（推荐课件）现代萃取分离技术

现代萃取分离技术 固相萃取超临界流体萃取固相微萃取微波溶样和微波辅助萃取 1 固相萃取 SolidPhaseExtraction 固相萃取 SPE 利用被萃取物质在液 固两相间的分配作用的差异 实现与样品基体及干扰组分分离或富集的方法 1 SPE的发展 20世纪70年代后期发展起来分离技术 固相萃取吸附剂的种类增多 各种固相萃取商品柱问世 固相萃取装置和仪器出现和应用 应用范围以10 的年增长率扩大 2 2 固相萃取 SPE 特点 与液 液萃取相比 固相萃取具有如下优点 较高的回收率和富集倍数 有机溶剂消耗量低 减少了对环境的污染 采用高效 高选择性的吸附剂 能更有效地将分析物与干扰组分分离 无相分离操作过程 容易收集分析物 能处理小体积试样 操作简便 快速 费用低 易于实现自动化及与其他分析仪器的联用 3 3 固相萃取的原理 利用组分在固相 吸附剂 和液相 溶剂 之间的分配能力或吸附能力的差异进行分离 其保留或洗脱的机制取决于组分与固相 吸附剂 表面的活性基团 以及组分与液相之间的分子间作用力 洗脱模式有两种 I 目标组分比干扰组分与固相之间的亲和力更强 因而被保留 洗脱时采用对目标化合物亲和力更强的溶剂 II 干扰组分比目标组分与吸附剂之间亲和力更强 则目标组分被直接洗脱 4 SPE的分离模式主要取决于填充剂的类型和溶剂的性质 正相固相萃取 采用极性的固定相 硅胶为载体的二醇基 丙氨基 保留强弱取决于目标化合物的极性官能团与固定相表面的极性官能团之间相互作用 氢键 键相互作用 偶极间的相互作用 适合于极性物质的萃取 反相固相萃取 采用非极性或弱极性的固定相 键合硅胶C18 C8及二甲基丁烷等 目标化合物通常是非极性的或极性较弱的 主要是靠是范德华力和疏水相互作用 4 SPE的类型 5 吸附固相萃取 采用吸附剂作为固定相 Al2O3 硅胶 石墨碳材料 大孔吸附树脂等 主要用于极性化合物的萃取 除石墨碳材料 大孔吸附树脂也可萃取非极性物质外 在样品前处理中应用广泛 离子交换固相萃取 以离子交换剂为固定相 硅胶载体表面有季铵基 磺酸基及碳酸基等 靠目标化合物与固定相之间的静电相互作用保留 用于萃取离子型化合物 其他固相萃取 亲和固定相 分子印记固定相等 6 表1常用的键合硅胶吸附剂及应用 7 表2常用的商品C18和C8键合硅胶固相萃取吸附剂 8 表3常用的商品化非极性有机聚合物固相萃取吸附剂 注 PS 聚苯乙烯 DVB 二乙烯苯 EVB 乙烯基乙苯 NVP N 乙烯基吡咯烷酮 9 5 固相萃取操作 固相萃取操作基本步骤 10 固相萃取柱的预处理 活化 目的是打开碳链 湿润和活化固定相 增大固定相的表面积 使目标物与表面紧密接触 易于发生分子间相互作用 增加萃取柱与组分的相互作用的表面积 除去萃取柱中存在的有机干扰物 减少污染 方法 根据固定相的性质和种类采用一定量合适溶剂冲洗柱子 11 上样 使目标物被保留 溶解样品的溶剂强度应较弱 否则目标物会被洗脱流失 注意上样体积应小于穿透体积 方法 利用抽真空 加压或离心的方法使样品进入固定相 常采取手动或泵以正压推动或负压抽吸方式使液体样品以适当流速通过固相萃取柱 样品进入固定相的方法 12 干扰物洗脱 选择合适的溶剂强度和体积的溶剂 清洗剂 一般是较弱的溶剂 将保留的杂质或基体物质洗脱 一般选择中弱强度的混合溶剂 尽可能除去基体中干扰组分 又不会导致目标物流失 如反相萃取体系常选用一定比例组成的有机溶剂 水混合液 有机溶剂比例应大于样品溶液 而小于洗脱剂溶液 目标物的洗脱 选择合适的洗脱液和体积 相对较强的溶剂强度 洗脱保留在萃取柱上的目标物 注意 对于以除去干扰物为目的的固相萃取操作 通常是将干扰物吸附在萃取柱上 而目标物和大部分基体物质不被保留或微弱保留 其操作顺序和步骤则不相同 