分离科学--第五章-萃取分离法课件.ppt

1、1第五章 萃取分离法 萃取分离法是将样品中的目标化合物选择性地转移到另外一相或选择性保留在原来相（转移非目标化合物）的分离方法。溶剂萃取固相萃取超临界流体萃取2第五章 萃取分离法5.1 溶剂萃取p 常规方法，大量使用p 污染严重p 分离效率较低p 自动化普及程度低3第五章 萃取分离法5.1.1 萃取平衡 分配平衡常数 aqorgDAAKaqorgDaqaqorgorgaqorgKAAaaK04第五章 萃取分离法分配比D:被萃取物质在有机相中总浓度和水相中的总浓度之比，即各种不同存在形式都考虑进去了。iaqiiorgiAAD5第五章 萃取分离法萃取率:被萃取物质进入萃取剂相的总量与原始溶液中总量

2、的比值，则有：%100溶质在两相中的总量溶质在有机相中的量E%1001/RDD%100/%100orgaqaqaqorgorgorgorgVVDDVcVcVcER 相比6第五章 萃取分离法 可以证明把同样的萃取溶剂分成n份萃取n次比一次用完萃取1次的萃取率高。即小体积多次萃取可以节省试剂。nnDcc)1(10)1lg()1lg(EEnn%100)1(1 nnEE7第五章 萃取分离法分离因子:BaqBorgAaqAorgBABAccccDD/,对于单一形态溶质，D=KD:BDADBABAKKDD,8第五章 萃取分离法5.1.2 萃取过程热力学 从一个温度下的萃取平衡常数求算另一个温度下的萃取平衡

3、常数。000lnSTHKRTG200/THTTGp20lnRTHTK2112012303.2lglgTTTTRHKK9第五章 萃取分离法5.1.3 主要萃取体系及其应用 除了可以直接萃取的体系外，多数情况需要采用萃取剂来帮助萃取。萃取过程：(1)水相被萃取物与萃取剂生成萃合物；(2)两相界面萃合物因疏水作用进入有机相；(3)萃合物在有机相发生化学反应（聚合、离解、与其他组分反应等）；(4)两相建立分配平衡。10第五章 萃取分离法萃取剂的要求(1)形成萃合物的功能团；(2)足够的疏水性，保证分配比大；(3)选择性高；(4)萃取容量高，分子量小，配位数低。(5)物理性质优良，密度，黏度、表面张力等

4、性质易于分层。(6)稳定性好，无毒，萃取速度快，不乳化，廉价易得等。11第五章 萃取分离法稀释剂 为了溶解萃取剂，或减少萃取剂用量、调节萃取剂的密度或黏度，常加入一种惰性溶剂。稀释剂的密度一般介入0.63-1.59(正戊烷和四氯化碳)之间。12第五章 萃取分离法主要萃取体系：1.中性配合萃取体系2.阳离子交换萃取体系3.离子缔合萃取体系4.协同萃取体系5.简单分子萃取体系6.高温液-液萃取体系13第五章 萃取分离法5.1.3.1中性配合萃取体系 典型例子：磷酸三丁酯(TBP)煤油萃取硝酸水溶液中的硝酸铀酰。22UO32NOUO232)(NOUO332)(NOUOTBPNOUOTBPNOUO2)

5、(2223232214第五章 萃取分离法（1）含磷萃取剂：磷酸酯（磷酸三羟基酯）(RO)3PO 膦酸酯（羟基膦酸二羟基酯）R(RO)2PO 次膦酸酯 R2(RO)PO 膦氧化合物（三羟基氧化膦）R3PO 焦磷酸酯R4P2O7 磷化氢的衍生物(RO)3P，如三苯氧膦萃取Cu2+15第五章 萃取分离法（2）含氧萃取剂 酮、酯、醇、醚 在酸性条件下可以质子化形成“佯盐”，代表性物质为甲基异丁基酮、仲辛醇等。（3）含硫萃取剂 亚砜、硫醚，铂簇金属优良的萃取剂。（4）含氮中性萃取剂，如吡啶。16第五章 萃取分离法中性萃取剂的应用：（1）萃取强酸：p非极性有机溶剂可萃取近乎中性的弱酸p极性溶剂可萃取强酸，

6、有机相中溶剂化的氢离子与溶剂分子或水分子之间形成氢键。)()()(orgmnorgEHAmEnAnH)(2)(2)()(orgmznorgEOHHAmEOzHnAnH17第五章 萃取分离法极性含氧溶剂萃取酸的规律：p 较弱的酸易萃取，如硝酸、三氯乙酸比盐酸、高氯酸萃取性能好；p 酸分子体积大，易萃取，如HCl、HBr、HI、HClO4被萃取能力依次增强；p 水合能力强，则难被萃取，硫酸和磷酸18第五章 萃取分离法（2）萃取金属离子：p常从硝酸溶液中萃取金属离子，以M(NO3)n的形式被萃取；p从HCl、HBr等溶液中萃取，则以HnMXm+n形式被萃取；p从高氯酸中，则以离子对形式萃取；p从硫酸

