超临界流体萃取联用技术的应用

超临界流体萃取联用技术的应用
冯志强
(江苏省生物活性制品加工工程技术研究中心,无锡,214036)
摘　要　根据文献报导,综述了超临界流体萃取(SFE )联用技术的应用。

SFE 与其他分离分析技术联用可以实现优势互补,增强SFE 技术的功能,扩展应用研究领域,提高分离分析的准确度、精密度和速度。

关键词　超临界流体　萃取　联用技术　分离分析
作者简介:冯志强,男,1974年7月出生,江苏无锡人,经济师,现从事经济科技管理工作。

1　引　言
超临界流体萃取(supercritical fluid extraction ,
SFE )技术是近30年来迅速发展起来的一种分离分析技术。

处于超过临界温度和超临界压力下的流体称为超临界流体。

超临界流体的物理性质特殊,具有和液体相近的密度,与气体相近的粘度,但扩散系数为液体10～100倍,有较好的流动、传质、传热性能,因此对许多物质有较好的渗透性和较强的溶解能力。

超临界流体萃取技术的工作原理是,将超临界流体控制在超过临界温度和临界压力的条件下,从目标物中萃取成分,当恢复到常压和常温时,溶解在超临界流体中的成分即与超临界流体分开。

近10年来,SFE 技术已广泛用于医药、化工、食品、环
保等领域,并取得丰硕成果。

尤其是CO 2超临界流体萃取技术,在许多方面已达到实用阶段并取得了显著成效[1,2]。

SFE 技术具有高效、节能、实用性强等优点。

随着SFE 技术应用范围的不断扩大和研究的不断深入,SFE 已从单一的成分萃取及生产工艺研究,发展到与其他先进分离分析技术联用,出现了超临界流体色谱(SFC )、SFE 精密分离等新技术新设备。

2　超临界流体萃取-色谱联用技术
在分析提纯化合物的研究中,SFE 常常与液相色谱(HPLC )或气相色谱(GC )联用。

将气相色谱或液相色谱用作SFE 后的检测手段,可以充分发挥这些现代分析技术的优点,对萃取效率、萃取物组分、有效成分含量以及萃取物纯度等进行深入研究,进行更准确的定量分析,并以直观的色谱图反映出来。

在SFE 2HPLC 联用方面,原永芳等[3]开展了延
胡索中延胡索乙素含量的研究;佘佳红等[4]测定了银杏叶粗提物中黄酮类化合物的含量,方法简便快速,萃取完全;袁海龙等[5]成功分离了何首乌中蒽醌类成分,并对大黄酸作了定量分析。

在SFE 2GC 联用方面,王建华等[6]用SFE 2GC 测定了水果和蔬菜中有机磷农药残留量,测得的结果与传统方法一致,但SFE 2GC 快速、准确;邢旺兴等[7]采用SFE 和毛细管气相色谱(CGC )非在线联用,测定了七宝美髯胶囊中补骨脂素和异补骨脂素的含量,整个测定过程仅用10多分钟,样品萃取后无须预处理即可直接进行分析。

在实际应用中,液相色谱、气相色谱还常与质谱(MS )组合成色质联用仪(HPLC 2MS 、GC 2MS ),以增强对SFE 萃取物的分析能力。

陈楠等[8]采用HP 25988A 型色质联用仪,对用CO 2超临界流体萃取的岷县当归挥发油成分作了分析,鉴定出41种成分,并测定了其中主要成分的含量及保留时间,其中10
种化合物如α喜瑞文烯、
β雪松烯等为首次发现。

李晶等[9]先用CO 2超临界萃取技术从松子仁中萃取出亚麻酸油,然后采用HP6890/HP5973型GC 2MS 测定了亚麻酸油中不饱和脂肪酸和亚麻油的含量。

刘世安等[10]采用GC 2MS 分析比较了用CO 2超临界流体萃取技术和水蒸汽蒸馏法分别提取的藁本挥发油成分,共分离鉴定了27种成分,分别占面积归一化总成分的98.27%和96.94%。

