超临界流体的研究与应用

超临界流体的研究与应用

所谓跨流量（scf）是指温度和压力为临界温度和临界压力的液体。它兼有气体的高扩散系数和低粘度,又有与液体相近的密度和对物质良好的溶解能力,在临界点附近流体的这些特性对温度和压力的变化非常敏感,利用超临界流体的这个特性进行分离效果极好,且过程无相变,能耗低。目前超临界流体的应用已不仅仅限于分离,它还是一种良好的反应介质和溶剂,在分析化学、材料制备、医药工业、生物工程、食品、环境、化工等许多方面展现了广阔的应用前景。超临界体系主要有:CO2、水、氨、甲醇、乙醇、戊烷、乙烷、乙烯等。1其他有机溶剂在临界点附近T、p的微小变化可导致超临界流体溶解能力几个数量级的变化,这正是SFE的依据。它利用SCF为萃取剂,控制体系压力和温度使待分离组分溶于其中,然后通过降压或升温的办法,降低超临界流体的溶解能力,使待分离物析出,完成萃取过程。目前研究最多的体系是超临界CO2,它的临界条件较温和(tC=31℃,pC=7.48MPa),用超临界CO2提取和纯化化合物有许多独到之处:(1)临界温度低,对分离热敏性物质如易失活的生化药物、易变质的香料提取物等特别适用。(2)在CO2惰性环境中能防止产物被氧化。(3)CO2无毒、不易燃,能出色地代替许多有毒有害易挥发燃烧的有机溶剂溶剂回收方便,无残留,易于分离。(5)萃取能力很容易通过调节T、p来加以控制,且可较快达到平衡。大规模超临界萃取的兴起源于用SCF(CO2)成功地从咖啡中提取咖啡因和用SCF(戊烷)从石油中提取重油组分。原西德从1978年就建成了2×106t/a脱咖啡因和年处理2×104t的啤酒花的工业装置。日本富士香料公司也于1989年建成了1×300L的天然香料生成装置,生产具有高附加值的天然香料、色素、风味食物的高质量食品添加剂系列。这项技术现已扩展到精细化工、医药工业等行业,在环保方面也有建树。见表1。SFE除了有上述优点外,在样品制备量、溶解能力、分析时间及耗资等方面均优于传统溶剂萃取,还可方便地与色谱技术联用,进一步提高分析的速度与精度。但SFE在实际应用中,不能有效萃取极性待测物。为提高CO2的溶解能力,可在体系中添加调节剂。(1)加入有机改性剂。有机改性剂通常是待分析物的良好溶剂,且能破坏待测物—基体的相互作用。其选择取决于待测物的特性。常用的改性剂有:甲醇、乙醇、四氢呋喃、二氯甲烷、二硫化碳等有机溶剂。(2)加入衍生化试剂,使待测物中的羰基等极性基团转变为弱极性的醚,便可溶于CO2中。对于萃取金属,可加入螯合剂把金属离子转化为中性的配合物,这些配合物在CO2中应有较好的溶解度和快速络合的动力学性质。(3)使基体发生化学变化。如待测物不易衍生化可用化学方法改变基体性质如将的六甲基二硅胺和三甲氯硅烷混合物覆盖在含有三甲基硅烷基的飘尘样品上,可破坏芳烃聚合物与基体表面的吸附作用。当然,加入有机辅助剂缩小了SFE比传统萃取的优势,但就目前的技术来说,其作用是肯定的。也可采用其他极性超临界流体如N2O或CHClF2,缺点是它们的临界温度高、腐蚀性强。2与gc、hplc的联用,大有可为将SCF用于色谱技术便发展形成了超临界流体色谱(SFC),它揉合了GC的高速高效和HPLC的高选择性,成为分析难挥发、易热解高分子物质的有效快速方法。SFC中较多使用的流动相为CO2和戊烷。SFC广泛用于食品、天然产物等的分析。除可配备GC、HPLC的各种检测器外,还可与质谱傅立叶变换红外光谱等联用大大拓宽了应用范围,为分析热不稳定和高分子量的化合物提供了重要手段。如它是一种理想的药物分析方法,结构相差甚微的可的松和氢化可的松,地塞米松和倍他米松的毛细管SFC分离成功地证明了这一点。SFC还被用于手性对映体的分离。Williams等探讨了各种色谱参数对分离的影响,研究了在不同手性固定相上的分离情况。目前在GC和HPLC中广泛使用的手性选择剂也可用于SFC,而SFC的高传质速率和低毒使它比GC、HPLC更有应用潜力。Taylor认为SFC的发展趋势是将HPLC中研究成熟的各种填充柱用于SFC来分离一些中等极性的样品,由于填充柱具有较高的降压流速,需使用限流器后级检测器,同时加入改性剂以增强CO2的溶解度。SFC今后的重点应该是GC、HPLC所不能解决的薄弱环节,而不是重复它们已成功应用的领域。3fpse与色谱技术在线联用SFE与其他分析方法的联用有离线和在线两种。