7、溶液中难萃取。？磷酸三丁酯(TBP)能萃取多种金属离子19第五章 萃取分离法5.1.3.2 阳离子交换萃取体系 有机酸HA萃取金属离子，可看成水相的金属阳离子与有机酸的氢离子的交换反应：)()()()(aqnHorgMAorgnHAaqMnn 有机酸HA容易通过分子间氢键在有机相中发生二聚反应。20第五章 萃取分离法阳离子交换剂主要有：(1)酸性含磷萃取剂，二烷基膦酸，烷基膦酸单烷基酯，二烷基磷酸等，如二(2-乙基己基)磷酸（简称P204）；(2)螯合萃取剂，包括二酮类、8羟基喹啉类、酚类、双硫腙类、羟胺、双磷氧等；(3)有机羧酸和磺酸。21第五章 萃取分离法5.1.3.3 离子缔合萃取体系

8、阴离子与阳离子缔合后能够进入有机相。其平衡复杂，定量处理较难。orgKaqaqYXYXXY)()()(aqaqorgXYYXYXK)()()(orgnKaqaqaqSYXSnYXS)()()()(naqaqaqorgnSSYXSYXK)()()()(溶剂化作用能使亲脂性离子对稳定性提高：22第五章 萃取分离法离子缔合萃取体系主要有：(1)胺类萃取体系，如8个碳以上的叔胺，可萃取金属离子和无机酸；)()(33orgXNHRXHorgNRXOHNROHorgXNHR233)(XorgNHARAorgXNHR)()(33萃取反萃取离子交换FHSOClNOClO434ClBrI23第五章 萃取分离法(

9、2)冠醚、穴醚萃取体系：金属离子的体积和电荷与醚的环腔大小匹配，易萃取；(3)金属离子以配阴离子形式被萃取，如Fe3离子的盐酸水溶液乙醚体系。(4)金属离子以阳离子形式被萃取，如四苯基硼酸根、高氯酸根可以直接从水相萃取体积较大的金属阳离子。24第五章 萃取分离法5.1.3.4 协同萃取体系 使用两种或两种以上的萃取剂，其分配比显著大于相同浓度下任何单一萃取剂。加和DDD21协同效应无协同效应反协同效应加和协同DD加和协同DD加和协同DD25第五章 萃取分离法作用机理：(1)形成新的多核配合物，更稳定；(2)溶剂化作用，金属配位数没饱和，水化，加入中性萃取剂S后，S取代水后有利于萃取；(3)反协

10、同作用来自于两种萃取剂之间的作用，降低了对目标溶质的作用。26第五章 萃取分离法5.1.3.5 简单分子萃取体系 中性分子，没有萃取剂，两相分配。27第五章 萃取分离法5.1.3.6 高温液液萃取体系(1)熔融盐萃取：熔融MgCl2从熔融的铀铋合金中萃取裂变产物元素，加入KCl或NaCl降低熔点，裂变产物中的第1、2、3簇元素核稀土元素被氯化进入盐相，作为萃取剂中的Mg被还原进入合金相；(2)熔融金属萃取：熔融的金属Mg与经过辐照的熔融铀接触，铀辐照产生的钚进入Mg相，实现铀钚分离；28第五章 萃取分离法(3)高温有机溶剂萃取：TBPd 的多联苯溶液在150，从Ni(NO3)2和KNO3的熔融

11、混合物中(熔点130)萃取Er、Nd、Am、Cm、Np等镧系和锕系元素的硝酸盐。与常温下的萃取相比，分配比提高23个数量级。29共萃取和萃取抑制 共萃取（coextraction），即若成分P不存在的情况下，不能萃取成分Q，Q伴随着P的萃取而被萃取的现象。用高分子量的羧酸HA萃取金属离子时，多种如Cu2A4(HA)2、BeOA6、Ni2A4等或者更高多核的Al6A12(OH)6这样的化学种被萃取时，有极为相似的金属离子存在情况下，含在萃取种内的金属离子被它部分取代而生成异核多核体（heteropolynuclear）。第五章 萃取分离法30 例如,镍和钴共存的溶液用辛酸进行萃取时，发生如下反应

12、：HHANiCoHACoNi4)()(44222 完成上述两种金属离子各1个的萃取种。这种现象不仅仅在羧酸那样的非鳌合剂萃取的情况下存在。例如钙和锶难以用二氧六环萃取，当钪和铌共存时，很容易萃取，这是因为生成Ca(ScOX4)2萃取种的缘故。第五章 萃取分离法31 羧酸RCOOH被非极性溶剂以二聚体的形式萃取，当两种羧酸HA、HB共存时，与(HA)2、(HB)2、HAHB型异种羧酸结合的二聚体也被萃取。某种成分由于共萃取而萃取更好，从分离的角度并不希望如此。进行分离时，如果只凭单一成分的知识，会由于共萃取而导致意想不到的失败。第五章 萃取分离法32萃取抑制：与共萃取相反，由于常量成分的存在会发