陈楚良[11]比较了SFE 与HPLC 联用和不与HPLC 联用测定城市灰尘中多环芳烃的萃取分析过程,结果显示,SFE 2HPLC 联用萃取时间、萃取液浓缩时间、每个样品完成分析时间大大缩短,所用样品量和液体溶剂量也比单用SFE 节省。

从应用效果可以看出,由于SFE装置直接与HPLC或GC连接,萃取物萃取后不用转移即可进行直接分析,操作步骤简单、快速,萃取完全,且可减少待测物的损失,工作效率相对较高。

SFE联用技术也较好地解决了单独采用SFE萃取中草药时,由于中草药成分复杂、近似化合物多,萃取物往往纯度不高等问题。

3　超临界流体色谱技术
普通的HPLC和GC难以对相对分子质量高、沸点高、热不稳定、极性强的化合物进行分离提纯。

将超临界流体作为流动相,可以提高待分离提纯物各组分的溶解度,从而加快分析速度,提高分辨率。

这种技术称为超临界流体色谱(SFC)技术。

近年来SFC的应用研究不断深入,已出现了商品超临界流体色谱仪。

SFC采用超过临界温度的压缩液体作为流动相,其扩散系数和粘度接近低压气体,而萃取能力与液体溶剂相似,因而兼有HPLC和GC的优点,可通过改变柱温或流动相密度调节色谱保留值,有效控制溶质的分离结果。

SFC为分离提纯和分析相对分子质量高、极性强的化合物开辟了新途径[12]。

利用制备型超临界流体色谱仪可以制备出更纯净的物质。

目前SFC已开始用于医药、高分子材料与复杂样品的分离和分析,同时还用于SFE的基础性研究。

SFC在环境分析检测方面也是非常有效的手段,在有机污染物分析和环境保护方面得到日益广泛的应用[12]。

郭亚东等[13]采用SFC快速测定牛奶中乳清酸含量,样品前处理简单,测定的精密度、准确度及线性都令人满意。

杨亦文等[14]用以硅胶为固定相的SFC从鱼油甘油酯中制备出高纯度二十碳五烯酸乙酯(EPA2EE)和二十二碳六烯酸乙酯(DHA2EE)。

Huh等[15]用SFC分析银杏叶提取物中聚异戊烯醇的含量变化,不仅克服了常规HPLC 前处理中分离、纯化步骤冗长的缺点,而且分析速度快。

SFC还可与SFE、MS、F TIR(傅里叶变换红外光谱)、FID(氢焰离子化检测器)等联用,大大提高检测的灵敏度和分辨率。

SFC2SFE集提取、浓缩、分离、检测于一体,是天然药物的一种理想分析法[16]。

SFC2F TIR可提供分析物的分子官能团信息,SFC2MS能提供分子碎片信息,两种技术可相互补充。

由于SFC具有快速、高效、溶解能力强等优点,大多数流动相在中红外区吸收较少,因此在一定程度上SFC2F TIR、SFC2MS优于GC2F TIR、HPLC2 F TIR技术[12]。

黄威东等[17]采用SFC2F TIR在40min内分析了萘等5种多环芳烃混合物,结果表明,这是一种分析鉴定多环芳烃的有效手段,分析时间短、分离效率高、光谱图质量高。

Levy等[18]采用SFC2MS成功分析鉴定了相对分子量高的芳香族化合物。

Olosik等[19]将SFC与FPD(火焰光度检测器)联用测定了5种含硫多环化合物。

文献[12]报道了国外的一些工作。

Bretsch等用SFC2FID在2min内快速分析了残杀威、氯苯胺灵等4种氨基甲酸酯类农药;Peaden等将SFC与FLD(荧光检测器)联用,分析了煤油和碳黑二氯甲烷萃取物中的多环芳烃等;France将SFC与UVD(紫外检测器)联用,成功地分析了杀虫剂、除草剂。

