离子液体双水相萃取——高效液相色谱法测定环境水样及食品中痕量诺氟沙星文献综述

离子液体双水相萃取高效液相色谱法测定环境水样及食品中痕量诺氟沙星背景情况

1. 离子液体双水相体系简介

一般而言,双水相系统(ATPS)是指把两种聚合物或一种聚合物与一种盐的水溶液混合在一起,由于聚合物与聚合物之间或聚合物与盐之间的不相溶性而形成互不相溶两相。近年来,一种新型绿色溶剂离子液体的出现引起各国学者的广泛关注。离子液体是指在由离子组成的室温时呈液态的液体,一般由有机阳离子和无机阴离子组成。该双水相体系是由一种有机盐(亲水性离子液体)和一种无机盐(磷酸盐)形成,不同于传统意义的双水相体系。

2．离子液体双水相萃取在抗生素分离与提取中的应用

上世纪九十年代至今发现用双水相萃取技术处理小分子如抗生素和氨基酸等可以取得比较理想的效果,开辟了双水相萃取技术应用的新领域。多数抗生素都存在于发酵液中,提取工艺路线复杂,能耗高,提取过程易变性失活。而双水相萃取在抗生素中具有较大的应用价值,萃取提取涉及到各类抗生素。离子液体/无机盐双水相与传统的聚合物/无机盐双水相一样可应用于抗生素的萃取分离。离子液体作为一种环境友好的反应介质, 具有熔点低、蒸气压小、电化学窗口大、酸性可调及良好的溶解度、黏度和表面张力等特点。

本课题的研究意义

1.诺氟沙星介绍

诺氟沙星为喹诺酮类药物。氟喹诺酮类药物是目前广泛应用的最重要抗生素之一。在畜禽和水产养殖中使用十分普遍, 通过任何途径摄入这些抗生素会在人体中蓄积。由于氟喹诺酮类药物的理化性质和广泛的抗菌谱，其不仅作为人药也广泛应用在食品生产的动物中动物疾病的预防或治疗方面，甚至作为生长促进剂。作用机制与DNA存在时的旋转酶、拓扑异构酶IV有关。喹诺酮类药物可发生中、重度光敏反应和光毒性反应, 可致重症肌无力症状加重、呼吸肌无力而危及生命, 且有潜在的致癌性和遗传毒性,同时还容易使病菌产生耐药性。许多国家已设置了几种氟喹诺酮类药物在食物中的最大残留限量。因此，在鸡蛋，牛奶，肉，和其他动物产品中监测氟喹诺酮类药物残留对于人类消费是非常重要的。

2. 离子液体双水相在其萃取中的意义

双水相萃取与传统的萃取及其他分离技术相比具有操作条件温和、处理量大、易于连续操作等优点。作为一种高效而温和的新型绿色分离体系,离子液体双水相体系结合离子液体和双水相萃取的优点,萃取过程中在保持生物物质的活性及构象等方面有明显的技术优势。与传统的亲水性聚合物-无机盐双水相体系相比,离子液体双水相体系具有分相时间短、黏度低、萃取过程不易乳化且离子液体可以回收利用等优点, 这些优点刚好克服了传统双水相体系的缺点, 因此, 离子液体双水相体系受到越来越多研究者的关注。

本课题的研究内容

1．离子液体加入量对诺氟沙星萃取率的影响。

2. NaH₂PO₄加入量对诺氟沙星萃取率的影响。

3. 体系pH对诺氟沙星萃取率的影响。

4. 体系温度对诺氟沙星萃取率的影响。

5. 高效液相方法学考查以及双水相体系适用性。

6. 环境水样、牛奶、鸡蛋的预处理及加标回收实验。

文献综述

1.离子液体双水相萃取技术及研究进展

离子液体并不是一个新物种,早在1914年P.Walden就发现了硝酸乙基铵[EtNH₃][NO₃]的熔点只有12℃,这是世界上第一个离子液体。20世纪70年代第一次成功地制取了室温氯铝酸盐离子液体。20世纪80年代早期氯铝酸盐离子液体作为极性溶剂开始被研究,从这时起,离子液体开始广为人知。80年代后期离子液体开始作为新的反应介质和有机反应的催化剂,成为了炙手可热的化学热点。涉及的领域也越来越宽,特别是近几年来随着人们环保意识的加强,对离子液体的研究日趋广泛。

