新型的萃取技術

新型的萃取技術第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五一、固相萃取與固相微萃取

（SPE&SPME）1.簡介：固相萃取(SolidPhaseExtractionSPE)：利用固體吸附劑將液體樣品中的目標化合物吸附，與樣品的基體和干擾化合物分離，然后再用洗脫液洗脫或加熱解吸附，達到分離和富集目標化合物的目的。

優(yōu)點：不需要大量互不相溶的溶劑，處理過程中不會產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，采用高效﹑高選擇性的吸附劑（固定相），能顯著減少溶劑的用量，簡化樣品預處理過程，所需費用也有所減少。一般說來固相萃取所需時間為液－液萃取的1/2，費用為液－液萃取的1/5。缺點：目標化合物的回收率和精密度要低于液－液萃取。

第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五2.固相萃取的裝置

最簡單的固相萃取裝置就是一根直徑為數(shù)毫米的小柱（如圖），小柱可以是玻璃的，聚丙稀﹑聚乙烯﹑聚四氟乙烯等塑料的，還可以是不銹鋼制成的。小柱下端有一孔徑為20m的燒結(jié)篩板，用以支撐吸附劑。如自制固相萃取小柱沒有合適的燒結(jié)篩板時，也可以用填加玻璃棉來代替篩板，起到既能支撐固體吸附劑，又能讓液體流過的作用。在篩板上填裝一定量的吸附劑（100㎎~1000㎎，視需要而定），然后在吸附劑上再加一塊篩板，以防止加樣品時破壞柱床。篩板吸附劑目前已有各種規(guī)格的﹑裝有各種吸附劑的固相萃取小柱出售，使用起來十分方便。

第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五

3.固相萃取的一般操作程序

活化吸附劑：在萃取樣品之前要用適當?shù)娜軇┝芟垂滔噍腿⌒≈?，以使吸附劑保持濕潤，可以吸附目標化合物或干擾化合物。不同模式固相萃取小柱活化用溶劑不同。上樣：將液態(tài)或溶解后的固態(tài)樣品倒入活化后的固相萃取小柱，然后利用抽真空，或離心的方法使樣品進入吸附劑。第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五洗滌和洗脫：在樣品進入吸附劑，目標化合物被吸附后，可先用較弱的溶劑將弱保留干擾化合物洗掉，然后再用較強的溶劑將目標化合物洗脫下來，加以收集。淋洗和洗脫同前所述一樣，可采用抽真空，加壓或離心的方法使淋洗液或洗脫液流過吸附劑。

如果在選擇吸附劑時，選擇對目標化合物吸附很弱或不吸附，而對干擾化合物有較強吸附的吸附劑時，也可讓目標化合物先淋洗下來加以收集，而使干擾化合物保留（吸附）在吸附劑上，兩者得到分離。第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五固相微萃取技術

(SolidphaseMicro-Extraction，SPME).

優(yōu)點：操作簡便、不需溶劑、萃取速度快、便于實現(xiàn)自動化以及易于與色譜、電泳等高效分離檢測手段聯(lián)用等

與SPE法相比，SPME法具有萃取相用量更少、對待測物的選擇性更高、溶質(zhì)更易洗脫等特點，因此在短短的二十多年間，SPME法無論在理論還是在實踐上均獲得了較大的發(fā)展.SPME將傳統(tǒng)的取樣、萃取、濃縮、進樣以及分析等步驟簡化為一個簡單的過程。

固相微萃取*為進一步完善和發(fā)展SPE技術Belardi等人于1989年提出固體吸附劑是一段細纖維表面涂層―高表面積多孔聚合物材料第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五SPME的裝置示意圖

固相微萃取裝置外型如一只微量進樣器，由手柄（holder）和萃取頭或纖維頭（fiber）兩部分構成，萃取頭是一根1㎝長，涂有不同吸附劑的熔融纖維，接在不銹鋼絲上，外套細不銹鋼管（保護石英纖維不被折斷），纖維頭在鋼管內(nèi)可伸縮或進出，細不銹鋼管可穿透橡膠或塑料墊片進行取樣或進樣。手柄用于安裝或固定萃取頭，可永遠使用。第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五

