溶液結(jié)晶方法與技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

譚君蕊，李暉

北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，北京 102488

溶液結(jié)晶方法與技術(shù)[1]是培養(yǎng)可用于單晶X射線衍射分析的晶體的重要且常用的手段之一，也常見于生物活性藥物的制備過程中純化分離的最終和中間階段，對(duì)于藥品的化學(xué)純度、物理性質(zhì)起著關(guān)鍵性作用。放眼整個(gè)工業(yè)結(jié)晶領(lǐng)域，由于不同工業(yè)部門對(duì)晶體的形貌、尺寸及其分布和多態(tài)性均有著不同的細(xì)節(jié)要求，要生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的晶體，勢必要綜合理論性與實(shí)踐性的跨學(xué)科研究來對(duì)結(jié)晶技術(shù)進(jìn)行更新與發(fā)展[2]。遺憾的是，盡管現(xiàn)階段的化學(xué)合成技術(shù)已能基本滿足多數(shù)情況下對(duì)產(chǎn)品性質(zhì)與純度的要求，但在晶體顆粒的物理性質(zhì)和結(jié)晶過程的控制上依舊處于薄弱狀態(tài)。

由此看來，對(duì)溶液結(jié)晶方法與技術(shù)的討論與拓展，不僅能夠深化現(xiàn)階段的理論研究，也能實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際上的開拓前進(jìn)，成為使實(shí)踐開展與經(jīng)濟(jì)效益并舉的重要一環(huán)。因此，本文將對(duì)溶液結(jié)晶的方法與技術(shù)現(xiàn)狀作全面系統(tǒng)的總結(jié)，探討濃度與 pH對(duì)結(jié)晶過程的影響，并基于影響溶液過飽和度的單一或復(fù)合因素討論十種溶液結(jié)晶方法與技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展前沿。為使讀者對(duì)每種結(jié)晶手段有更清晰直觀的了解，將在闡述結(jié)晶基本原理和操作的基礎(chǔ)上，通過解說近年來的典型應(yīng)用案例，證實(shí)相應(yīng)手段的可行性與有效性。最后，將建立結(jié)晶技術(shù)優(yōu)化方法的思維模型，并加以案例解說，希望對(duì)相關(guān)的科研、生產(chǎn)工作帶來指導(dǎo)。

1 溶液結(jié)晶的基本原理

在具體討論相應(yīng)方法與技術(shù)以前，應(yīng)首先明確，溶液結(jié)晶的基本化學(xué)原理為通過一定的方式(如應(yīng)用不同的操作條件、引入晶種等)增大溶液的過飽和度，使目標(biāo)溶質(zhì)(即結(jié)晶物質(zhì))析出結(jié)晶，達(dá)到目標(biāo)溶質(zhì)與溶液中其他溶質(zhì)分離的目的。過飽和度指溶液濃度超過理論平衡濃度(即溶解度)的部分，此時(shí)的溶液稱為過飽和溶液。溶液結(jié)晶中，過飽和是該過程的推動(dòng)力，使得溶液體系由穩(wěn)定態(tài)向不穩(wěn)定態(tài)過渡，生成新相[3]。在整個(gè)溶液結(jié)晶過程中，形成過飽和液體是第一步，接著，將發(fā)生一次成核過程——從無晶體顆粒的溶液中產(chǎn)生第一批晶核，并可能發(fā)生二次成核過程——在同種晶相存在的前提下產(chǎn)生晶核，接著，結(jié)晶物質(zhì)在晶核表面進(jìn)一步生長，逐漸形成晶體。

影響溶液結(jié)晶的因素[4]是多方面的，可以總結(jié)為化學(xué)因素、物理因素兩方面?；瘜W(xué)因素包括溶劑、添加劑(或雜質(zhì))、酸堿度、濃度等，物理因素則包括溫度、晶種、壓力、超聲、剪切力、磁場等。這些因素分別在形成過飽和溶液、晶體成核及生長等階段影響著晶體的成核速度、生長時(shí)間、晶習(xí)、晶型、粒徑和粒度分布等。

2 溶液結(jié)晶方法與技術(shù)的現(xiàn)狀

在討論具體的溶液結(jié)晶手段以前，首先應(yīng)注意的是，溶液中的目標(biāo)溶質(zhì)濃度和溶液 pH對(duì)于各類結(jié)晶技術(shù)都具有重要影響，在此先對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行討論。

結(jié)晶物質(zhì)的濃度直接影響著溶液的飽和狀態(tài)，濃度過低會(huì)使得后續(xù)的結(jié)晶操作增加不必要的時(shí)間成本和技術(shù)難度。另外，濃度對(duì)于晶體最終的晶習(xí)也具有一定影響，例如，對(duì)谷氨酸冷卻結(jié)晶過程的研究表明[5]，初始谷氨酸濃度的增大使得所得晶體的粒徑增加，因濃度的增加使得目標(biāo)溶質(zhì)獲得了更多從環(huán)境相擴(kuò)散到晶體表面層的機(jī)會(huì)，但濃度變化對(duì)于體系的亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域(metastable zone width，MSZW) (圖1)，即溶液從過飽和狀態(tài)降溫到開始析晶的過程中覆蓋的溫度區(qū)間，并無明顯作用(除非降溫速率達(dá)到0.5 °C·min?1以下，此時(shí)隨著濃度增大，亞穩(wěn)區(qū)減小)。

圖1 采用ΔTmax (最大亞穩(wěn)溫度區(qū)間)表示MSZW [5]

