第九节　加速溶剂萃取和亚临界水萃取技术

一、加速溶剂萃取技术

加速溶剂萃取（accelerated solvent extraction，ASE）技术是一项全新的样品预处理自动化方法。它通过升高温度和压力再结合使用适合的有机溶剂，可快速、有效地从样品中分离和提取待测组分。

（一）加速溶剂萃取装置及原理

加速溶剂萃取系统由HPLC泵、气路、不锈钢萃取池、加热炉及萃取收集器等部件组成，如图6-7和图6-8。

其中HPLC泵是一种压力控制泵，萃取池用不锈钢制成。操作时让样品在萃取池提高温度和压力的条件下以压缩气体将待萃取的组分吹入收集瓶，然后供分析测定。加速溶剂萃取操作简便，所用萃取溶剂与索氏萃取法相同，一般萃取温度为150～200℃，压力为3.3～19.8MPa。在上述条件下进行静态萃取，全程约需15分钟。该方法适用于固体或半固体样品的预处理。

（二）影响加速溶剂萃取的因素

用液体有机溶剂萃取时，增加温度和压力较室温和常压下的萃取效率明显提高。

1.温度的影响

增加萃取温度可使体系中各组分的扩散速度加快。当温度从25℃升高至150℃时，扩散系数增大2～10倍，因而明显增大了溶剂扩散到样品基体的速度。从溶解度和质量传递两方面看，升高温度对加速萃取的影响显著，这是因为范德华力、氢键及溶剂分子和基体活性部位的偶极吸引力等均随温度的升高而被削弱。温度升高，液体的黏度减小，有利于加快基体粒子运行速度，提高萃取效率。温度升高也会使溶剂、溶质与萃取物接触增加，加快萃取速度。

2.压力的影响

其他条件一定，液体沸点随压力增大而升高。因而，在试验中，如要在一定温度下获得理想的萃取结果，必须同时施加足够大的压力，保持溶剂为液态。施加压力有利于将已捕获于基体微孔内的待测组分从样品中萃取出来。因为压力大可使溶剂进入那些常压下溶剂不能进入的基体区域。

3.加热方式的影响

加速溶剂萃取是在高压下进行加热，高温的时间一般少于10分钟，故热降解不明显。实际操作中，可根据被处理样品的挥发难易程度，采用两种方式之一对样品进行处理。即预加热法（preheat method）或预加入法（prefill method）。预加热法是在向萃取池加注有机溶剂前先将萃取池加热，预加入法是在萃取池加热前将有机溶剂注入。预加热法适用于萃取不易挥发的组分；预加入法可以防止易挥发组分在萃取过程中的损失。选用适当条件，加速溶剂萃取法既可用于难挥发组分的萃取，也可用于易挥发组分的萃取。

4.选择合适的提取溶剂

这也是加速溶剂萃取优化的重要步骤，溶剂必须能溶解目标分析物，同时减少基质干扰成分的协同提取。除此之外，循环次数、淋洗时间、辅助溶剂等的优化也是加速溶剂萃取需要考虑的因素。

（三）加速溶剂萃取法的应用

加速溶剂萃取技术是近两年发展起来的新技术，因其具有萃取效率高等优点，已在环境、食品、药物等分析检测部门迅速得以应用。以卫生检验为例：用加速溶剂萃取法萃取环境样品中的有机磷农药、有机氯农药、苯类、石油成分等待测组分，快速简便，回收率高；土壤中某些杀虫剂、多氯联苯类、多环芳烃及城市废水与污泥中的多氯联苯、城市灰尘中的多环芳烃等组分均可用加速溶剂萃取技术进行预处理。据有关资料报道，加速溶剂萃取法也能方便地用于生物样品的处理，如萃取鱼及海产品中的多氯联苯。食品中游离脂肪用此法萃取，可避免经典预处理法的繁琐操作，且回收率高。此外，加速溶剂萃取技术与气相色谱、高效液相色谱等技术的联用测定有机氯农药、多环芳烃、多氯联苯、多溴联苯类物质目前已得到较为广泛的应用。研究表明，联用技术的使用提高了方法的灵敏度和可靠性，适用于样品的快速批量测定。

二、亚临界水萃取技术

亚临界水萃取（subcritical water extraction，SCWE）技术是一种较新的不使用或少使用有机溶剂的绿色萃取技术，越来越受到分析工作者的重视。

（一）亚临界水萃取原理

亚临界水（subcritical water）也称为高温水、超热水，是指在一定压力下，将水加热到100℃以上，但在临界温度以下的高温，水体仍然保持在液体状态。通过对亚临界水温度和压力的控制可改变水的极性、表面张力及黏度。此时，亚临界水对有机物的溶解能力会显著增加。亚临界、超临界流体的物理、化学特性的改变，主要与流体微观结构的氢键、离子水合、离子缔合、簇状结构的变化有关，随着温度的增加，亚临界水的氢键被打开或减弱了。下表列出了几种有机溶剂在常温常压下的介电常数和水在不同温度下的介电常数。从表6-1可以看出水在250℃、5MPa时的介电常数为27，介于常温常压下乙醇和甲醇之间，这表明亚临界水应对中极性和非极性有机物具有一定的溶解能力。