固相微萃取關鍵：在于選擇萃取頭上的固定相涂層（吸附劑），對待測物進行萃取和預富集。要使目標化合物能吸附在涂層上，而干擾化合物和溶劑不吸附，一般是目標化合物是非極性時選擇非極性涂層；目標化合物是極性時選擇極性涂層。SPME萃取過程依賴于分析物在涂層和樣品兩相中的分配系數(shù),萃取的選擇性取決于涂層材料的特性―涂層材料是SPME技術的核心.第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五涂層的選擇原則:”相似相容”,涂層的體積(厚與薄)決定方法的靈敏度.涂層所用主要原料:聚二甲氧基硅烷(PDMS),二乙烯基苯(DVB),聚乙二醇(CW),聚丙烯酸酯(PA).第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五固相微萃取的采樣方法是將固相微萃取針管（不銹鋼套管）穿過樣品瓶密封墊，插入樣品瓶中。然后推出萃取頭，將萃取頭浸入樣品（浸入方式）或置于樣品上部空間（頂空方式），進行萃取。萃取時間大約2—30分鐘，以達到目標化合物吸附平衡為準。最后縮回萃取頭，將針管拔出。

第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五固相微萃取的采樣與分析過程示意圖第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五固相微萃取分析的理論基礎：

固相微萃取裝置由在微量進樣器中插入一段涂有萃取相的石英纖維構成，當萃取達到平衡時，進入萃取相的分析物的量為：

N=KfsV1CoV2/KfsV1+V2。其中，Co為萃取前分析物在樣品中的濃度；

Kfs為分析物在萃取相和試樣間的分配系數(shù)；

V1

為萃取相的體積；V2為樣品的體積----液液萃取的計算公式？VW

m1=m0

?—————DVO+VW第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五固相微萃取法萃取條件的選擇(1)萃取頭:萃取頭應由萃取組分的分配系數(shù),極性,沸點等參數(shù)決定,在同一個樣品中因萃取頭的不同可使其中某個組分得到最佳萃取,而其它組分可能受到抑制.

目前,最常用的萃取頭:a.聚二甲氧基硅烷(PDMS):厚膜(100m)適于分析水溶液中低沸點,低極性的物質(zhì),如苯類,有機合成農(nóng)藥等;薄膜(7m)適于分析中等沸點和高沸點的物質(zhì),如苯甲酸酯,多環(huán)芳烴等.

b.聚丙烯酸酯(PA):適于分離酚等強極性化合物.第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五(2)萃取時間

萃取時間主要指萃取達到平衡時所需要的時間,取決于多種因素.如分配系數(shù),物質(zhì)的擴散速度,樣品機體,樣品體積,萃取膜厚,樣品的溫度等.實際上為縮短萃取時間沒有必要等到完全平衡.通常5-20min

即可,但萃取時間要保持一致,以提高分析的重現(xiàn)性.第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五(3)改善萃取效果的方法a.攪拌:攪拌可促進樣品均一化和加快物質(zhì)的擴散速度,有利于萃取平衡的建立.b.加溫:尤其是在頂空固相微萃取時,適當加溫可提高液上氣體的濃度,一般加溫50-90度.c.加無機鹽:在水溶液中加入硫酸銨,氯化鈉等無機鹽至飽和可降低有機化合物的溶解度,使分配系數(shù)提高.第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五d.調(diào)劑pH值:萃取酸性或堿性化合物時,通過調(diào)劑樣品的pH值可改善組分的親脂性,提高萃取效率.e.衍生化:

在元素形態(tài)分析中,由于大多數(shù)目標化合物以離子形式存在,衍生尤為重要.

