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1、超临界流体萃取与超临界流体色谱第一节超临界流体萃取概述1.超临界流体的特性2.超临界流体萃取的特点3.超临界流体萃取的发展超临界流体的特性l某些纯物质具有三相点和临界点，物质在其三相点气、液、固三态处于平衡状态当处于临界温度、临界压力以上时，则不论施加多大的压力，气体也不会液化，这时的物质既非气体，也非液体，而是以超临界流体（supercritical fluid,SFs）状态存在超临界流体对于分离具有极其有用的物理性质，这些性质刚好介于气体和液体的性质之间。纯物质的相图气体、液体、超临界流体物理性质的比较密度（g/ml)扩散系数D（cm2/s)粘度（g/cm.s)气体超临界流体液体1030.
2、20.90.81.0110-210-310-410-510-410-310-410-2超临界流体萃取的特点 基于超临界流体独特的物理一化学性质，SFE具有传统萃取方法不可比拟的优点。（1）快速 由萃取过程的动力学可知，传质阻力最终决定萃取的速度。超临界流体的密度是气体的 1001000倍，和液体相近。因此，它具有和液体相似的溶剂力。而SFs的扩散系数是液体的10100倍，使得SFs对基体有很强的穿透能力。因此溶质的传质阻力较小，可以获得快速高效的分离，分析型的SFE通常仅需1060min即可完成。（2）超临界流体的溶剂力很容易控制并具有选择性 对于液体溶剂来说，其溶剂力与萃取条件基本上没有关系
3、，是个常数。而超临界流体的溶剂力则取决于萃取时的压力和温度，下图是超临界CO2的Hildebrand溶解度参数与温度、压力关系图。超临界超临界CO2CO2的的HildebrandHildebrand溶解度参数，溶解度参数，P P，T T关系图关系图 从图中可以看出，在恒定温度下，压力降低，萃取倾向于弱极性的分析物；压力升高，萃取则倾向于强极性和高分子量的分析物。在临界温度To以上时，SFs的可压缩性很大。尤其是在临界点附近，SFs压力和温度的较小变化都会使其密度（溶剂力）有很大变化。所以通过改变萃取压力和萃取温度就很容易改变SFs的溶剂力，从而实现对特定组分的萃取。这个特性还允许我们在不同的压
4、力下萃取一个复杂样品，从而实现族选择性萃取。（3）后处理简单 溶剂萃取在分析痕量有机物时需要浓缩，这不仅费时，而且还会引起挥发性物质的损失。反之，一些SFs在室温时是气体，浓缩步骤可以大大简化。（4）SFE易与其它分析方法在线联用，实现自动化。在线联用消除了样品可能发生的损失、降解和污染，而且可以缩短分析时间（5）SFE的其它优点 大多数SFs相对惰性、纯净、无毒而且便宜，二次萃取的费用低。CO2和 N2O具有低的临界温度（分别是31和 3 6 ），选用这些低临界温度的SFs，就可以在较低温度下萃取热不稳定化合物，但 N2O的安全性不如 CO2好。超临界流体萃取发展简况 超临界流体萃取（sup
5、ercritical fluid extraction，简称 SFE）是 用超临界流体作为萃取溶剂进行萃取的一种技术Hannay和Hogarth于1879年首次报道了超临界乙醇溶解金属卤化物的现象。但是直到 1943年，Messmore首次提出利用压缩气体的溶解力作为分离过程的基础，从而才发展出一种新的分离方法SFE法。1955年，Todd和 Elgihj研究了脂肪酸和高分子醇在超临界乙烯中的溶解性和相平衡，提出可以利用超临界流体密度的改变对组分进行选择性萃取的观点。因为SFE技术具有降低能耗，减少污染的特点，所以该技术一开始就与工业生产密切相关。50年代美国的KerrMcGee精炼公司就发展
