濁點萃取技術在相分離富集中的應用

濁點萃取技術在相分離富集中的應用

隨著科學技術的發(fā)展，在環(huán)境、生物、食品、制藥等樣品的分析中，通常需要檢測樣本的特征。由于分析對象的組成復雜，因此存在嚴重的基質干擾。因此,在進行復雜樣品分離測定時,大多需經分離、純化、預富集等前處理才能進行相應的儀器分析,從而提高分析方法的靈敏度和準確性。萃取法是分離和富集痕量組分較為常用的方法之一。傳統(tǒng)的液-液萃取法存在有機溶劑使用量大、富集倍數低、操作繁瑣等缺點,因此,開發(fā)快速、靈敏、高選擇性的前處理方法已成為目前分析化學領域的研究熱點之一。濁點萃取(CloudPointExtraction,CPE)作為一種新型的環(huán)保液-液萃取技術,其概念最早由Wantannabe等在1976年提出。它利用非離子型表面活性劑膠束水溶液的溶解性和“濁點”特性,通過改變實驗條件(如溫度)到達其濁點時引發(fā)相分離,從而將待測物質與基質分離開來,并得到一定程度的富集。CPE技術具有富集倍數高、有機溶劑用量小、操作簡便等優(yōu)點,目前已廣泛應用于基質復雜樣品的前處理,如食品樣品、環(huán)境樣品、生物樣品及中藥樣品等領域。1濁點現象引發(fā)相分離表面活性劑的分子結構由兩部分組成,分子的一端是親油的非極性基團,也稱為疏水基;分子的另一端是親水的極性基團或離子基團,也稱為親水基。隨著表面活性劑水溶液濃度的增加,表面活性劑分子疏水基聚集成核,親水基向外張開形成膠束。表面活性劑產生膠束的最小濃度稱為臨界膠束濃度(CriticalMicelleConcentration,CMC)。表面活性劑的類型和溶液條件不同,形成的膠束形態(tài)也不相同,可能是圓形、橢球形或棒狀膠束。均一的非離子表面活性劑水溶液溶解度隨溫度升高而降低,在升至一定溫度時出現渾濁,這個溫度被稱為該表面活性劑的濁點(CloudPoint,CP)。經過放置或離心后可以得到兩個透明的液相:一相為小體積的表面活性劑相(或膠束相,約占總體積的5%);另一相為水相(其中表面活性劑濃度為CMC)。該過程可逆,若降低溫度,則兩相消失再次形成均一溶液。樣品中的疏水性物質與表面活性劑的疏水基結合,被萃取進入膠束相,親水性物質則留在水相中,這種利用濁點現象使得樣品中疏水性物質與親水性物質分離的萃取方法即為CPE法。同時,由于膠束相的體積遠小于水相,分析物在與基體成分分離的同時還可以得到一定程度的富集。最初研究人員認為由于膠束的增長和聚集,或者溫度升高使得非離子表面活性劑中聚氧乙烯鏈的構象發(fā)生變化而導致了相分離;也有研究人員認為相分離是由溶液的內能競爭所引起的;最近有報道提出,由于形成了連接的膠束網絡或者是由于水與表面活性劑分子間強的取向相互作用(H鍵作用)而導致了相分離。盡管研究人員開展了大量的研究,關于濁點現象引發(fā)相分離的原理仍然存在爭議。目前較為普遍的解釋是,隨著溫度升高,表面活性劑極性基團水化層被破壞,引起膠束內斥力降低和膠束聚集體劇增,從而導致了相分離。2鹽廢水處理系統(tǒng)CPE法無須使用專門儀器,操作非常簡單,首先在待測樣品溶液中加入表面活性劑溶液,初始表面活性劑濃度需大于CMC,以確保膠束聚集體的形成;隨后改變條件引發(fā)相分離,如升高或降低溫度,加入適量的鹽或其它添加劑如絡合劑,必要時可以離心以加速相分離,分離出的表面活性劑相可直接測定或采用合適的溶劑稀釋,降低黏度后進行測定。