4　超临界流体萃取精密分离技术
超临界流体萃取精密分离技术是超临界流体萃取和精馏技术相结合的产物。

它是依据SFE萃取过程中特有的“加热冷凝”现象设计的精密分离装置。

分馏塔由萃取段和分离段组成,在萃取过程中,保持分离塔顶温度高于塔底温度,同时逐步改变体系压力,从而大大改善了超临界流体萃取过程的分离效果[20、21]。

该技术产生于80年代初,目前主要用于分离、纯化、分析减压渣油。

程健等[22]应用丙烷超临界流体精密分离技术对沈北渣油进行了分离研究。

从比较脱沥青过程中微晶蜡的性质可以看出,丙烷超临界流体精密萃取分离技术明显优于常规丙烷脱沥青方法,文章还探讨了将SFE精密分离技术应用在微晶蜡生产上的可能性。

赵德智等[23]以正戊烷作为超临界流体,应用SFE精密分离技术,将孤岛减压渣油分离成15个窄馏分,测定了各窄馏分的元素、金属含量以及分子量等。

徐春明等[24]利用SFE精密分离技术对沙特阿拉伯减压渣油进行了抽出率分别为30%、40%、50%、60%的切割分离,并以各抽出油为原料进行了催化裂化反应性能研究,确定了反应产品分布与原料性质之间的关系。

徐春明等[25]还对大庆、胜利、大港、华北、辽河5地国产渣油进行了不同抽出率的切割分离,分析了5地渣油抽出油的主要性质,计算了它们的结构参数,讨论了汽油产率与5地
渣油结构参数之间的关系。

兰翔等[26]采用SFE精密分离技术,分析比较了大庆、辽河油浆窄馏分中芳烃类成分的含量及其各种环状结构。

SFE精密分离技术为研究和评价渣油提供了一种有效的方法,有利于搞清渣油及其组分的主要性质和结构,促进渣油催化裂化工艺技术的发展,对发展渣油的深加工及充分开发利用石油资源具有重要的现实意义。

5　超临界流体萃取-分子蒸馏联用技术分子蒸馏(MD)技术是一种应用高真空蒸馏的液-液分离技术,特别适用于高沸点、高热敏性及易氧化物的分离。

MD蒸馏温度低于物料沸点,具有蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点,因而能极好地保护热敏物料的品质,而且MD技术工艺简单,无污染且运作安全。

将SFE与MD技术结合起来用于提取分离中药有效成分,特别是用于对挥发油等热敏性物料的分离纯化,效果非常好。

张忠义等[27]用CO2超临界流体萃取技术萃取白术挥发油,然后用MD对萃取物进行精密分离,再用GC2MS分别对超临界流体萃取物和分子蒸馏蒸出物进行分析,结果从超临界流体萃取物中检测出33种化合物,从分子蒸馏蒸出物中检测出27种化合物,主要成分均为2,72二甲氧基23,62二甲基萘、γ2芹子烯、大根香叶烯等,但相对含量有区别,如超临界流体萃取物中2,72二甲氧基23,62二甲基萘含量为38.11%,γ2芹子烯含量为13.15%,而在分子蒸馏蒸出物中,两种成分的含量分别为27.67%和21.94%。

王鹏等[28]用CO2超临界流体萃取连翘挥发油,然后用MD对所得到的挥发油作进一步的分离,再用GC2MS进行检测,结果表明,在超临界流体萃取物中,萜品醇24和α2萜品醇含量分别为30.95%和13.62%,而在分子蒸馏蒸出物中,两种成分含量分别为26.4%和1.31%。

