超临界液体在化学和化学生物的应用进展

超临界流体（SCF）

在化学和生物科学的应用进展主讲教师吴明君9/28/2024第一页，编辑于星期五：二十三点二十九分。本专题介绍超临界流体的有关概念。重点介绍了超临界流体的在化学和生物科学等相关领域的应用。9/28/2024第二页，编辑于星期五：二十三点二十九分。超临界流体工基本概念和相关理论纯净物质根据温度和压力的不同，会呈现出液体、气体、固体等状态变化。提高温度和压力，达到特定的温度、压力，会出现液体与气体界面消失之处，称为临界点。在临界点附近，流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等特性发生急剧变化。例如，水的密度、离子、介电常数等以临界温度374℃为分界，发生急剧变化。其介电常数在临界点以上会急剧减小，达到到与有机物完全混溶的水平。热容量值急剧上升。9/28/2024第三页，编辑于星期五：二十三点二十九分。处于临界温度和临界压力以上的流体称为超临界流体(supercriticalfluid，简称SCF或SF)。超临界流体没有明显的气-液分界面，既不是气体，也不是液体。是一种气-液不分的状态，粘度低，密度大，有较好的流动、传质、传热和溶解性能。CO2是最常用的SCF流动相，它具有无毒、临界条件适中、环境友好等特点。9/28/2024第四页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第五页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第六页，编辑于星期五：二十三点二十九分。超临界流体对体系的状态参数的改变十分敏感，温度和压力较小的变化就会使流体的性质发生较大的改变。由于超临界流体的这些特殊的良好性能，被广泛应用于节能、天然物萃取、聚合反应、微细颗粒和纤维的生产、喷料和涂料、催化过程和超临界色谱等领域。9/28/2024第七页，编辑于星期五：二十三点二十九分。人们对超临界流体的研究十分重视。VanKonynenburg和Scott利用vanderwaals状态方程，推测出高压下二元混合物的临界线和相平衡。Hong等采用Peng-Robinson状态方程，描绘了二氧化碳-正十六烷烃,二氧化碳-萘、乙烯-萘等体系的临界区附近的相图。Lucas完成了包括超临界流体状态在内的气体粘度的通用相图。9/28/2024第八页，编辑于星期五：二十三点二十九分。Takahashi用对应状态方法，关联了超临界流体扩散系数随对比温度和压力的变化关系。Brenneck用光谱法证实了溶质-溶质间的相互作用。Brunner用筛板塔理论研究了超临界二氧化碳中乙醇水溶液的分离，并进行了咖啡因和菜子油的超临界二氧化碳的固-液萃取试验。Lahiere对比研究了超临界流体萃取和液-液萃取的区别。9/28/2024第九页，编辑于星期五：二十三点二十九分。随着理论研究的深人，超临界流体的许多特殊性质，如临界点、超临界流体的传递性质等已为人们所了解。并且应用多种理论来解释这些超临界现象，其中比较有代表性的理论有微扰理论，晶格理论，对应状态理论等。9/28/2024第十页，编辑于星期五：二十三点二十九分。这些理论能部分解释超临界现象，但不能准确说明超临界环境下的溶质溶剂之间的相互作用，以及它们之间的传递关系。在应用研究方面，在超临界萃取、将超临界流体应用于化学反应和制备超细颗粒、超临界色谱技术等方面的展开研究。超临界液体在应用化学、生物工程、化学生物学和环境保护等方面得到广泛的应用。9/28/2024第十一页，编辑于星期五：二十三点二十九分。一、超临界流体萃取(SCFE)溶质在SCF中的S会随其密度的增大而增大。在高压下，将溶质溶解于SCF中，然后降低SCF溶液的压力或升高SCF溶液的温度，因SCF的密度下降，溶质的溶解度s降低而析出，可实现特定溶质的萃取。其流程示意如下：

