基于低共熔溶劑的萃取分離技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

趙澤馨, 紀(jì)穎鶴, 劉曉妹, 趙龍山

(沈陽(yáng)藥科大學(xué)藥學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110016)

圖 1 在Web of Science上搜索到的發(fā)表在2015年 1月至2020年6月的相關(guān)文章數(shù)量Fig. 1 Related papers published since January 2015 to June 2020 searched on the Web of Science DES: deep eutectic solvent.

有機(jī)溶劑常用于分析物的提取、分離、預(yù)濃縮等預(yù)處理技術(shù)中,然而它們的毒性、易揮發(fā)性和因此對(duì)環(huán)境造成的污染令人擔(dān)憂。因此近年來(lái),開(kāi)發(fā)“綠色溶劑”是科學(xué)工作者們對(duì)綠色化學(xué)追尋的熱點(diǎn)。離子液體因具有高度的熱穩(wěn)定性,極低的蒸氣壓,可變的黏度以及與有機(jī)和水性溶劑混溶等優(yōu)點(diǎn),曾被視為可作為有機(jī)試劑的替代品。然而一些報(bào)告表明,離子液體在環(huán)境中的積累可能對(duì)生態(tài)有害[1],并且有一些研究表明離子液體生物相容性差,咪唑和吡啶類的離子液體甚至與有機(jī)試劑毒性相當(dāng)[2]。因此開(kāi)發(fā)一種低毒性,合成簡(jiǎn)單且具備一些離子液體性質(zhì)的綠色溶劑具有十分重要的意義。2003年,由英國(guó)萊斯特大學(xué)Abbott教授提出的低共熔溶劑(DES)以其無(wú)毒且可生物降解、制備簡(jiǎn)單、成本低等性質(zhì)而廣受青睞[3]。DES是通過(guò)氫鍵受體和氫鍵供體通過(guò)氫鍵作用形成的一種混合物。由于分子間氫鍵的形成,DES的熔點(diǎn)比其任一組分的熔點(diǎn)都要低得多,因此在室溫狀態(tài)下常呈現(xiàn)液體狀態(tài)[4]。由于組成DES的原料大多是天然存在的,因此DES符合綠色溶劑發(fā)展的特點(diǎn)。DES已經(jīng)在化學(xué)合成、分離、純化、電化學(xué)、能量?jī)?chǔ)存等很多領(lǐng)域展現(xiàn)了它的優(yōu)勢(shì)[5,6],甚至可以將其應(yīng)用于色譜流動(dòng)相中[7]。DES常分為疏水性DES和親水性DES,最早由Abbott等提出的DES是由氯化膽堿-尿素合成的,具有較強(qiáng)的水溶性。隨著對(duì)氫鍵受體(hydrogen bond acceptor,HBA)和氫鍵供體(hydrogen bond donator,HBD)的不斷探索,親水性DES的種類也越來(lái)越多。然而親水性DES在水中易受到氫鍵的影響,不穩(wěn)定,易分解,不能較好地應(yīng)用于水溶液中的萃取分離,因此近年來(lái)對(duì)疏水性DES的研究也逐漸增多。因?yàn)槠涮厥獾男再|(zhì),DES在樣品前處理的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,韓曉菲等[8]總結(jié)了這是由于以下4個(gè)特性引起的:(1)DES的凝固點(diǎn)可變,(2)密度高于水;(3)室溫下黏度較高,(4)極性根據(jù)其組成而變換。Web of Science網(wǎng)站上的數(shù)據(jù)表明,從2015年至2020年6月,DES相關(guān)文章數(shù)量呈遞增狀態(tài)。其中將DES應(yīng)用于萃取的文章共1 348篇,同樣呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)(見(jiàn)圖1)。這是因?yàn)镈ES的物理化學(xué)性質(zhì)使其在萃取分離方法中成為揮發(fā)性有機(jī)溶劑和毒性有機(jī)溶劑的極佳替代品。隨著分析技術(shù)的發(fā)展,DES廣泛應(yīng)用于殘留藥物、金屬離子、生物活性物質(zhì)等方面的萃取分離中。并且DES不再僅局限于分散液液微萃取法的應(yīng)用,其在固相萃取與分散液液微萃取(dispersive liquid-liquid micro-extraction,DLLME)結(jié)合的技術(shù)中也得到了很好的應(yīng)用。本文的目的在于整理整合DES在萃取分離過(guò)程中的應(yīng)用及其研究進(jìn)展,對(duì)DES的性質(zhì)、在分散液液微萃取中的應(yīng)用以及在與其他萃取分離手段聯(lián)用中的進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)與歸類,為DES未來(lái)的應(yīng)用與發(fā)展提供參考。

圖 2 HBA (以氯化膽堿為例)和HBD作用示意圖Fig. 2 Interaction of hydrogen bond acceptor (HBA) (choline chloride as an example) with hydrogen bond donator (HBD)