13 6 固相萃取仪器与装置 基本组成 固相萃取柱 市售固相萃取小柱 14 固相萃取过滤装置 手动加压装置 固相萃取负压抽吸装置 15 简易固相萃取仪 16 离心固相萃取法 固相萃取离心过滤法 17 圆盘固相萃取 膜片式固相萃取 装置 外观上类似于滤膜 将粒径8 m左右的色谱固定相固载在聚四氟乙烯 聚氯乙烯或多孔玻璃纤维基体上 经紧密压制后形成直径4 96mm 厚度0 5 1mm的膜状结构 固相萃取圆盘装置示意图 市售固相萃取圆盘装置 18 真空多歧管固相萃取装置 19 真空多歧管固相萃取装置 96孔板固相萃取真空装置 20 真空多歧管固相萃取装置 21 全自动固相萃取仪 吉尔森公司的ASPECXLi全自动固相萃取仪 22 工作原理 吉尔森全自动固相萃取仪的工作原理示意图 23 固相萃取联用装置 固相萃取与HPLC联用装置 24 固相萃取联用装置 固相萃取与毛细管电泳联用装置 25 固相萃取与色层分离 萃取色层的区别固相萃取色层分离萃取色层两相固 液固 液液 液 水 固定相制备键合 化学修饰键合 化学修饰液体附于固体载体固定相种类较多很多较少分离机理吸附 分配 交换等吸附 分配 交换等分配柱尺寸小 3 5 cm 1cm大 20 100 cm 5cm中等主要用途样品前处理分离 纯化 工业制备无机分离 26 7 固相萃取吸附剂选择 根据样品性质从极性和溶解性能等进行选择 根据样品性质选择适当的固相萃取吸附剂的流程图 27 表4EPA方法SW846推荐使用固相萃取吸附剂 28 29 在固相萃取固定相活化 上样富集 淋洗杂质 分析物洗脱的过程中 都涉及到溶剂的选择问题 溶剂选择最重要的因素是溶剂强度 它是保证固相萃取成功的关键 固定相活化溶剂的选择上样萃取溶剂的选择淋洗溶剂的选择 淋洗溶剂的选择原则是 尽可能将干扰组分从固定相上洗脱完全 但又不能洗脱任何分析物 洗脱溶剂的选择 选择溶剂强度应足够大 保证吸附在固定相上的目标物定量洗脱下来 且粘度小 纯度高 毒性小 不与目标物和固定相不反应 应与后续的分析相适应 不干扰测定 8 固相萃取溶剂的选择 30 9 固相萃取的应用 在环境分析中的应用 在生物样品分析中的应用 在食品分析中的应用 在药物分析中的应用 31 32 超临界流体萃取 SupercrticalFluidExtraction 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 1879年J B Hannay等发现用超临界的乙醇可溶解金属卤化物 且压力越高溶解能力越强 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80 90年代成为热门学科 33 1 超临界流体 SupercrticalFluid SCF 超临界流体 SCF 当物质处于临界温度和临界压力以上时 即使继续加压也不液化 只是密度增加 具有类似液体性质和气体性能的物质状态 称为超临界流体 超临界状态示意图 34 表1超临界流体与气体 液体传递性能的比较 SCF特性 密度类似液体 压力和温度的变化均可改变相变粘度 扩散系数接近于气体 SCF的介电常数 极化率和分子行为与气液两相均有着明显的差别 35 表2部分物质的沸点和临界点 36 2 超临界流体萃取 SFE 技术及特点 利用压力和温度对SCF溶解能力的影响而进行萃取的分离技术 在超临界状态下 物质的物理性质 密度 粘度及扩散性等 发生巨大的变化 其性质介于液体和气体之间 既具有和液体相近的密度 又具有很好的扩散系数 其粘度高于气体但明显低于液体 超临界流体的溶剂化能力与液体相近 SCF分子之间以及SCF分子与目标物分子之间的相互作用较强 可保持高流速使得目标物易溶于SCF SCF的扩散性和粘度则是接近气态 目标物在超临界流体中可以获得很高的传质速率 