6、了一种渣油的SFE过程。70年代，SFE工作的中心逐渐转移到食品工业中，建立了从天然产品中提取有效成分或脱除有害物质的工艺流程，其中包括对蛇麻草、咖啡、茶、烟草和香料的SFE。从80年代起，SFE技术的发展呈现出了前所未有的势头，成为分析化学中一种新的样品制备手段。与索氏抽提和液一液萃取等传统方法相比，SFE具有效率高、费时少、不使用或少使用有毒溶剂、萃取流体易与萃取物分离、自动化程度高等优点，因而日益受到化学工作者的重视，SFE技术的应用在食品、石油、化工、医药、环境保护等领域都有了很大发展。到了90年代，对各种环境样品中微量污染物的萃取成为SFE应用的热点。SFE流程示意图 l高纯CO2（
7、99.997）钢瓶；2，4，9，10，15高压开关阀；3高压注射泵；5.三通；6压力表；7压力传感器；8计算机控制系统；11萃取池；12毛细管阻尼器；13收集器；14温控仪（1）分析物类型（极性，分子量等）（9）分析物收集方法（2）萃取池内的搅拌作用（10）压力（3）萃取池的死体积（11）温度（4）萃取池的尺寸（12）阻尼器类型（5）萃取流体的类型（13）样品环境（温度、pH值等）（6）萃取时间（14）样品基体性质（7）流体速度（15）样品颗粒大小（8）流体中的改性剂（类型、浓度等）（16）样品量 影响SFE效率的因素萃取条件（压力、温度）的选择 目前对于SFE最佳萃取条件的选择主要是考虑操作
8、压力和温度，使萃取组分在超临界流体中有最大的溶解度如果我们知道萃取组分的溶解度参数以及此参数与流体状态间的关系，就可以用此来推算合适的萃取条件Giddings等提出了一个公式：溶解度参数，Pc临界压力，超临界流体密度，l流体在液体时的密度 当组分在基体中含量较高，如从肉制品中萃取脂肪时，该公式对于预测萃取条件是很有用的。但是因为此公式考虑的是组分在SFs中的最大溶解度，对于萃取痕量组分就不再适用。对基体中的痕量组分，一般不考虑最大溶解度问题，只要组分在SFs中有足够的溶解度即可。King建议将组分有最大溶解时的压力和有显著溶解时的压力联系起来，选择合适的压力范围。同样，温度的选择也很重要，因为
9、升高温度溶质蒸气压也升高，有利于溶解，同时也影响萃取过程的动力学。从动力学观点来看，升高温度可加快脱附速度，从而提高萃取效率和速率。但是当压力恒定时，升高温度将减少SFs的密度，而不利于萃取。目前，对于萃取低含量和痕量组分的样品时，选择合适的萃取条件在很大程度上凭借经验,这是因为对于萃取中组分溶解分离的动力学过程的了解还不够深入。部分超临界流体的物理性质流体临界温度()临界压力(MPa)临界密度(g/cm3)沸点()溶解度参数CO2NH3H2ON2O乙烷乙烯丙烷戊烷苯甲醇乙醇异丙醇CClF331.3132.4374.236.532.39.296.7196.6288.9240.5243.0235
10、.3297.412.022.17.34.95.04.23.44.98.06.44.83.80.4480.2350.3150.4500.2030.2180.2170.2320.3020.2720.2760.273-78.5-33.4100.0-88.6-88.6-103.7-42.136.180.164.778.582.510.713.210.66.66.614.47.8超临界流体（SFs）的选择 在SFE的实际应用中，超临界CO2是用得最多的一种流体。这主要是因为它具有相对低的临界压力和温度，且无毒，惰性，价廉。超临界流体状态CO2的溶剂力与异丙醇（10.8）和吡啶（10.7）相当，对于非极性