离线方式较简单,但在线联用因自动化程度高、定量准确快速、回收率高和灵敏度高等特点而备受青睐。这里主要介绍SFE与色谱技术的在线联用。SFE作为其他分析方法的进样技术,灵敏度高,对强挥发性组分收集效率高。3.1gc-ms条件适用于所有色谱柱的色谱检测。根据萃取条件选择萃取个这是SFE与色谱技术联用最成功的一种模式。大多通过一根毛细管限流器对SFE进行降压,然后低温捕集萃取物,再快速升温切换进样而实现的。接口方法有(1)柱头进样式SFE—GC。Hansen利用这种模式分析了大气溶胶中的有机物。用一根长7cm,内径为25μm的石英毛细管作限流器,这个内径可得到较好的色谱峰形和适当的萃取流速。其外径为150μm,可轻松地通过GC的柱头进样口,插入GC的毛细管柱中。具有不需改进仪器、不需中间处理样品、灵敏度高、峰形好等优点。适用于痕量不稳定化合物的检测。(2)分流式SFE—GC。SFE流体减压后通过使用从萃取池到GC进样器的热导线进入常规分流/无分流进样器。它克服了柱头进样式的缺点,可用于大样品量(<15g)、含水分和脂肪的样品。(3)使用外接GC的积蓄器。所有气态流出物均引入毛细管中,增加了萃取时间和共萃取效应。在实验技术方面,Greibrokk指出对含大量脂肪或水的样品,要防止柱性能的破坏,用干燥剂来防止冰阻塞限流器。King针对实现SFE的大样品量分析了许多工作,主要是改变萃取池结构,使用多泵和多样品体系,来提取挥发性物质、实现多样品的同机萃取。Maxweel等设计了一种在线收集设备,可从生物基质中分离痕量10-9、10-6级兽药化合物。3.2助磷制剂的生药分析SFE—SFC直接联用在大分子分析中较具优势,在环境有机污染物和其它方面也很有发展前途。Zegers等用一N2干燥的C18前置柱从水中萃取有机磷杀虫剂,样品用CO2在15000kPa时萃取并运送到填充柱。梁延寿等研究了此法在生药分析中的应用。Daimon等设计了一种SFE与毛细管SFC的联用体系,对含有长链烃类、脂肪类和醇类的样品有较好的分离检测结果。I-danez等将SFE与填充毛细管SFC联用,只需一个泵和一个六通阀联入SFC,不需要外部浓缩,就可以得到很好的效果。3.3高效液相色谱测定SFE—HPLC具有高选择性、高灵敏度、自动化程度高等特点,Ischi等采用四个六通阀设计了联用体系,用于萃取模拟芳香族化合物;Stahl等用SFE—TLC联用,超临界CO2和N2O作流动相分析了大量天然产物,如咖啡、辣椒、维生素油和生物碱等。操作简单、快速,结合薄层扫描色谱,可完成动态分析过程。在我国,这方面工作鲜见报道。4干预流场用作反应介质的应用4.1超临界二氧化碳流体技术酶作为一种催化剂,专一性强,反应条件温和。但工业化较难,没有合适的反应介质是主要问题,因为酶很易失活,反应物和产物又不易分离。目前广泛开展的非水体系酶反应就是为了解决这一难题。超临界流体如CO2作为一种特殊的非水溶剂,其优点是显而易见的。(1)超临界体系中传质速率快。底物从主体溶剂向酶活性中心扩散的速度比在有机溶剂中至少大一个数量级。(2)在临界点附近溶解能力、介质常数对温度和压力敏感,可控制反应速率和反应平衡。(3)与水相比,脂溶性反应物和产物可溶于其中,而酶不溶,有可能将反应与分离耦合起来。(4)产品回收时不需处理大量稀水溶液。Marty等发现,固定化的脂肪酶在40℃、13MPa的超临界CO2中处理6天后活力仅损失10%。Sonnet等将脂肪酶用于催化油酸与丁醇的酯化反应5次后,活力的回收率仍有50%。超临界流体介质下的酶催化反应还可用于手性对映体的合成和拆分。Ikushima等用傅立叶变换红外光谱法研究了脂肪酶在超临界CO2中的二级结构,发现在临界压力附近CO2与酶蛋白分子之间存在很强的相互作用,压力的微小变化使酶的构型发生了变化引起基团的运动和活性中心的出现,从而可选择性地催化(R,S)-香茅醇中的S-对映体与油酸发生酯化反应。Beckman等也利用临界点附近溶质的溶解度受压力变化而变化的特性,通过调节压力控制催化剂-酶的活性,来达到控制反应的目的,已成功地生化合成有高立体选择性的化合物。4.2碳氟polus-氟双环[1,1-二氢共溶剂]在高分子合成领域,以无污染的超临界CO2代替常规有机溶剂引起了广泛重视。如何使反应体系很好地分散在超临界CO2介质中是合成的关键,要求反应物对介质有一定的亲合性,但许多有机化合物不溶于CO2中,需在体系中加入共溶剂,以促进有机物在CO2中的溶解。