1 低共熔溶劑的制備、性質(zhì)及分類

1.1 低共熔溶劑的制備

DES是氫鍵供體和氫鍵受體按照一定的物質(zhì)的量之比,通過(guò)分子間氫鍵的合成而形成的一種綠色溶劑(見(jiàn)圖2),典型的HBA為季銨鹽等物質(zhì),典型的HBD包括多元醇,有機(jī)酸和糖等物質(zhì)[9-12]。將固體原料結(jié)合產(chǎn)生了低共熔混合物,氫鍵或范德華力會(huì)干擾初始固體原料的結(jié)晶能力,故該混合物在環(huán)境溫度下為液體,并表現(xiàn)出不同尋常的溶劑性質(zhì)[13,14]。

DES的制備很簡(jiǎn)單,制備過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物,所以最終產(chǎn)物不需要純化。除某些需要較高溫度的組合物外,大多數(shù)DES可以通過(guò)在50～100 ℃下混合組分來(lái)制備[4]。2003年,Abbott等[3]通過(guò)在80 ℃下加熱攪拌,使用氯化膽堿和尿素制備了第一個(gè)DES,該方法稱為直接合成法,方法操作簡(jiǎn)單、得率高,因此被廣泛用于DES的制備[15]。后來(lái)又有文獻(xiàn)報(bào)道了合成DES的其他方法,例如,2009年,María等[16]通過(guò)將尿素水溶液與氯化膽堿水溶液混合,將得到的混合水溶液冷凍,然后通過(guò)冷凍干燥,獲得了透明的黏稠液體,即DES。

1.2 低共熔溶劑的性質(zhì)

1.2.1熔點(diǎn)

DES的熔點(diǎn)是固體原料熔化形成DES時(shí)的溫度,它決定了該DES適用溫度的下限[15]。目前制備的多數(shù)DES熔點(diǎn)在70～150 ℃之間,其熔點(diǎn)比任何一個(gè)單一組分都低[17]。DES的熔點(diǎn)取決于HBA和HBD合成復(fù)合物的晶格能,氫鍵作用使HBA和HBD之間的電荷發(fā)生離域,導(dǎo)致混合物熔點(diǎn)降低,DES熔點(diǎn)降低程度與形成氫鍵的鍵能大小密切相關(guān)[18]。選擇合適的HBA和HBD配比,可以得到該組分DES的最低熔點(diǎn)。

1.2.2黏度

與離子液體類似,DES的黏度大多在0.01～5 Pa·s之間[19]。常溫下,DES的黏度是水的幾十至幾百倍,主要原因是DES的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使分子的流動(dòng)性降低,導(dǎo)致黏度升高。DES的黏度受溫度影響很大,隨著溫度的升高而急劇下降[20]。此外,其黏度還與組成及成分間的配比有關(guān)。

1.2.3密度

大多數(shù)季銨鹽與氫鍵供體合成的DES密度略大于1 g/cm3。DES的密度隨著溫度的升高而降低,如氯化膽堿-乙二醇(物質(zhì)的量之比為1∶2)合成的DES在室溫下密度為1.12 g/cm3,在353.15 K下密度為1.09 g/cm3[21]。

1.2.4電導(dǎo)率

DES的電導(dǎo)率較高,比普通溶劑高幾十甚至幾百倍,這奠定了其廣泛應(yīng)用于電化學(xué)的基礎(chǔ)[18]。DES的電導(dǎo)率受溫度影響大,溫度越高,DES電導(dǎo)率值越高,這是因?yàn)闇囟壬呤笵ES黏度降低,離子運(yùn)動(dòng)變快,DES電導(dǎo)率值升高[22]。與此同時(shí),DES結(jié)構(gòu)中鹽的質(zhì)量比升高會(huì)導(dǎo)致DES電導(dǎo)率增大[19]。

1.3 低共熔溶劑的分類

Abbott等[23]將DES分為4個(gè)類型:Ⅰ類(無(wú)水金屬鹵化物和季銨鹽),Ⅱ類(含結(jié)晶水的金屬鹵化物和季銨鹽),Ⅲ類(氫鍵供體和季銨鹽),Ⅳ類(金屬鹵化物和有機(jī)配體)。