在實際分析應用中,對于一個給定的分析物,首先應根據(jù)分析物選擇合適的萃取涂層和涂層厚度,然后根據(jù)樣品的基質(zhì)和待測物的揮發(fā)度來選擇適當?shù)妮腿》绞?第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五固相微萃取的應用：

固相微萃取分離法主要用于環(huán)境污染物、農(nóng)藥、食品飲料及生物物質(zhì)等復雜樣品中微量或痕量目標化合物的分離和富集。

例如，生物體液（如血液，尿等）中藥物及其代謝產(chǎn)物的分析;食品中有效成分或有害成分的分析;環(huán)保水樣中各種污染物（可揮發(fā)性有機物和半揮發(fā)性有機物）的分析都可使用固相萃取將目標化合物分離出來，并加以富集，然后進行色譜分析。操作簡單,快速,不需溶劑洗脫,萃取后直接插入GC,HPLC進樣室,靈敏度高第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五血漿中苯并二氮雜草類藥物（安定）的測定：

使用6ml的固相萃取柱，柱內(nèi)填加500㎎C18吸附劑。用5ml甲醇活化，然后再用5ml水淋洗。將1ml0.1M醋酸鈉加入4ml血漿中，充分混合后倒入萃取柱內(nèi)，抽濾。然后加入3ml水，抽濾30秒。再將固相萃取柱在1000~1500rpm離心機上離心5分鐘。用3ml丙酮洗脫，收集洗脫液，將洗脫液在氮氣流下緩緩加熱（<45℃）至干燥。用200μl甲醇溶解殘渣，進樣20μl，進行HPLC分析。HPLC條件：柱子:ODS-35μm150×4.6mm

流動相:乙腈/甲醇/5mMKH2PO4(15/30/55）流速:2ml/min柱溫:40℃檢測器:UV254nm第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五二、超臨界流體萃取

超臨界流體是處于臨界溫度（Tc）和臨界壓力（Pc）以上，介于氣體和液體之間的流體。超臨界流體具有氣體和液體的雙重特性。SF的密度和液體相近，粘度與氣體相近，但擴散系數(shù)約比液體大100倍。由于溶解過程包含分子間的相互作用和擴散作用，因而SF對許多物質(zhì)有很強的溶解能力。超臨界流體對物質(zhì)進行溶解和分離的過程就叫超臨界流體萃?。⊿upercriticalFluidExtraction,簡稱SFE）?？勺鳛镾F的物質(zhì)很多，如二氧化碳、一氧化亞氮、六氟化硫、乙烷、庚烷、氨等，其中多選用CO2（臨界溫度接近室溫，且無色、無毒、無味、不易然、化學惰性、價廉、易制成高純度氣體）。

第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五超臨界萃取技術特點：廣泛的適應性.由于超臨界流體溶解特異增高的現(xiàn)象普遍存在，因而可作為一種通用、高效的分離技術。兼液—液萃取和精餾的共同特性。(2)效率高，過程易于調(diào)節(jié).根據(jù)超臨界流體的溶解能力隨溫度和壓力的變化十分敏感的特點控制分離過程，實現(xiàn)分級萃取等。(3)工藝流程簡單.有時只需減壓放氣即可，不需要溶劑回收設備，比傳統(tǒng)分離工藝簡化，而且節(jié)省能耗。第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五(4)產(chǎn)品中無溶劑殘留.因為一般的超臨界流體在常溫常壓下為氣體。(5)分離過程在接近室溫下完成(如SCF－

CO2)，特別適用于熱敏性天然產(chǎn)物的提取。(6)必須在高壓下操作，設備及工藝技術要求高，投資比較大。第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五在超臨界流體研究中，應用最多的體系是CO2，優(yōu)點為：(1)臨界溫度和臨界壓力低，操作條件溫和．對有效成分的破壞少，因此特別適合于處于高沸點熱敏性物質(zhì)．如香精、香料、油脂、維生素等。(2)CO2在使用過程中穩(wěn)定、無毒、不燃、安全、不污染環(huán)境，且可以避免產(chǎn)品的氧化?？梢钥醋魇桥c水相似的無毒、廉價的有機溶劑。(3)在超臨界CO2萃取時，被萃取的物質(zhì)通過降低壓力，或升高溫度即可析出，不必經(jīng)過反復萃取操作，使超臨界CO2