古维新等[29]也将CO2超临界萃取技术与MD技术结合起来,对独活化学成分进行萃取与分离,研究了独活的化学组成并建立了提取方法。

综上所述,超临界流体萃取物在分子蒸馏前后的成分大部分相同,但各成分的相对含量有较大改变,相对分子质量小的成分在蒸馏后相对含量提高,相对分子质量大的成分在蒸馏后相对含量减少。

这是由于超临界流体萃取物在分子蒸馏时,分子量较小、沸点较低的成分容易被蒸出,所以这些成分在蒸出物中相对含量会升高;而分子量较大、沸点较高的成分在蒸出物中相对含量会降低。

所以SFE2MD 是提纯分离中药及其他挥发性化合物中不同成分的一种先进有效的方法,特别适用于挥发油精的分离。

6　原位络合超临界流体萃取技术
上世纪90年代后逐渐开展了应用SFE技术萃取分离环境样品中痕量金属离子的研究工作,并随之开发出原位络合超临界流体萃取技术。

由于极性物质金属离子带正电荷,而且超临界流体与金属离子之间存在微弱的溶质溶剂作用,使金属离子难以进入超临界流体相中,因而SFE技术萃取金属离子的效率很低[30]。

降低待分离金属离子的极性,增大其在流体中的溶解度,成为提高金属离子萃取效率的一个重要方法。

原位络合SFE技术是在萃取前或萃取过程中,加入合适的络合剂,与金属离子产生原位络合衍生作用,在中和金属离子所带电荷的同时,使金属离子生成极性较小的配合物,因而容易溶入超临界流体,最后再使超临界流体与金属有机配合物分离[31,32]。

Laintz等[33]首先用以CO2超临界流体色谱仪成功分离出经过络合的痕量金属离子。

Lin等[34]在检测美国西北地区铀矿废水及表土层中UO2+2的浓度时,采用了原位络合SFE技术提取镧系和锕系元素,与传统溶剂提取法比较,不仅省时,而且显著提高了回收率和精确性。

霍润兰等[35]报道了国外在应用原位络合SFE技术检测环境样品中金属离子等方面的研究进展,说明了该技术在分析环境样品中金属离子,包括重金属离子、镧系和锕系元素及有机金属离子过程中显示出的特有优势。

原位络合SFE技术还常与AAS(原子吸收光谱)、MS、M IP2 AES(微波诱导等离子体-原子发射光谱仪)等分析仪器联用,直接测定金属离子的含量。

原位络合SFE技术常用的络合剂有:二烷基二硫代氨基甲酸盐(MDDC)、氟化二烷基二硫代氨基甲酸盐(MFDDC)。

开发性能更好的络合剂,以满足实际环境样品中多种金属离子萃取分离的需要,已成为SFE技术发展的一个新领域。

尽管原位络合SFE技术尚处于对样品中给定浓度金属离子进行预处理的实验阶段,但随着研究工作的深入和技术的发展,必将在环境监测中发挥更大作用。

7　超临界流体萃取-核磁共振联用技术
20世纪90年代初出现了超临界流体萃取与核磁共振(NMR)联用和超临界流体色谱与核磁共振联用的技术。

SFE、SFC与NMR联用可以通过一次分析完成样品的分离纯化、峰检测、结构测定和定量分析全过程,并能获得混合物的化学组成和结构信息。

陈志伟等[36]设计了一种SFE2NMR联用装置。

该装置通过与NMR探头连接的反压调节器,调节压力和流速,使NMR探头中的流体维持在超临界状态。

SFE2NMR将SFE独特的分离能力和NMR精确的结构分析能力巧妙而有机地结合起来。

近年来SFE2NMR联用技术发展迅速,在分析科学、环境科学和生命科学等诸多研究领域发挥了重要作用,已成为分析难挥发、热敏性大分子化合物、生物样品和复杂混合物的一种有效方法。

