离子液体双水相体系及其在生物分离中的应用.pdf

生物技术通报 B I O T E C H N O L O G Y B U L L E T I N 技术与方法 2 0 0 8年第5期 收稿日期 2 0 0 8 0 2 0 4 基金项目 教育部博士学科点专项基金 2 0 0 5 0 2 1 7 0 1 9 及哈尔滨工程大学基础研究基金 H E U F T 0 5 0 1 8 作者简介 徐晓冬 1 9 7 4 女 吉林农安人 副教授 在站博士后 主要从事新型离子液体研究及其应用研究 T e l 0 4 5 1 8 2 5 6 9 8 9 0 E m a i l x u x i a o d o n g h r b e u e d u c n 通讯作者 张密林 双水相萃取技术是近年来出现的一种极有前 途的新型分离技术 它具有条件温和 操作简便和 分离效率高等特点 与传统的有机溶剂萃取相比 双水相体系能够为生物活性物质提供一种温和的 环境 而使其不易失活 因此双水相萃取技术已广 泛应用于生物活性物质的分离和纯化 如大多数酶 和蛋白质等都能用双水相体系进行分离纯化 离子液体 又称室温熔盐 是由特定的有机阳 离子和无机或有机阴离子构成的在室温或近室温 下呈液态的熔盐体系 1 作为一类新型的绿色溶剂 离子液体具有其它常规溶剂无可比拟的优点 如蒸 气压极低 热稳定性和化学稳定性高 液程宽 溶解 性强和可设计性等 基于离子液体的这些独特性 质 使其在多种萃取分离过程中得到广泛的应用 被誉为 液体分子筛 尤其在萃取分离生物物质 如抗生素 氨基酸 蛋白质等 方面表现出了优异 的性能 并且取得了很好的分离效果 作为新型绿色溶剂的离子液体也可以形成双 水相体系 该双水相体系综合了离子液体和双水相 体系的优点 开辟了新的萃取分离体系 与传统的 双水相体系相比 离子液体双水相体系具有分相时 间短 粘度低 萃取过程不易乳化且离子液体可以 回收利用等优点 这些优点刚好克服了传统双水相 体系的缺点 因此 离子液体双水相体系在生物分 离工程中具有广阔的应用前景 1双水相萃取技术的原理 离子液体双水相体系及其在生物分离中的应用 徐晓冬丹媛媛李欣欣张密林 哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院 哈尔滨1 5 0 0 0 1 摘要 作为一种高效而温和的新型绿色分离体系 离子液体双水相体系结合了离子液体和双水相体系的优点 因此倍受国内外研究者的青睐 介绍了双水相萃取技术的原理和离子液体双水相体系 综述了离子液体双水相体系在生 物分离中的研究进展 主要包括抗生素 蛋白质 和食用色素等的萃取分离 并展望了离子液体双水相体系在生物分离中 的应用前景 关键词 离子液体双水相体系生物分离研究进展 A q u e o u sB i p h a s i cS y s t e m B a s e do nI o n i cL i q u i da n dI t s A p p l i c a t i o ni nB i o s e p a r a t i o n X uX i a o d o n g D a nY u a n y u a n L i X i n x i n Z h a n gMi l i n H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t yC o l l e g eo f M a t e r i a l sS c i e n c ea n dC h e m i c a l E n g i n e e r i n g H a r b i n1 5 0 0 0 1 A b s t r a c t A san o v e lg r e e ns e p a r a t i o ns y s t e m w i t hh i g he f f i c i e n c ya n dm i l dc o n d i t i o n s a q u e o u sb i p h a s i cs y s t e m b a s e do na d v a n t a g e so fi o n i cl