但對(duì)于一些從反應(yīng)物開始的結(jié)晶過程，如一些金屬有機(jī)配合物的晶體培養(yǎng)過程，我們通常是通過對(duì)反應(yīng)物(如金屬鹽和有機(jī)配體)的濃度及比例的調(diào)控來對(duì)產(chǎn)物，即結(jié)晶物質(zhì)，帶來影響。對(duì)于不同的反應(yīng)體系，反應(yīng)物濃度及比例的調(diào)控，可能影響到產(chǎn)物的濃度、構(gòu)型或配位模式等性質(zhì)，或因反應(yīng)物過量等問題影響到溶液pH、溶質(zhì)在其中的有效濃度等方面，進(jìn)而間接影響產(chǎn)物結(jié)晶的過程和最終的晶型與晶習(xí)。關(guān)于這種影響的規(guī)律性的探索與討論應(yīng)基于具體的反應(yīng)體系而言，如目前，對(duì)于金屬有機(jī)配合物的晶體培養(yǎng)，普遍的規(guī)律為，較低的反應(yīng)物濃度有助于形成質(zhì)量更高的單晶[6–10]，較高的反應(yīng)物濃度則可能在促進(jìn)產(chǎn)率提升的同時(shí)，影響晶體良好形貌的形成，這可能是因?yàn)榈蜐舛认?，晶體生長速度趨緩，有利于形成溶質(zhì)分子在結(jié)晶過程中的長程有序排列，使晶體具有更加規(guī)則的幾何外形。

pH對(duì)溶液結(jié)晶的影響也會(huì)隨著體系的變化而產(chǎn)生不同的效應(yīng)，比如對(duì)晶體粒徑分布、晶型等產(chǎn)生影響。例如，對(duì)于氨基酸的晶體培養(yǎng)，有研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于冷卻結(jié)晶制備蛋氨酸晶體聚集體[11]來說，因蛋氨酸在酸性溶液中具有更大的溶解度，在酸性條件下培養(yǎng)其晶體將更適宜，不過，若適當(dāng)增大酸性溶液的pH (從2.5±到4.0±)并一步到位地進(jìn)行pH調(diào)節(jié)(即并非在結(jié)晶過程中逐步增大pH)，有利于得到體積密度更高的聚集體產(chǎn)物，但注意應(yīng)使用醋酸鹽類弱堿，因?yàn)閺?qiáng)堿(OH?)可能會(huì)因?yàn)榕c H+結(jié)合過于完全，使得溶劑中 H2O分子比例上升而造成鹽溶效應(yīng)。而對(duì)于甘氨酸結(jié)晶[12]，酸性(3.40)或堿性(10.10)條件有助于形成β構(gòu)型和γ構(gòu)型甘氨酸結(jié)晶，而弱酸性溶液(5.90–6.20)則適宜制備最穩(wěn)定構(gòu)型的α-甘氨酸。此外，對(duì)于金屬有機(jī)配合物來說，中性或弱酸性條件為宜，一方面，酸性過大容易使得配體的配位能力受到影響，另一方面，堿性條件容易使金屬離子沉淀析出。因此，對(duì)于pH的調(diào)控需要基于大量的調(diào)研工作與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，以便更好地獲得晶體。

在溶液結(jié)晶過程中，基于對(duì)過飽和情況的調(diào)控衍生出各類方法與技術(shù)，接下來將按照產(chǎn)生過飽和度的方式，對(duì)幾類溶液結(jié)晶方法進(jìn)行劃分，并對(duì)每類方法及對(duì)應(yīng)技術(shù)進(jìn)行綜合介紹。圖2為對(duì)本文所討論溶液結(jié)晶方法與技術(shù)的總結(jié)展示。

圖2 溶液結(jié)晶方法與技術(shù)

2.1 基于影響過飽和度的單一變量

本部分所討論的溶液結(jié)晶方法，所涉及過飽和度的增加主要受單一變量的影響，即通過控制這一單一變量即可達(dá)到對(duì)結(jié)晶技術(shù)的調(diào)控。

2.1.1 溫度調(diào)控

2.1.1.1 冷卻結(jié)晶(升溫結(jié)晶)

溫度能夠通過影響溶質(zhì)的溶解度，達(dá)到對(duì)溶液飽和度的影響。因此，對(duì)于溶解度隨溫度升高而明顯增大的結(jié)晶物質(zhì)，可采用冷卻結(jié)晶逐步降低溫度，使得結(jié)晶物質(zhì)的溶解度降低，表現(xiàn)為溶液飽和度逐漸增大，當(dāng)溶液達(dá)到過飽和時(shí)，目標(biāo)溶質(zhì)便開始析出結(jié)晶。而對(duì)于溶解度會(huì)隨溫度升高而明顯降低的結(jié)晶物質(zhì)，則可反之采用升溫結(jié)晶，達(dá)到結(jié)晶目的。

例如，Takeshi Matsukawa等[13]報(bào)道了一種在1-丙醇(PrOH)溶劑下，通過溶液緩慢冷卻技術(shù)生長得到的Rubrene (5,6,11,12-四苯基四烯)單晶(圖3)。該單晶具有兩種晶型，一種為六邊形晶體，屬于正交晶系，尺寸多為300 mm × 200 mm × 50 mm；另一種為平行四邊形晶體，屬于三斜晶系，尺寸多為300 mm × 200 mm× 20 mm。在晶體制備過程中，作者使用純度 > 99%的Rubrene，首先在密閉聚四氟乙烯容器中配制50 mL Rubrene的飽和PrOH溶液，將其置于黑暗環(huán)境下的90 °C水浴裝置中溶解10 h至固體完全溶解，隨后冷卻至過飽和狀態(tài)。將該體系在45 °C環(huán)境下培養(yǎng)10天，目標(biāo)晶體便通過自發(fā)成核過程不斷形成。通過系列表征，發(fā)現(xiàn)所得單晶中，正交晶系單晶顯示出高達(dá)約1.6 cm2·V?1·s?1的載流子遷移率，而三斜晶系單晶則表現(xiàn)出約0.1 cm2·V?1·s?1的載流子遷移，這一高質(zhì)量有機(jī)單晶的培養(yǎng)方法，對(duì)于有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)領(lǐng)域的相關(guān)研究具有重要意義。