13、生微量成分的萃取抑制。例如在由配位性溶剂（酮、醚、磷酸三丁酯）萃取卤代金属酸时，有机相中发生质子解离的情况下，存在如下萃取平衡：orgmorgmMXHMXH)()(11第五章 萃取分离法33萃取常数为：11morgmorgexMXHMXHK)(1XMMMXDmorgmM金属离子的分配比为：第五章 萃取分离法34iiMXXXMi1)(111mMXmmXMMXm)(11XMXHHKDmMXorgexMm合并得到 氢卤酸的浓度较高而且为定值时，式中右边除H+org外均为定值，DM与H+org成反比。第五章 萃取分离法35 金属离子M、N被萃取时，有机相中orgmorgmorgNXMXH11orgmo

14、rgmNXMX11orgmorgNXH1N为常量成分而M为微量成分时，因此近似为 即在常量成分N共存而被萃取时，与此萃取相反，微量成分M的分配比降低。这种萃取抑制现象对于金属精制极为有利。实质上是竞争的结果第五章 萃取分离法36铁（III）0.5moldm-3共存时各种微量金属离子的分配情况溶剂溶剂（盐酸浓（盐酸浓度）度）微量金微量金属离子属离子微量金属离子的分配微量金属离子的分配D1/D2不存在铁不存在铁存在铁存在铁,氯二乙氯二乙醚醚（8mol/kg）Ga7002232In0.250.0018140Tl(III)4000.56710Sb(V)173.05.7第五章 萃取分离法37铁（III）

15、0.5moldm-3共存时各种微量金属离子的分配情况溶剂溶剂（盐酸浓（盐酸浓度）度）微量金微量金属离子属离子微量金属离子的分配微量金属离子的分配D1/D2不存在铁不存在铁存在铁存在铁磷酸三丁磷酸三丁酯酯（9mol/kg）Zn5.00.00331500Co2.50.0012500In220.012200Sb(III)3.20.674.8Sb(V)10005.5180Hg250.012500第五章 萃取分离法38第五章 萃取分离法5.1.4 影响溶剂萃取的因素(1)萃取剂浓度；(2)酸度；(3)金属离子浓度；(4)盐析剂；(5)温度；(6)萃取剂和稀释剂；(7)第三相(8)39第五章 萃取分离法(

16、1)萃取剂浓度 以简单离子缔合体系为例：)(orgMAAMAMMAKAKD成正比40第五章 萃取分离法(2)酸度 中性配合萃取体系中，酸度直接影响与金属离子形成中性盐的阴离子的浓度；阳离子交换体系中，H与金属离子竞争萃取剂；nHorgMAMorgnHAnn)()(npHorgHAnKD)(lglglgpH增加1，一价离子分配比增加10倍，二价离子增加100倍，三价离子增加1000倍。41第五章 萃取分离法(3)金属离子浓度 金属离子浓度较低时，影响几乎没有。当金属离子浓度较大时，消耗的萃取剂多，在初始萃取剂浓度不变的情况下，水相中游离的萃取剂浓度明显降低，分配比降低。铀离子浓度(g/L)1.0

17、3.05.010.02550100200分配比6033.433.232.330.021.07.431.37萃取率98.497.197.197.096.795.488.057.8TBP萃取硝酸铀酰时铀酰离子浓度对分配比的影响42第五章 萃取分离法(4)盐析剂的影响 萃取过程中，往水相中加入另外一种无机盐使目标萃取物(通常是金属离子)的分配系数或分配比提高的作用成为盐析。机理：同离子效应；降低水的活度；价态高，离子半径小的金属盐盐析作用强。KNHNaLiCaMgFeAl4223343第五章 萃取分离法(5)温度的影响 萃取反应放热，则温度升高，分配比降低；反之，则温度升高，分配比增加。20lnRT

18、HTKKD 44第五章 萃取分离法(6)萃取剂和稀释剂的影响 对于多数萃取剂，萃取能力随着稀释剂的介电常数升高而下降，原因可能是稀释剂影响了萃取剂的聚合或稀释剂可能与萃取剂形成了氢键；冠醚萃取体系则相反，可能是因为冠醚在介电常数小的溶剂中溶解度太小的原因。45第五章 萃取分离法(7)第三相的影响 两层有机相和一层水相的情况，原因可能：(1)萃取剂在有机相溶解度太小，如胺类，在烷烃中溶解度小，在芳烃中大，为避免产生第三相，常用芳烃稀释剂，或用煤油稀释剂，则加辛醇等助溶剂；46第五章 萃取分离法(2)萃合物在有机相溶解度太小。如TBP煤油萃取硝酸溶液中的钍，萃合物Th(NO3)42TBP不能全部溶

19、解到有机相，出现第三相。可增加相比消除。(3)另一种萃合物的形成。如TBP煤油萃取硝酸溶液中的铀时，硝酸浓度过高，可能出现HUO2(NO3)3 2TBP。提高萃取温度，增加不同相之间的互溶性，有助于消除第三相。475.1.5 连续萃取技术 水相和有机相多次接触提高萃取率。第五章 萃取分离法有机相比水轻48第五章 萃取分离法有机相比水重固体样品49第五章 萃取分离法逆流色谱(CCC)建立在逆流萃取分离的基础之上新型色谱分离技术。逆流色谱可以广义地定义为：(1)任何利用两相不相混溶液的色谱技术；(2)其中一相以一种相对均匀的方式纵向分布在一根空管或一系列的腔体中；(3)同时另一相以一定的速度通过第

