濁點(diǎn)萃取技術(shù)在相分離富集中的應(yīng)用

濁點(diǎn)萃取技術(shù)在相分離富集中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在環(huán)境、生物、食品、制藥等樣品的分析中，通常需要檢測(cè)樣本的特征。由于分析對(duì)象的組成復(fù)雜，因此存在嚴(yán)重的基質(zhì)干擾。因此,在進(jìn)行復(fù)雜樣品分離測(cè)定時(shí),大多需經(jīng)分離、純化、預(yù)富集等前處理才能進(jìn)行相應(yīng)的儀器分析,從而提高分析方法的靈敏度和準(zhǔn)確性。萃取法是分離和富集痕量組分較為常用的方法之一。傳統(tǒng)的液-液萃取法存在有機(jī)溶劑使用量大、富集倍數(shù)低、操作繁瑣等缺點(diǎn),因此,開發(fā)快速、靈敏、高選擇性的前處理方法已成為目前分析化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。濁點(diǎn)萃取(CloudPointExtraction,CPE)作為一種新型的環(huán)保液-液萃取技術(shù),其概念最早由Wantannabe等在1976年提出。它利用非離子型表面活性劑膠束水溶液的溶解性和“濁點(diǎn)”特性,通過改變實(shí)驗(yàn)條件(如溫度)到達(dá)其濁點(diǎn)時(shí)引發(fā)相分離,從而將待測(cè)物質(zhì)與基質(zhì)分離開來,并得到一定程度的富集。CPE技術(shù)具有富集倍數(shù)高、有機(jī)溶劑用量小、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于基質(zhì)復(fù)雜樣品的前處理,如食品樣品、環(huán)境樣品、生物樣品及中藥樣品等領(lǐng)域。1濁點(diǎn)現(xiàn)象引發(fā)相分離表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)由兩部分組成,分子的一端是親油的非極性基團(tuán),也稱為疏水基;分子的另一端是親水的極性基團(tuán)或離子基團(tuán),也稱為親水基。隨著表面活性劑水溶液濃度的增加,表面活性劑分子疏水基聚集成核,親水基向外張開形成膠束。表面活性劑產(chǎn)生膠束的最小濃度稱為臨界膠束濃度(CriticalMicelleConcentration,CMC)。表面活性劑的類型和溶液條件不同,形成的膠束形態(tài)也不相同,可能是圓形、橢球形或棒狀膠束。均一的非離子表面活性劑水溶液溶解度隨溫度升高而降低,在升至一定溫度時(shí)出現(xiàn)渾濁,這個(gè)溫度被稱為該表面活性劑的濁點(diǎn)(CloudPoint,CP)。經(jīng)過放置或離心后可以得到兩個(gè)透明的液相:一相為小體積的表面活性劑相(或膠束相,約占總體積的5%);另一相為水相(其中表面活性劑濃度為CMC)。該過程可逆,若降低溫度,則兩相消失再次形成均一溶液。樣品中的疏水性物質(zhì)與表面活性劑的疏水基結(jié)合,被萃取進(jìn)入膠束相,親水性物質(zhì)則留在水相中,這種利用濁點(diǎn)現(xiàn)象使得樣品中疏水性物質(zhì)與親水性物質(zhì)分離的萃取方法即為CPE法。同時(shí),由于膠束相的體積遠(yuǎn)小于水相,分析物在與基體成分分離的同時(shí)還可以得到一定程度的富集。