圖3 從PrOH溶液中冷卻結(jié)晶得到的Rubrene的六邊形(a)和平行四邊形單晶(b) [13]

在上文提到的谷氨酸結(jié)晶過程[5]中，同樣使用到冷卻結(jié)晶培養(yǎng)單晶，作者除了研究結(jié)晶物質(zhì)濃度對(duì)晶體培養(yǎng)結(jié)果的影響外，還進(jìn)行了不同冷卻速率作用規(guī)律的探究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在最緩慢的冷卻過程(0.5 °C·min?1)中，晶體呈長而細(xì)的針狀。隨著冷卻速率的增加，晶體逐漸變?yōu)楦鼘捀竦钠瑺?。隨著冷卻速率的進(jìn)一步提升，最終在2.5和3.0 °C·min?1條件下得到花朵狀的晶體聚集體碎片。作者認(rèn)為，較大的冷卻速率一定程度上導(dǎo)致了較大的MSZW，這又將反過來促使更大過飽和度與更快成核過程的形成。因此，在MSZW結(jié)束之際，會(huì)產(chǎn)生大量的小晶核，接著，它們所形成的聚集體小碎片將繼續(xù)在彼此粗糙的表面上生長，使得寬而薄的碎片附著在一起，得到花朵狀晶體。

進(jìn)一步地，從冷卻技術(shù)的不同上看，冷卻結(jié)晶方法可拓展為自然冷卻結(jié)晶、夾套冷卻結(jié)晶、外部循環(huán)冷卻結(jié)晶、真空冷卻結(jié)晶等技術(shù)[14,15]，其中，真空冷卻結(jié)晶工藝是先進(jìn)的冷卻結(jié)晶技術(shù)之一。真空冷卻結(jié)晶的原理除了利用真空減壓降低結(jié)晶溫度外，還包括在低壓條件下增加溶劑的揮發(fā)，因此真空冷凍結(jié)晶已不屬于單純的溫度調(diào)控結(jié)晶技術(shù)，而是利用真空冷卻技術(shù)耦合冷卻結(jié)晶和蒸發(fā)結(jié)晶，達(dá)到結(jié)晶更高效、更低耗能、更衛(wèi)生的目的，可以有效解決溶劑沸點(diǎn)較高或結(jié)晶溫度較低的問題。

2.1.1.2 冷凍結(jié)晶

冷凍結(jié)晶[3,14]旨在利用溶液中不同化合物間凝固點(diǎn)的差異，通過對(duì)整個(gè)體系降溫冷卻，根據(jù)不同溫度梯度下物質(zhì)析出結(jié)晶的順序不同，達(dá)到分離、提純目的的結(jié)晶方法。通用的技術(shù)方法可簡單描述為，對(duì)結(jié)晶體系降溫后，非結(jié)晶物質(zhì)首先從體系中析出，過濾分離固液兩相，收集濾液，通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)等方式收集目標(biāo)溶質(zhì)的結(jié)晶。冷凍結(jié)晶因其相對(duì)簡單的操作，已在工業(yè)結(jié)晶中有很長的應(yīng)用歷史。

冷凍結(jié)晶在脫硝生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用極廣泛且體系化。以氫氧化鋰的生產(chǎn)為例，我國生產(chǎn)氫氧化鋰的主要方法為硫酸焙燒-冷凍法，其中的冷凍脫硝工序是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即，使原料液中的 Na+、以十水硫酸鈉的形式析出，以提高液體中的鋰離子濃度。韓濤等[16]針對(duì)基于Li+、Na+//OH?、-H2O四元混合體系的冷凍脫硝溶液，采用兩級(jí)連續(xù)冷凍結(jié)晶的工藝，對(duì)于?15 – ?10 °C下二級(jí)冷凍結(jié)晶分離出來的十水硫酸鈉，用原料液將其溶解后，投放入5–10 °C下的一級(jí)冷凍結(jié)晶工序，析出的十水硫酸鈉再用離心機(jī)分離得其晶體和母液，使母液回到二級(jí)冷凍結(jié)晶工序降溫結(jié)晶，進(jìn)一步降低溶液中Na2SO4的含量，最終，將二級(jí)冷凍結(jié)晶所得十水硫酸鈉離心分離得到氫氧化鋰的冷凍母液。

冷凍結(jié)晶可與其他技術(shù)耦合形成新型結(jié)晶技術(shù)，比如超聲冷凍結(jié)晶技術(shù)(在后文展開)和磁場冷凍結(jié)晶技術(shù)[17]。磁場冷凍結(jié)晶技術(shù)通過在傳統(tǒng)的結(jié)晶培養(yǎng)過程中引入不同強(qiáng)度的靜磁場或變磁場，發(fā)現(xiàn)磁場能夠增加水溶液的過冷度、處于過冷態(tài)的時(shí)間，并影響冰晶的成核過程，這種影響的程度依賴于磁場類型、強(qiáng)度、溶液濃度等，但因過冷過程存在隨機(jī)性，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不穩(wěn)定。因此，該領(lǐng)域還有待進(jìn)行機(jī)制與定量檢測上的深入探索。