离子液体能溶解许多无机物、有机物和聚合物而同大量有机溶剂不混溶,其本身非常适合作为新的液一液提取的介质。例如：离子液体从生物燃料ABE的发酵液中回收丁醇,采用[Bmin][PF₆]离子液体在175℃下处理油页岩提取石油,萃取率比采用己烷提高10倍,利用对牛磺酸溶解度较大的[Bmin][Cl]离子液体作为浸取剂,分离收率高达97％。

离子液体双水相的形成最早是在2002 年由杜邦^[1]发现的。他们用[ C₄mim]Cl 和KBF₄ 合成离子液体[C₄mim]BF₄ 时发现,由于盐析效应KCl 的存在可以使与水互溶的离子液体[C₄mim]BF₄ 和水形两相。但离子液体双水相体系的的概念由Rogers及其合作者于2003年首次提出。

（1）基本原理

双水相体系萃取分离原理是基于物质在双水相体系中的选择性分配。当物质进入双水相体系后，在上相和下相间进行选择性分配，这种分配关系与常规的萃取分配关系相比，表现出更大或更小的分配系数。如各种类型的细胞粒子、噬菌体的分配系数都大于100 或者小于0. 01。其分配规律服从Nernst 分配定律，即k = ct / cb，式中ct、cb分别代表上相、下相中的溶质（分子或粒子）的浓度。研究表明，在相体系固定时，预分离物质在相当大的浓度范围内，分配系数K 为常数，与溶质的浓度无关，只取决于被分离物质本身的性质和特定的双水相体系的性质^[2]。

离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐，也称为低温熔融盐。离子液体作为离子化合物，其熔点较低的主要原因是因其结构中某些取代基的不对称性使离子不能规则地堆积成晶体所致。它一般由有机阳离子和无机阴离子组成，常见的阳离子有季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡啶盐离子等，阴离子有卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子等。

离子液体双水相体系( Ionic liquids aqueoustwophase system, ILATPS)通由一种有机盐(亲水性离子液体)、一种无机盐(如磷酸盐、碳酸盐、氢氧化物等)和水形成, 它综合了离子液体和双水相体系的优点。

（2）体系特点

离子液体/盐双水相作为一种新型的绿色体系, 在分离和纯化方面表现出更大的优势[4]:

①体系易于放大, 各种参数可以按比例放大而产物的回收率并不降低, 这点对于工业应用尤为有利;

②体系内传质和平衡速度快, 回收率高, 可达到90%以上, 比起其他的一些分离过程, 其能耗小;

③体系的相间张力大大低于有机溶剂与水的相间张力, 分离条件温和, 因而能保持绝大部分生物分子的活性;

④操作条件温和, 整个过程可在常温常压下进行;

⑤离子液体的蒸汽压几乎为零, 不会出现像有机溶剂那样因挥发而引起环境问题;

⑥与传统的高聚物双水相相比, 可更好的控制乳化现象。

（3）理论发展

Gutowski等^[3]于于2003年首次提出了离子液体双水相的概念, 研究发现了亲水性离子液体[ Bmim] Cl和水合磷酸钾可以形成上相富集离子液体和下相富集磷酸钾的双水相体系, 并且证明这一双水相体系可能在分离萃取上有极好地应用前景。此后, 陆续报道的可形成双水相体系的离子液体包括: [ Bmim] Cl 、[ Hmim] Cl 、[ Omim] Cl 、[ Dmim] Cl、[ Bmmim] Cl 、[ BPy] Cl 、[ TBA] Cl 、[ TBP] Cl、[ Bmim] Br、[ TBA] Br、[ Bmim] BF₄、[ BPy] BF₄和[ Bmim]NO₃等。可形成离子液体双水相的无机盐包括: K₃PO₄、K₂HPO₄、Na₂HPO₄、NaH₂PO₄、( NH₄)₂SO₄、K₂CO₃、Na₂CO₃、KOH、NaOH等。另外, 张锁江等^[4]发现, 亲水性离子液体[ Bmim] BF4和糖也可以形成双水相体系。

