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浅谈加压溶剂萃取技术
相比传统的溶剂萃取方法,加压溶剂萃取技术有其突出优点:自动化程度高,萃取过滤净化可一步完成;节省溶剂,一般情况下样品/溶剂(m/v)<1.5;快速高效,一般10~20min内即可完成样品的萃取,萃取效率与索氏萃取相同或优于后者。从1999年国内中文杂志以综述的论文形式第一次提及加压溶剂萃取技术,特别是2004年以来,国内加压溶剂萃取仪的使用者明显增加,发表的相关论文数也有明显增加,2008年的增幅更是明显(基本都是应用性文章)。目前加压溶剂萃取技术已逐步进入行业、地方以及国家标准方法GB/T19649-2005/2006,应用前景也在不断扩展。然而至今为止国内的文献检索以及google搜索都很难能找到真正全面、实用,对我们使用者来说简捷明了的指导性论述。
作为一个加压溶剂萃取设备生产和使用者,我在这里简单聊了聊加压溶剂萃取仪的原理、方法优化以及其它相关事项,希望能抛砖引玉,集思广益,听听大家的使用心得和建议。
萃取方法优化(Methods optimization)
加压溶剂萃取技术作为一种全新的溶剂萃取技术,采用高温高压处理,可实现从各种复杂基体(固体或半固体)中对目标待测物的快速萃取,具有与索氏(Soxhlet)萃取或自动索氏(Automated Soxhlet)萃取相当或更好的回收率。然而,在实际工作中,对于广大分析工作者来说,在使用“加压溶剂萃取仪”时要想获得理想的萃取效果,适当的样品制备(如研磨、干燥、分散等)以及设置合适的萃取参数还是非常必要的。下面就“样品的制备”和“萃取参数的设置” 分别加以论述。
制备样品(Sample Preparation)
众所周知,对于索氏萃取来说,一个理想的待萃样品应该是分散均匀、干燥彻底、颗粒大小合适(具有较大的比表面积)的固态基体。然而,实际工作中,很多待测样品都达不到上述要求。因此,在萃取样品之前我们要对样品做适当处理,实验室中最常用到的操作有研磨、干燥和分散等。
样品的研磨(Grinding)
样品具有可观的比表面积(样品总表面积与体积之比)是获得好的萃取效果的重要因素之一,因为大的样品/溶剂接触面积可以加快以及提高萃取效率。因此,要提高萃取效果,必须使被萃样品具有大的比表面积。实际操作中,我们可以通过研磨样品以增大样品的比表面积。研磨干噪样品时采用一般的样品粉碎机(研钵、电动研磨机或磨粉机)即可,粉碎蔬菜、水果等湿样时可采用专用的食品加工器处理。另外,在粉碎某些软质的聚合物或橡胶制品时,可先采用液氮冷冻,再进行粉碎操作,即可得到良好的粉碎效果。一般情况下研磨样品的颗粒粒径小于0.5mm(40~80目)为宜。然而,样品的粒径也不是越小越好,如果粒径过细(大于200目),反而会阻碍萃取溶剂与样品的充分接触,在加压溶剂萃取过程中,高压下还可能引起样品重新积聚结块,影响萃取效果。
样品的分散(Dispersing)
如前所述,萃取过程中样品的积聚会影响萃取效果,降低萃取效率,严重者还会引起萃取仪的管路堵塞。因此,对于容易积聚的实验样品,如高蛋白高油脂类,江河底泥样品等,在进行萃取操作前,可先采用各种分散剂做均匀分散处理,以提高萃取效率。实际工作中可采用化学惰性、良好刚性、比表面积大的物质作为样品的分散剂。建议用于快速溶剂萃取仪的分散剂有:粗砂(~0.5mm,注意不能选用过细的砂子,否则细砂会进入萃取流路,堵塞毛细管甚至会会损害管路中的高压控制阀!)、硅藻土、石英砂、玻璃珠等等。无机盐类,如无水硫酸钠,无水硫酸镁一般不推荐在快速溶剂萃取中做为分散剂,因为它们在高温极性溶剂(如甲醇、丙酮等)中有一定的溶解度,萃取液在流出样品池时(温度下降)的重结晶,可能会导致管路的堵塞以及高压控制阀的故障。
样品的干燥(Drying)