第Ⅰ、Ⅱ類DES的合成依賴于鹵化物中的陰離子和季銨鹽通過(guò)共價(jià)鍵形成電荷被離域的新的陰離子。無(wú)水金屬鹵化物用來(lái)合成第Ⅰ類DES,其種類較少。相比之下,含結(jié)晶水的金屬鹵化物用來(lái)合成第Ⅱ類DES,其種類多且廣泛存在,同時(shí)具有空氣和水分不敏感性,可以用于第Ⅱ類DES的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中[8]。與前兩類DES顯著不同,第Ⅲ類DES的合成在于季銨鹽中的鹵素陰離子與氫鍵供體之間形成分子間氫鍵。這類DES具有易制備、成本低、可生物降解、與水不反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[24],而且氫鍵供體范圍廣泛,因此可以根據(jù)特定應(yīng)用進(jìn)行定制。第Ⅳ類DES形成原理是金屬鹵化物(MXn)經(jīng)過(guò)不對(duì)稱分裂成金屬陰離子[MXn-1]-和金屬陽(yáng)離子[MXn+1]+,有機(jī)配體與金屬陽(yáng)離子絡(luò)合,使陽(yáng)離子電荷離域,電荷密度降低,降低陰離子和陽(yáng)離子之間的庫(kù)侖力,得到室溫液體。

隨著DES越來(lái)越受到關(guān)注,DES的類型并不局限于上述4類兩種組分合成的DES。2005年,Imperato等[25]合成了基于多元醇-酰胺類-銨鹽的三元DES。2011年,Choi等[26]和Dai等[27]提出天然低共熔溶劑(Natural deep eutectic solvent,NADES),隨后又以氯化膽堿、甜菜堿、乳酸等天然物質(zhì)為原料合成了一系列NADES,進(jìn)一步擴(kuò)展了DES的種類,使DES朝著更加綠色的方向發(fā)展。

2 DES在分散液液微萃取中的應(yīng)用

分散液液微萃取是由Rezaee等[28]于2006年提出的微萃取技術(shù)。其特點(diǎn)在于萃取劑溶劑的細(xì)小液滴和分析物的接觸,因此接觸表面積高,從而加速了分析物的萃取。此外,因?yàn)樵摲椒ň哂锌焖?、萃取過(guò)程簡(jiǎn)單、成本較低、對(duì)樣品以及有機(jī)溶劑需求量小的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[29]。實(shí)際上,DLLME由三組分溶劑系統(tǒng)組成:樣品溶液、萃取溶劑和分散劑溶劑。DES由于其獨(dú)特的溶劑特性優(yōu)于萃取過(guò)程中使用的常規(guī)溶劑,因此DES和DLLME的結(jié)合近年來(lái)發(fā)展得十分迅速。DES-DLLME方法可以通過(guò)調(diào)整DES的組成,得到更好的萃取效率。根據(jù)DES-DLLME在殘留藥物萃取、金屬離子的萃取、生物活性成分的應(yīng)用做出了以下總結(jié)。

2.1 DES作為萃取劑

2.1.1殘留藥物的萃取

食物和動(dòng)物在生長(zhǎng)成長(zhǎng)過(guò)程中容易受到病原體和昆蟲的侵害。農(nóng)藥和抗生素等藥品在農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)中廣泛應(yīng)用,以保護(hù)動(dòng)植物,提高水果蔬菜以及動(dòng)物源性食品的數(shù)量和質(zhì)量。然而,在使用這些藥物時(shí),不適當(dāng)?shù)淖龇〞?huì)導(dǎo)致食品中殘留的藥物水平超過(guò)極限,對(duì)人體健康造成危害[30-33],因此,開(kāi)發(fā)一種綠色、簡(jiǎn)便、靈敏的檢測(cè)方法對(duì)食品安全有著重要意義。

Kachangoon等[30]提出了一種綠色、簡(jiǎn)便、靈敏的分析水、土壤和雞蛋中新煙堿類殺蟲劑殘留量的方法,并結(jié)合高效液相色譜法(HPLC)分析。他們以癸酸為氫鍵供體,四丁基溴化銨為氫鍵受體,合成了一種疏水性的DES;在優(yōu)化條件后,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于5.0%,重復(fù)性良好,檢出限為0.001～0.003 μg/mL,與已有的殺蟲劑分析方法相比,檢測(cè)儀器簡(jiǎn)單但方法更加靈敏。疏水性DES的合成使得能夠溶于水的藥物得到更好的萃取,整個(gè)過(guò)程僅用了300 μL的DES及400 μL的乙腈分別作為萃取劑和分散劑,對(duì)環(huán)境的傷害小,環(huán)保且有效。