研究表明,CO2对氟碳、氟醚和硅醚等化合物有极大的亲和性,可作为共溶剂。Desimone等用超临界合成的方法得到一种氟链修饰的共溶剂poly-FOA(1,1-二氢全氟代辛基丙烯酸酯),用该共溶剂使MMA(甲基丙烯酸甲酯)单体与超临界CO2形成很好的多相分散体系,进行多相分散聚合,得到粒子尺寸为微米级且分散度很小的PMMA粒子,转化率达98%。目前,以超临界CO2为介质进行的高分子合成已有自由基聚合、阳离子聚合机制,聚合方法有溶液聚合、沉淀聚合、分散聚合与反相乳液聚合等。4.3超临界流体萃取法由于CO2的非极性,它在水溶性体系中的应用受到限制。Johnson找到一种化合物—全氟聚醚碳酸铵(PEPE)为表面活性剂,使CO2与水形成分散性很好的微乳液,从而可让水溶性体系,特别是两亲物质在CO2很好地分散,已成功用于生物大分子如蛋白质的萃取过程;另一类情况是将相转移催化剂溶于超临界流体,用来促使不同极性物质的反应。如氯代苯的溴化桐常用KBr进行,但盐不溶于有机相,故该反应很慢且转化率低,用丙酮为共溶剂在超临界CO2中可溶解足够的(C7H15)4N+Br-来催化该反应;另外,以超临界水为反应介质,实现纤维素水解转化为葡萄糖,可用于食品、药物和其他一些化学品的生产。以往是采用酸作催化剂,反应速度不高、腐蚀性强、需处理大量酸性废水。而在超临界水中,水本身高度离子化,可作为酸催化剂。在近临界条件下(T=473～650,p=25MPa),总反应速度比传统情况高10～100倍,温度为673K时,在不到15s的间内就几乎100%转化。5用于其他领域超细粒子由于粒径极小,因此具有与本体材料不同的性质,有人甚至称超细粒子为物质的第四态,它在催化、磁性材料、发光材料、精细陶瓷、超导材料、生物医学、化妆品等诸多领域有广泛应用。依据超临界流体的溶解度对T,p的变化特别敏感的特点,发展了超临界流体制备超细颗粒技术,主要使用的方法有:5.1gas过程—GAS(GasAnti-Solvent)反萃取过程许多生化物质在有机溶剂中溶解度很大,但在超临界流体中溶解度很小,利用超临界流体如CO2为反萃剂,当高压CO2溶解到有机溶剂中,使溶剂发生膨胀,其内聚能和溶解能力显著降低,在短时间内形成较大的过饱和度而使溶剂结晶析出,形成纯度高、粒径分布均匀的微细颗粒。此过程称为GAS过程。通过控制CO2加入的速度和压力,可控制结晶的形态、粒度和粒度分布。Yeo等用GAS法对5mg/ml的胰岛素的二甲亚砜(DMSO)溶液进行反萃取研究,CO2和胰岛素的DMSO溶液同时经喷嘴从顶部进入沉淀器,在高压下混合后流出沉淀器,形成的晶体收集在其底部的过滤器上。沉淀过程持续0.7h后,在结晶器底部的玻璃板和金属过滤器上收集到25mg的胰岛素。90%的颗粒直径小于4μm,10%的直径小于1μm,通过老鼠活体实验表明,在经历GAS过程后,胰岛素的生物活性没有受损。还有一种较新的GAS过程—压缩流体反溶剂沉淀技术(PCA),若在有机溶剂中预先加入少量CO2,则喷射后会产生多孔性颗粒。这一过程较多用于多聚物的制备,如用于制备HPLC载体材料的聚苯乙烯微细颗粒。5.2ress的应用难挥发性溶质在超临界流体中的溶解度可比在相同T,p下的理想气体中的溶解度大106倍,且在超临界压力附近压力的微小增加可使溶解度急剧上升。当含有溶质的超临界流体通过喷嘴、毛细管、小孔的减压过程,可在极短的时间内(<10-5s)快速膨胀造成很高的过饱和率,因而形成大量粒度极细的颗粒,再加上高速传播的机械扰动,形成很窄的粒径分布。超临界流体膨胀之后就成为理想气体,于是可收集纯净的反溶剂产物。RESS过程不仅可用于不同行业如陶瓷材料、生化药物的造粒,还可形成纤维和薄膜。在医药工业上其应用还在于药物和聚合物共同沉淀制造缓释药剂。较理想的控制药物释放的聚合物—药物颗粒应该是颗粒中包含大量小而一致并分散的药物颗粒,这就需要药物微粒成长之初聚合物沉淀其上。寻找最优工艺是RESS的研究方向。可供考察的参数有毛细管、膨胀器、喷嘴的结构尺寸,预膨胀和膨胀室的T、p,药物与聚合物的初始相对量和聚合物的分子量等。RESS过程要求组分在超临界流体中有较高溶解度,对极性化合物来说,需选择临界温度较高的极性超临界流体,这对热敏性样品不合适,可选用GAS过程。5.3超临界微乳法微乳液法制备超细颗粒的反应机理为:表面活性剂使水和有机溶剂形