CPE的萃取效果在很大程度上取決于表面活性劑的濁點溫度?？梢酝ㄟ^改變表面活性劑種類和濃度、溶液pH值和離子強度、平衡時間及溫度、離心時間等因素來優(yōu)化濁點萃取過程。一般采用下列參數來評價濁點萃取的效果:萃取率(E)、濃縮因子(CF)、相體積比(θ)和分配系數(D)。式中Cs———待測物在表面活性劑中的濃度;Co———待測物在原始溶液中的濃度;Vw———水相體積;Cw———待測物在水相中的濃度。2.1萃取表面活性劑d和c、d的含量濁點溫度與表面活性劑分子結構和濃度相關。當表面活性劑中疏水鏈長度相同時,親水鏈長度增加,濁點溫度升高,待測物的D、CF和θ下降;相反,親水鏈長相同時,疏水鏈長度增加,濁點溫度下降,待測物的E提高,但分配系數D和相體積比θ有所降低。增大表面活性劑的濃度可提高E,θ隨之增大,而CF和D同時減小。為了提高CF,可以降低表面活性劑的濃度。但若表面活性劑濃度太低,則分層后膠束相體積太小,不利于萃取后兩相分離,影響方法的準確性和重現性。因此,用于CPE的理想表面活性劑應具有合適的疏水性和適宜的濃度,以得到理想的濁點溫度、最大的萃取率、較小的體積,從而使得CPE的操作方便,相分離簡單,并提高富集倍數。目前除非離子表面活性劑(如TritonX系列、Brij系列等)外,也有一些研究報道采用兩性離子表面活性劑(如C9-APSO4)和離子型表面活性劑(如SDS、SDSA等)進行濁點萃取。2.2ph值的影響溶液的pH值對濁點萃取的影響與被萃取物及表面活性劑的性質有關。在有機物的萃取中,對于酸性或堿性的被萃取物,溶液pH值可影響其萃取效率;中性分子電離后疏水性降低,與膠束的結合不如其中性未電離時強。在萃取生物樣品如蛋白質時,體系pH值應控制在等電點附近,此時蛋白質具有較強的疏水性,易被萃取進入表面活性劑相。對于金屬離子的萃取,需要加入絡合劑形成疏水性的絡合物,才能萃取到表面活性劑相,pH值影響絡合物的形成,從而影響萃取效率。如Cr(Ⅲ)的萃取,只有在堿性pH值條件下,Cr(Ⅲ)才能形成穩(wěn)定的水配合物,從而增強與絡合劑間的反應活性,促進疏水性絡合物的形成,提高萃取效率。體系的pH值對于非離子型表面活性劑的影響不大,但對離子型表面活性劑,特別是陰離子表面活性劑的影響較大。2.3平衡時間的確定平衡溫度和時間對CPE的影響較大,特別是在萃取穩(wěn)定的無機樣品時。一般來說,提高平衡溫度,萃取效率和濃縮因子增大。要達到較好的萃取效果,平衡溫度至少要比表面活性劑的濁點溫度高出15~20℃。增長平衡時間會提高萃取率,但過長的平衡時間對于萃取率無明顯影響。對于金屬離子的萃取,平衡時間需要保證大于其絡合反應的時間,通常平衡時間在10min以上即可以獲得較好的萃取效果。2.4萃取時間和離心時間盡管在進行優(yōu)化時也會考察離子強度和離心時間的影響,但兩者對于萃取效率并無明顯影響。離子強度的改變對萃取效率、分配系數(D)和相體積比(θ)無明顯影響。但一些惰性鹽的加入可以改變表面活性劑的濁點溫度,使水相密度加大,便于兩相分離。離心時間并不影響萃取率,但可以促進兩相分離。對于濁點溫度較高的體系,室溫下較長時間離心有可能引起相分離逆轉,反而會降低萃取效率。一般而言,比較推薦的離心時間為5~10min。