目前, 关于离子液体双水相体系液-液相平衡的数据也在不断涌现。夏寒松等^[5]研究了影响离子液体双水相形成的主要因素。Bridges等^[6]测定了离子液体[ Bmim] Cl 、[ BPy] Cl、[ Bmmim] Cl 、[ TBA] Cl、[ TBP] Cl和无机盐K₃PO₄、K₂HPO₄、K₂CO₃、(NH₄)₂SO₄、KOH所形成的多种双水相体系的相图。Deng等^[7]报道了3种离子液体( [ Bmim] Cl、[Hmim] Cl和[ Omim] Cl) 及两种无机盐( K₃PO₄和K₂CO₃)形成的6种双水相体系的相平衡数据。ZafaraniMoattar 等^[8]研究了[ Bmim] Br/K₃PO₄ 和[ Bmim] Br/K₂HPO₄ 双水相体系的相行为, 提供了这两个体系的相平衡数据。Pei等^[9]测定了不同碳链长度( C₄-C₁₀)的离子液体[Bmmi ] Cl 、[Hmmi ] Cl 、[ Bmmi ] Br、[Hmmi ] Br、[ Omim] Br、[ Dmim] Br和无机盐KOH、K₂HPO₄、K₂CO₃、K₃PO₄ 所形成的多种双水相体系在25.15℃下的相平衡数据及部分体系在35.15和45.15℃的相平衡数据。刘丙艳等^[10]采用浊点密度法测定了[ Bmim] BF₄/Na₂CO₃ 双水相体系的液-液相平衡数据, 并作了关联计算。

2. 双水相萃取技术的应用

（1）萃取分离抗生素

离子液体/无机盐双水相与传统的聚合物/无机盐双水相一样可应用于抗生素的萃取分离。

Soto等^[11]考察了应用[ Omim] BF₄/NaH₂PO₄双水相分离阿莫西林和氨苄青霉素, 比较了两种不同pH( pH4和pH8)对分配系数的影响, 并用NRTL模型对实验数据进行了拟合。结果表明,离子液体与抗生素分子间的静电相互作用对抗生素在双水相中的分配系数有重要影响; 抗生素的分子结构也影响其在离子液体中的溶解度; 带有活度系数的简单液液萃取模型( NRTL模型)可以很好地解释离子液体萃取相关实验数据。

刘庆芬等^[12]用[ Bmim] BF₄/NaH₂PO₄ 双水相体系分离了青霉素G钾盐, 考察了NaH₂PO₄ 浓度、青霉素浓度以及离子液体用量对双水相形成和萃取率的影响。结果表明: 离子液体双水相萃取青霉素是一项高效分离新技术, 体系pH为4-5时, 青霉素的萃取率可达93.7%, 萃取过程不发生乳化现象, 而且青霉素的降解率也有所降低。Jiang等^[13]在采用相同的体系萃取青霉素后, 又采用憎水性离子液体[ Bmim] PF₆ 对富离子液体相进行了二次萃取, 以此实现离子液体与青霉素的分离。

（2）分离提纯蛋白质

邓凡政等用亲水性离子液体[C₄min][BF₄]-KH₂PO₄双水相体系萃取分离牛血清白蛋白(BSA)。研究了不同种类盐、盐的浓度、离子液体浓度以及蛋白质浓度、

溶液pH值及其它共存物质对双水相体系成相的影响和BSA萃取效率的影响。结果表明,KH₂PO₄浓度为80g/L,离子液体浓度为160～240g/L,BSA浓度为30～50mg/L ,溶液酸度在pH4～8之间,离子液体双水相体系对BSA有较高的萃取率^[14]；并成功提取了苋菜红和芦丁。

（3）在药物分析中的应用

离子液体双水相萃取技术作为一种新型的萃取技术已经成功地应用于药物分析中。

Li等^[15]采用离子液体[ Bmim] Cl/K₂HPO₄ 双水相体系从罂粟壳中萃取鸦片碱, 并提出了一种利用离子液体双水相技术结合高效液相色谱法测定鸦片碱的新方法。

那吉等^[16]用亲水性离子液体[ BPy] BF₄ 和(NH₄)₂SO₄ 形成的双水相体系萃取分离芦丁。研究了( NH₄)₂SO₄ 浓度、芦丁溶液浓度、离子液体用量和溶液酸度对双水相形成和萃取率的影响。结果表明, 当双水相体系组成为: 1.5 g(NH₄)₂SO₄, 2.0mL离子液体, 1.0-1.2mL芦丁溶液, 溶液酸度在pH4-6范围内, 该离子液体双水相体系对芦丁有较高的萃取率(E%gt;90)。

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