9/28/2024第十二页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第十三页，编辑于星期五：二十三点二十九分。超临界流体萃取(SCFE)用途广泛。如：油品的分离和精炼、植物及种子有效成分的提取、有机水溶液的分离和废水处理等。与传统的化学萃取相比，SCFE有许多优势：流程简单，操作方便，萃取效率高，产品质量好，能耗少。9/28/2024第十四页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第十五页，编辑于星期五：二十三点二十九分。SFCE已有许多工业化例子，如：超临界丁烷精炼渣油;从咖啡豆中提取咖啡因;啤酒花的二氧化碳超临界提取等。利用超临界流体萃取技术进行油品的分离和精炼、植物及种子有效成分的提取、有机水溶液的分离和废水处理的研究也在进行中。

9/28/2024第十六页，编辑于星期五：二十三点二十九分。正是由于超临界流体萃取(SCFE

)的许多优点，被冠以：“神奇的超临界流体”“起飞的气体溶剂”“节能者”“不亚于一种新的单元操作”等。9/28/2024第十七页，编辑于星期五：二十三点二十九分。但超临界流体萃取是有条件的。对超临界二氧化碳萃取，Stahl总结出：①极性较小的碳氢化合物和酯类，如酯、醚、内酯类、环氧化合物等可在7~10MPa的压力范围内萃取出来。②强的极性基团，如-OH，-COOH等．以及具有一个羧基和两个羟基的化合物也可以被萃取出来③而具有一个羧基和三个以上羟基的化合物不能被超临界二氧化碳萃取出来。④更强的极性物质，如糖类、氨基酸类在40MPa以下不能被萃取出来。9/28/2024第十八页，编辑于星期五：二十三点二十九分。采用SCFE取应考虑以下几个因素：首先，技术可行，满足溶质在流体中足够的S；其次，设备能承受的压力，有些体系需要很高的压力，对设备要求很高;另外，要考虑到经济效益，一些体系的实验结果很好，但如果经济不划算，也不能采用。

9/28/2024第十九页，编辑于星期五：二十三点二十九分。二、超临界流体在化学反应中的应用超临界流体具有高扩散系数，低粘度和高溶解强度等优点。用于化学反应可以：加快反应速率，克服界面阻力，延长催化剂的寿命，增加酶的效果等。其具体应用见下表：

9/28/2024第二十页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第二十一页，编辑于星期五：二十三点二十九分。三、在超细颗粒制备方面的应用利用固体溶质在超临界流体中，因流体降压而析出，制备出超细颗粒。超临界制备超细颗粒原理与传统的方法（溶质从过饱和溶液中析出）相同，但传统的方法靠取出热量使溶液降温，而超临界流体制备超细颗粒则通过系统降压达到目的。与前一种情况相比，采用超临界流体制备超细颗粒所得的晶粒尺寸小，分布窄，具有更广泛的用途。其流程示意见图2。9/28/2024第二十二页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第二十三页，编辑于星期五：二十三点二十九分。

利用超临界流体制备超细颗粒的方有:超临界流体快速溶胀过程(RESS)和压缩流体逆溶剂沉淀法(CFAE)两种。目前，采用超临界流体已成功研制出超细GeO2、SiO2、TiO2、聚丙烯和聚碳硅烷等颗粒。其中大多数颗粒直径可达纳米级。采用超临界流体迅速膨胀还能制备多种组分制成的混合颗粒，如医药上多种药物成份的混合造粒。9/28/2024第二十四页，编辑于星期五：二十三点二十九分。四、超临界色谱超及其研究进展临界流体色谱(SCFC)是以超临界流体(SCF)做流动相的色谱过程。Klesper等人于1961年首次提出SFC。但其发展和完善则是在二十世纪八十年代，这与高效细内经柱、限流进样、检测等技术的发展以及基础研究工作的深入等密切关系。从理论上讲，凡是在SCF中能够溶解的样品都可以用SCFC进行分离测定。9/28/2024第二十五页，编辑于星期五：二十三点二十九分。SCF-CO2超临界液体,在300×105Pa时的溶剂化能力与CH2Cl2相当。由于SCF在不同温度、不同压力时密度不同，因此密度也将同时成为影响分离的重要参数。SCF其有似气体(gas-like)的性质，即其粘度，扩散系数接近气体，因此达到同祥的分离效果。但SCFC分离时间要比HPLC约一个数量级。9/28/2024第二十六页，编辑于星期五：二十三点二十九分。SCFC可以和大多数通用型、选择性型GC、HPLC检测器相匹配，易与MS、FTIR大型机联用，使其在定性、定量检测中极为方便。SCFC是GC与HPLC的补充。SCFC可以分离、测定GC、HPLC难于分离、检测的一些组分。或SCFC分离、测定它们时会更简捷、有效。9/28/2024第二十七页，编辑于星期五：二十三点二十九分。（一）SCFC典型应用实例1．高碳烃的模拟蒸馏曲线图2是微型填充柱(内径1mm，填料7pm键合硅胶)，以SCF-CO2为流动相，FID检测器，不分流直接测定到C-100组分的模拟蒸馏曲线。9/28/2024第二十八页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第二十九页，编辑于星期五：二十三点二十九分。2．聚台物的分离测定图3为平均分子量＝650的SCFC色谱图。图4为平均分子量＝2000的SCFC色谱图。SCFC，可以在较低的温度下进行分离，结合FID检测器，定量工作极为方便。