2.1.2 溶劑調(diào)控

2.1.2.1 蒸發(fā)結(jié)晶(溶劑緩慢揮發(fā)法)

蒸發(fā)結(jié)晶，即溶劑緩慢揮發(fā)法，是通過揮發(fā)溶劑，造成溶液濃度逐漸增大至達(dá)到過飽和，進(jìn)而使目標(biāo)溶質(zhì)析出結(jié)晶的方法。蒸發(fā)結(jié)晶包括真空蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)和恒溫蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)[14]，其中的真空蒸發(fā)結(jié)晶即上述提到的真空冷凍結(jié)晶，也可稱真空結(jié)晶。關(guān)于真空蒸發(fā)結(jié)晶需要補(bǔ)充的是，該方法尤其適用于熱敏性結(jié)晶物質(zhì)的分離提純，因此在醫(yī)藥領(lǐng)域，為了防止藥物在高溫下變性，常使用真空蒸發(fā)結(jié)晶。而恒溫蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)則保持壓力和溫度的恒定，適合于具有較小溶解度溫度系數(shù)、較小和較大溶解度的化合物晶體制備。例如，Sheng Liu等[18]通過蒸發(fā)結(jié)晶方法，將三種前體C6H5C2H4NH2、HI和PbI2加入含γ-丁內(nèi)酯溶劑的圓底燒瓶，配制飽和溶液，加入期間于熱油浴中劇烈攪拌以保持液體呈黃色澄清狀態(tài)。之后，將圓底燒瓶于70 °C通風(fēng)爐內(nèi)緩慢蒸發(fā)3–7天，真空干燥后收集到橙色毫米級(jí)層狀晶體——苯乙基胺鉛碘化物((PEA)2PbI4)。有趣的是，這種二維晶體在壓力誘導(dǎo)下，會(huì)出現(xiàn)變色行為，被稱為“變色龍”晶體。在0–3.5 GPa區(qū)間內(nèi)的壓力循環(huán)變化下，二維晶體的發(fā)射熒光呈現(xiàn)出由綠到紅再回到綠色的可逆変化(圖4)，且期間發(fā)光強(qiáng)度基本不變。

圖4 二維鈣鈦礦(PEA)2Pbl4晶體的可逆壓致變色示意圖[18]

須注意的是，恒溫蒸發(fā)過程中，晶體容易從玻璃器皿表面生長，導(dǎo)致晶體品質(zhì)較差，為了盡量避免這一現(xiàn)象，所用的燒杯內(nèi)壁應(yīng)較光滑，且保證溶劑揮發(fā)的速度盡可能慢，但也不宜太慢，以免造成晶體培養(yǎng)時(shí)間過長。器皿還應(yīng)用塑料薄膜封口并用針扎幾個(gè)小孔，一方面防止灰塵落入，另一方面減慢揮發(fā)速度，有利于生長出較好晶形的單晶。蒸發(fā)結(jié)晶中所用溶劑可以為純?nèi)軇?，也可以使用混合溶劑，常見的溶劑為水、甲醇、乙醇、乙腈、二甲基甲酰?DMF)、氯仿等。

2.1.2.2 擴(kuò)散法結(jié)晶

一般地，該方法需要結(jié)晶物質(zhì)的一對(duì)互溶的良溶劑和不良溶劑，在培養(yǎng)過程中，使不良溶劑逐漸進(jìn)入良溶劑之中以降低結(jié)晶物質(zhì)的溶解度，進(jìn)而使結(jié)晶化合物的晶體析出。根據(jù)良溶劑進(jìn)入方式的不同，可將擴(kuò)散法進(jìn)一步劃分為氣相擴(kuò)散法和液相擴(kuò)散法(圖5)。

圖5 基于溫度調(diào)控和溶劑調(diào)控溶液結(jié)晶過程的部分原理示意圖[19]

氣相擴(kuò)散法中要求良溶劑易揮發(fā)，而不良溶劑難揮發(fā)或不揮發(fā)，并提供一密閉容器，使溶劑擴(kuò)散過程發(fā)生在密閉空間內(nèi)。氣相擴(kuò)散法包含大燒杯套小燒杯技術(shù)和H管培養(yǎng)技術(shù)。液相擴(kuò)散法則包括層鋪法、H管培養(yǎng)兩種技術(shù)，前者要求不良溶劑密度大于良溶劑，操作時(shí)將良溶劑“鋪”在不良溶劑上方，有時(shí)可以在兩種溶劑間加入一層緩沖層以避免兩種溶劑混合過快。液相擴(kuò)散下的H管培養(yǎng)技術(shù)對(duì)于操作要求較高，需要保證兩側(cè)溶液同時(shí)加入、同時(shí)沒過中間的連接管，并保持液面相平。

例如，在金屬有機(jī)配合物領(lǐng)域中，Marta Mon等[6]利用 H管擴(kuò)散法制得了分別從天然氨基酸L-絲氨酸和L-甲硫氨酸合成而來的兩種多元金屬有機(jī)框架(MTV-MOF)的單晶，過程為將銅離子配合物的水溶液置于H管的一臂，CaCl2·2H2O或BaCl2·2H2O的水溶液置于H管的另一臂，經(jīng)緩慢擴(kuò)散，制得目標(biāo)MTV-MOF，因其溶解度在水中極小，故析出得到適用于單晶測試的優(yōu)良六方柱晶體。這種獨(dú)特材料具有六方通道，當(dāng)于通道內(nèi)修飾上兩種靈活且具功能性的“手臂”(－CH2OH和－CH2CH2SCH3)后，能夠通過協(xié)同作用同時(shí)有效地去除無機(jī)和有機(jī)污染物，并實(shí)現(xiàn)完全的可重復(fù)利用。而在鈣鈦礦領(lǐng)域，由于升、降溫過程中產(chǎn)生的熱對(duì)流會(huì)對(duì)鈣鈦礦單晶結(jié)構(gòu)造成負(fù)面影響，姚方等[20]提出一種室溫下的鈣鈦礦單晶的生長方法——室溫液相擴(kuò)散誘導(dǎo)結(jié)晶(LDSC)，培養(yǎng)出了高質(zhì)量鈣鈦礦單晶。該方法中，結(jié)晶溶質(zhì)的不良溶劑 DMF通過擴(kuò)散作用進(jìn)入良溶劑硅油下的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，使前驅(qū)體溶液達(dá)到過飽和而形成晶體(圖6)。