20、一相并与之混合。50逆流色谱的发展历史：逆流色谱的发展历史：（1 1）逆流分溶法逆流分溶法 20世纪50年代，Craig发明的非连续逆流分溶装置，由一系列的分液漏斗连接而成。缺点：设备复杂，易碎，溶剂体系容易乳化，溶剂消耗量大，分离时间长，很快在60年代被液相色谱所取代。第五章 萃取分离法51（2 2）液滴逆流色谱液滴逆流色谱 1972年由Tokyo Rikakikai实现商品化，并广泛用于天然产物的分离。缺点：分离时间长，23天，能够使用的溶剂体系有限，清洗困难，连接处容易渗漏，70年代后期逐渐被淘汰。第五章 萃取分离法 典型的装置由300根长度60cm内径1.8mm的玻璃管组成，管柱之间用

21、窄内径的聚四氟乙烯管连接。52（3 3）离心分配色谱和螺旋管式逆流色谱）离心分配色谱和螺旋管式逆流色谱 利用离心力场实现固定相的保留，大大提高了两相溶剂的混合效率，允许使用较高的流动相流速，极大地缩短了分离时间。根据固定相保留方式和柱体设计的不同，分为两种，一种是流体静力学平衡体系HSES,一种是流体动力学平衡体系HDES。第五章 萃取分离法53 建立HSES基础上的称为离心分配色谱。它是从DCCC发展来的。离心力将固定相保留在一系列腔体中。噪声低，绝大部分的两相体系都可以使用。死体积大，不能充分混合，分离效率和相同体积的流体动力学逆流色谱仪差。采用旋转密封接头，易产生渗漏。SankiSank

22、i逆流色谱仪逆流色谱仪第五章 萃取分离法54 建立在HDES基础上的逆流色谱仪是日本Yoichiro Ito教授于20世纪70年代发明设计的多层螺旋管式离心分离仪。第五章 萃取分离法螺旋管的行星式运动产生变化的离心力场将固定相保留在螺旋管中，并允许流动相快速通过螺旋管并与固定相进行连续高效的混合和分配，分离效率较CPC大大提高。55（4 4）高速逆流色谱和双向逆流色谱）高速逆流色谱和双向逆流色谱 Ito教授在行星运动模式和螺旋管柱在支持体上的几何位置找到一种理想的结合状态，发展出一种特殊的同步行星运动模式（J模式），可在短时间内实现高效分离，并可实现两相流体在管内的双向流动。第五章 萃取分离法

23、56（5 5）pHpH区带精制逆流色谱区带精制逆流色谱 1993-1994年间偶然的发现，即当在酸性物质的样品中加入一定浓度的有机酸时，可以产生一个非同寻常的窄而尖的峰，收集到的样品仅有几毫升。当样品量增大时，每个组分在柱中形成一个高浓度浓缩的等值pH区带，并以一个矩形峰被洗脱出来。在氨基酸、多肽、染料、生物碱等物质的分离中有很好的应用。第五章 萃取分离法57 （6 6）离心沉淀色谱）离心沉淀色谱 逆流色谱技术利用两相溶剂在一根开管柱中的逆向流动进行分离，由此Ito在1998年联想到是否可以在开管柱的中间加一层半透膜来实现蛋白质的连续沉淀分离。这种方法为生物大分子以及细胞等生物物质的分离开辟了

24、一个新的途径。第五章 萃取分离法582 2、逆流色谱的应用和发展趋势、逆流色谱的应用和发展趋势 以制备为主，既适合小分子，也适合大分子。目前的发展趋势：（1）研制更加适合生物大分子分离制备的高速逆流色谱仪；（2）目前该项技术还没有达到大规模工业化生产的程度，在其放大过程中的一些技术问题需要进一步的研究解决。第五章 萃取分离法593 3、逆流色谱的基本原理、逆流色谱的基本原理（1 1）流体静力学平衡体系（）流体静力学平衡体系（HSESHSES）第五章 萃取分离法60（2 2）流体动力学平衡体系（）流体动力学平衡体系（HDESHDES）螺旋管的行星式运动产生一个强度和方向都变化的离心力场。在离心力

25、高的时候，两相出现倾析，离心力发生逆转时，分开的两相又混合乳化，倾析和混合区域交替地出现在管中。第五章 萃取分离法61重力场中旋转螺旋管内流体动力分布重力场中旋转螺旋管内流体动力分布 2000多年前，希腊数学家阿基米德利用旋转的螺旋结构将河水提升到河岸，他的这种装置叫做“阿基米德螺旋”。（a）重力作用使气泡处在上端、玻璃珠在下端，随着螺旋管的慢速转动，气泡和玻璃珠都向一个方向运动到螺旋管的一端，这一端通常称为首端，另一端称为末端。第五章 萃取分离法62（b）上图是小体积重相的情况，下图是小体积轻相的情况第五章 萃取分离法63（c）重相和轻相差不多的情况，螺旋管的旋转使得两相竞争地向首端迁移，不