具有气体相似的渗透能力 SCF较容易滲透入基体 大大提高了萃取的效率 37 3 超临界流体萃取的基本原理 由于SCF具有很好的流动性和渗透性 根据目标萃取物的物理化学性质 可通过调节合适的温度和压力调节SCF的溶解性能 从而可选择性地把各组分按照各自极性大小 沸点高低和分子量大小依次被萃取出来 若温度一定 溶解度大的组分在低压时优先被萃取 随着压力的升高溶解度较小的组分也依次被萃取 38 若压力一定 改变温度会引起SCF的密度和萃取物的蒸汽压的变化 从而影响SFE的萃取效率 在各压力范围内所得到的萃取物并非是单一的 可通过控制条件得到最佳比例的混合成分 然后再减压 升温SCF变成普通气体 对被萃取的物质进行分离 从而达到分离提纯的目的 超临界流体萃取过程将萃取和分离两个不同的过程联成一体 39 超临界流体萃取技术 SFE 的优点 萃取剂在常温常压下为气体 萃取后可以方便地与萃取组分分离 在较低的温度和不太高的压力下操作 特别适合天然产物的分离 超临界流体的溶解能力具有选择性 可以通过调节温度 压力 改性剂 如 醇类 在很大范围内变化 而且还可以采用压力梯度和温度梯度 缺点 受SCF种类 性质的限制 萃取的物质和纯度有限 40 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力高 以降低萃取剂的消耗 选择性较好 易于得到纯品 41 SFE系统的基本组成包括四部分 SCF系统 泵 萃取池 器 控制器和样品收集系统 4 SFE系统的组成 控制 基本部件 高压泵 具有程序升压和程序升密功能的加压系统 萃取池 液相色谱柱 专用萃取池 阻尼器 限制流出萃取池流入收集器的超临界流体的流量和压力 收集器 控制器 42 超临界流体萃取过程 43 超临界流体萃取装置 44 5 超临界流体萃取的系统分类 静态萃取系统固定超临界流体的用量 维持一定的压力和温度 将待萃取的样品在超临界流体中浸泡一定时间后 再引入吸收管中 保证超临界流体与基体和分析物充分接触 利用其高扩散性能透过基体与萃取物相互作用 将萃取物从基体中分离转移到超临界流体中 从而达到萃取的目的 这是最简易的萃取模式 该法适用于萃取物在超临界流体中溶解度不大的萃取 省溶剂 重现性较好 可使被萃取物较为彻底的从基体中释放 但速度慢 容易对超临界流体萃取系统产生污染 45 动态萃取系统也叫做开口回路系统 流路是单向的 不循环的 该法使超临界流体一次性不间断地流经装样品的萃取池 萃取目标物后直接送入收集系统 该法萃取效率高 不容易产生交叉污染 但是超临界流体用量较大 操作复杂 适用于目标物在超临界流体中有较大溶解度并且容易从基体中释放的超临界流体萃取 循环萃取系统与动态萃取类似 该法使超临界流体不断重复流经萃取池进行萃取 然后送入吸收管中 该法拥有静态法和动态法的特点 速度较快且萃取量较大 但是也容易产生污染 同时对泵的要求较高 46 超临界流体萃取仪 美国ISCO公司SFX3560全自动超临界萃取仪 日处理样品量很大 有24个样品池和24个收集瓶 可以全天进行无人照看的连续萃取 可避免交叉污染 在2次萃取之间可用CO2SCF或加有改性剂的CO2SCF洗涤系统 47 超临界流体萃取的流程图 48 6 超临界流体萃取工艺方法 1 萃取釜 2 控压装置 3 分离釜 4 压缩机 a 等温法 在等温条件下 利用高压下超临界流体对被萃取物溶解度大大高于低压条件下的溶解度的特性 将萃取釜中选择性溶解的目标组分在分离釜中析出 能耗高 应用广 T1 T2 P1 P2 49 b 等压法 萃取釜与分离釜处于相同压力状态 利用不同温度下超临界流体溶解能力的差异实现分离 在较高温度下萃取 在温度较低的分离釜中使目标组分析出 能耗较小 分离效果受影响限制因素多 应用不多 1 萃取釜 