SFC2NMR由于采用CO2超临界流体作为流动相,不存在溶剂峰的干扰,可以获得高质量的谱图。

Albert等[37]比较了用SFC2NMR和HPLC2NMR分析邻苯二甲酸酯混合物样品所得到的谱图,尽管HPLC2NMR分析谱图大部分区域的信号是可以分辨的,但预饱和溶剂峰信号所引起的化学位移,会使强度比例严重畸变,从而影响谱峰的正确归属。

应用SFC2NMR得到提取的邻苯二甲酸二烯酯的NMR谱,然后在时间维上的适当位置作剖面,获得的1H NMR谱分辨率相当好[38]。

在特定条件下, SFC2NMR明显优越于HPLC2NMR。

由于没有溶剂峰干扰,所以SFE2NMR特别适合用于维生素A 醋酸盐同分异构体化合物的分析鉴定[39]。

SFE2 NMR还可以实时在线监测烤咖啡萃取过程,当线性梯度压力为10.5MPa时,可观察到咖啡碱的NMR信号峰[40]。

8　SFE与其他技术的联用
不少研究工作者尝试将SFE与其他分离分析技术结合起来使用。

Chang等[41]将SFE与吸附分离技术结合起来,从绿茶精油中分离出了4种儿茶素及其镓酸盐。

Sarrade等[42]将SFE与超滤分离技术结合起来,从鱼油中直接分离提取出纯度很高的甘油三酯以及EPA和DHA,从胡萝卜油中提取出纯度很高的β-胡萝卜素。

文献[11,43]报道了SFE 与分光光度法、电化学法、重量法、薄层色谱法等联用,对萃取后的样品进行分析的研究工作。

9　结　语
SFE和其他分离分析技术联用,可以实现优势互补,拓展应用领域,提高分离分析的准确度、精密度与速度。

SFE的联用技术也极大地推动了SFE技术的发展,取得了一些有意义的成果,其潜在的应用价值有待进一步探索开发。

要成功实现SFE与其他分离分析技术的联用,不仅要研究超临界流体在高温高压下的相平衡、萃取条件、热力学特性等,还要熟悉其他装置的性能、技术条件,并且要了解待处理样品的理化特性,才有可能设计出一套适用的联用工艺流程。