圖6 (a) LDSC法生長鈣鈦礦單晶的過程示意圖；

2.1.2.3 鹽析結(jié)晶

向結(jié)晶體系中加入某種與溶劑結(jié)合作用更強(qiáng)的化合物后，使得目標(biāo)溶質(zhì)的“有效濃度”相對(duì)增大至過飽和而析出，這種方法即為鹽析結(jié)晶[3]，所添加的化合物稱為鹽析劑。對(duì)于鹽析劑，不僅要考慮鹽析劑在溶液中的溶解度，還要考慮鹽析劑與溶劑的相互作用強(qiáng)度，這種相互作用主要為鹽析劑陽離子溶劑化作用。因此，鹽析劑通常包含具有較大溶劑化作用的陽離子，如Li+、Mg2+、Al3+、Ca2+、Fe3+、Sn2+等。

硝酸鉀的結(jié)晶率優(yōu)化是鹽析結(jié)晶的一個(gè)應(yīng)用。張罡等[21]在研究利用硝酸銨與氯化鉀復(fù)分解反應(yīng)制備硝酸鉀與氯化銨的過程中，發(fā)現(xiàn)硝酸鉀結(jié)晶率普遍較低，僅有45%–55%。為提高結(jié)晶率，他們采用鹽析結(jié)晶法制取硝酸鉀，并對(duì)鹽析劑進(jìn)行循環(huán)回收利用。研究表明，鹽析結(jié)晶法使得硝酸鉀結(jié)晶率提高至80%，且總結(jié)出了鹽析結(jié)晶制取硝酸鉀的最佳工藝條件。

2.1.2.4 萃取結(jié)晶

萃取結(jié)晶的結(jié)果類似于鹽析結(jié)晶，都是使目標(biāo)溶質(zhì)的“有效濃度”增大，形成過飽和溶液，析出晶體，不過萃取結(jié)晶是通過向原飽和水溶液中加入另一萃取劑，使得水分子部分溶于萃取劑中，而造成這一結(jié)果。因操作中無需加熱等過程，故耗能更低，操作時(shí)間也相對(duì)縮短。該方法尤其適用于目標(biāo)溶質(zhì)與溶液中其他物質(zhì)的沸點(diǎn)與揮發(fā)度相近的情況。

在萃取結(jié)晶過程中，需要使用大量的萃取劑，故對(duì)于萃取劑的恰當(dāng)選擇，不僅能夠保證盡可能高的萃取結(jié)晶效率，降低能耗，也能夠使得萃取劑回收效率更高。合適的萃取劑需能與水形成臨界會(huì)溶點(diǎn)——萃取劑在萃取過程中親水，在回收過程中憎水，以利于結(jié)晶效果與回收效率。研究發(fā)現(xiàn)，引入鹽效應(yīng)可以改變體系的臨界會(huì)溶點(diǎn)，甚至可以使原本沒有會(huì)溶點(diǎn)的體系在特定溫度下發(fā)生部分互溶[15]。比如，向正丁醇-水體系中加入Na2CO3后，體系最高臨界會(huì)溶點(diǎn)升至220 °C (原為122 °C)。而對(duì)于本與水在任意溫度下完全互溶的正丙醇，加入Na2CO3可以讓它與水發(fā)生部分互溶的現(xiàn)象，進(jìn)而將其用作萃取劑。這一發(fā)現(xiàn)使得萃取劑的選擇范圍得到了進(jìn)一步的擴(kuò)大。

2.1.2.5 溶析結(jié)晶

溶析結(jié)晶[22]雖然也同鹽析結(jié)晶一般需要向原溶液中加入添加劑，但原理是通過降低目標(biāo)溶質(zhì)在原溶劑中的溶解度，使晶體容易析出，這里的添加劑，也叫作媒晶劑，可為固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)，應(yīng)易溶于原溶劑而不溶于目標(biāo)溶質(zhì)，且易與原溶劑分離以方便回收。該方法適用于溶解度隨溫度變化較小的化合物結(jié)晶，在有機(jī)工業(yè)結(jié)晶領(lǐng)域中有重要地位，相應(yīng)技術(shù)可應(yīng)用于在高粘度體系中的快速成核過程，以及混合電解質(zhì)溶液或熱敏性物質(zhì)的分離過程等。

例如，為從滌綸堿減量廢渣中更有效地回收對(duì)苯二甲酸(TPA)，賀永林等[23]基于TPA在不易揮發(fā)的DMF溶解度較大的事實(shí)，采用蒸餾水為媒晶劑，活性炭為除雜脫色劑，通過溶析結(jié)晶從DMF溶液中回收TPA。所回收TPA的純度極接近標(biāo)準(zhǔn)試劑(純度 ≥ 99.0%)，且酸值達(dá)標(biāo)準(zhǔn)試劑的96.43%，回收率達(dá)86.54%。