萃取過程簡單。所以超臨界CO2萃取特別適合于對生物、食品、化妝品和藥物等產(chǎn)物的提取和純化。第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五夾帶劑：在超臨界狀態(tài)下，CO2具有選擇性溶解。

SFE-CO2對低分子、低極性、親脂性、低沸點的成分如揮發(fā)油、烴、酯、內(nèi)酯、醚，環(huán)氧化合物等表現(xiàn)出優(yōu)異的溶解性，像天然植物與果實的香氣成分。對具有極性基團(-OH，-COOH等)的化合物，極性基團愈多，就愈難萃取，故多元醇，多元酸及多羥基的芳香物質(zhì)均難溶于超臨界二氧化碳。對于分子量高的化合物，分子量越高，越難萃取，分子量超過500的高分子化合物也幾乎不溶。而對于分子量較大和極性基團較多的中草藥的有效成分的萃取，就需向有效成分和超臨界二氧化碳組成的二元體系中加入第三組分，來改變原來有效成分的溶解度，在超臨界液體萃取的研究中，通常將具有改變?nèi)苜|(zhì)溶解度的第三組分稱為夾帶劑。一般地說，具有很好溶解性能的溶劑，也往往是很好的夾帶劑，如甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯。

第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五應用：第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五1、食品行業(yè)中應用超臨界流體萃取技術

SCF－CO2最早在食品方面工業(yè)化，現(xiàn)在萃取工藝較為成熟的有：脫咖啡因、萃取啤酒花、小麥胚芽油萃取、沙棘油萃取、大豆油萃取以及辣椒紅色素與辣素的分離等。用SCF－CO2從咖啡豆脫除咖啡因、從啤酒花萃取酒花浸膏的大規(guī)模工業(yè)化裝置在德、美、日等地投產(chǎn)。中科院廣州化學所和南方面粉廠聯(lián)合開發(fā)的我國第一套SCF－CO2萃取工業(yè)化裝置于1994年投產(chǎn)，主要萃取小麥胚芽。第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五2、草藥萃取中應用超臨界流體技術

傳統(tǒng)的中藥提取方法工藝復雜，提取產(chǎn)率低，產(chǎn)生大量廢液和廢渣，能耗大，嚴重制約了我國傳統(tǒng)醫(yī)藥的發(fā)展。由于SCF－CO2在食品方面成功實現(xiàn)工業(yè)化，使得SCF－CO2在中草藥方面的應用研究倍受矚目。對于揮發(fā)油類，SCF－CO2不僅極大提高收率，還能保持產(chǎn)品原結(jié)構；提取后的藥渣仍可用于提取其他有效成分。對于各種含氧化合物、色素及生物堿等能獲得有效成分的高選擇性和高純度。目前研究較多的有青篙素、丹參酮、厚樸酚、大蒜油、銀杏黃酮等。第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五3.天然香料萃取中應用超臨界流體萃取

隨著人們環(huán)保意識的增強以及對生活質(zhì)量的要求提高，“綠色”天然添加劑受到人們的重視。SCF－CO2萃取天然香料因此在國內(nèi)外受到關注，大量的研究報道有關于此，很多已經(jīng)工業(yè)化。主要有鮮花、辛香料等，超過150個品種。