i q u i d sa n da q u e o u sb i p h a s i cs y s t e m h a sg a i n e di n c r e a f i n gr e c o g n i t i o n s I nt h i sp a p e r t h e e x t r a c t i o n m e c h a n i s m o fa q u e o u sb i p h a s i cs y s t e m a n d i o n i cl i q u i d b a s e d a q u e o u sb i p h a s i cs y s t e m w e r eo u t l i n e d a n d r e s e a r c ho nb i o s e p a r a t i o nb ya q u e o u sb i p h a s i cs y s t e m w e r er e v i e w e da sw e l l i n c l u d i n ge x t r a c t i o no fa n t i b i o t i c s p r o t e i n a n df o o dp i g m e n t Mo r e o v e r a p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e so f a q u e o u sb i p h a s i cs y s t e m w e r ed i s c u s s e d K e y w o r d s I o n i cl i q u i d s A q u e o u sb i p h a s i cs y s t e m B i o s e p a r a t i o n R e s e a r c ha d v a n c e s 2 0 0 8年第5期 1 1双水相的形成 双水相现象实际上是由于亲水性聚合物之间 的不相溶性造成的 当一种亲水性聚合物的水溶液 在与第二种亲水性聚合物混合时 超过一定的浓度 范围时就会产生两相 2种聚合物分别溶于互不相 溶的两相中 形成所谓的双水相体系 一般认为 由 于聚合物之间的不相溶性 即聚合物分子之间的空 间阻碍作用 使之相互之间无法渗透 出现分相的 倾向 当满足一定的成相条件时 即可分为两相 某 些聚合物溶液与一些无机盐溶液相混合时 同样会 在一定的浓度下形成双水相体系 即聚合物 无机 盐双水相体系 常用于生物分离的双水相体系包 括 聚合物 聚合物双水相体系 如聚乙二醇 葡聚 糖 和聚合物 无机盐体系 如聚乙二醇 磷酸盐和 聚乙二醇 硫酸盐体系 1 2双水相萃取的原理 双水相萃取属于液 液萃取 其原理与水 有机 相萃取相似 都是依据物质在两相间的选择性分 配 但萃取体系的性质不同 当物质进入双水相体 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 的存在和溶液环境因素的影 响 使其在上 下相中的浓度不同 即各成分在两相 间的选择性分配 从而达到萃取的目的 溶质 包括 蛋白质等大分子物质 稀有金属以及贵金属的络合 物 中草药成分等 在双水相体系中服从N e r n s t分 配定律 K Ct Cb 其中K为分配系数 C t Cb分别代表溶质在上相 下 相中的浓度 系统固定时 分配系数为一常数 与溶 质的浓度无关 当目标物质进入双水相体系后 在 上相和下相间进行选择性分配 这种分配关系与常 规的萃取分配关系相比 表现出更大或更小的分配 系数 如各种类型的细胞粒子 噬菌体的分配系数 都大于1 0 0或者小于0 0 1 因此 为高效的物质分 离提供了可能 1 3双水相萃取的特点 双水相体系萃取具有如下特点 1 含水量高 7 0 9 0 是在接近生理环境的温度和体系中 进行萃取 不会引起生物活性物质失活或变性 2 分相时间短 自然分相时间一般为5 1 5 m i n 3 界 面张力小 1 0 7 1 0 4 m N m 比一般的有机萃取体系 小1 3个数量级 有助于强化相际间的质量传递 4 不存在有机溶剂残留问题 