Jia等[31]建立了一種DES固化的泡騰片輔助微萃取技術(shù)結(jié)合高效液相色譜的方法,測(cè)定水、果汁、酒、醋樣品中球果苷殺菌劑的殘留量。作者以百里酚與辛酸合成的DES作為萃取劑,通過(guò)調(diào)節(jié)樣品溶液的pH值來(lái)改變萃取劑的形式,進(jìn)而達(dá)到提高萃取效率的效果。這種可以在不同pH下改變存在形式的萃取劑又被稱為“可切換溶劑”。隨著pH值的改變,可切換溶劑首先解離為離子形式,然后返回其分子形式,在親水性和疏水性形式之間進(jìn)行可逆變換,這導(dǎo)致溶劑和樣品溶液之間表面積增大,萃取效率提高。同時(shí),作者采用的泡騰片輔助微萃取法,是基于產(chǎn)生二氧化碳?xì)馀莸暮?jiǎn)單反應(yīng),用來(lái)加速萃取劑的分散。最后,作者采用懸浮有機(jī)液滴法(SFO)收集萃取劑。該方法省時(shí)高效,萃取溶劑與樣品溶液達(dá)到平衡所需的時(shí)間僅為30 s,方法檢出限為0.15～0.38 μg/L,回收率在77.4%～106.9%之間。與其他萃取方法相比,該法具有較低的檢出限、較好的線性范圍與回收率,可成功應(yīng)用于實(shí)際樣品中;同時(shí),該方法有機(jī)溶劑消耗小,使用120 μL的DES作為萃取劑,更加綠色環(huán)保;采用pH調(diào)節(jié)DES的存在形式使DES可以更好地分散在樣品溶液中;運(yùn)用泡騰片輔助微萃取,萃取過(guò)程用時(shí)少;最后采用SFO方法收集萃取溶劑,降低了對(duì)儀器的要求,提高了分離速度。

Mokhtari等[32]合成了一種氯磷酸膽堿三組分DES,并應(yīng)用于從蜂蜜樣品中提取有機(jī)磷農(nóng)藥。該DES以磷酸膽堿氯化膽堿為氫鍵受體,二氯乙酸和癸酸為氫鍵供體。該方法首先將分析物從樣品中提取到可溶于水的乙腈中。然后將萃取后的乙腈與制備的三元DES混合,DES作為萃取劑,乙腈作為分散劑,進(jìn)一步凈化樣品。隨后將收集到的DES進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)分析。該方法經(jīng)條件優(yōu)化后,檢出限為0.05～0.10 ng/mL,富集因子82～98,提取效率為82%～98%。與其他方法相比,該方法檢出限較低、精密度較好,重復(fù)性好,可用于蜂蜜樣品中目標(biāo)分析物的提取和測(cè)定。三元DES的合成,令該方法萃取效率更高。

Jouyban等[33]采用一種在基質(zhì)中形成DES,結(jié)合分散液液微萃取耦合固化有機(jī)液滴方法(DLLME-SFO)對(duì)牛奶樣品中不同類別的農(nóng)藥進(jìn)行提取和預(yù)濃縮。第一步,在牛奶基質(zhì)中合成了親水性DES,其在萃取過(guò)程中作為分散劑。第二步采用DLLME-SFO法,將前一步收集的有機(jī)相與疏水性的低共熔溶劑混合,對(duì)分析物進(jìn)一步萃取。采用單因素優(yōu)化法評(píng)估不同參數(shù)對(duì)方法效率的影響。DES比使用的大多數(shù)有機(jī)溶劑更安全、更環(huán)保。結(jié)果表明,該方法具有較低的檢出限0.90～3.9 ng/mL,較高的富集因子320～445,較好的提取效率64%～89%。

使用DES作為萃取劑萃取殘留藥品,使萃取過(guò)程有機(jī)溶劑用量更小,方法更加綠色。尤其是將DES與其他分散液液微萃取技術(shù)耦合時(shí),方法更加方便、高效。DES的應(yīng)用,對(duì)于環(huán)境中殘留藥品的檢測(cè)和凈化更有意義。

2.1.2金屬離子的萃取

近年來(lái),環(huán)境和食物中的金屬元素污染對(duì)人類健康造成了一種威脅[34]。微量元素(例如鐵、鋅和鈣等)在生物體代謝和生物合成過(guò)程中作為酶的輔助因子發(fā)揮著關(guān)鍵作用,被認(rèn)為是人類生命生活中必不可少的,但是這些微量元素在高濃度的條件下,也會(huì)造成威脅[35]。重金屬元素在人體中的積累達(dá)到一定水平也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重甚至致命的疾病[36]。因此對(duì)環(huán)境和食物中金屬離子的分析是十分必要的。

Menghwar等[37]將氯化膽堿和苯酚形成的DES溶劑用于富集橄欖油和水樣中的銅離子。膽堿類化合物被公認(rèn)為是低價(jià)且無(wú)害的有機(jī)鹽,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)調(diào)節(jié)氯化膽堿與苯酚的比例調(diào)節(jié)了實(shí)驗(yàn)的萃取效率。在優(yōu)化的條件下,方法檢出限為6.6 μg/L,RSD為4.0%～8.9%,實(shí)際樣品中的回收率為92%～107%。方法的萃取步驟只需15 min就可以完成,與已有的DLLME方法相比較為快速。

