换剂固定相（季铵基、磺酸基、碳酸基等

41、），萃取有机和无机离子型化合物，保留机制是静电作用。吸附SPE：吸附剂固定相（氧化铝、硅胶、石墨碳、大孔吸附树脂等），可以萃取极性和非极性化合物。,6.5.2 固相微萃取(solid phase microextraction,SPME),SPME产生和特点:20世纪90年代初提出发展起来的用于吸附并浓缩目标物质的样品制备方法。SPME几乎克服了以前一些传统样品处理方法的所有缺点：无需有机溶剂、简单方便、测试快、费用低，集采样、萃取、浓缩、进样于一体，能够与GC或LC联用，有手动或自动两种操作方式，使得样品处理技术及分析操作，简单省时。,SPME装置图,推杆手柄筒3.支撑推杆旋钮4.Z型支点5

42、.透视窗6.针头长度定位器7.弹簧8.密封隔膜9.隔膜穿透针10.纤维固定管11.带涂层的熔融石英纤维,但固相萃取也仍然存在某些不足,如:（1）应用还不够广泛;（2）结果的可靠性有待提高，还不能作为标准方法为人们接受;（3）商品纤维的涂层种类有限，纤维涂层易于发生溶胀脱落，因而其寿命较短;（4）富集倍数和选择性仍有待提高等。,SPME应用,表面活性剂等工业领域高分子聚合物和固体样品中的微量杂质的顶空分析水样的环境分析食品中的香料分析纵火或爆炸物样品的法医分析毒物分析：血、尿、体液中的药物和毒品气体硫化物及挥发物分析.,6.6 溶剂微胶囊萃取,溶剂萃取过程中的难点：,溶剂损失、相分离难,溶剂固定

43、化技术,如：浸渍树脂支撑液膜萃取,缺陷：溶剂固定不够稳定支撑材料耐溶剂不够,溶剂微胶囊技术(solvent microcapsules),溶剂微胶囊的制备,制备过程:1.溶剂分散：搅拌、超声和膜分散等方式 2.溶剂包覆,制备方法:按微胶囊壁材形成机理分为相分离法：即凝聚过程 单凝聚：仅用一种聚合物进行凝聚 复凝聚：两种以上带相反电荷的聚合物材料进行凝聚 2.物理机械法：机械加工进行微胶囊化，微胶囊壳材料的变化过程为物理变化，如溶剂蒸发、溶剂萃取、熔化分散凝聚、喷雾干燥、流化床等.3.聚合反应法：利用合成高分子或聚合物交联固化形成微胶囊壁材.,溶剂微胶囊萃取的特点,优点：（1）萃取剂包覆量大，萃

44、取容量高；（2）避免了传统溶剂萃取的乳化和分相问题,防止萃取剂流失。（3）溶剂被包覆在胶囊中,传质过程由普通的溶剂萃取的液-液传质变为固-液传质,设备更简单，操作简便。（4）萃取剂是包覆在微胶囊内,不是简单的物理吸附,稳定性好。缺点:溶剂的腐蚀性、对包覆材料的溶胀性、微胶囊制备复杂、壁材选择有限、稳定性有待提高等,所以，溶剂微胶囊萃取的研究和应用还比较少,溶剂微胶囊萃取的应用,金属离子分离、有机酸萃取、药物分离等,如：以聚砜为微胶囊壁材制备出三辛胺、P204等溶剂萃取微胶囊，萃取有机酸和氧氟沙星。（1）三辛胺溶剂微胶囊萃取柠檬酸、草酸和丙酸的分配系数达78、100和23（传统的溶剂萃取中，三辛胺不能直接萃取分离，因相分离十分困难）。（2）P204溶剂微胶囊萃取氧氟沙星一次萃取回收率达80%以上。,思考题,简述萃取分离方法的发展过程，并通过查阅相关中英文文献，对几种现代萃取分离技术进行评价和展望。,