26、久，两相在首端建立了一种流体动力学平衡，在每一圈管内两相占据几乎相同的体积。任何一相的过量都会被推向螺旋管的尾端一侧。一旦这种平衡建立起来，螺旋管的继续转动，只会使两相在每一圈管内前后混合，两相在螺旋管内的总体分布不变。第五章 萃取分离法64 进一步的研究表明，流体动力学平衡体系中两两相的体积比与螺旋管的转速相的体积比与螺旋管的转速密切相关。第一区段：慢速区，两相均衡分布；第二区段：临界转速范围，两相建立起单向性流体动力学平衡，重相完全占据首端一侧；第三区段：临界转速后，重相在首端一侧量迅速减小，进一步提高转速又回复两相均衡分布的状态。第五章 萃取分离法氯仿乙酸水体系65 螺旋管内的两相溶剂分

27、配是一个复杂的流体动力学现象，现在还难以准确用数学公式解释。该分配作用与螺旋管不同部位的离心力有关。第五章 萃取分离法661）当转速慢时，离心力可以忽略，重力起主要作用，此时，阿基米德螺旋力同时对两相起作用，竞争性地建立平衡。2）临界范围转速时，由于径向离心力场的加强，使得作用在螺旋管底部的净力场增强，顶部的净力场减弱，在这种不对称力场的作用下，重相向首端的迁移被加速，轻相的迁移受到阻碍，结果在螺旋管内产生一种单向性的流体动力学分配。第五章 萃取分离法673）转速进一步增加时，产生一个更强的径向离心力场，使两相溶剂重新分配，重相占据螺旋管的外层空间，轻相占据螺旋管的内层空间，最终导致在整个螺旋

28、管内每一圈均等分布（开始时注入等体积的两相）。第五章 萃取分离法68J型行星式运动螺旋管内，转速750r/min，靠近中心轴的约1/4区域两相剧烈混合，其余区域两相分层，重相占据外部，轻相占据管内部，沿螺旋管形成一个清晰的界面。每个混合区都向螺旋管的首端行进，行进速率与管柱的公转速率相同。流动相恒速通过固定相时，在管柱内任何部位的两相都以极高的速率进行混合和沉积分配过程，频率可达13次/s。第五章 萃取分离法混合区沉积区69当螺旋管以超过临界速度旋转时，两相溶剂在柱子里面建立一种单向性的流体动力学平衡，这样分别将尾端相从首端引入，首端相从尾端引入，则可以实现双向逆流色谱分离。第五章 萃取分离法

29、704 4、影响逆流色谱的两相分布的物理参数、影响逆流色谱的两相分布的物理参数1）疏水性，对于上相为有机溶剂，下相为水相的体系，增强疏水性有利于上相移向首端，下相移向尾端；2）增大两相界面张力；3）减小溶剂的粘度；4）增大两相的密度差；5）加大值（自传半径/公转半径），可以减小公转半径，或者加大螺旋管半径。第五章 萃取分离法71（4 4）pHpH区带精制逆流色谱（区带精制逆流色谱（pH zone pH zone refining CCCrefining CCC）I t o 在 研 究 高 速 逆 流 色 谱 分 离 纯 化BrAcT3(N-溴乙酰基-3,3,5-三碘代甲腺氨酸）时，观察到产物形

30、成了一个非同寻常的尖峰，其理论塔板数高于2000，而相邻的杂质峰显示正常峰宽，理论塔板数500左右。第五章 萃取分离法72采用由正己烷-乙酸乙酯-甲醇-15mmol/L醋酸胺缓冲溶液组成的pH值为4的两相溶剂体系。第五章 萃取分离法73第五章 萃取分离法对收集组分进行pH值测量时发现，pH曲线在溶剂峰后曾出现一段逐渐下降的趋势，然后恰巧在产物尖峰出现的位置急剧增加。样品溶液的质谱分析显示溴乙酸的出现，这是合成反应的副产物。74 现在将溴乙酸称为“保留酸”，因为它能将分析物在柱中保留更长的时间。近年来的研究表明，很多有机酸都可以单独或者混合作为保留酸。进一步的研究表明，将保留酸加入固定相中会产生

31、在样品溶液中类似的效果。第五章 萃取分离法75由于其非线性等温线，保留酸形成了一个陡峭的缓行边界，该边界在柱中移动的速度比流动相慢。第五章 萃取分离法当酸性分析物出现在位置(1)时，由于低的pH值形成疏水的中性形式，并且随后进入有机固定相的位置(2)。随着陡峭保留边界迁移，分离物暴露与一个较高pH位置(3)，此时失去质子并且转移到水相(4)，在水相中分析物快速传过陡峭边界重复上述循环。因此，分析物总是被限定在保留酸的边界中伴随着保留酸边界洗脱成一个尖峰。76为了将分析物限制在保留边界附近，必须满足一定的条件。第五章 萃取分离法77该方法允许使用多重的保留酸为间隔剂（spacer），使不同的被分

32、离物以窄峰的形式出现在保留酸的边界上。第五章 萃取分离法78进样量由1mg增加到100mg，其余条件与前图相同，可以发现有没有保留酸和间隔酸效果相差十分明显。第五章 萃取分离法79与与HPLCHPLC的比较：的比较：简单，相比不一样，达到同样的分离度需要的理论塔板数少。第五章 萃取分离法80逆流色谱的应用：逆流色谱的应用：制备，特别是中药成分的提取（目前最主要的应用领域）。第五章 萃取分离法81第五章 萃取分离法82第五章 萃取分离法83长春花生物碱的长春花生物碱的 HSCCC-UV HSCCC-UV 色谱图色谱图第五章 萃取分离法845.1.6 溶剂萃取新技术5.1.6.1 液相微萃取技术