目前，溶析結(jié)晶尚存在一些不足[22]，比如制得晶體的主粒度小、變異系數(shù)高、雜質(zhì)含量較高以及產(chǎn)品過濾分離難度較大等問題。

2.1.3 壓力調(diào)控

壓力調(diào)控下的溶液結(jié)晶方式稱為高壓結(jié)晶，是一種通過對(duì)結(jié)晶體系施加高壓，利用加壓過程中體系固、液相變化規(guī)律的差異，對(duì)目標(biāo)化合物進(jìn)行結(jié)晶分離的方法，也是一種新型分離精制技術(shù)。該方法有助于從低濃度溶液中獲得高純度組分結(jié)晶，且受其他操作條件的限制很低，能夠有效提升組分回收率，而且操作耗能僅為冷卻結(jié)晶耗能的十分之一。

高壓結(jié)晶有助于有機(jī)物系的提純與精制。王彪等[24]采用 XKY-6×1200MN型六面頂壓機(jī)，于不同溫度和壓力下，對(duì)物系進(jìn)行30 min高壓結(jié)晶，制得了尼龍1010(PA1010)-單壁碳納米管(SWCNT)復(fù)合材料的樣品，并通過衍射、熱重、掃描電鏡等分析說明，高壓結(jié)晶或高壓退火均有助于所得聚合物片層晶體的增厚，且高壓熔體結(jié)晶的增厚效果優(yōu)于高壓退火過程下的效果。

因高壓結(jié)晶所需高壓設(shè)備的維護(hù)比較復(fù)雜，且高壓下的相平衡數(shù)據(jù)也較難得到，故該技術(shù)目前仍主要用于實(shí)驗(yàn)室研究，而較少應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

2.2 基于影響過飽和度的復(fù)合變量

目前，還有許多溶液結(jié)晶方法同時(shí)受到多種因素的調(diào)控，所對(duì)應(yīng)的結(jié)晶原理可能覆蓋多個(gè)理論模型，也可能尚不明晰。除了下文提到的三種方法，對(duì)上述幾種單一變量調(diào)控方法的綜合應(yīng)用，如真空結(jié)晶技術(shù)等，也屬于復(fù)合變量調(diào)控的范疇，此類方法與技術(shù)花樣繁多，尤其在工業(yè)領(lǐng)域有許多聯(lián)用案例，礙于篇幅，對(duì)此將不作展開討論。復(fù)合變量調(diào)控下的溶劑培養(yǎng)方法與技術(shù)是該領(lǐng)域大有前景的研究方向。

2.2.1 溶劑熱法

溶劑熱法來源于水熱法，以有機(jī)溶劑或水為反應(yīng)介質(zhì)，將反應(yīng)體系置于特制的密閉容器中進(jìn)行加熱，為反應(yīng)提供高溫高壓的環(huán)境，使得原來難溶或不溶的結(jié)晶物質(zhì)先溶解，再發(fā)生結(jié)晶。根據(jù)溶劑熱法中所使用的容器的不同，可將其分為反應(yīng)釜法、真空封管法兩種培養(yǎng)技術(shù)[25]。前者所使用的不銹鋼反應(yīng)釜有聚四氟襯里，將反應(yīng)物與溶劑混合放入釜內(nèi)后，于烘箱中慢慢升溫至80–200 °C，恒溫反應(yīng)一定時(shí)間后，再逐步降溫結(jié)晶。而真空封管法使用玻璃管為容器，將反應(yīng)物和溶劑從管的一段加入，并封好管口，待固體溶解后，將玻璃管在液氮中冷凝，抽真空后用酒精噴燈燒結(jié)封好管的另一端，創(chuàng)造管內(nèi)的真空無氧條件。完成密封操作后，將體系放在烘箱中加熱，須注意，為防止玻璃管炸裂，加熱溫度不能超過180 °C。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有晶體析出后，用銼刀打開玻璃管，取出產(chǎn)品。

溶劑熱法的機(jī)理非常復(fù)雜，這為晶體生長的過程調(diào)控帶來了不小的障礙。為進(jìn)一步探究其原理，Bor-Rong Chen等[26]借助二氧化錳的結(jié)晶過程，研究了不同粒徑和不同溶液組成(不同濃度K+，不同pH)下，二氧化錳的成核、生長過程(圖7)，及不同晶型二氧化錳的形成順序、存在時(shí)間，并利用所得結(jié)論指導(dǎo)合成了多晶型二氧化錳，為今后水熱法合成晶體提供了豐富的理論基礎(chǔ)。

圖7 亞穩(wěn)態(tài)下的結(jié)晶過程機(jī)理圖[26]

溶劑熱法中常用的溶劑包括水、醇類(甲醇，乙醇，乙二醇)、DMF、DMSO (二甲基亞砜)以及它們的混合溶液等。溶劑熱法解決了反應(yīng)物難溶條件下的反應(yīng)與結(jié)晶問題，且在其提供的高溫、高壓的極端條件下，常常能得到結(jié)構(gòu)特殊的化合物，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)多樣性。

2.2.2 超聲結(jié)晶

超聲結(jié)晶[27]是將超聲波與結(jié)晶過程進(jìn)行耦合的一項(xiàng)技術(shù)。超聲結(jié)晶的作用機(jī)理較復(fù)雜，目前有三種普遍認(rèn)同的作用機(jī)制：熱學(xué)機(jī)制、機(jī)械力學(xué)機(jī)制和空化機(jī)制，其中空化效應(yīng)被認(rèn)為是起主要作用的機(jī)制。在發(fā)生空化效應(yīng)的過程中，過飽和溶液中的結(jié)晶體系可能獲得額外的能量，加上期間的界面效應(yīng)可降低結(jié)晶能，造成處于穩(wěn)定態(tài)的過飽和溶液可發(fā)生成核過程。不過，目前發(fā)現(xiàn)超聲作用對(duì)結(jié)晶過程的影響并不確定，可能促進(jìn)晶體成核和生長，也可能抑制該過程，甚至沒有明顯作用，這可能是因?yàn)椴煌晠?shù)、溶液性質(zhì)、作用條件下，起主導(dǎo)作用的超聲作用機(jī)制存在差異的原因。