最初研究人員認(rèn)為由于膠束的增長(zhǎng)和聚集,或者溫度升高使得非離子表面活性劑中聚氧乙烯鏈的構(gòu)象發(fā)生變化而導(dǎo)致了相分離;也有研究人員認(rèn)為相分離是由溶液的內(nèi)能競(jìng)爭(zhēng)所引起的;最近有報(bào)道提出,由于形成了連接的膠束網(wǎng)絡(luò)或者是由于水與表面活性劑分子間強(qiáng)的取向相互作用(H鍵作用)而導(dǎo)致了相分離。盡管研究人員開展了大量的研究,關(guān)于濁點(diǎn)現(xiàn)象引發(fā)相分離的原理仍然存在爭(zhēng)議。目前較為普遍的解釋是,隨著溫度升高,表面活性劑極性基團(tuán)水化層被破壞,引起膠束內(nèi)斥力降低和膠束聚集體劇增,從而導(dǎo)致了相分離。2鹽廢水處理系統(tǒng)CPE法無須使用專門儀器,操作非常簡(jiǎn)單,首先在待測(cè)樣品溶液中加入表面活性劑溶液,初始表面活性劑濃度需大于CMC,以確保膠束聚集體的形成;隨后改變條件引發(fā)相分離,如升高或降低溫度,加入適量的鹽或其它添加劑如絡(luò)合劑,必要時(shí)可以離心以加速相分離,分離出的表面活性劑相可直接測(cè)定或采用合適的溶劑稀釋,降低黏度后進(jìn)行測(cè)定。CPE的萃取效果在很大程度上取決于表面活性劑的濁點(diǎn)溫度。可以通過改變表面活性劑種類和濃度、溶液pH值和離子強(qiáng)度、平衡時(shí)間及溫度、離心時(shí)間等因素來優(yōu)化濁點(diǎn)萃取過程。一般采用下列參數(shù)來評(píng)價(jià)濁點(diǎn)萃取的效果:萃取率(E)、濃縮因子(CF)、相體積比(θ)和分配系數(shù)(D)。式中Cs———待測(cè)物在表面活性劑中的濃度;Co———待測(cè)物在原始溶液中的濃度;Vw———水相體積;Cw———待測(cè)物在水相中的濃度。2.1萃取表面活性劑d和c、d的含量濁點(diǎn)溫度與表面活性劑分子結(jié)構(gòu)和濃度相關(guān)。當(dāng)表面活性劑中疏水鏈長(zhǎng)度相同時(shí),親水鏈長(zhǎng)度增加,濁點(diǎn)溫度升高,待測(cè)物的D、CF和θ下降;相反,親水鏈長(zhǎng)相同時(shí),疏水鏈長(zhǎng)度增加,濁點(diǎn)溫度下降,待測(cè)物的E提高,但分配系數(shù)D和相體積比θ有所降低。增大表面活性劑的濃度可提高E,θ隨之增大,而CF和D同時(shí)減小。為了提高CF,可以降低表面活性劑的濃度。但若表面活性劑濃度太低,則分層后膠束相體積太小,不利于萃取后兩相分離,影響方法的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。因此,用于CPE的理想表面活性劑應(yīng)具有合適的疏水性和適宜的濃度,以得到理想的濁點(diǎn)溫度、最大的萃取率、較小的體積,從而使得CPE的操作方便,相分離簡(jiǎn)單,并提高富集倍數(shù)。目前除非離子表面活性劑(如TritonX系列、Brij系列等)外,也有一些研究報(bào)道采用兩性離子表面活性劑(如C9-APSO4)和離子型表面活性劑(如SDS、SDSA等)進(jìn)行濁點(diǎn)萃取。2.2ph值的影響溶液的pH值對(duì)濁點(diǎn)萃取的影響與被萃取物及表面活性劑的性質(zhì)有關(guān)。在有機(jī)物的萃取中,對(duì)于酸性或堿性的被萃取物,溶液pH值可影響其萃取效率;中性分子電離后疏水性降低,與膠束的結(jié)合不如其中性未電離時(shí)強(qiáng)。在萃取生物樣品如蛋白質(zhì)時(shí),體系pH值應(yīng)控制在等電點(diǎn)附近,此時(shí)蛋白質(zhì)具有較強(qiáng)的疏水性,易被萃取進(jìn)入表面活性劑相。