5 大量杂质能与所 有固体物质一同除去 使分离过程更经济 6 操作 条件温和 整个操作过程在常温常压下进行 易于 工程放大和连续操作 2离子液体双水相体系简介 离子液体双水相体系通常由一种有机盐 亲水 性离子液体 一种无机盐 如磷酸盐 碳酸盐 氢氧 化物等 和水形成 它综合了离子液体和双水相体 系的优点 作为一种高效而温和的新型绿色分离体 系 与传统的亲水性聚合物 无机盐双水相体系相 比 离子液体双水相体系具有分相时间短 粘度低 萃取过程不易乳化且离子液体可以回收利用等优 点 这些优点刚好克服了传统双水相体系的缺点 因此 离子液体双水相体系受到越来越多研究者的 关注 R o g e r s等 2 于2 0 0 3年首次提出了离子液体双 水相的概念 研究发现了亲水性离子液体 B M I m C l 和水合磷酸钾可以形成上相富集离子液体和下相 富集磷酸钾的双水相体系 并且证明这一双水相体 系可能在分离萃取上有极好的应用前景 此后 陆 续报道的可形成双水相体系的离子液体包括 B M I m C l H M I m C l O M I m C l D M I m C l 1 丁 基 2 3 二甲基咪唑盐酸盐 B M M I m C l B P y C l 四丁基 氯 化 铵 T B A C l 四 丁 基 氯 化 粼 T B P C l B M I m B r 四 丁 基 溴 化 铵 T B A B r B M I m B F 4 B P y B F4和 B M I m N O3等 可形成离子液体双水相的无机盐包 括 K 3P O4 K2H P O4 N a2H P O4 N a H2P O4 N H4 2S O4 K2C O3 N a 2C O3 K O H N a O H等 这些离子液体双水 相体系可应用于水溶液中离子液体的回收与浓缩 3 4 生物活性物质的萃取分离 5 1 7 以及金属离子的萃取 分离 1 8 1 9 等方面 另外 张锁江等 2 0 发现 亲水性离 子液体 B M I m B F 4和糖也可以形成双水相体系 目前 关于离子液体双水相体系液 液相平衡 的数据还相当缺乏 但这方面的数据还在不断涌 现 夏寒松等 2 1 研究了影响离子液体双水相形成的 主要因素 H e等 1 5 测定了 B M I m C l K 3P O4 B M I m C l K2H P O4 B M I m C l K O H和 B M I m C l K2C O3双水 相体系的相图 并将其应用于人尿液中睾丸激素和 徐晓冬等 离子液体双水相体系及其在生物分离中的应用 8 9 生物技术通报B i o t e c h n o l o g y B u l l e t i n2 0 0 8年第5期 表 睾 酮 的 富 集 和 分 析 R u i z A n g e l等 1 2 测 定 了 B M I m C l K2H P O4和 B M I m C l K2C O3双水相体系的 相图 并结合逆流色谱分离了卵清蛋白 B r i d g e s等 2 2 测定了离子液体 B M I m C l B P y C l 1 丁基 2 3 二 甲基咪唑盐酸盐 B M M I m C l 四丁基氯化铵 T B A C l 四丁基氯化粼 T B P C l和无机盐K3P O4 K2H P O4 K2C O3 N H4 2S O4 K O H所形成的多种双水相体系 的相图 D e n g等 2 3 报道了3种离子液体 B M I m C l H M I m C l和 O M I m C l 及2种无机盐 K3P O4和 K2C O3 形 成 的6种 双 水 相 体 系 的 相 平 衡 数 据 Z a f a r a n i M o a t t a r等 2 4 研 究 了 B M I m B r K3P O4和 B M I m B r K2H P O4双水相体系的相行为 提供了这 两个体系的相平衡数据 P e i等 2 5 测定了不同碳链 长度 C 4 C1 0 的 离子液 体 B M I m C l H M I m C l B M I m B r H M I m B r O M I m B r D M I