2.5表面活性劑對cp濃度的影響添加劑的引入能夠顯著地改變非離子型或離子型表面活性劑的濁點溫度。研究表明,對于非離子表面活性劑體系,加入陰離子或陽離子型表面活性劑,可使CP升高,且在相同碳鏈長度下,陰離子表面活性劑對CP的影響更為顯著;引入多元醇(如蔗糖)和聚合物(如PEG)可以使CP降低,且聚合物降低CP的效果與其濃度和分子量有關;極性有機物添加劑能使CP降低;脂肪醇、有機胺和烴均可降低CP,其中脂肪醇對CP的影響較為明顯,且對CP的調節(jié)效果與其水溶性及鏈長有關,見表1;一些無機電解質的加入會影響表面活性劑聚氧乙烯鏈氫鍵的形成或破壞,因而對CP的影響會出現降低或升高的情況。鹽析型(Saulting-out)無機電解質的加入,如氯化物、硫酸鹽等,可以降低非離子表面活性劑的CP,而鹽溶型(Saulting-in)無機電解質如硫氰酸鹽等則使CP升高。3濁點提取和提取3.1體系ph值的調節(jié)Wantannabe等最早將濁點萃取用于金屬離子的測定,采用PONPE-7.5作為表面活性劑,從水中富集了鋅離子。此后CPE技術廣泛應用于分離富集痕量金屬元素[47,48,49,50,51,52]。金屬離子的濁點萃取操作十分簡單,在待測樣品溶液中加入絡合劑和表面活性劑,樣品中的金屬離子與絡合劑反應生成絡合物,加入適當的添加劑,在水浴中加熱至濁點,趁熱離心分離,冷卻后除去水相,適當稀釋膠束相即可進行測定。通過選擇合適的絡合劑,基本上大多數金屬離子都可以采用CPE的方法進行分離。在多數情況下,pH值對于萃取效果的影響較大,在進行金屬離子的濁點萃取操作時,體系pH值的調節(jié)顯得尤為重要。Shokrollahi等將CPE和浮選法相結合,以PAR作為絡合劑,采用TtitonX-114(TX-114)從水樣和血樣中分離富集了痕量Zn2+,方法選擇性強、靈敏度高。在體系pH值為5.2,TX-114濃度大于0.1%(質量濃度)時,萃取效果最好,方法的檢測下限為6.5μg/L。Doroshchuk等采用非離子表面活性劑TritonX-100(TX-100),以二苯并-18-冠-6(DB18C6)作為絡合劑,辛胺作為添加劑,考察了脂肪族單羧酸鏈長(n)、pH值和羧基偶氮砷對Ba離子濁點萃取效率的影響。結果表明,當羧酸鏈長n≤9時,萃取率隨鏈長的增加而提高;但當n>9時,萃取率沒有顯著改變。在體系pH≤7時,萃取率隨pH值升高而增大;體系pH值在7~10之間時,萃取率沒有明顯變化;當進一步升高pH值時,萃取率反而降低了,這可能是由于在強堿性條件下非離子表面活性劑結構被破壞而導致的。最近,二次濁點萃取法被用來分離富集人血清、動物血樣中的痕量金屬離子。在第一次CPE中,使用DDTP/TX-114體系,富集得到了Cd、Pb和Cu,并進行了同位素稀釋;對一次CPE的水相進行二次濁點萃取,采用PAR/TX-114體系,調節(jié)體系pH值在4~5之間,分離得到了Co和Ni。對于所有的待測金屬離子,方法的最高萃取效率可以達到85%~96%。3.2濁點萃取技術由于其操作條件溫和,且分離后不需復性,CPE技術特別適合用來處理生物樣品。CPE可用于分離膜蛋白、酶、動植物和細菌的受體,還可與色譜法聯(lián)用替代硫酸銨分級法作為純化蛋白質的最初步驟。Bordier最早將CPE用于生物學領域。最初CPE主要用于疏水性蛋白質的分離富集。