對(duì)于金屬離子的萃取,需要加入絡(luò)合劑形成疏水性的絡(luò)合物,才能萃取到表面活性劑相,pH值影響絡(luò)合物的形成,從而影響萃取效率。如Cr(Ⅲ)的萃取,只有在堿性pH值條件下,Cr(Ⅲ)才能形成穩(wěn)定的水配合物,從而增強(qiáng)與絡(luò)合劑間的反應(yīng)活性,促進(jìn)疏水性絡(luò)合物的形成,提高萃取效率。體系的pH值對(duì)于非離子型表面活性劑的影響不大,但對(duì)離子型表面活性劑,特別是陰離子表面活性劑的影響較大。2.3平衡時(shí)間的確定平衡溫度和時(shí)間對(duì)CPE的影響較大,特別是在萃取穩(wěn)定的無機(jī)樣品時(shí)。一般來說,提高平衡溫度,萃取效率和濃縮因子增大。要達(dá)到較好的萃取效果,平衡溫度至少要比表面活性劑的濁點(diǎn)溫度高出15~20℃。增長(zhǎng)平衡時(shí)間會(huì)提高萃取率,但過長(zhǎng)的平衡時(shí)間對(duì)于萃取率無明顯影響。對(duì)于金屬離子的萃取,平衡時(shí)間需要保證大于其絡(luò)合反應(yīng)的時(shí)間,通常平衡時(shí)間在10min以上即可以獲得較好的萃取效果。2.4萃取時(shí)間和離心時(shí)間盡管在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)也會(huì)考察離子強(qiáng)度和離心時(shí)間的影響,但兩者對(duì)于萃取效率并無明顯影響。離子強(qiáng)度的改變對(duì)萃取效率、分配系數(shù)(D)和相體積比(θ)無明顯影響。但一些惰性鹽的加入可以改變表面活性劑的濁點(diǎn)溫度,使水相密度加大,便于兩相分離。離心時(shí)間并不影響萃取率,但可以促進(jìn)兩相分離。對(duì)于濁點(diǎn)溫度較高的體系,室溫下較長(zhǎng)時(shí)間離心有可能引起相分離逆轉(zhuǎn),反而會(huì)降低萃取效率。一般而言,比較推薦的離心時(shí)間為5~10min。2.5表面活性劑對(duì)cp濃度的影響添加劑的引入能夠顯著地改變非離子型或離子型表面活性劑的濁點(diǎn)溫度。研究表明,對(duì)于非離子表面活性劑體系,加入陰離子或陽離子型表面活性劑,可使CP升高,且在相同碳鏈長(zhǎng)度下,陰離子表面活性劑對(duì)CP的影響更為顯著;引入多元醇(如蔗糖)和聚合物(如PEG)可以使CP降低,且聚合物降低CP的效果與其濃度和分子量有關(guān);極性有機(jī)物添加劑能使CP降低;脂肪醇、有機(jī)胺和烴均可降低CP,其中脂肪醇對(duì)CP的影響較為明顯,且對(duì)CP的調(diào)節(jié)效果與其水溶性及鏈長(zhǎng)有關(guān),見表1;一些無機(jī)電解質(zhì)的加入會(huì)影響表面活性劑聚氧乙烯鏈氫鍵的形成或破壞,因而對(duì)CP的影響會(huì)出現(xiàn)降低或升高的情況。鹽析型(Saulting-out)無機(jī)電解質(zhì)的加入,如氯化物、硫酸鹽等,可以降低非離子表面活性劑的CP,而鹽溶型(Saulting-in)無機(jī)電解質(zhì)如硫氰酸鹽等則使CP升高。3濁點(diǎn)提取和提取3.1體系ph值的調(diào)節(jié)Wantannabe等最早將濁點(diǎn)萃取用于金屬離子的測(cè)定,采用PONPE-7.5作為表面活性劑,從水中富集了鋅離子。此后CPE技術(shù)廣泛應(yīng)用于分離富集痕量金屬元素[47,48,49,50,51,52]。