33、1996年Cantwell等提出微液-液相微萃取法(MDLPME)。1999年Pedersen-Bjergaard等提出了中空纤维膜-液相微萃取法(HFLPME)，由于中空纤维膜的保护，有机相比较稳定，且不容易被杂质污染的问题，得到了更理想的结果。第五章 萃取分离法85LPME原理：两相萃取和三相萃取水-膜-有机相萃取水-膜-水相萃取第五章 萃取分离法86两相LPME：待测物质通过被固定在中空纤维膜微孔中不溶于水的有机相进入到中空纤维膜内部的接收相，有机相与接收相相同。富集系数主要取决于待测物质在两相之间的分配系数K接收水。K接收水=C接收C水第五章 萃取分离法87三相LPME：在中空纤维膜里

34、面的接收相不是有机相，而是另一个水相。萃取效果同样是由分配系数决定：K接收/水=K接收有机 K有机/水 提高分配系数的数值是得到较好的萃取效果的常用方法，例如调整接收相溶剂的pH值，使得待测物质子化，或者发生络合反应等。第五章 萃取分离法88LPME的影响因素n 有机接收相-离子液体n pH值-最重要最有效n 搅拌-摆动搅拌优于磁力搅拌n 萃取时间-决定于平衡过程n 样品盐度-盐析降低某些待测物在水溶液中的溶解度，提高萃取常数n 中空纤维膜材料-多孔憎水性聚丙烯膜，固定有机相溶液，过滤样品溶液中脂肪、蛋白质等大分子或悬浮物杂质，解决了SPME在处理生物样品时经常遇到的问题，一次性使用无残留第五

35、章 萃取分离法89LPME的应用n生物样品血液、尿样、唾液、乳汁等，其待测组分能直接用LPME前处理。n环境样品中混合污染物的选择性富集，因为各组分在各相之间的分配系数存在差异，如除草剂、多环芳烃、有机氯农药，硝基苯酚等。第五章 萃取分离法905.1.6.2 胶体（胶团）萃取 萃取物以胶体或胶团形式被萃取。长期以来限于氯仿萃取胶体金，乙醚或氯仿萃取胶体银，硫酸钡等。随着生物化工技术的发展，出现了反相微胶团萃取技术。可以满足不破坏生物物质的活性，且能溶解生物物质并能于水相分离的要求。第五章 萃取分离法91反相微胶团的形成过程：向非极性溶剂中加入表面活性剂第五章 萃取分离法92蛋白质的溶解微胶团中

36、含水量是一个重要参数，W0越大，微胶团半径越大。W0H2O/S第五章 萃取分离法93主要影响因素n 表面活性剂种类和浓度：常用AOT琥珀酸二（2乙基己基）酯璜酸钠n 水相pH：蛋白质带电情况，正电易萃取n 离子强度n 其他因素：温度、含水量、溶剂等等第五章 萃取分离法94第五章 萃取分离法95第五章 萃取分离法96制备含蛋白质的微胶团的方法慢，蛋白质有机相稳定快速简单适合水不溶型蛋白质第五章 萃取分离法97分离过程第五章 萃取分离法985.1.6.3 双水相萃取 两个水相能发生相分离吗？聚合物的不相容性导致双水相的产生。空间阻碍作用，相互间无法渗透，不能形成单一的水相。第五章 萃取分离法99第

37、五章 萃取分离法100第五章 萃取分离法101生物分子在双水相体系中的分配（1）界面张力的作用（2）杜南效应：带电大分子在两相分配时，会在两相产生电位，此即杜南效应（Donnan）第五章 萃取分离法102第五章 萃取分离法103双水相萃取的应用第五章 萃取分离法104第五章 萃取分离法105影响分配的主要因素（1）聚合物组成与浓度：影响分配系数K（2）pH：影响蛋白质电荷（3）盐的种类和浓度：影响分配第五章 萃取分离法106PEG-葡聚糖体系第五章 萃取分离法107第五章 萃取分离法108双水相萃取的优点（1）含水量高达7090，同时组成两相的高聚物对生物活性物质无伤害。（2）可以直接从含有菌

38、体的发酵液和培养液中提取蛋白质，能不经过破碎提取细胞内的酶。（3）易于放大，连续操作，处理量大。第五章 萃取分离法1095.1.6.3 凝胶萃取 具有敏感反应与自我调节的凝胶，如外界的pH、温度、电场、离子强度、官能团等的变化引起凝胶的溶涨或者收缩，可以实现选择性萃取或者化学阀的功能。生物体的大部分由柔软而含水分的凝胶组成，例如海参海参就是利用其独特的凝胶结构从周围环境吸取养分。第五章 萃取分离法110 凝胶的溶涨和收缩是其三维高分子网络中交联点之间链段的伸展和蜷缩的宏观表现。凝胶的性质取决于凝胶网络和溶剂及其相互作用，其体积取决于作用在聚合物网络上斥力和引力的平衡。第五章 萃取分离法111（