Altunay等[38]以檸檬酸-蔗糖為原料,以3∶2的物質(zhì)的量之比合成NADES,并采用超聲輔助的方法,將DES用于萃取蜂蜜中的微量元素,最后用火焰原子吸收光譜儀進(jìn)行測(cè)定。在最佳萃取條件下,該方法的檢出限在0.077～0.29 μg/L內(nèi),富集因子在75～105內(nèi),RSD在1.3%～4.5%內(nèi),回收率在90.3%～98.4%之內(nèi)。該方法與傳統(tǒng)方法相比,富集因子較高、檢出限較低。采用超聲輔助的方法,加速了納米粒微球的形成,提高了金屬離子的回收和分離。并且其DES的合成步驟簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,是一種快速、簡(jiǎn)便、環(huán)境友好的技術(shù)。

從現(xiàn)有的化學(xué)藥品制備的DES數(shù)量或類型是沒(méi)有限制的[39]。Sorouraddin等[40]以薄荷醇、山梨醇和扁桃酸為原料合成三元DES,少量的DES同時(shí)用作絡(luò)合劑和萃取溶劑萃取牛奶中的重金屬離子(鉻、銅、鉛),萃取過(guò)程中幾乎不使用任何有機(jī)溶劑。通過(guò)優(yōu)化DES的組成與比例、樣品體積、DES用量、分散劑種類和溶液pH等條件,得到方法定量限為0.38～0.42 μg/L,RSD在3.4%～5.2%之間。在本方法中,DES同時(shí)作為絡(luò)合劑和萃取劑減少了有機(jī)溶劑的使用,簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟,因而萃取過(guò)程高效、省時(shí)。

與其他萃取分離環(huán)境樣品中金屬離子的方法相比,DES成本低、合成簡(jiǎn)單且更加環(huán)保。部分DES溶劑可以同時(shí)作為絡(luò)合劑與萃取劑,省去了絡(luò)合劑的使用,生物可降解性高,可以作為環(huán)境廢水凈化的有效手段。

2.1.3生物活性成分萃取

DES的應(yīng)用使萃取效率大大提升,除了對(duì)殘留藥物、重金屬的萃取分離外,DES還常用于有效成分的提取。然而比提高萃取效率更重要的是,獲得的提取物保持其生物效應(yīng)并且對(duì)人類無(wú)害,可作為食品和藥物應(yīng)用的可能和安全的替代品。Murador等[41]提出DES和離子液體萃取的生物活性化合物的生物利用度和生物效應(yīng)優(yōu)于傳統(tǒng)有機(jī)溶劑。且DES毒性較低、不易揮發(fā),在大多數(shù)情況下,可以在更短的時(shí)間內(nèi)提高提取率。

Meng等[42]建立了一種使用氯化膽堿與1,2-丙二醇按1∶4的物質(zhì)的量之比合成的DES,從蒲黃中提取4種生物活性類的黃酮。蒲黃花粉中的黃酮類成分具有廣泛的極性和生物活性,有助于其藥理活性和治療效果。同時(shí),該研究還建立了一種酸水解方法,使提取物中不易定量的黃酮苷轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的糖苷配基形式,從而準(zhǔn)確反映萃取效率。該方法在優(yōu)化條件后,得到檢出限為0.05～0.14 μg/mL,方法回收率在86.87%～98.89%之內(nèi),RSD < 4.38%。與用常規(guī)溶劑75%乙醇的提取效率相比,采用DES作為萃取溶劑效果更好。

Rathnasamy等[43]合成了一種功能性DES,結(jié)合微波輔助液-液分散微萃取,用于提取藻磷脂蛋白并測(cè)定了其生物活性。該方法利用甘油作為氫鍵供體,糖作為氫鍵受體,生成萃取溶劑DES用于提取藻蛋白,結(jié)合微波輔助萃取,利用響應(yīng)面法對(duì)提取策略進(jìn)行擴(kuò)充,以從源處獲得最大產(chǎn)物。

Hernández-Corroto等[44]利用DES從石榴皮中持續(xù)提取蛋白質(zhì)和生物活性物質(zhì)。因?yàn)槭衿ぶ泻休^多的蛋白質(zhì)、生物肽等物質(zhì),使用DES提取的蛋白質(zhì)在水解產(chǎn)物中具有較強(qiáng)的降血壓能力,通過(guò)HPLC-ESI-Q-TOF/MS鑒定為肽和多酚。該實(shí)驗(yàn)中共制備了8種DES,通過(guò)比較萃取效率,由于尿素是一種通常會(huì)干擾蛋白質(zhì)測(cè)定的試劑,因此最終選擇氯化膽堿作為氫鍵供體,乙酸作為氫鍵受體合成DES。與加速溶劑法作對(duì)比,在DES提取物的水解物中顯示出更高含量的肽。