9/28/2024第三十页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第三十一页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第三十二页，编辑于星期五：二十三点二十九分。3．甘油脂类的分析某些动植物油脂，如月见草油、薏苡仁油，鱼油等含有治疗心血管疾病的重要组分。但甘油脂类的直接分离测定至今仍是色谱分析中较难解决的问题。人们通常将样品进行酯交换后，用GC测定，但该结果缺乏脂肪酸和甘油酯母体的直接联系。图5是SCFC-CO2分离、直接测定国产三硬脂酸甘油酯P和S的结果。通过对SFC峰面积及酯交换后GC测定的结果，即可确定SFC中各流出峰的归属。9/28/2024第三十三页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第三十四页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第三十五页，编辑于星期五：二十三点二十九分。4．一些较不稳定样品的测定蜕皮类固醇(ecdysteroid)在昆虫皮层和卵里的含量为μg／g～pg。GC分析法遇到的主要困难是分子中羟基较多，衍生产物复杂。HPLC的缺点是不够灵敏。图6是蜕皮类固醇A和B的SCFC分离图。9/28/2024第三十六页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第三十七页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第三十八页，编辑于星期五：二十三点二十九分。丝裂霉素(mitomycinc)是种抗癌药，热稳定很差，pH过高或过低都容易分解。用SCFC可检测到5ng/mL。图7是其分析流程图。9/28/2024第三十九页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第四十页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第四十一页，编辑于星期五：二十三点二十九分。倍半萜烯如箻草烯(Humulene)，是一种重要的香味成分，极热敏感样品。SCFC分离、检测这类化合物是十分有效的，见图8。9/28/2024第四十二页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第四十三页，编辑于星期五：二十三点二十九分。Sheeley等人报道了用填充柱SCFC-MS测定cyclosporinA和多聚葡萄糖，分子量高达5832，见图9。9/28/2024第四十四页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第四十五页，编辑于星期五：二十三点二十九分。QianL．X.等人将抽提、分离、馏分收集在线连接起来(SCFE-SCFC-FC)，详细研究了抽提条件与效率的关系。并在此基础上，分离、测定了乌本苷（Ouabian，一种强心剂)，为生化样品的分析提供了便利条件，见图10。

9/28/2024第四十六页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第四十七页，编辑于星期五：二十三点二十九分。5．对映体的分离与HPLC相比，SCFC分离对映体可获得较高的分离度。与GC相比，在SCFC操作条件下，可获得更大α值，这对对映体分离是十分有利的。图11与图12分别是氨基酸对映体α值随温度变化及混合氨基酸对映体SFC色谱图。上述列举了SCFC一些典型应用实例，从中可以看到SCFC在低挥发性、热不稳定化台物分离测定中已经得得到较多应用。

9/28/2024第四十八页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第四十九页，编辑于星期五：二十三点二十九分。(二)SCFC技术方面的发展1．SCFC作为各种色谱的前级进样装量利用SCF将样品抽提、浓缩，分析甚至反应在线地合为一体。SCF抽提的优点在于传质快、效率高、溶解能力可由其密度控制。并且，CO2无毒、惰性、容易分离等。它可以与各种柱色谱相连用，具有很大的应用前景。9/28/2024第五十页，编辑于星期五：二十三点二十九分。2.扩大流动的极性相极性范围至今应用最多的SCF仍是CO2。由于受CO2极性限制，使其应用范围受到一定影响。文献已有报道，采用Xe、N2O，NiH3，C5H12