m B r和 无 机 盐K O H K2H P O4 K2C O 3 K3P O4所 形 成 的 多 种 双 水 相体系在2 9 8 1 5 K下的相平衡数据 及部分体系在 3 0 8 1 5 K和3 1 8 1 5 K的相平衡数据 刘丙艳等 2 6 采 用浊点 密度法测定了 B M I m B F 4 N a2C O3双水相体 系的液 液相平衡数据 并作了关联计算 3离子液体双水相体系在生物分离中应用 3 1萃取分离抗生素 离子液体 无机盐双水相与传统的聚合物 无机 盐双水相一样可应用于抗生素的萃取分离 S o t o等 5 考察了应用 O M I m B F 4 N a H2P O4双水相分离阿莫西 林和氨苄青霉素 比较了2种不同p H值 4和8 对分配系数的影响 并用N R T L模型对实验数据进 行了拟合 结果表明 离子液体与抗生素分子间的 静电相互作用对抗生素在双水相中的分配系数有 重要影响 抗生素的分子结构也影响其在离子液体 中的溶解度 带有活度系数的简单液 液萃取模型 N R T L模型 可以很好地关联实验数据 刘庆芬等 6 8 用 B M I m B F 4 N a H2P O4双水相体系 分离了青霉素G钾盐 考察了N a H2P O 4浓度 青霉 素浓度以及离子液体用量对双水相形成和萃取率 的影响 结果表明 离子液体双水相萃取青霉素是 一项高效分离青霉素的新技术 青霉素的萃取率可 达9 3 7 体系的p H值为4 5时 萃取过程不发生 乳化现象 而且青霉素的降解率也有所降低 J i a n g 等 9 在采用相同的体系萃取青霉素后 又采用憎水 性离子液体 B M I m P F 6对富离子液体相进行了二次 萃取 以此实现离子液体与青霉素的分离 张建敏等 1 0 提出了一种离子液体双水相中抗 生素类药物制备分离一体化的新方法 即抗生素盐 或者抗生素发酵滤液 在亲水性离子液体溶液中酸 化后形成的无机盐将亲水性离子液体从水溶液中 析出 该富离子液体相将抗生素从水溶液中萃取分 离 体系中水溶液为循环母液 离子液体本身又不 挥发 因此离子液体不损失 即离子液体可以循环 使用 3 2分离提纯蛋白质 邓凡政等 1 1 用亲水性离子液体 B M I m B F 4 K H2P O4 双水相体系萃取分离牛血清白蛋白 B S A 研究了 不同种类盐 盐的浓度 离子液体浓度以及蛋白质 浓度 溶液p H值及其它共存物质对双水相体系的 影响和B S A萃取效率的影响 结果表明 K H2P O 4浓 度为8 0 g L 离子液体浓度为1 6 0 2 4 0 g L B S A浓度 为3 0 5 0 m g L 溶液酸度在p H值4 8之间 离子液 体双水相体系对B S A有较高的萃取率 R u i z A n g e l等 1 2 测定了 B M I m C l K2H P O4和 B M I m C l K2C O3双水相体系的相图 并结合逆流色谱 分离了卵清蛋白 分配系数高达1 8 0 而传统的双 水相体系P E G K 2H P O4的分配系数仅为1 4 D u等 1 3 则首次报道了采用离子液体 B M I m C l K 2H P O4双水 相体系直接从人类的尿液中萃取分离蛋白质 分相 后蛋白质存在于上层的富离子液体相 分配系数在 1 0左右 这种方法可以实现蛋白质的在线分离和 量化分析 3 3萃取分离食用色素 邓凡政等 1 4 建立了由亲水性离子液体1 丁基 3 甲基咪唑四氟硼酸盐 B M I m B F 4和N a H2P O4形成 的双水相体系萃取分离苋菜红的新方法 研究了盐 的浓度 离子液体浓度 溶液酸度和其它共存物质 对苋菜红萃取率的影响 结果表明 N a H2P O 4加入 量在2 2 5 g 离子液量在1 0 2 0 m l 苋菜红溶液量 在1 5 m l 溶液酸度在p H值4 6范围 离子液体双 水相体系对苋菜红有较高的萃取率 E 9 0 采用 离子液体双水相体系萃取分离食用色素 分相迅 速 界面清晰 而且不发生乳化 对于该体系的萃取 机理以及被萃物的回收等问题还有待于进一步深 9 0 2 0 0 8年第5期 入研究 3 4其它生物活性物质的萃取 应用离子液体 