金屬離子的濁點(diǎn)萃取操作十分簡(jiǎn)單,在待測(cè)樣品溶液中加入絡(luò)合劑和表面活性劑,樣品中的金屬離子與絡(luò)合劑反應(yīng)生成絡(luò)合物,加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?在水浴中加熱至濁點(diǎn),趁熱離心分離,冷卻后除去水相,適當(dāng)稀釋膠束相即可進(jìn)行測(cè)定。通過選擇合適的絡(luò)合劑,基本上大多數(shù)金屬離子都可以采用CPE的方法進(jìn)行分離。在多數(shù)情況下,pH值對(duì)于萃取效果的影響較大,在進(jìn)行金屬離子的濁點(diǎn)萃取操作時(shí),體系pH值的調(diào)節(jié)顯得尤為重要。Shokrollahi等將CPE和浮選法相結(jié)合,以PAR作為絡(luò)合劑,采用TtitonX-114(TX-114)從水樣和血樣中分離富集了痕量Zn2+,方法選擇性強(qiáng)、靈敏度高。在體系pH值為5.2,TX-114濃度大于0.1%(質(zhì)量濃度)時(shí),萃取效果最好,方法的檢測(cè)下限為6.5μg/L。Doroshchuk等采用非離子表面活性劑TritonX-100(TX-100),以二苯并-18-冠-6(DB18C6)作為絡(luò)合劑,辛胺作為添加劑,考察了脂肪族單羧酸鏈長(zhǎng)(n)、pH值和羧基偶氮砷對(duì)Ba離子濁點(diǎn)萃取效率的影響。結(jié)果表明,當(dāng)羧酸鏈長(zhǎng)n≤9時(shí),萃取率隨鏈長(zhǎng)的增加而提高;但當(dāng)n>9時(shí),萃取率沒有顯著改變。在體系pH≤7時(shí),萃取率隨pH值升高而增大;體系pH值在7~10之間時(shí),萃取率沒有明顯變化;當(dāng)進(jìn)一步升高pH值時(shí),萃取率反而降低了,這可能是由于在強(qiáng)堿性條件下非離子表面活性劑結(jié)構(gòu)被破壞而導(dǎo)致的。最近,二次濁點(diǎn)萃取法被用來分離富集人血清、動(dòng)物血樣中的痕量金屬離子。在第一次CPE中,使用DDTP/TX-114體系,富集得到了Cd、Pb和Cu,并進(jìn)行了同位素稀釋;對(duì)一次CPE的水相進(jìn)行二次濁點(diǎn)萃取,采用PAR/TX-114體系,調(diào)節(jié)體系pH值在4~5之間,分離得到了Co和Ni。對(duì)于所有的待測(cè)金屬離子,方法的最高萃取效率可以達(dá)到85%~96%。3.2濁點(diǎn)萃取技術(shù)由于其操作條件溫和,且分離后不需復(fù)性,CPE技術(shù)特別適合用來處理生物樣品。CPE可用于分離膜蛋白、酶、動(dòng)植物和細(xì)菌的受體,還可與色譜法聯(lián)用替代硫酸銨分級(jí)法作為純化蛋白質(zhì)的最初步驟。Bordier最早將CPE用于生物學(xué)領(lǐng)域。最初CPE主要用于疏水性蛋白質(zhì)的分離富集。Saitoh等首先報(bào)道了在兩性型離子表面活性劑3-(nonyldimethylammonio)propylsulfate中引入疏水性親和試劑辛基-β-D-葡萄糖苷(octyl-β-D-glucoside)后,可以用來萃取親水性的抗生物素蛋白和己糖激酶,而加入非離子表面活性劑TX-114卻不能有效地萃取出這兩種親水性蛋白質(zhì)。濁點(diǎn)萃取技術(shù)也可以用來分離富集動(dòng)物或植物來源的生物樣品。