、CH2Cl2等作为超临界流动相，使分离能适应更广泛的范围或特定对象。改变流动相的性质，还可采用在CO2中添加改性剂(modifier)的方法。Janssen等人系统地研究了改性剂对苯酚等五种极性溶质保留值和峰形的影响，认为改性剂在低浓度时(1～2％)，可起到柱子的去活作用。9/28/2024第五十一页，编辑于星期五：二十三点二十九分。3．“Highflowrate”接口用生物大分子测定Sheeley等人详细总结、比较了SCFC-MS联用各种接口的优劣，以“Highflowrate”接口，通过SFC-MS联用方法，测定了高分子量生物样品，其质谱图见图13。这种装置限流技术采用积分式，可以降低施加在限流器上的温度，这对分析热不稳定的生物大分子具有重要意义。9/28/2024第五十二页，编辑于星期五：二十三点二十九分。9/28/2024第五十三页，编辑于星期五：二十三点二十九分。五、超临界流体色谱用于分离生物样品1、糖类很多种色谱方法可用于糖类的分析(如LC、CE等)，但都存在一定的局限性，最简单的方法是无需对样品进行衍生化处理。CE的分离效率高且需要的样品量小，但一般要对样品衍生化，未衍生化分离样品的报道较少。由于该类化合物中多数含有低聚或多聚体，用LC分离时需要梯度洗脱，比较麻烦。9/28/2024第五十四页，编辑于星期五：二十三点二十九分。用SFC分离分析糖类相对要容易得多，一般无需进行衍生化处理，并有较高的分离选择性。由于糖类是极性较强的化合物，目前用SFC分离时通常需在主流动相CO2中加入第二组分，作为流动相改性剂，以提高流动相对样品的溶解能力。最近．Lafosse等综述了SFC及近临界流体色谱(SubFC)在糖类分析方面的应用。9/28/2024第五十五页，编辑于星期五：二十三点二十九分。2．脂肪酸和酯类多数单官能团有机酸，在毛细管SFC或填充柱SFC中以纯CO2为流动相可以分离。如有第二个极性官能团时，一般需加人流动相改性剂，具有氢键的改性剂(如甲醇)用的最多。脂肪酸是一类可解离的强极性化合物，易发生吸附和拖尾，有时需制成相应的衍生物。未衍生的脂肪酸和甲基脂肪酸酯，在键合的填充柱SFC上用纯CO2作为流动相很容易洗脱，其原因是分子上有较长的疏水基团。大多数芳香酸和多取代酸不能用纯CO2分离。9/28/2024第五十六页，编辑于星期五：二十三点二十九分。在甲基脂肪酸酯上有取代羟基时将使保留值增大。直链甲基酯用纯CO2在C-18柱上可以迅速洗脱，但2-羟基酸甲酯不能洗脱。含有30~70个碳原子的甘油一、二、三酯分子量都比较大，但由于含有较少的羟基基团，极性不是很强。它们在填充柱SFC上用纯CO2作为流动相可以洗脱，若加入少量甲醇或乙腈作改性剂，将得到较高的选择性。最近，Senorans等综述了SFC用于分离分析脂肪酸及其酯类的相关应用作。9/28/2024第五十七页，编辑于星期五：二十三点二十九分。3.甾类化合物甾类化合物是一种含有羟基的极性异构体混合物，其性质极其相似，用一般的分离技术较难分离，而SFC则相对容易。胆固醇和甾酮用纯CO2为流动相，在SFC中很容易被分离。如果极性取代基的数量增加，用纯CO2洗脱将比较困难。多数的毛细管SFC分离甾类用纯CO2，而填充柱SFC则多加入改性剂。Snyder等用SFE富集天然油样品中的植物甾醇，发现用SFC分离之前，在温和条件下用SFE预浓缩样品是一种理想的分离分析手段。