由上述文獻(xiàn)可看出,DES可用于從不同樣品中萃取分離不同種類的目標(biāo)化合物,因此,DES作為萃取溶劑具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),更多DES在藥物殘留、金屬離子、生物活性成分等物質(zhì)萃取分離中的應(yīng)用見(jiàn)表1。

2.2 DES作為分散劑

在DLLME中,分散溶劑的唯一要求是:既能與樣品溶液混溶,又能與提取溶劑混溶,以加速萃取溶劑在樣品溶液中的分散,提高萃取效率[51]。目前分散劑大多使用的是乙腈、甲醇等,這些分散劑具有高揮發(fā)性、易燃性和相對(duì)毒性的缺點(diǎn),因此在一定程度上限制了其在萃取分離領(lǐng)域中的應(yīng)用。DES作為綠色低毒的分散溶劑,在該領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

表 1 DES作為萃取劑的應(yīng)用

Shishov等[52]以四丁基溴化銨和甲酸合成的DES作為分散劑,1-辛醇作為萃取溶劑,結(jié)合注射器內(nèi)流動(dòng)系統(tǒng)和UV-Vis檢測(cè)的自動(dòng)化,測(cè)定飲料中鉻(Ⅵ)的含量。合成的DES溶劑在注入系統(tǒng)后,因?yàn)橛兄珓?絡(luò)合劑)的存在,DES被分解,四丁基溴化銨對(duì)萃取起到鹽析作用,甲酸為鉻離子絡(luò)合物的形成提供了合適的pH。與不加分散劑做對(duì)比,加入DES作為分散劑使萃取過(guò)程更快。其他離子對(duì)鉻的吸附?jīng)]有干擾,在最佳優(yōu)化條件下,方法檢出限為0.2 μg/L,重復(fù)性RSD小于8%,萃取效率為91%。DES作為萃取過(guò)程中的分散劑,加速了萃取劑在樣品溶液的擴(kuò)散。該方法具有自動(dòng)化、小型化和成本效益等優(yōu)點(diǎn)。

El-Deen等[53]以四丁基溴化銨和乙酸合成的DES為分散劑,2-十二烷醇為萃取劑,采用DLLME-SFO方法,萃取水樣中的類固醇。與傳統(tǒng)的分散劑甲醇、乙醇、丙酮對(duì)比,DES作為分散劑時(shí)提取效率更高。通過(guò)將響應(yīng)曲面法和單因素法結(jié)合,對(duì)方法進(jìn)行了優(yōu)化。在最優(yōu)條件下,該方法的檢出限為1.0～9.7 ng/mL,預(yù)富集因子為44～112,日間日內(nèi)精密度均小于5%。相對(duì)于其他萃取類固醇方法,該方法更加綠色環(huán)保,因此,DES可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)分散劑用于樣品前處理過(guò)程。

3 低共熔溶劑在固相萃取中的應(yīng)用

3.1 與固相萃取小柱的聯(lián)用

C18固相萃取小柱是一種操作簡(jiǎn)單快速的樣品前處理裝置,使用前先進(jìn)行柱子的活化,然后加入樣品,利用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附,接著淋洗,使目標(biāo)化合物與樣品中的干擾物分離,最后用洗脫液洗脫,以達(dá)到分離和富集目標(biāo)分析物的目的[54-56]。因其具有操作過(guò)程簡(jiǎn)單快速,在很大程度上防止交叉污染等特性,固相萃取小柱在化合物的萃取分離中應(yīng)用廣泛且備受歡迎。

Li等[57]首先利用C18固相萃取小柱對(duì)山楂提取物中的咖啡酸進(jìn)行了提取純化,然后通過(guò)優(yōu)化固相萃取過(guò)程,研究了不同用量之比的DES體系與甲醇混合作為洗脫劑對(duì)提取率的影響,得出當(dāng)甲醇與甘油基DES在體積比3∶1時(shí)回收率較高,洗脫效果最好。結(jié)果表明,在與C18固相萃取小柱聯(lián)用過(guò)程中,DES扮演了良好的洗脫劑的作用。與其他運(yùn)用固相萃取小柱提取化合物的方法相比,其顯著的優(yōu)點(diǎn)為所用洗脫溶劑的低成本和低毒性。

3.2 與攪拌棒的聯(lián)用

近年來(lái),攪拌棒吸附萃取法逐漸引起人們的關(guān)注,攪拌棒吸附萃取作為一種集萃取、富集、凈化為一體的新型樣品前處理技術(shù)[58],具有固定相體積大、溶劑用量少、富集倍數(shù)高、萃取容量高、環(huán)境友好、不需要外加攪拌子、可避免競(jìng)爭(zhēng)性吸附、能在自身攪拌的同時(shí)實(shí)現(xiàn)萃取富集等優(yōu)點(diǎn)[59-61]。廣泛應(yīng)用于食品、環(huán)境和生物樣品分析的前處理過(guò)程中。