有研究報(bào)道,采用非離子表面活性劑TX-100,在高濃度鹽溶液中同時(shí)富集親水性和疏水性的人參皂苷。Paleologos等用TX-114從魚組織中富集得到生物胺的甲酰衍生物。Tani等用TX-114和陰離子葡聚糖硫酸鹽(Dx-S)從豬肝微粒體中分離純化細(xì)胞色素b5。試驗(yàn)表明,在Tris-HCl緩沖液(pH=7.4)中加入Dx-S后,微粒體的萃取率顯著下降,細(xì)胞色素b5的萃取率升至91%,為微粒體蛋白的10倍。濁點(diǎn)萃取技術(shù)也用于分離各種有機(jī)環(huán)境污染物,如含酚廢水、有機(jī)染料、多環(huán)芳烴(PAHs)等的分離測(cè)定。Materna等比較了CPE和超濾法對(duì)于廢水中13種酚類和苯胺類污染物的去除效果。實(shí)驗(yàn)表明,CPE法對(duì)污染物的去除效果優(yōu)于超濾法。OMD-11作為萃取劑可以有效地去除廢水中的污染物。酸性和疏水性污染物的萃取率要高于堿性和極性的污染物。以TX-114作為萃取劑,對(duì)水中的孔雀石綠和結(jié)晶紫染料進(jìn)行富集,也得到了很好的結(jié)果,兩種染料的檢測(cè)下限分別為2.9ng/mL和4.8ng/mL。GenapolX-80可以有效地富集海水和廢水中的酚類物質(zhì)和除草劑。濁點(diǎn)萃取技術(shù)不僅可以用來處理液體樣品,也可以從固體樣品,如土壤樣品中分離富集痕量組分。研究人員采用陰離子表面活性劑作為萃取劑,從液體和固體樣品中分離富集了各種多環(huán)芳烴(PAHs)、類固醇類激素黃體酮和維生素E,并考察了表面活性劑結(jié)構(gòu)對(duì)萃取效果的影響。結(jié)果表明,陰離子表面活性劑的親水基團(tuán)對(duì)萃取效率有較大影響;酸的加入可以使得萃取系統(tǒng)的CP降低,有利于萃取熱穩(wěn)定性差的樣品維生素E;表面活性劑濃度和酸的濃度都對(duì)萃取率有較大影響;在相同操作條件下,使用十二烷基硫酸鈉(SDS)和十二烷基磺酸鈉(SDSA),濃縮因子分別為10倍和20倍。3.3檢測(cè)方法的選擇CPE作為一項(xiàng)有效的樣品前處理技術(shù),能與多種分析檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用,進(jìn)行樣品的測(cè)定。一般說來,萃取后的無機(jī)金屬離子,其檢測(cè)手段一般采用各種光譜法,如分子光譜法、原子光譜法和等離子體發(fā)射光譜法/質(zhì)譜法等。近年來也有采用色譜技術(shù)如HPLC和電泳來測(cè)定金屬離子的研究報(bào)道。有機(jī)物的檢測(cè)手段較為常用的有紫外可見分光光度法、反相高效液相色譜法、氣相色譜法、電泳法等。此外,將CPE與流動(dòng)注射分析相結(jié)合,可以在很大程度上提高無機(jī)金屬離子和有機(jī)分析物的檢測(cè)靈敏度和選擇性,并獲得更低的檢測(cè)限。需要注意的是,在與其它檢測(cè)手段聯(lián)用時(shí),濁點(diǎn)萃取法存在一些不足。由于膠束相的黏度較大,在樣品測(cè)定之前,需要合適的溶劑(水或有機(jī)溶劑)進(jìn)行稀釋以降低黏度,在一定程度上可能會(huì)影響樣品的濃縮因子。另外,常用的表面活性劑在紫外區(qū)域有較強(qiáng)的背景吸收,而且一些表面活性劑會(huì)吸附在色譜柱上,這些都會(huì)對(duì)待測(cè)樣品的測(cè)定造成干擾。為了克服這些問題,常用的方法有:更換檢測(cè)方式,如采用電化學(xué)檢測(cè)器或熒光檢測(cè)器等;采用紫外區(qū)域無吸收的萃取系