对于样品的干燥,实验室中可根据实际的分析要求采用自然风干、烘干、冷冻干燥、螺旋挤压以及加入干燥剂干燥等手段,或者兼而有之。一般的环境样品可采用自然风干或烘干即可,生物组织样品传统的干燥方式则是采用冷冻干燥,某些含水量很多的样品,如江河底泥、农田泥土样品,可以采用螺旋挤压机挤压去除其中的水分。这里,我们主要讨论一下在使用快速溶剂萃取仪萃取样品时样品的干燥问题。在实际操作中,遇到比较湿的样品,我们一般推荐将样品与一定比例的干燥剂混合,用微波加热干燥1~2min(视目标待测物的物化性质而定,以不影响被萃取物的回收率为准)。在快速溶剂萃取仪的样品准备中,我们建议的干燥剂主要有硅藻土、Florisil、无水硫酸钠、纤维素等。其中,硅藻土的干燥性能较好,基本上大多数样品都可以采用其来干燥,Florisil和纤维素也有不错的干燥效果,用于蔬菜水果等农产品的干燥比较适合。无水硫酸钠价格低廉,可广泛应用于大量环境样品的干燥,然而在萃取溶剂为甲醇等极性溶剂时,不宜采用,具体原因之前已经阐述过了,不再嗷述。
设置萃取参数(Extraction Parameters)
一台全自动快速溶剂萃取仪的样品萃取参数包括:萃取溶剂、萃取压力、萃取温度、萃取时间、循环次数、冲洗体积、加热时间、预热时间、氮吹时间等。下面我们就其中几个比较重要的萃取参数分别加以阐述。
萃取溶剂(Solvent)
跟其它溶剂萃取技术一样,在选择萃取溶剂时也需要追寻“相似相溶”的基本原则,即萃取高极性的目标分析物就要选择高极性的萃取溶剂,同样如果要萃取低极性的目标化合物则要选择低极性或非极性的萃取溶剂。在实际应用中,往往使用混合溶剂对多种目标化合物或多类化合物进行萃取。美国环保署EPA在溶剂萃取方法中就推荐一种“万能萃取溶剂”,即正己烷C6H14/二氯甲烷CH2Cl2/丙酮C3H6O的混合溶剂,用户可以根据不同性质的目标分析物,调整三者之间的比例以达到萃取所需的极性和渗透力(与混合溶剂的粘度以及表面张力等相关)。快速溶剂萃取仪管路、接头以及阀体均采用耐压的不锈钢材质,可广泛采用实验室常用的各种有机试剂和水系缓冲溶液,但不推荐使用盐酸、硝酸、硫酸等强酸,可使用醋酸(V/V<50%)或磷酸(V/V<10%)与极性有机溶剂混合使用,以达到萃取的要求。另外,在选择溶剂时,“乙醚”和“二硫化碳”切勿使用,因为一般的快速溶剂萃取仪的萃取温度都可以达到200℃,在此温度下乙醚和二硫化碳会发生自燃,进而引发危险。
萃取温度(Temperature)
“萃取温度”是加压溶剂萃取技术区别于传统的溶剂萃取技术的一个主要参数。以往的萃取技术,包括(自动)索氏萃取、超声萃取等,可选择的萃取温度决不可能高于甚至不能达到所使用萃取溶剂的沸点,因为我们在萃取过程中需要保持萃取溶剂是处于液态,否则根本无法完成萃取操作。加压溶剂萃取技术可以提供更高的“萃取温度”,可以提供远高于萃取溶剂沸点的萃取温度。目前市场上的加压溶剂萃取仪一般中高端产品均可提供室温~200℃的萃取温度选择。这里我从物理化学的作用原理简单解释一下较高的萃取温度是怎样达到高效快速的萃取效果的。热力学方面,首先,升高的温度可以提高目标萃取物在溶剂中的溶解度,这一点在烃类化合物的萃取中非常重要。例如,萃取土壤以及底泥中的烃类化合物根据具体要求最好选择萃取温度在150~200℃之间为宜。其次,升高的温度可以提高水份在有机溶剂中的溶解度,这一点在萃取潮湿的样品时至关重要。因为在含水样品中会有“水封孔隙”的存在而阻止了用来作萃取剂的有机溶剂与孔隙中待萃化合物的接触,进而影响萃取效果。升高的温度可以增加萃取溶剂中水的溶解度,从而很好的克服了上述“水封孔隙”效应,取得高回收率的萃取效果。动力学方面,升高的温度,可以加快待测物在样品基质与萃取溶剂间的扩散速率,而且,升高温度可以更彻底的破坏待测物与基质间的相互作用力(其中包括范德华力、氢键以及待测物与基质活性位点的两极作用力等),另外,升高温度会降低萃取溶剂的粘度以及表面张力,使得萃取溶剂对样品具有更好的浸润性,萃取溶剂可以更快速渗透到样品基质中,与待萃样品充分接触。因此,升高温度可以加快待萃取的解吸动力学过程,取得快速高效的萃取效率。另一方面,需要注意一点,在设置萃取温度时,一定要注意待萃物是否会发生热降解或发生形态转化等因素,不能一味追求高的萃取温度。