第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五4.電子器件和精密儀器清洗中應用超臨界流體萃取

美國國家能源部洛斯阿拉莫斯國家實驗室已經(jīng)開發(fā)出用超臨界二氧化碳作為清洗劑的新型環(huán)保技術，可以大大減少生產(chǎn)電腦芯片和集成電路時所使用的腐蝕性物質(zhì)，同時不會產(chǎn)生大量廢水。超臨界流體清洗與水清洗相比，有明顯優(yōu)點：①可清洗幾何結(jié)構復雜的零件；②常溫操作；③不需要干燥時間?？捎迷诰軝C械零部件、地質(zhì)探望儀、光學零部件、醫(yī)療器械和材料等領域。第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五5、活性炭再生技術中應用超臨界流體萃取通常工業(yè)上活性炭采用高溫再生或化學再生，這兩種方法很不經(jīng)濟且存在環(huán)境問題。SCF－CO2對非極性物質(zhì)、中等極性物質(zhì)有良好的溶解能力，而對活性炭不溶解，這構成該技術的基礎。6、超臨界絡合萃取中超臨界流體萃取超臨界流體萃取與有機溶劑絡合作用結(jié)合，可以對特殊環(huán)境的有害金屬離子進行處理。雖然SCF－CO2的非極性使得金屬離子在其中的溶解度有限，但可以加入改性劑或有機配體來增加溶解度。改性劑如甲醇以兩種方式增加金屬離子溶解度：①與金屬離子配位以降低其極性；②使SCF－CO2成為一種極性溶劑。第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五7、超臨界干洗中應用超臨界流體萃取

目前干洗工業(yè)使用的清洗劑全氯乙烯對人體健康和環(huán)境有害，人們考慮將SCF—CO2作為其替代品。美國DeSimone等開發(fā)了能很好溶于CO2的清洗劑，并創(chuàng)建了MICELLTechonologies公司，設計制造了CO2干洗機，其干洗價格與目前市場價相當。有研究表明作為清洗劑，CO2非常有競爭力。

第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五8、在煉油工業(yè)中應用超臨界流體萃取

當前，世界煉油工業(yè)面臨嚴峻挑戰(zhàn)。隨著石油資源的不斷開采。原油逐漸變重變劣，硫、氮、金屬含量增多，給石油加工造成一定的困難。然而，國民經(jīng)濟發(fā)展對輕質(zhì)油、中間餾分油的需求量不斷增加,殘渣燃料油市場日益縮小。超臨界流體技術由于具有節(jié)能、高效、選擇性可調(diào)等特點受到國內(nèi)外煉油學者的關注。近幾年，用于石油加工領域的超臨界流體技術發(fā)展異常迅速，已在許多方面取得了突破性進展。在石油加工中的超臨界流體技術主要有兩方面的應用：超臨界流體作為分離介質(zhì)和超臨界流體作為反應介質(zhì)。第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五三、液膜萃取分離法

液膜萃取分離法吸取了液―液萃取的特點，又結(jié)合了透析過程中可以有效去除基體干擾的長處，具有高效、快速、簡便、易于自動化等優(yōu)點?；驹恚菏怯山噶伺c水互不相溶的有機溶劑的多孔聚四氟乙烯膜把水溶液分隔成兩相―萃取相與被萃取相。試樣水溶液的離子流入被萃取相與其中加入的某些試劑形成中性分子（處于活化態(tài)）。這種中性分子通過擴散溶入吸附在多孔聚四氟乙烯上的有機液膜中，再進一步擴散進入萃取相，一旦進入萃取相，中性分子受萃取相中化學條件的影響又分解為離子（處于非活化態(tài)）而無法再返回液膜中去。其結(jié)果使被萃取相中的物質(zhì)―離子通過液膜進入萃取相中。第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五2.影響因素

在液膜萃取分離中，被分離的物質(zhì)在流動相的水溶液中只有轉(zhuǎn)化為活化態(tài)（即中性分子）才進入有機液膜，因此提高液膜萃取分離技術的選擇性主要取決于如何提高被分離物由非活化態(tài)轉(zhuǎn)化為活化態(tài)的能力，而不使干擾物質(zhì)或其它不需要的物質(zhì)變?yōu)榛罨瘧B(tài)。為此：

a.改變被萃相與萃取相的化學環(huán)境如調(diào)節(jié)溶液的pH值就可以把各種pKa不同的物質(zhì)有選擇的萃取出來。

b.改變聚四氟乙烯隔膜中有機液體極性