2 5 控温装置 3 分离釜 4 高压泵 P1 P2 T1 T2 50 c 吸附法 在等温等压条件下进行萃取 利用分离釜中填充的吸附剂选择性地吸附萃取物中的目标组分实现分离 加热 加压能耗最小 但大多数天然产物很难通过吸附剂来收集产品 适合于能选择性地吸附分离目标组分的体系 1 萃取釜 2 5 控温装置 3 分离釜 4 高压泵 P1 P2 T1 T2 51 7 影响超临界流体萃取的因素 超临界流体种类的选择 必须对目标萃取物有良好的溶解能力和较好的选择性 同时考虑操作的安全性和便利性 超临界流体的溶剂化性质随温度和压力的改变而改变 其溶解能力可通过控制压力和温度在很宽的范围内改变 其溶解能力就可与许多常用的有机溶剂相当 为超临界流体取代有机溶剂提供了条件 在众多的超临界流体中 CO2是首选气体之一 是目前较为成熟超临界流体 52 注 标示 溶解参数 其中 Ev是气化能 V是摩尔体积 是密度 Hv是气化热 M是分子量 R是气体常数 T是温度 标示 为CO2SCF密度为1 23g cm3时的溶剂参数区间 标示 为CO2SCF密度为0 90g cm3时的溶剂参数区间 标示 为CO2SCF密度为0 60g cm3时的溶剂参数区间 表3常见有机溶剂与超临界流体的溶剂参数对比 53 CO2的临界温度为31 06 临界压力为7 39MPa 临界条件容易达到 化学性质不活泼 无色 无味 无毒 安全性好 价格便宜 纯度高 容易获得 在天然产物提取中 CO2超临界流体可以有效地防止热敏性物质的氧化和逸散 完整保留生物活性 且能把高沸点 低挥发性 易热解的物质在沸点温度以下萃取出来 原料中的重金属 无机物 尘土等都不会被二氧化碳溶解带出 真正做到 绿色萃取 CO2是非极性化合物 在超临界状态下对脂类化合物的萃取是非常适合的 但对极性化合物的萃取效果就不理想 CO2超临界流体萃取 54 55 压力 压力是影响萃取的关键因素之一 尽管压力对不同物质的溶解度影响不同 但随压力升高 超临界流体的密度增大 所有物质的溶解度都显著增强 特别是在临界点附近压力影响最显著 温度 温度变化不仅可以改变超临界流体的密度 也使目标萃取物的蒸汽压改变 这2种影响导致超临界流体的溶解能力随温度升高先降低 然后再增加 因为压力不变时 升高温度超临界流体的密度减小 导致溶解能力减弱 但目标萃取物的蒸汽压升高 会增大溶解度 有利于提高萃取效率 56 改性剂 改性剂的作用是改变超临界流体的极性 削弱和破坏目标萃取物与基体物质之间相互作用 特别是基体效应很强时 可通过添加改性剂改善萃取效果 在非极性的SCF中加入极性改性剂有利于极性物质的萃取 而对非极性物质作用不大 相反 若加入与物质分子量相近的非极性改性剂 则对极性和非极性物质都有增加溶解度的作用 超临界流体的用量原料粒度萃取时间 57 8 SFE装置的改进 萃取池增大了池体积 减少池体的死体积 改进了池体取向 采用另外的高压泵独立添加改性剂 节流器发展成可以进行人工或者自动调节的限流器 收集装置的发展主要是针对易挥发成分进行改进 采用多泵系统精确地控制超临界流体流量的稳定性和精密性 58 超临界流体萃取的应用 医药工业 化学工业 食品工业 化妆品香料 中草药提取酶 纤维素精制 金属离子萃取烃类分离共沸物分离高分子化合物分离 植物油脂萃取酒花萃取植物色素提取 天然香料萃取化妆品原料提取精制 59 实例1 从咖啡豆中除去咖啡因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 缺点有二 其一 残留二氯乙烷影响咖啡品质 其二 二氯乙烷同时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 70 90 C 16 20MPa 10小时 