参考文献
1　郑琴,张辉.时珍国医国药,2000,11(12):1137-1138
2　Riekkola M L,Manninen P.Trends in Analytical Chem2 istry,1993,12(3):108
3　原永芳,李修禄,柳正良等.药学学报,1996,31(4):282 -286
4　佘佳红,柳正良.中草药,2000,31(2):101-103
5　袁海龙,柳正良,张纯等.中草药,1999,30(4):258-260 6　王建华,王国涛,袁社梅.分析试验室,1999,18(6):55-58
7　邢旺兴,陈士景,陈斌等.中国药师,2004,7(1):39-41. 8　陈楠,薛敦渊1甘肃教育学院学报(自然科学版),2003, 17(4):30-33
9　李晶,贾君1食品科技,2004,(6):20-22
10　刘世安,张金荣,吴敏菊1现代中药研究与实践,2004, 18(2):51-53
11　陈楚良1上海环境科学,1994,13(4):19-21
12　张莘民1上海环境科学,1994,13(6):12-15
13　郭亚东,马银海,李　等1食品科学,2004,24(3):145-147
14　杨亦文,吴彩娟,王宪达等.高校化学工程学报,2004, 18(3):293-296
15　Huh H,Staba E J,Singh J.Journal of Chromatography, 1992,600(2):364-369
16　梁延寿.药物分析杂志,1996,16(1):60-64
17　黄威东,王清海,朱道乾等.色谱,1992,10(2):61-63 18　Levy J M,Cavalier R A,Bosch T N et al.Journal of Chromatographic Science,1989,27(7):341-346.
19　Olesik S V,Pekay L A,Paliwoda E A.Analytical Chem2 istry,1989,61(1):58-65
20　亓玉台,李会鹏,赵胜利等.石油炼制与化工,2000,31
(3):27-33
21　程健.世界石油科学,1993,(1):70-78
22　程健,范耀华,战玉富等.石油学报(石油加工),1993, 9(1):106-111
23　赵德智,王仁安,范耀华.抚顺石油学院学报,1994,14
(2):1-7
24　徐春明,钮根林,刘耀芳等.石油炼制与化工,1997,28
(4):60-64
25　徐春明,林世雄.石油炼制与化工,1997,28(8):60-65
26　兰翔,赵锁奇,许志明等.石油学报(石油加工),2002, 18(2):14-19
27　张忠义,王鹏,雷正杰等.分析测试学报,2003,22(4): 61-63
28　王鹏,张忠义,吴惠勤.中国医院药学杂志,2002,22
(4):253-254
29　古维新,张忠义,周本杰等.广东药学院学报,2002,18
(2):85-86
30　Laintz K E,Wai C M,Y onker C R et al.Analytical Chemistry,1992,64(22):2875-2878.
31　Hawthrone S B,Miller D J,Nivens D E et al.Analytical Chemistry,1992,64(4):405-412.
32　Hills J W,Hill H H,Maeda T.Analytical Chemistry,
1991,63(19):2152-2155
33　Laintz K E,Yu J J,Wai C M.Analytical Chemistry, 1992,64(3):311-315
34　Lin Y H,Wai C M,Jean F M et al.Environmental Sci2 ence and Technology,1994,28:1190-1193.
35　霍润兰,马英军,姚渭溪.环境科学进展,1999,7(3): 24-31
36　陈志伟,陈忠1光谱实验室,2001,18(22):139-144 37　Albert K,Braumann U,Tseng L H et al.Analytical Chemistry,1994,66(19):3042-3046
38　Albert K.Journal of Chromatography A,1997,785(1-
2):65-83
39　Braumann U,Handel H,Strohschein S et al.Journal of Chromatography A,1997,761(1-2):336-340
40　Braumann U,Handel H,Albert K.Analytical Chemistry, 1995,67(5):930-935
41　Chang C J,Chiu K L,Chen Y L et al.Food Chemistry, 2000,68(1):109-113
42　Sarrade S J,Rios G M,Carles M.Separation and Purifi2 cation Technology,1998,14(1-3):19-25
43　沈晓京,赖炳森,汪聪慧等.药学学报,1996,31(5): 394-397
收稿日期:2004-09-13
Applications of supercritical fluid extraction coupled techniques.Feng Zhiqiang(Research Center f or Jiangsu B ioactive Products Processi ng Engi neeri ng and Technology,W uxi,214036)
Applications of supercritical fluid extraction(SFE)coupled with other separation and analysis techniques are reviewed.Coupling SFE with other techniques can complement each other,strengthen the functions of SFE,extend the application fields and improve the precision,accuracy and speed of separation and analysis.
第十四届全国光谱仪器与分析监测学术研讨会在山东威海召开
由中国仪器仪表学会分析仪器学会和光学仪器学会联合主办的第十四届全国光谱仪器与分析监测学术研讨会于2004年10月15日～10月18日在山东威海举行。

会上李昌厚、章宗穰和吴玉田三位教授作了专题报告,20位专家作了交流发言,会议报告内容丰富。

通过会议交流,与会代表进一步了解到目前光谱仪器在生命科学领域中的应用状况,特别是在食品安全和环境有害物质检测中的应用。

会上代表们讨论热烈,为我国仪器仪表的发展献计献策。

大家一致认为现在是信息时代,开发产品要注重应用开发,这也是企业发展的一个重要方面。

另外学会要更好地发挥桥梁作用,加强信息沟通,促进产、学、研的结合,加快新产品的开发,满足国内相关领域的需要。

会上还宣读了新一届光谱专业委员会组成人员名章。

会议决定第十五届全国光谱仪器与分析监测学术研讨会2005年10月在北京召开。

分析仪器学会。