超聲結(jié)晶領(lǐng)域較為成熟的應(yīng)用是超聲冷凍結(jié)晶技術(shù)[28]，可用于食品工業(yè)，是一種將超聲技術(shù)與冷凍結(jié)晶技術(shù)耦合的綠色冷凍技術(shù)，旨在利用超聲控制加速冰晶核形成并控制其大小、提高冷凍和解凍速率等，進(jìn)而達(dá)到冷凍食品品質(zhì)提高的目的。因超聲波只在食品的物理層面改善冷凍食品宏觀和微觀結(jié)構(gòu)，更能保證冷凍食品的安全性。

2.2.3 剪切的應(yīng)用

通常，人們認(rèn)為晶體培養(yǎng)的過程中，尤其是在進(jìn)行蒸發(fā)、揮發(fā)法結(jié)晶等恒溫結(jié)晶操作時(shí)，要盡量避免機(jī)械擾動(dòng)的存在，以免影響晶體質(zhì)量。

然而，在Jian-Ke Sun等[29]的工作中，借助一個(gè)在聚電解質(zhì)溶液中受剪切作用的晶體培養(yǎng)體系，他們得到了生長速度更快且具有更大尺寸的晶體，并證明這一規(guī)律能夠應(yīng)用到約 20種各類有機(jī)小分子、無機(jī)鹽、金屬-有機(jī)配合物，甚至一些蛋白質(zhì)的晶體培養(yǎng)過程中。該工作主要基于三甲酸(TA)的DMF溶液體系展開討論，實(shí)驗(yàn)中，為了消除一次成核的干擾，將TA粉末過量溶于DMF中形成過飽和溶液，再加入聚離子液(比如聚(3-氰甲基-1-乙烯基咪唑雙(三氟甲基磺?；?酰亞胺)，命名為PIL-1)，將混合液體倒入設(shè)計(jì)的Couette電池中，使體系受到均勻的剪切流，僅經(jīng)過30 s，針狀晶體就變得肉眼可見，并在10 min后生長到約440 μm的尺寸(圖8)，1 h更是達(dá)到740 μm。改變不同的結(jié)晶物質(zhì)、聚電解質(zhì)，得到的晶體都能夠在幾至幾十分鐘內(nèi)生長為規(guī)則多面體，并總是比相同條件靜態(tài)培養(yǎng)下的晶體尺寸更大。研究機(jī)理表明，一方面，聚電解質(zhì)類似于鹽析結(jié)晶中的鹽析劑，能夠與結(jié)晶物質(zhì)競爭溶劑，且剪切的存在使得聚電解質(zhì)及其聚集體解纏、展開，進(jìn)一步增大其與溶劑的結(jié)合位點(diǎn)，使得溶質(zhì)的“有效濃度”迅速增大；另一方面，通過公式推導(dǎo)證明剪切速率與溶解度成反比，而剪切最大速率又總是集中于晶體顆粒的尖角處，這就使得大晶核比小晶核優(yōu)先生長，且聚電解質(zhì)的溶劑競爭也更加強(qiáng)烈，從而帶來晶體的更大尺寸。

圖8 TA晶體從相同的TA/PIL-1/DMF溶液中生長10 min內(nèi)的光學(xué)圖像[29]

值得一提的是，聚電解質(zhì)不僅可以充當(dāng)“鹽析劑”，也可以獨(dú)立地發(fā)揮調(diào)控晶體形態(tài)的作用。高敏銳等[30]利用特定的聚離子液體作為晶體的“塑形劑”，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)Bi2S3納米晶體形態(tài)的有效調(diào)控，制備出一系列Bi2S3超長納米線、六方片以及具介孔結(jié)構(gòu)的片晶(圖9)，并且，借助適當(dāng)?shù)木垭娊赓|(zhì)，所生成的Bi2S3還能實(shí)現(xiàn)有效的水氧化催化功能。

圖9 通過不同的聚離子液(PILs)做合成添加劑，可得多種形態(tài)的高質(zhì)量Bi2S3晶體[30]

剪切在晶體生長中的應(yīng)用打破了人們對(duì)剪切流動(dòng)不利于晶體培養(yǎng)的刻板印象，證明剪切作用不再只是因?qū)е露纬珊硕档途w最終尺寸，或是僅僅在某些條件下能夠縮短結(jié)晶成核誘導(dǎo)期、增加晶體數(shù)量，而是能夠通過與其他溶液培養(yǎng)技術(shù)耦合[31,32]，顯著提升晶體質(zhì)量和生長效率的有效手段。目前，該技術(shù)方向還存在巨大的發(fā)展空間，值得進(jìn)一步的理論深化和操作優(yōu)化。