气体中的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 8 应用实例 60 实例2 从生物体中提取有机锡有机锡的用途 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 T 500C P 100kg cm2 萃取30min 萃取率94 61 固相微萃取 SolidPhaseMicroextraction SPME SPME是1989年由加拿大的Pawliszyn等首次研究提出 1993年美国Supelco公司推出了商品化的SPME装置 此举在分析化学领域引起了极大的反响 1994年权威杂志 Research Development 将其评为最优秀的100项新产品之一 从1990年到2000年十年间 已经有400多篇有关SPME的文献发表 内容涉及到环境 食品 天然产物 制药 生物 毒理和法医学等多个方面 美国EPA已采取该技术作为测定水中挥发性化合物 EPAmethod524 2 和半挥发性化合物 EPAmethod625 的标准方法 62 SPME的特点 与其他样品制备技术相比 SPME法具有操作简单方便 携带方便 成本低 样品需要量小 富集倍数大 无需萃取溶剂 重现性好 特别适合现场分析等优点 易于仪器联用分析 SPME通常与色谱分析在线联用 集萃取 浓缩 进样功能一体 63 固相微萃取装置 1 64 固相微萃取装置 2 65 1 固相微萃取基本装置 结构特点管外固相微萃取 纤维头表面涂有涂层管内固相微萃取 石英管内壁涂有涂层固相微萃取膜 膜状涂层微型固相微萃取吸附搅拌棒 有铁芯的玻璃棒表面涂有涂层 66 2 固相微萃取的理论基础 固相微萃取是一个基于待测物质在样品及萃取涂层中的平衡分配的萃取过程 当系统达到平衡时 涂层中所吸附的待测物质可由下式决定 其中m为涂层上吸附的待测物的质量 Vf 和Vs分别为涂层和样品的体积 K待测物在涂层 样品两相中的分配系数 Co是待测物在样品中的最初浓度 当样品体积Vs KVf时 式 1 可近似为 2 1 67 3 固相微萃取操作 方式 直接SPME 纤维头直接插入样品中进行萃取 适合于气态样品和较为洁净的液态样品 顶空SPME 将纤维头置于样品上空进行萃取 适合于液体和固体样品中易于挥发和半挥发组分萃取 采取何种萃取模式主要根据待测物及基体复杂性来定 当样品中待测物沸点较高且有大量干扰物存在时 上述两种方法都不适合 68 SPME萃取过程 主要包括萃取过程和解吸过程萃取过程 包括平衡态 稳态非平衡 非稳态非平衡萃取过程 根据样品性质 选择合适的萃取方式和装置 控制萃取条件 达到提高萃取效率的目的 解吸过程 根据萃取原理和特征选择合适的方法解吸出被萃取物质 要求回收率高 解吸有两种方法 热解吸和溶剂解吸 目前可采用搅拌 加热 超声辅助等手段加快解吸速度 69 4 固相微萃取涂层 1涂层选择性 2涂层的厚度 3涂层萃取机理及其分类 4各种涂层介绍 70 1 涂层选择性 涂层的种类是分析灵敏度和选择性的重要因素之一 同样遵循 相似相溶 这一规则 非极性涂层选择性吸附或吸收非极性化合物 极性涂层选择性吸附或吸收极性化合物 没有一种单一的涂层可以萃取所有的化合物 涂层的性质必须与分析物的性质相匹配 71 选用的固定相涂层必须满足以下几点要求 具有较大的分配系数 要有合适的分子结构 考虑到固相微萃取主要与色谱技术联用 涂层本身性质必须满足色谱分析要求 72 2 涂层的厚度 涂层厚度是萃取选择性和灵敏度的重要的因素之一 涂层厚度大 吸附容量大 灵敏度高 不易达到吸附或吸收平衡 涂层厚度小 吸附容量小 灵敏度低 易达到吸附或吸收平衡 SPME涂层厚度特点 GC毛细管柱涂层厚度特点 涂层厚度大 吸附容量大 灵敏度高 保留时间和分析时间长 涂层厚度小