Negar等[62]開(kāi)發(fā)了一種基于低共熔溶劑的新型攪拌棒微萃取技術(shù),用于從蔬菜和果汁樣品中進(jìn)行槲皮素和桑色素的預(yù)濃縮和提取。首先將目標(biāo)分析物從水溶液樣品中萃取到1-十一烷醇中,然后進(jìn)一步反萃取至親水性DES和甲醇的混合物中。氯化四甲基銨/乙二醇的親水性DES體系作為理想的DES組成,以攪拌速度1 000 r/min,萃取時(shí)間40 min,完成對(duì)樣品中槲皮素和桑色素的萃取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)溶劑,DES綠色、高效的特點(diǎn)在萃取分離中體現(xiàn)出了重要的作用。Mahboob等[63]首次將DES同時(shí)作為洗脫劑、分散劑和萃取劑。首先,通過(guò)攪拌棒吸附法將分析物吸附在攪拌棒的表面,接著,用所合成的DES (氯化膽堿-乙二醇)對(duì)分析物進(jìn)行洗脫,該DES在后面的漂浮固化有機(jī)液滴-分散液液微萃取過(guò)程中也發(fā)揮著分散劑的作用。然后,將洗脫液與衍生化試劑和DES (氯化膽堿-正丁酸,作為萃取劑)混合,將混合物注入去離子水中,置于冰浴中使萃取劑液滴固化。該方法回收率較高,且富集因子可達(dá)2 999,表明了DES功能的多樣性。Mohammad等[64]將攪拌棒吸附萃取法與基于低共熔溶劑的分散液液微萃取法結(jié)合起來(lái),萃取率達(dá)到92%,在氣相色譜-質(zhì)譜分析之前,成功衍生和萃取了某些酸性農(nóng)藥。這些報(bào)道極大地拓展了DES的研究思路。

3.3 與納米材料的聯(lián)用

3.3.1與分散材料的聯(lián)用

分散材料種類繁多,其中,在化合物的萃取分離領(lǐng)域,磁性多壁碳納米管、碳納米角、碳納米纖維、磁性氧化石墨烯及其功能化后的納米復(fù)合材料得到了廣泛的應(yīng)用。上述材料均具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的吸附性能,通過(guò)氫鍵、π-π和靜電等作用力特異性吸附目標(biāo)分析物,在固相萃取過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[65-69]。DES種類多樣,通過(guò)化學(xué)鍵連接或超聲包覆等方式修飾在納米材料表面,可以合成并篩選出對(duì)目標(biāo)分析物有特異性吸附的吸附材料?；贒ES功能化后的磁性納米復(fù)合材料在從某些基質(zhì)中萃取目標(biāo)化合物的過(guò)程中表現(xiàn)出了更好的性能及更高的萃取效率。

Zhao等[70]采用超聲輔助的磁固相萃取測(cè)定果蔬中的農(nóng)藥殘留。在樣品預(yù)處理過(guò)程中,先用DES萃取分離目標(biāo)分析物,再用功能化的磁性多壁碳納米管對(duì)樣品溶液進(jìn)行凈化,選擇脯氨酸/丙二醇以物質(zhì)的量之比1∶3為最佳DES體系,萃取效率達(dá)98.0%。當(dāng)代農(nóng)藥的不合理使用導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品中某些農(nóng)藥含量超標(biāo),農(nóng)藥殘留也是造成環(huán)境污染的主要因素之一,運(yùn)用該方法可高效地實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥與果蔬樣品溶液的萃取與分離,為檢驗(yàn)農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥含量提供思路,極具參考價(jià)值。Zhao等[71]合成了一種基于低共熔溶劑的磁性凝膠,將這種綠色新型的材料用于水性護(hù)膚品中性激素的提取與分離,進(jìn)一步拓展了DES的應(yīng)用領(lǐng)域。Li等[72]在磁性氧化石墨烯的表面上制備了新型分子印跡殼聚糖微球,使用DES作為功能單體和模板,萃取富集水中的氯酚,在溫度40 ℃,萃取時(shí)間35 min時(shí)萃取量最高,為86.90 mg/g。與傳統(tǒng)材料相比,其具有較高的選擇性和提取能力。Mohamed等[73]利用烯丙基三苯基溴化的DES-官能化碳納米管去除水中的汞元素,發(fā)現(xiàn)在pH為5.5,吸附量為5 mg,接觸時(shí)間28 min時(shí),水中的有害元素汞可以被有效去除。結(jié)合之前的文獻(xiàn),單獨(dú)的DES可以對(duì)金屬離子進(jìn)行吸附,實(shí)現(xiàn)凈化功能,而將親水性DES與納米材料結(jié)合后,其在水溶液中的良好分散作用被體現(xiàn)出來(lái),使得目標(biāo)分析物能更高效快速地被吸附在納米材料上。因此,聯(lián)用技術(shù)操作簡(jiǎn)便、省時(shí)省力的特點(diǎn)在重金屬去除領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用,DES在其中發(fā)揮了較大的作用。