11、的香料如烷烃和萜烯（68）来说，CO2是极好的萃取剂；对于中等极性的香料和多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、醛、酯、醇、有机氯杀虫剂和脂肪（811），CO2也是比较合适的。但是对于更大极性的化合物CO2则没有足够的溶剂力。NH3（13.2）的溶剂力比乙醇强，从其溶剂力上考虑是很好的溶剂，但是在用高压泵压缩时很困难（超临界NH3容易溶解泵的封口），而且其化学性质活泼，常规使用时危险。甲醇也是一个极好的溶剂，但因它的临界温度高而且在常压状态下是液体，故较少使用。在萃取强极性的组分时，用单纯的CO2会遇到困难，解决的办法有三种：选择更强溶剂力的流体或混合流体代替CO2；在萃取时加入少量有机
12、改性剂；对组分进行衍生化，降低其极性 因为将极性流体如 NH3用于 SFE有实际困难，所以常常在CO2中加有机改性剂来提高CO2极性。改性剂可以用第二个泵加入，使其进入萃取池前与CO2混合，或者在萃取前直接将改性剂以液体形式注人样品超临界萃取联用技术lSFETLClSFEHPLClSFEGClSFESFClSFEIRlSFEMSlSFEAASlSFEICPlSFENMRSFETLCl Stahl等首先将SFETLC联用技术用于天然产物（例如咖啡、种子、叶子、姜粉、花、胡椒粉、辣椒、蛇麻草、大麻、维生素油和生物碱）的分析。l样品经微型超临界萃取池萃取后，通过毛细管点样于TLC板上，然后进行分离分
13、析。1钢瓶；2减压阀；3预热管；4过滤器；5单向间；6膜式压缩器；7热交换器；8反压调节器；9缓冲器；10精密压力计；11开关阀；12萃取微型高压釜；13 TLC接受板；14恒温控制器SFE-HPLC1反压调节器；2萃取池；3高压两向阀；4.六通样品阀；5填充微孔柱（用于缓冲和沉积废物）；6转子流量计；7微孔柱（用于沉积分析物和进样管）；8进样器；9.恒温箱；10 HPLC柱SFE-GCl Hawthorne和Miller首先将SFE与GC在线联用，成功地定量分析了收集在Tenax上汽车尾气中的有机物。从那时起，关于在线 SFE GC的文献数目就不断增加。SFEGC主要包括四个部分：高压泵及萃
14、取池，切换阀及接口部分，GC系统及控制系统。1.高压注射泵；2.压力转换器；3.计算机；4.压力传感器；5.加热的萃取池；6.样品收集；7.高压载气；8.减压阻尼器；9.分析柱；10.柱上沉积区域；11.保留间隙；2.FID检测器；13.加热选择阀；14.加热器超临界流体萃取的应用lSFE由于高效、快速、后处理简单等特点，是一种理想的样品前处理技术。它既能从原料中提取少量有效成分，又能从粗制品中除去少量杂质，达到深度纯化的目的。已被广泛的应用于医药、环境、食品、生化、新型陶瓷、石油化工等领域。有关SFE的应用除了有关专著外，还可以参看美国分析化学每两年评论一次的SFE的综述。SFE工业应用应用
15、领域实 例医药工业酵素、维生素的精制回收 从动植物中提取药用成分（生物碱、生育酚等）药品原料的浓缩、精制和脱溶剂 酯质混合物的分离、精制（甘油酯、脂肪酸、卵磷脂）酵母、菌体生成物的萃取食品工业植物油的萃取（大豆、可可、葵花子）动物油脂的萃取（鱼油、鱼肝油）食品的脱脂（马铃薯片、油炸食品、羊肉）咖啡、茶的脱咖啡因、啤酒花膏的萃取植物色素的萃取（辣椒、栀子）酒精饮料的软化 脱色脱臭，香料的萃取（胡椒、丁香、肉桂）能源工业煤成分的萃取（杂酚油、焦油等）煤炭液化油的萃取及脱灰石油残油的脱沥青、脱重金属原油的三次采油香料化妆品工业天然香料的萃取，合成香料的分离精制烟草的脱尼古丁化妆品原料的萃取精制（表面
16、活性剂、单甘油酯等）化学工业 烃的分离有机合成原料的精制共沸混合物的分离 农林产品的萃取精制（发酵原料的前处理，萜烯腊的回收）从妥尔油中分离树脂、脂肪酸烷基铝的回收，活性炭的再生高分子物质的分离（聚碳酸硅烷、硅酮油等）SFE在环境样品分析中的应用lSFE已成为分析样品预处理技术中最有前途和具有竞争力的一种方法。环境分析中用到SFE的样品包括土壤、沉积物、生物样品、空气和水。l有机氯（如二噁英，多氯联苯等）、酚类、烃类（如多环芳烃）、农药和杀虫剂、生物体内污染物、水污染物、大气污染物等的萃取分析。黄河水SFEGC分析大气污染物SFEGC分析芹菜籽SFEGC分析超临界流体色谱超临界流体色谱的发展概
