表面活性剂双水相的研究进展与应用

表面活性剂双水相的成相分子在溶液中存在 着两种作用：①极性基间的静电作用；②非极性基 键的 vander Waals 作用。这两种作用的相对强弱是 决定有序组合体结构的重要因素。成相体系的摩尔 组成决定了该体系是否形成液晶结构。体系的静电 斥力起主导作用时，有序组合体易形成弯曲的极性 面，如球状胶束和棒状胶束。当体系中 vander Waals 与静电斥力达到平衡时体系形成长程有序的液晶 结构。当体系中静电引力远远强于疏水基间的
系统固定时，分配系数为一常数，与溶质的浓 度无关。当目标物质进入双水相体系后，在上、下相 进行选择性分配，这种分配关系与常规的萃取关系 相比表现出更大或更小的分配系数。 1.3 影响物质分配平衡的因素
影响物质分配平衡的因素有很多，其中主要包 括有机相的组成 （如有机物的类型、平均分子量 等）、盐类（包括离子类型和浓度电荷数、电解质强 度、酸碱性等）、相比 R[16（] 上、下相的体积比）溶质 即目标物质的物理化学性质 （包括分子量、等电 点），以及体系的温度压力等。而这些参数并不是独 立作用的，所以要预测双水相体系间的分配系数是 很困难的。目前常用的方法是用实验的方法来确定 满足分配要求的操作条件。
目前表面活性剂双水相体系有：正负离子表面 活性剂双水相体系[10]、非离子表面活性剂双水相体 系[11]和正离子型表面活性剂双水相体系[12]。正、负离 子表面活性剂 之 [13] 所以在严格的配比范围内形成 双水相，是因为表面活性剂分子极性基之间的静电 引力作用及静电斥力作用达到平衡，体系中形成长 程有序结构，有序结构自成一相体系从而形成双水 相。若正、负离子表面活性剂的物质的量比趋近 1∶1， 则静电引力太强，溶液中形成沉淀，若它们的物质 的量比远离 1∶1，则系统中同种表面活性剂之间的 静电斥力太强，易形成均相溶液． 1.2 表面活性剂双水相萃取的基本原理
2 表面活性剂双水相的相图
图 1 为 313K 时 H2O/0.2mol·L -SDS/0.2mol·L -
CTAB 系统的三元相图，相图被几个区域所分割，其 中 1 区为各向同性且澄清透明的溶液区，2 区为不 稳定区，随着表面活性剂的浓度或配比的不同，该 区样品呈现乳光现象，甚至出现沉淀或悬浮物，故 2 区现象较复杂。3 区为双水相区，简称 ATPS 区。 当样品出现双水相时，两相界面非常清晰，但界面 受温度的影响较大。
1 表面活性剂双水相萃取技术的基本原理
1.1 表面活性剂双水相体系的形成 当一定浓度的某种有机物水溶液与其它有机
物水溶液或者有机物水溶液与无机盐水溶液以一 定体积比混合时，能够自然分相并形成互不相容的
第 ２７ 卷第 ９ 期
陈伊芊：表面活性剂双水相的研究进展与应用
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双水相或者多水相体系，这就是双水相体系。从溶 液理论来说，当两种有机物或者有机物与无机盐混 合时，是分相还是混合成一相，取决于混合时的熵 变和分子间的相互作用力。由于双水相体系本身的 复杂性，体系熵的计算很难准确以及分子间的相互 作用力也不清楚，所以双水相的形成机理非常复杂。
Ｈ２Ｏ
３
１
２
１
０．２ｍｏｌ·Ｌ－ＳＤＳ ０．２ｍｏｌ·Ｌ－ＣＴＡＢ １－透明均相；２－乳光或乳白；３－双水相
图 １ Ｈ２Ｏ／ＳＤＳ／ＣＴＡＢ 系统的三元相图
3 表面活性剂双水相的成相与液晶结构的 关系
3.1 双水相区与液晶区的关系 一 般 认 为 [16] 表 面 活 性 剂 在 水 溶 液 中 可 形 成 三
中草药是我国的国药，目前国内已经有利用双 水相体系萃取分离中草药的报道和研究，并取得了 一些成绩。利用非离子表面活性剂 PEG 萃取中草 药 的 研 究 常 有 报 道 。薛 郡 [19] 等 采 用 聚 乙 二 醇（PEG 800）与吐温 80（Tween 80）组合表面活性剂、硫酸 铵、水形成双水相体系，研究芦丁在该双水相体系 中的分配行为。用紫外分光光度法测定银杏叶中芦
双水相萃取与一般的水-有机物萃取的原理相 似。都是依据物质在两相间的选择性分配。当萃取 体系的性质不同，物质进入双水相体系后，由于分 子之间电荷的作用，目标物质在上、下相中浓度不 同从而达到分离的目的。溶质（包括蛋白质等大分 子物质、稀有金属以及贵金属的络合物、中草药有 效成分等）在双水相体系中服从 Nernst[14]分配定律 K=Ct/Cb 其中 Ct、Cb 分别代表溶质在上、下相中的 浓度。
面活性剂双水相具有含水量高、两相容
易分离、表面活性剂用量小且可循环使用等特点， 使其广泛的应用于对于分离环境要求较高的生物 活性物质的分离与纯化。朱慎林、朴香兰、沈刚[13]等 人用溴化十二烷基三乙铵（C12 NE）与十二烷基硫钠 （SDS）混合体系形成双水相萃取苯丙氨酸表明，当 C12 NE 与 SDS 摩尔比在 1.6～1.7 的狭小区域内才能 分相，分相系统对苯丙氨酸的单级萃取率达到 80% 以上，随着苯丙氨酸浓度的增加，分配系数略有下 降。二级萃取率达到 99%以上。清华大学的高莹，郑 用熙等[17]人用 0.l mol/L 的 C12 NE 与 0.l mol/L 的SDS 按体积比 1.6∶1 混合，萃取分离胰蛋白酶并用紫外 分光光度计测定萃出物中酶的活性，结果表明胰蛋 白酶在下层溶液中的平均提取率为 61.3±0.9%，并 且在阳离子表面活性剂形成的双水相区酶的活性 保持良好，仍保持原有的三维机构和构象，说明阳离 子双水相是比较温和的表面活性剂水溶液。 4.2 稀有金属以及贵金属的分离与检测