无机盐双水相富集生物大分子 用于分析化学的样品前处理是最近出现的新的研 究方向 由于离子液体的复杂结构和与生物大分子 会形成氢键 离子液体相很可能会大量富集生物大 分子 北京大学的H e等 1 5 应用 B M I m C l K 2H P O4从 人尿液中吸附富集了睾丸激素 表睾酮用于R P H P L C分析 一步萃取效率可达8 0 9 0 为药物 分析提供了新的方法 L i等 1 6 采用离子液体 B m i m C l K2H P O4双水相 体系从罂粟壳中萃取鸦片碱 并提出了一种利用离 子液体双水相技术结合高效液相色谱法测定鸦片 碱的新方法 邓凡政等 1 7 则采用 B M I m B F 4 N a H2P O4 双水相体系研究了卢丁在离子液体双水相中分配 性能 考察了离子液体用量 芦丁的浓度 盐的加入 量 溶液酸度和加入其它物质对芦丁在两相中分配 的影响 在该体系中卢丁的萃取率可达9 0 还利 用离子液体双水相体系测定了银杏叶中卢丁的含 量 4结语 离子液体双水相体系结合了离子液体和双水 相体系的优点 克服了传统双水相体系的缺点 开 辟了新的绿色萃取分离体系 因此 在生物分离工 程中具有广阔的应用前景 但是离子液体双水相体 系的研究才刚刚开始 研究还集中在与传统的聚合 物 无机盐双水相近似的研究领域 公开发表的数 据很有限 许多问题还有待于进一步解决 如分配 机理的研究 分配模型建立以及与其它分析技术的 结合 离子液体 无机盐双水相研究将来可能面临 的困境与离子液体从水溶液中萃取有机物类似 如何回收循环利用离子液体 因为离子液体在双水 相体系中的状态与有机溶剂不同 它有一部分是自 由电离的离子 也就是说存在离子交换 如何有效 地回收离子液体是需要进一步研究的内容 参 考 文 献 1张锁江 吕兴梅 离子液体 从基础研究到工业应用 北京 科学 出版社 2 0 0 6 2 G u t o w s k i K E B r o k e rG A Wi l l a u e rH D e t a l JA m C h e m S c i 2 0 0 3 1 2 5 2 2 6 6 3 2 6 6 3 3 3陈继 邓岳峰 张冬丽 中国发明专利 C N1 9 7 3 9 4 3 A 2 0 0 6 4宋溪明 刘术军 张国林 等 中国发明专利 C N1 0 1 0 1 6 1 7 6 A 2 0 0 7 5 S o t oA A r c eA K h o s h k b a r c h i M K S e pP u r i f T e c h 2 0 0 5 4 4 3 2 4 2 2 4 6 6刘庆芬 胡雪生 王玉红 等 科学通报 2 0 0 5 5 0 8 7 5 6 7 5 9 7 L i uQ F H uX S Wa n g Y H e t a l C h i n e s e S c i e n c e B u l l e t i n 2 0 0 5 5 0 1 5 1 5 8 2 1 5 8 5 8 L i uQ F Y uJ L i WL e t a l S e pS c i T e c h n o l 2 0 0 6 4 1 1 2 2 8 4 9 2 8 5 8 9 J i a n g Y Y X i a H S G u o C e t a l I n d E n g C h e mR e s 2 0 0 7 4 6 1 9 6 3 0 3 6 3 1 2 1 0张建敏 张锁江 陈玉焕 等 中国发明专利 C N1 5 8 7 2 4 0 A 2 0 0 5 1 1邓凡政 郭东方 分析化学 2 0 0 6 3 4 1 0 1 4 5 1 1 4 5 3 1 2 R u i z A n g e l M J P i n o V C a r d a B r o c h S e t a l J C h r o m a t o g r A 2 0 0 7 1 1 5 1 1 2 6 5 7 3 1 3 D uZ Y uY L Wa n g J H e t a l C h e mE u r J 2 0 0 7 1 3 7 2 1 3 0 2 1 3 7 1 4邓凡政 郭东方 分析实验室 2 0