Saitoh等首先報道了在兩性型離子表面活性劑3-(nonyldimethylammonio)propylsulfate中引入疏水性親和試劑辛基-β-D-葡萄糖苷(octyl-β-D-glucoside)后,可以用來萃取親水性的抗生物素蛋白和己糖激酶,而加入非離子表面活性劑TX-114卻不能有效地萃取出這兩種親水性蛋白質。濁點萃取技術也可以用來分離富集動物或植物來源的生物樣品。有研究報道,采用非離子表面活性劑TX-100,在高濃度鹽溶液中同時富集親水性和疏水性的人參皂苷。Paleologos等用TX-114從魚組織中富集得到生物胺的甲酰衍生物。Tani等用TX-114和陰離子葡聚糖硫酸鹽(Dx-S)從豬肝微粒體中分離純化細胞色素b5。試驗表明,在Tris-HCl緩沖液(pH=7.4)中加入Dx-S后,微粒體的萃取率顯著下降,細胞色素b5的萃取率升至91%,為微粒體蛋白的10倍。濁點萃取技術也用于分離各種有機環(huán)境污染物,如含酚廢水、有機染料、多環(huán)芳烴(PAHs)等的分離測定。Materna等比較了CPE和超濾法對于廢水中13種酚類和苯胺類污染物的去除效果。實驗表明,CPE法對污染物的去除效果優(yōu)于超濾法。OMD-11作為萃取劑可以有效地去除廢水中的污染物。酸性和疏水性污染物的萃取率要高于堿性和極性的污染物。以TX-114作為萃取劑,對水中的孔雀石綠和結晶紫染料進行富集,也得到了很好的結果,兩種染料的檢測下限分別為2.9ng/mL和4.8ng/mL。GenapolX-80可以有效地富集海水和廢水中的酚類物質和除草劑。濁點萃取技術不僅可以用來處理液體樣品,也可以從固體樣品,如土壤樣品中分離富集痕量組分。研究人員采用陰離子表面活性劑作為萃取劑,從液體和固體樣品中分離富集了各種多環(huán)芳烴(PAHs)、類固醇類激素黃體酮和維生素E,并考察了表面活性劑結構對萃取效果的影響。結果表明,陰離子表面活性劑的親水基團對萃取效率有較大影響;酸的加入可以使得萃取系統(tǒng)的CP降低,有利于萃取熱穩(wěn)定性差的樣品維生素E;表面活性劑濃度和酸的濃度都對萃取率有較大影響;在相同操作條件下,使用十二烷基硫酸鈉(SDS)和十二烷基磺酸鈉(SDSA),濃縮因子分別為10倍和20倍。3.3檢測方法的選擇CPE作為一項有效的樣品前處理技術,能與多種分析檢測技術聯(lián)用,進行樣品的測定。一般說來,萃取后的無機金屬離子,其檢測手段一般采用各種光譜法,如分子光譜法、原子光譜法和等離子體發(fā)射光譜法/質譜法等。近年來也有采用色譜技術如HPLC和電泳來測定金屬離子的研究報道。有機物的檢測手段較為常用的有紫外可見分光光度法、反相高效液相色譜法、氣相色譜法、電泳法等。此外,將CPE與流動注射分析相結合,可以在很大程度上提高無機金屬離子和有機分析物的檢測靈敏度和選擇性,并獲得更低的檢測限。需要注意的是,在與其它檢測手段聯(lián)用時,濁點萃取法存在一些不足。由于膠束相的黏度較大,在樣品測定之前,需要合適的溶劑(水或有機溶劑)進行稀釋以降低黏度,在一定程度上可能會影響樣品的濃縮因子。另外,常用的表面活性劑在紫外區(qū)域有較強的背景吸收,而且一些表面活性劑會吸附在色譜柱上,這些都會對待測樣品的測定造成干擾。為了克服這些問題,常用的方法有:更換檢測方式,如采用電化學檢測器或熒光檢測器等;采用紫外區(qū)域無吸收的萃取系