39、1）温度敏感凝胶 含有一定比例的疏水和亲水基团，温度的变化可以影响这些基团的疏水相互作用以及分子间的氢键，从而使凝胶结构发生变化。聚N-烷基丙烯酰胺类凝胶聚合物在水后形成的亲水性凝胶具有温度敏感性。高分子凝胶一般有下临界温度（下临界温度（LCSTLCST），在该温度下，随着温度降低，凝胶急剧膨胀。在该温度上，随着温度上升，凝胶急剧收缩。第五章 萃取分离法112N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸叔丁酯共聚微凝胶微凝胶的DH（水动力学直径）随温度变化曲线第五章 萃取分离法113（2）pH敏感凝胶 聚丙烯酸（PAA）的羧基随着pH变化而离解或非离子化，离解时产生离子，因静电斥力，官能团之间距离增大，大分子网

40、络伸展，反之，大分子网络收缩。第五章 萃取分离法114纳米凝胶的透光率随pH变化图 聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸）纳米凝胶，低pH，不带电荷，高分子链间与链内形成氢键，收缩，透光率低，高pH，带负电，溶涨，透光率增大。第五章 萃取分离法115（3）电敏凝胶 高分子凝胶网络上带电荷，在直流电场下均会发生凝胶的电收缩。在电场下，带正电的凝胶的对离子带着水分一起从阳极放出，带负电的凝胶水分从阴极放出。凝胶的电收缩是可逆的。凝胶的电收缩速率与电场强度成正比，与水的粘度成反比。单位库仑电量引起的收缩量与凝胶的电荷密度成反比，与电场强度无关。第五章 萃取分离法116（4）凝胶的筛分作用 除了相变特性外，

41、另外一个重要特征是凝胶的筛分作用。因此，凝胶可以用作固相萃取剂，对溶液中大分子物质进行浓缩和净化，以及不同大小分子的分级。第五章 萃取分离法117（5）萃取用凝胶的要求 不溶解 不污染溶液 溶涨和收缩快、溶涨量大、易与溶液分离 对溶质的吸着选择性高 强度好、寿命长、易再生第五章 萃取分离法118（6）凝胶萃取的优点 耗能少，萃取剂易再生，设备及操作简单，对物料分子不存在机械剪切或热破坏等。（7）凝胶萃取的应用 稀溶液中提取有机物或生物制品，如淀粉脱水，发酵液中抗生素的提取，蛋白质的提取与浓缩，废水中微量有机物的去除等。第五章 萃取分离法1191 热流体进口 2 机壳 3 溶液 4 凝胶颗粒 5

42、 温度计 6 进料口 7 转鼓 8 挡板 9 取样口 10 放液口 凝胶萃取机（天津大学的王宇新等设计制作）第五章 萃取分离法120碱性蛋白酶的浓缩 聚N-异丙基丙烯酰胺温敏凝胶放入碱性蛋白酶溶液中，相变点温度为37.5，温度35以下时溶涨度为25-50倍，滤去凝胶，溶液得到浓缩。将温度调节到37.4时，很快可以干缩到溶涨度接近2倍。第五章 萃取分离法121固定化半乳糖苷酶的可控酶反应 用N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联的N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酰胺的共聚物凝胶，可以用于固定化邻硝基苯基-D-半乳糖苷酶的水解反应。溶涨时，促进底物溶液的吸收与扩散，凝胶内底物浓度增大，促进酶反应，收缩时则抑制酶反应

43、。第五章 萃取分离法122牛血清蛋白和牛血红蛋白的分离 水解淀粉-聚丙烯酰胺接枝共聚物，相变点为pH3.5，会溶涨40-50倍。pH降到3.0时，凝胶收缩。通过凝胶的溶涨，可以分别从0.1牛血清蛋白和0.05牛血红蛋白溶液中浓缩，分配系数分别为16和44。如果采用颗粒度较小的凝胶并使溶液的pH值小于溶质的等电点，则由于吸附等原因，牛血红蛋白可以进入胶相呈红色，可将两种蛋白分离。第五章 萃取分离法123胰岛素释放设备 在这个系统中，多孔膜作为胰岛素存储器与血液之间的支撑介质。含有P(MAA-g-EG)的水凝胶填充于这些孔之间。当葡萄糖浓度较高时，发生葡萄糖氧化酶催化的反应，生成葡萄糖酸，导致周围

44、的pH值降低，引起凝胶收缩。凝胶收缩后导致膜孔径增大（分子阀门被打开），允许胰岛素以扩散的方式释放出来。当葡萄糖浓度降低后，pH升高引起凝胶溶涨，分子阀门关闭，膜不允许胰岛素的渗透。第五章 萃取分离法124分子阀门系统的活动机制分子阀门系统的活动机制 葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶C6H12O6+O2+H2O C6H12O7+H2O2第五章 萃取分离法1255.1.6.4 超临界流体萃取第五章 萃取分离法solidliquidgassupercritical fluidT(oC)P(Mpa)纯物质的相图压力增大，流动相密度增加，溶剂力增大临界点附近温度和压力的微小变化会引起密度的显著变化，即溶解能力