Ａｂｓｔｒａｃｔ:We reported here that two aqueous phases were formed when cationic surfactant was mixed with anionic surfactant at certain concentration. This phenomena had been called as aqueous surfactant two phases (ATPS). The basic features and application of the aqueous two -phase extraction was introdunced. The relationship between aqueous two-phases system and liquid crystal structure (LCS) of cationic and an－ ionic surfactants mixture was studied. Phase interface of it was also mentioned. Its directions in the future and some unresolved problems were pointed out. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：aqueous two-phase；cationic and anionic surfactants；liquid crystal structure(LCS)；phase interface
相，称为表面活性剂双水相。文章对表面活性剂双水相的形成、萃取原理、相图与液晶结构的关系以及相界面的
性 质 、应 用 方 向 等 进 行 了 综 述 ，对 双 水 相 技 术 目 前 所 存 在 的 问 题 以 及 发 展 前 景 作 了 简 要 的 论 述 。
关键词：双水相；表面活性剂；液晶结构；相界面
朱霞石、包莉、郭荣、马湘怡等[18]利用 TritonX100-（NH4）2SO4-PAR 体系萃取分离 Pd（Ⅱ）结果表 明在 pH 为 7.0～7.5 的溶液中络合剂 PAR 能与 Pd （Ⅱ）形成稳定的络合物，可以被定量的萃取，实现 了 Pd（Ⅱ）与 P（t Ⅵ）、Ir（Ⅵ）、Mo（Ⅵ）等混合离子的 定量分离。混合离子中 Pd（Ⅱ）的回收率为 97.5%~ 100.8%。 4.3 中草药有效成分的萃取
种液晶结构：层状液晶、六方液晶、立方液晶。其中 层状液晶和六方液晶为各向异性，具有偏光现象； 而立方液晶为各向同性不具有偏光现象。
藤弘霓[17]等人利用时而烷基硫酸钠（SDS）与十 六烷基三甲基溴化铵（CTAB）混合表面活性剂双水 相发现，双水相的上相具有偏光现象，视为液晶 LC， 下相为透明均相溶液，无偏光现象。并发现 LC 区相 图与 ATPS 区相图极为相似，LC 区基本位于 ATPS 区所在的位置，比 ATPS 区略宽，包含了 ATPS 区。 证实了双水相与液晶有着密切的关系，体系在形成 LC 的基础上才能形成 ATPS。 3.2 双水相与液晶系统的结构
双水相系统（aqueous two-phase system,ATPS） 是一种或几种物质在水中以适当的浓度溶解，在一 定条件下形成互不相溶的水溶液系统。双水相萃取 技术已广泛应用于生物化学、细胞生物学、生物化 工和食品化工等领域，并取得了许多成功的范例， 具有广阔的工业应用前景[1]。表面活性剂双水相是 指正、负离子表面活性剂混合水溶液在一定浓度及 混合比范围内，自发分离形成的两个互不相溶的水 相。表面活性剂双水相系统的发现为生物活性物质 分离提供了一种新的双水相系统，与早期研究的高 分子双水相系统相比，由于表面活性剂具有亲水基 和亲油基的结构特点，使得这种双水相在萃取分离 时具有选择性好[2]、含水量高（质量分数可达99％）、 两相容易分离、表面活性剂的用量很小且可循环使 用等独特优点。目前，应用这类双水相系统进行物 质分配已开展了一些研究工作，已有利用该类型双 水相系统分离蛋白质、酶、氨基酸和卟啉等物质，对 于双水相的一些物理化学性质也进行了一定的研
中图分类号：O647.1
文献标识码：A
文章编号：1006-8937（2008）09-0038-04
Progress and applications of aqueous surfactant two-phase system
CHEN Yi-qian
（Ｘｉａｎｇｔａｎ Ｈｕａｙｉｎｇ Ｆｉｎｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｘｉａｎｇｔａｎ， Ｈｕｎａｎ ４１１１０１， Ｃｈｉｎａ）