3 溶液結(jié)晶方法與技術(shù)的展望

上述溶液結(jié)晶方法與技術(shù)，一些已作為實(shí)驗(yàn)室晶體培養(yǎng)的常規(guī)方法，如蒸發(fā)結(jié)晶、擴(kuò)散結(jié)晶、溶劑熱法結(jié)晶等；一些已在工業(yè)領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，如冷凍結(jié)晶；一些作為晶體合成領(lǐng)域的新興技術(shù)，如高壓結(jié)晶、超聲結(jié)晶；或甚至還未發(fā)展成為具有系統(tǒng)操作的晶體生長技術(shù)，如剪切應(yīng)用的晶體培養(yǎng)，它們?cè)诮Y(jié)晶機(jī)理與操作條件上仍需進(jìn)一步優(yōu)化。為了使溶液結(jié)晶方法與技術(shù)在理論上更加完備，在操作上更加體系化，具有更廣泛的適用范圍，在此借助5W1H分析法，對(duì)溶液結(jié)晶領(lǐng)域的探索與優(yōu)化思路進(jìn)行討論(圖10)。

圖10 5W1H法分析溶液結(jié)晶領(lǐng)域的探索與優(yōu)化思路

WHY為什么研究它？

此項(xiàng)討論的是研究開展的最本質(zhì)最深層的目的，可能是為了實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新(比如探索剪切、磁場作用對(duì)晶體生長的真實(shí)效用，以推進(jìn)恒溫結(jié)晶方法的進(jìn)步)，也可能是為了滿足實(shí)際需求(比如設(shè)計(jì)出更利于藥物晶體高效量產(chǎn)的結(jié)晶技術(shù))。明確本源目的，不僅有利于在整個(gè)研究過程中抓住核心，也利于具體研究中對(duì)于研究體系的篩選和確認(rèn)，幫助研究工作更高效地開展。

WHAT關(guān)注哪個(gè)方面的改變？

晶體形貌、尺寸、數(shù)量、生長時(shí)間，是我們主要關(guān)注的方面，也是研究中的階段目的。將研究焦點(diǎn)聚集于晶體及其生長的一個(gè)或幾個(gè)具體的方面，有助于定位晶體培養(yǎng)中的核心變量，而基于核心變量的討論將在WHERE部分展開。

WHERE依據(jù)哪些變量展開研究？

核心變量從屬于本文最初提到的幾種影響溶液結(jié)晶的因素，這也是整個(gè)溶液結(jié)晶過程中最易進(jìn)行人為調(diào)控的方面。這一階段屬于橫向變量控制階段，表現(xiàn)為對(duì)條件的布置與改變。

WHEN對(duì)哪個(gè)階段進(jìn)行研究？

這里的階段是指從形成過飽和溶液到晶體生長完畢的整個(gè)階段。對(duì)研究階段的選擇著重表現(xiàn)為對(duì)干擾因素的排除工作，這是一個(gè)縱向變量控制階段。舉例來說，在 Jian-Ke Sun等[29]的研究工作中，為了研究剪切與聚電解質(zhì)引入在晶體生長階段的作用，需排除初始成核階段的干擾，因此他們通過向溶液體系中加入過量TA粉末(平均粒徑2 ± 0.5 μm)來生長晶體，而非從均相溶液中生長晶體。

WHO需要哪些領(lǐng)域的知識(shí)/技能？

這里尤其提出計(jì)算機(jī)技術(shù)在溶液結(jié)晶過程中的應(yīng)用。通過對(duì)過程模擬軟件、過程分析技術(shù)的應(yīng)用，可以更有效地對(duì)結(jié)晶操作過程進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)結(jié)晶過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析與控制。比如，Jian-Ke Sun等[29]，借助流體力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)晶體顆粒周圍的剪切速率在顆粒尖角處保持最大，從而進(jìn)一步完善了他們所提出的結(jié)晶機(jī)理。此外，許多先進(jìn)的在線監(jiān)測技術(shù)，如衰減全反射傅里葉紅外光譜(ATR-FTIR)、聚焦光譜反射測量技術(shù)(FBRM)、顆?？梢暅y量技術(shù)(PVM)、拉曼光譜等，也在近年被應(yīng)用于對(duì)結(jié)晶過程的觀測之中[33]。

HOW怎樣獲得有力的證據(jù)以得出規(guī)律？

這一階段包括理論證明和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)兩個(gè)方面。理論證明上，除了應(yīng)用已知原理進(jìn)行解釋和對(duì)公式進(jìn)行推導(dǎo)證明這兩種常規(guī)方式外，利用上述過程模擬軟件對(duì)結(jié)晶過程進(jìn)行建模分析將是一種新興的有力手段。而在實(shí)驗(yàn)證據(jù)的收集與分析上，除了對(duì)晶體的最終狀態(tài)以及生長時(shí)間進(jìn)行測定，我們也可以利用上述提到的在線監(jiān)測技術(shù)對(duì)晶體的生長過程進(jìn)行監(jiān)測，使得期間的控制與后續(xù)的分析可以聚焦在更加具體的生長片段內(nèi)。同時(shí)，為了排除研究體系中一些不確定性因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的干擾，相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析是必要的，即對(duì)每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)足夠多的次數(shù)，并分析晶體各項(xiàng)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布情況，這一要求也有助于該結(jié)晶技術(shù)的可重復(fù)性證明。

4 結(jié)語

本文根據(jù)達(dá)到溶液過飽和度的不同方式總結(jié)了溶液結(jié)晶的幾種方法以及相應(yīng)技術(shù)，并對(duì)其方法探索與技術(shù)優(yōu)化提供了基本的思路。溶液結(jié)晶雖然已是眾多結(jié)晶方法中較為成熟的一大類，但幾十年來始終擁有著持續(xù)的多角度、多方面的創(chuàng)新與優(yōu)化。未來，基本的溶液結(jié)晶技術(shù)與其他高新技術(shù)的耦合將愈發(fā)普遍，對(duì)于計(jì)算機(jī)模擬與分析的應(yīng)用也將大大加速溶液結(jié)晶領(lǐng)域的深入、全面發(fā)展。