45、的显著变化。126CO2超临界流体n 临界点Tc31.06，pc7.39MPa；n 无毒、价廉、易得、易与萃取物分离；n 溶解力可通过温度、压力调节，也可以通过添加试剂(醇类、芳烃等)来改变；n 萃取率较低，选择性低n 特别适合天然产物的分离第五章 萃取分离法127超临界流体萃取装置 液体物料为循环式，固体物料间歇式。第五章 萃取分离法128萃取过程第五章 萃取分离法129影响超临界流体萃取的因素n 压力。压力大，密度大，溶解力强；n 温度。复杂，先升高后降低。n 超临界流体的性质和被萃取物的极性。CO2极性小，对于极性大的物质的萃取，必须加入添加剂，称为提携剂或改性剂。n 流量。扩散慢的溶质

46、流量不宜大。第五章 萃取分离法130n 原料的颗粒度小，利于萃取，但太小会出现堵塞或结块造成沟流等不利现象；n 萃取时间。增加萃取强度，可以缩短时间。可能的机理是组分之间的“溶解互助”效应，即先萃取出来的物质起到改性剂的作用，增加了溶解能力。第五章 萃取分离法131超临界流体萃取的应用n 中药有效成分的提取。植物原料，生物碱、黄酮、有机酸、皂苷、萜类、挥发油、糖类、油脂、氨基酸、色素、鞣质、蛋白质、酶等，传统方法复杂，流程长，SPE简单快速效率高。n 天然香料提取。n 食品有效成分提取。n 环境样品前处理。n 与其他方法联用，色谱、精馏、质谱、核磁、红外等第五章 萃取分离法1325.5 固相萃

47、取 基于液-固分配作用的萃取方法，主要用于样品预处理，对柱效要求较低。快速实现大量基体物质或其他干扰物质与目标成分的分离。第五章 萃取分离法怎样实现？1.目标成分保留极强，基体或干扰成分保留弱；2.目标成分保留极弱，基体或干扰成分保留强。133固相萃取模式与LC分离模式相同：1.正相萃取-从非极性溶剂中萃取有机酸、弱阴离子等极性组分，固定相常为硅胶在载体的二醇基、丙氨基小柱；2.反相萃取-非极性固定相，萃取非极性至中等极性化合物，应用范围最广泛，固定相常为十八烷基、辛基、二甲基丁基等键合硅胶；第五章 萃取分离法1343.离子交换萃取-离子交换固定相，萃取有机合无机离子性混合物如有机酸碱、核酸、

48、表面活性剂等，固定相为硅胶载体表面接上季胺基、磺酸基、羧酸等；4.吸附萃取-以氧化铝、硅胶、石墨碳材料和大孔吸附树脂等为固体吸附剂，石墨碳材料和大孔吸附树脂可吸附非极性物质，氧化铝、硅胶吸附极性物质；5.其他-亲和固定相、分子印迹固定相等。第五章 萃取分离法135萃取器1.萃取小柱-体积16mL塑料、玻璃或高纯聚四氟乙烯管，两块筛板之间装填0.10.2g填料，筛板材料为聚丙稀、不锈钢或钛合金。2.萃取盘-含填料的聚四氟乙烯圆片或载有填料的玻璃纤维片构成，厚度1mm，截面积大，允许高流量通过，适合大体积样品中富集痕量组分。第五章 萃取分离法136自动固相萃取装置-萃取小柱、真空萃取箱和真空泵 第

49、五章 萃取分离法137固相萃取过程：柱子活化、上样、干扰物洗脱、目标物洗脱 第五章 萃取分离法138柱子活化-如反相柱，打开碳链，增加表面积，先用数毫升甲醇通过柱子，再用纯水或缓冲溶液顶替滞留在柱子中的甲醇；上样-防止目标成分流失，样品溶剂对目标成分的洗脱能力必须小，反相柱时用水和缓冲液为溶剂，可适当加入甲醇增加溶解度；第五章 萃取分离法139干扰物洗脱-弱保留的杂质或基体全部洗脱出来，目标成分保留，关键是合适的洗脱剂和用量，可通过实验来确定；目标物洗脱-强的洗脱液，通过实验进行选择，如洗脱液不适合后续分析，则通过氮气吹干，再用合适的溶剂溶解。第五章 萃取分离法140固相微萃取SPME 2O世

50、纪90年代初发展起来的、适用于气体和液体样品的新颖的样品前处理技术具有快速、灵敏、方便、样品需要量小、无需萃取溶剂、易于自动化的优点。第五章 萃取分离法141固相微萃取方式直接萃取顶空萃取第五章 萃取分离法142萃取头：p石英纤维-可直接与分析仪器连用，在进样口将萃取头探人，将分析物解吸后进行分离与分析检测p毛细管-与高液液相色谱、毛细管电泳等直接连用，萃取后经溶剂洗脱萃取分子层第五章 萃取分离法n 毛细管管内金属丝n 纤维管内聚合物细丝143萃取的关键-涂层n 遵循“相似相溶”规则n 较强的萃取富集能力n 合适的分子结构，保证分析物有较快的扩散速度，在较短时间内达到分配平衡n 在解析时能迅速