17、况超临界流体色谱的发展概况l 超临界流体色谱是用超临界流体作为流动相的色谱法。1962年 Klesper等人首次提出了 SFC的概念,他们用二氯二氟甲烷和一氯二氟甲烷分离了镍卟啉异构体。随后继续发展用于分离聚苯乙烯高聚物的 SFC技术。Sie和Giddings在这一时期进行了有关高分子物质的 SFC分离的大量工作显示出这种新技术光明的应用前景。但是由于实验技术上的一些困难使该技术在初期发展较缓慢。l1981年，Novotny和Lee首先报道了毛细管SFC，进而对SFC的理论、技术作了系统的研究，不久就有了商品化SFC仪器，此后SFC技术便获得了迅猛发展。lSFC是GC和LC的补充。SFC可以分
18、析那些GC和LC难于分离、检测的物质。因为超临界流体的特性，SFC具有比LC更高的分离效率。同时SFC较低的使用温度，使它可用于那些GC不便分析的热不稳定和高分子量化合物的分析、测定。SFC还可以和大多数通用型、选择型的GC、HPLC检测器相匹配，易与MS和FTIR大型仪器联用，使其在定性定量中极为方便。SFC HPLCVSSFC法的柱效一般比HPLC法高SFC法的分离时间比HPLC法短 SFC GCVSl流体的扩散系数与粘度介于气体和液体之间，因此SFC的谱带展宽比GC要小lSFC中流动相的作用类似LC中流动相，流体作流动相不仅载带溶质移动，而且与溶质会产生相互作用力，参与选择竞争l如果我们
19、把溶质分子溶解在超临界流体看作类似于挥发，这样，大分子物质的分压很大，因此可应用比GC低得多的温度，实现对大分子物质、热不稳定性化合物、高聚物等的有效分离。超临界流体色谱流程超临界流体色谱流程高压泵l一般采用注射泵，以输送无脉冲、小流量的流动相。泵的缸体要冷却到010，以保证流量的稳定性和保留值的重现。LC常用的往复泵经改装后也可使用。l当使用多组分流动相时，采用两泵 SFC系统，一个泵用于引入 CO2或其它主流体，另一个泵引入单一的或混合的改性剂，可以通过控制泵速而使改性剂按体积比与主流体混合。进样系统l SFC一般采用LC的手动或自动进样阀，样品溶于适当的溶剂后即可注入样品阀进样。对于填充
20、柱SFC，用带有外样品管的六通阀为标准的进样方式。而毛细管SFC的进样则有四种常用方式：用带有很小内径管的四通进样阀直接进样；分流进样，从进样器流入的样品被分流后仅有一小部分进入柱子；定时分流进样，只允许很少一部分样品量进柱分析；与SFE在线连用时的直接柱上进样。阻尼器l为了使超临界流体在色谱内始终保持流体状态，就需要在往出口保持一定压力。所以，在柱后需要加一个阻尼器（可以是一段细内径的管子、一个细喷嘴或一个烧结的玻璃喷嘴）。对于破坏性检测器，阻尼器可接在检测器之前，对非破坏性检测器则接在其后。检测器l几乎所有GC和LC的检测器都可用于SFC。而且由于SFC流动相的易除去性，简化了与光谱检测器
21、如质谱（MS）和傅里叶变换红光外谱（FTIR）的接口，使这类光谱检测器能很方便地用于SFC的检测。l毛细管SFC最常用的检测器是FID，但当流动相中加入极性改性剂时不适用。因此可用蒸发光散射检测器（ELSD）作为通用检测器。SFC条件的选择固定相l为了能经得住流动相的冲洗，所用固定相大多数都需交联固化，具有良好的化学稳定性和较高的选择性。SFC常用固定相名称商品型号极性使用温度范围甲基聚硅氧烷SE-30,SE-33,SE-54,OV-101,DB-1,SB-Methyl-100,SB-OCTYL-50,SB-PHENYL-5非极性30300苯基甲基聚硅氧烷SB-PHENYL-50,OV1701