3.3.2與分子印跡聚合物材料的聯(lián)用

分子印跡聚合物(molecular imprinted polymers,MIPs)是能夠?qū)μ囟ǖ哪繕?biāo)分子及結(jié)構(gòu)類似物特異性識(shí)別和分離的高分子聚合物,它不僅對(duì)目標(biāo)分子具有與生物抗體類似的高選擇性,而且具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度,因此廣泛應(yīng)用于食品、環(huán)境及藥物分析等領(lǐng)域[74-77]。MIPs的優(yōu)異性很大程度上依賴于一些有機(jī)溶劑的使用,如正己烷、甲苯、甲醇、丙酮等,從而使整體柱的孔隙度及其形貌更符合分析要求。然而,大量使用具有揮發(fā)性的有機(jī)溶劑會(huì)造成環(huán)境污染,與發(fā)展綠色化學(xué)的宗旨相背離。當(dāng)前,越來(lái)越多關(guān)于MIPs的研究報(bào)告集中于開(kāi)發(fā)新型綠色的合成方法。

Jin等[78]設(shè)計(jì)合成了一種基于低共熔溶劑的離子介導(dǎo)MIPs整體柱,對(duì)綠原酸的保留行為進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)致孔劑中DES的含量較大時(shí),譜圖拖尾嚴(yán)重,而在DES取用量為1 200 mL,模板分子、功能單體、交聯(lián)劑物質(zhì)的量的比為1∶4∶20時(shí),整體柱保留性能最佳,為綠原酸印跡聚合物的綠色合成提供了新的思路。Ge等[79]合成了一種雜化的磁性介孔分子印跡聚合物作為一種新型的磁性固相萃取吸附劑,用于從大鼠尿液樣本中選擇性識(shí)別馬兜鈴酸Ⅰ和Ⅱ。將DES體系膽堿氯化物氯化膽堿/乙二醇用作洗脫液,方法廉價(jià)環(huán)保,馬兜鈴酸的回收率在86.7%～94.3%之間。該方法將分子印跡聚合物與DES共同運(yùn)用到目標(biāo)分析物的萃取過(guò)程中來(lái),磁性介孔分子印跡聚合物作為吸附劑,DES作為洗脫劑,二者聯(lián)合后,相比其他處理生物樣品的方法,該方法避免了使用傳統(tǒng)有機(jī)溶劑作為洗脫劑,對(duì)環(huán)境友好且操作簡(jiǎn)便,準(zhǔn)確度高,為檢測(cè)生物樣品中的馬兜鈴酸Ⅰ和Ⅱ開(kāi)發(fā)了一種很有前途的方法。

4 結(jié)論與展望

作為一類新型的綠色溶劑,低共熔溶劑在化合物萃取分離領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注,在不同的萃取方法如固相萃取和液液分散微萃取中,分別扮演了不同的角色,發(fā)揮了不同的作用,逐漸成為綠色化學(xué)化工領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。其良好的溶解性、熱穩(wěn)定性、可生物降解性及合成過(guò)程的簡(jiǎn)便性,成為低共熔溶劑相比于其他萃取劑的重要優(yōu)勢(shì)?？v觀文獻(xiàn),DES在生物活性成分、金屬離子、有機(jī)物的萃取分離方面仍然處于不斷探索的階段,還有許多問(wèn)題需要深入探究。當(dāng)前對(duì)低共熔溶劑的研究大多集中在新型低共熔溶劑的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)以及對(duì)新的應(yīng)用領(lǐng)域的探索上,著重設(shè)計(jì)并合成了環(huán)境友好及生物相容性較好的新型DES。然而,對(duì)于DES的理論機(jī)制、物質(zhì)之間的微觀結(jié)構(gòu)分析及萃取分離機(jī)理等方面的研究較為缺乏。物質(zhì)的理化性質(zhì)是其應(yīng)用的基礎(chǔ),因此,著重探索低共熔溶劑潛在的理論機(jī)制,開(kāi)拓具有特殊功能的新型低共熔溶劑的應(yīng)用空間,成為之后工作當(dāng)中的重要研究方向。此外,借助于其他萃取技術(shù),DES可以發(fā)揮更好的萃取分離效果,同時(shí),其他技術(shù)在DES的輔助下,萃取效率成倍提高,能夠達(dá)到一加一大于二的效果。因此,應(yīng)繼續(xù)探索DES與其他技術(shù)聯(lián)合使用的研究道路,促進(jìn)DES的萃取分離技術(shù)深入發(fā)展。