9/28/2024第五十八页，编辑于星期五：二十三点二十九分。4、维生素Gere从辣椒树脂油中分离了α和β-胡萝卜素以及番茄红素。随后，Skehon等对辣椒样品进行了研究，完成了在线萃取与填充柱SFC联用技术。最近，Turner等综述了SFE(超临界萃取)和SFC分离脂溶性维生素方面的应用。Lesellier等在胡罗卜素分离研究中，常加入有机和无机改性剂，以改善溶剂对胡罗卜素的溶解能力和选择性。最近，Jiang等利用SFC从和生育酚中成功地分离了天然α-生育酚，并考察了温度、压力、改性剂浓度等条件对分离的影响。

9/28/2024第五十九页，编辑于星期五：二十三点二十九分。5、氨基酸、肽、蛋白质Taylor等将胺盐加入到含甲醇和水的CO2中作为第四组分，可以拓展SFC对氨基酸的分离范围，经衍生化的氨基酸可得到很好分离。Berry等用一氯二氟甲烷与10％的甲醇(含0.5％六氟乙酸)作为流动相，分离了含有三个氨基酸的小肽及四种氨基酸。Steuer等用小肽作为手性固定相组分，胺作为流动相改性剂，分离了多种氨基酸。Weder研究了酶在超临界条件下的活性。指出在3MPa和室温条件下，对溶菌酶和核糖核酸酶的活性无影响。9/28/2024第六十页，编辑于星期五：二十三点二十九分。6、药物Roston等对用SFC和HPLC在填充柱上分离药物进行了对比，发现SFC在缩短分离时间及提高分离效率等方面，明显优于HPLC。加入低浓度(小于0.1%)的改性剂，如三氟代乙酰酸、乙酸、三甲基胺及异丙胺等也常被用于改善强极性化合物的SFC峰型。Bhoir等在利用SFC检测各种药剂方面的研究非常活跃，分离检测中枢神经肌肉松驰剂、血管舒张剂及周效磺胺等。李桦等综述了SFC在手性药物分离中的应用。9/28/2024第六十一页，编辑于星期五：二十三点二十九分。7、手性对映体随着生命科学的发展，对光学纯物质的需求量越来越大，手性对映体的分离日益引起关注。目前，HPLC、GC和SFC等技术在手性对映体分离领域中均发挥着重要的作用。其中，HPLC使用普遍，并有大量的手性固定相可供选择，是最通用的对映体分离技术。9/28/2024第六十二页，编辑于星期五：二十三点二十九分。而SFC与常规HPLC和GC相比，在提高手性分离效率、缩短分离时间等方面具有明显的优越性，可以有效地弥补HPLC和GC在分离手性物质方面的不足。Gerald对SFC在手性对映体的分离领域中的应用进行了综述，认为几乎所有现行用GC和HPLC分离的对映体都可以用SFC代替，并且比GC和HPLC有一定的优势。最近，Toribio等利用SFC分离了丙硫咪唑亚砜对映体，同时考察了各种有机改性剂对分离的影响。Garzotti等利用SFC分离了消旋体药物。

9/28/2024第六十三页，编辑于星期五：二十三点二十九分。七总结和展望1.技术先进，但要降低成本采用超临界流体有许多技术优势和潜在优势。但目前由于设备一次投资大，对复杂体系的基础研究不足。因此一直没有大规模的工业应用。因此，寻求技术可靠、经济效益好的应用领域是超临界流体继续发展的关键。9/28/2024第六十四页，编辑于星期五：二十三点二十九分。2.在中药有效成分的开发过程中大有可为随着医学技术的发展．人们认识到中药的价值，但传统中药服用方法复杂，药用成分低，不易储藏，可能含有害物质。采用超临界二氧化碳萃取技术提取传统中药中的有用成分，超临界流体结晶技术将它造粒成型以提高中药的药用成分含量，改变中药的形状，为中药的发展提供了技术支持。同时，也为超临界流体技术的发展创造了一个很好机会。9/28/2024第六十五页，编辑于星期五：二十三点二十九分。与传统中药加工技术相比，SCF-CO2具有许多独特的优势：(1)萃取能力强，