22、弱极性30260液晶甲基聚硅氧烷SB-SMECTIC-50中极性100280联苯基甲基聚硅氧烷SB-BIPHENYL-30中极性30260交联聚乙二醇20MPEG-20M极性30260氰丙基苯基聚硅氧烷SB-CYANOPROPYL-25强极性30250SFC条件的选择流动相lCO2是SFC最常用的一种流动相，它的优点包括临界温度较低、纯度高、价格低廉和安全性好。超临界CO2的溶剂力与异丙醇和吡啶相当，可以分析大部分非极性和中等极性的样品。当需要分析较强极性的物质时，可以在CO2流体中加入有机改性剂，以增大超临界CO2的溶解度。但是改性剂的加入常导致保留时间和选择性上的不重复。经过对大量实验数据
23、的分析，苯、乙醇、乙烷、甲苯和甲醇是常用的添加剂。SFC条件的选择压力和温度l流动相的压力和密度在每一温度下都会影响保留值，甚至在类似GC区也一样，增加压力，lgk值降低。而在较低温度下与LC的保留行为相似，lgk值随压力的增加而增加。选择合适的密度程序可使多组分混合物得到最佳分离。二甲基聚硅氧烷同步非线性密度二甲基聚硅氧烷同步非线性密度/温度程序分离温度程序分离SFCSFC图图SFC的应用 因为SFC所用流动相的特殊性，SFC与GC和LC相比有许多独到之处。SFC可用较GC低的分离温度，更强的溶剂力和通过改变操作条件而得到更高的选择性。同LC相比，SFC又具有高得多的总柱效和可匹配使用的更广
24、泛的检测器种类。因此，作为GC和LC的补充，SFC可以用于那些热不稳定物质、非挥发性高分子、生物大分子、极性物质和手性化合物的分离检测。SFC的应用食品 SFC在类脂、糖脂、脂溶性维生素、油、脂肪中的类固醇，类胡萝卜素等的分析中均有应用。动植物油脂是人们日常生活不可缺少的食物和营养成分，某些动植物油脂，如月见油、意苡仁油、鱼油等含有治疗心血管疾病的重要成分。但是甘油脂类、特别是甘油三酸酯类的直接分离测定至今仍是色谱分析中较难解决的问题。人们通常将样品进行处理后用GC测定。而SFC分析常无需复杂的前处理。非极性柱SFC对饱和、不饱和甘油三酯混合物的分离SFC的应用药物 几种药物的典型SFC分离图
25、1利眠宁；2雌（甾）酮；3.雌二醇；4雌二醇；5马烯雌酮；6马萘雌酮 几种药物混合物的几种药物混合物的SFCSFCMSMS离子流图离子流图1 1酚那西丁；酚那西丁；2 2酚诺巴比酮；酚诺巴比酮；3 3安眠酮；安眠酮；4.N-4.N-苯基苯基-2-2-萘基胺；萘基胺；5.5.乙酰基可代因和盐酸海洛英；乙酰基可代因和盐酸海洛英；6 6罂粟碱和那罂粟碱和那可汀；可汀；7 7酚酞酚酞SFC的应用环境水溶液中31种农药在线SFESFC分离分析SFC的应用环境16种多环芳烃的超临界流体色谱分离图齐聚物的SFC分离SFC的应用聚合物聚合物是一类非挥发性、多组分混合物。它们的蒸气压低，用GC分析比较困难，而S
26、FC是一种比较合适的分析方法，SFC也正是以其对相对较低分子量的聚合物和齐聚物的分析为人们所熟知。SFC的应用聚合物Triton X-100的SFC-FID色谱图 环糊精手性固定相是SFC手性分离应用较为广泛的手性固定相，来源于GC环糊精聚硅氧烷键合相，可拆分醇、二醇、内酯、酮、胺、羧酸和甾族化合物，包括直接拆分无须衍生的极性手性化合物，如布洛芬、华法令等。另外，金属络合物手性固定相、酰胺和氨基酸手性固定相也是常用的手性固定相。SFC的应用对映体SFCSFC拆分药物对映体拆分药物对映体A.IbuprofenA.Ibuprofen（布洛芬）（布洛芬）B.Acenocoumarol B.Acenocoumarol（新抗凝）（新抗凝）