从水体、底泥、土壤等环境样品、植物、食物等复杂基体中提取某些化合物时，可以采用亚临界水作为萃取溶剂，萃取所用的水要求是高纯水，萃取前需用氮气除去水中的溶解氧，以避免有机物在亚临界水中被氧化。亚临界萃取可应用于某些有机物的选择性萃取，不同物质的介电常数不同，通过改变亚临界水的温度和压力，使水的极性接近于样品中的待测组分，提高其萃取能力。

亚临界水萃取技术采用纯水作为萃取溶剂，是一种没有污染的新型绿色样品预处理技术。与目前常用的一些预处理方法相比较，对多环芳烃、多氯联苯以及酚类等不同极性有机物的萃取效率有所提高，且具有较好的选择性，萃取时间短。

亚临界水萃取技术是一种简便、快速、对设备要求不苛刻的预处理技术。亚临界水萃取可以采用静态和动态两种操作方法，其加热装置最常见的是气相色谱炉，也可以采用专门的炉子，如马弗炉。此外，亚临界水萃取完成后，通常还后接液液萃取或固相微萃取等富集步骤，再与GC-MS、GC-FID、HPLC等分析技术联用。

（二）影响亚临界水萃取的因素

萃取温度、萃取时间、萃取压力以及萃取溶剂的选择对亚临界水萃取的萃取效率具有一定的影响。

1.萃取温度

亚临界水萃取技术的最主要影响因素是温度。仅仅调整亚临界水的温度，就可选择性地萃取无机或有机物质、极性或非极性有机物质。

亚临界水的温度控制与待测组分有关，通过对水体温度的控制，可以选择性地萃取不同极性的组分。处在亚临界状态下的水，随着温度地增加，可以改变水的极性。

此外，亚临界水萃取的温度还与基体的性质有关。采用亚临界水萃取技术，分别从玻璃担体、氧化铝、硅酸镁载体、硅胶键合C₁₈和聚合XAD-4树脂等吸附材料上洗脱加入的有机物质，发现吸附材料的类型对洗脱效率有很大影响。实验表明，较低的温度就可以破坏吸附质与玻璃担体、氧化铝、硅酸镁载体之间的偶极矩作用，而要求较高温度的亚临界水来打开吸附质与硅胶键合C₁₈之间的范德华力，对于吸附质与聚合XAD-4之间的π电子作用，温度要求则更高，即使在洗脱氯酚类极性较强的物质时，温度仍然要求200℃。

2.萃取时间

亚临界水萃取的时间比较短，一般小于1小时。采用亚临界水萃取目标组分时，当这些组分萃取完全后，如果再延长萃取时间，有时会导致回收率降低，部分萃取出来的物质重新分配回样品。

3.萃取压力

超临界流体萃取（SFE）的压力一般高达40MPa左右，而亚临界水萃取技术对压力的要求较低，它主要受温度的影响，只要适当的压力（小于4MPa）使亚临界水保持在液体状态即可。

4.萃取后处理

在萃取结束后，系统由相对高温高压的状态恢复室温常压时，水的极性急剧增强，萃取到水中的中等极性和非极性物质会有一部分重新分配到样品基体中，存在一个样品/水体平衡。接着进行的液-液萃取或固相萃取、固相微萃取，也存在一个萃取平衡。由于亚临界水萃取出来的物质并不是可以全部收集起来进入仪器分析，因此，在分析实际样品时，必须进行校正。目前，多采用通过加入内标的方法进行校正。通过内标校正后，试验结果与索氏提取结果比较一致，但是在选择内标的时候，必须选择与待测物分子量接近的物质，否则得出的结果就会与索氏提取结果出入太大。为了避免亚临界水降温过程中待测物质重新分配到样品基体中，有学者在亚临界水萃取的过程中加入吸附材料，这样待测物被萃取出来后就被吸附材料吸收，减少重新分配回样品基体的比例。

5.萃取溶剂的改良

亚临界水萃取溶剂主要是水，但可以根据萃取对象不同，在纯水里加入一些改良剂，提高萃取效率。例如，采用硝酸酸化后的亚临界水萃取煤和工业石油中的金属元素，其萃取效率优于纯水；纯水中添加十二烷基磺酸钠，可以提高水体萃取低极性物质的能力。

（三）亚临界水萃取的应用及发展趋势

亚临界水萃取技术与其他样品预处理方法相比，有很多优点。它是一种绿色环保型萃取技术，萃取溶剂是纯水，一般不需要有机溶剂，不会给环境带来污染；萃取时间短，有较好的选择性，通过对萃取条件的控制可以萃取不同极性的物质；重现性好，萃取装置和操作比较简单，萃取条件不苛刻，检出限低，灵敏度高。

亚临界水萃取技术被誉为一种新型的“绿色处理方法”，可弥补超临界CO₂萃取技术仅适用非极性或弱极性化合物的萃取，而对大分子或极性较强的有机物提取效率较低（两者比较见表6-2）。

亚临界水萃取技术与固相萃取、固相微萃取、气相色谱、高效液相色谱技术的联用是目前研究的一个热点。研究表明，在线SCWE-SPE-HPLC与离线系统相比，操作起来更方便，灵敏度也更高。但是这种联用技术的自动化水平和可靠性还有待提高，其主要难点在于连接各技术的接口研究。如何避免因水的温度和压力降低而引起的分析物的损失，是目前亟待解决的关键问题，而联用技术为解决这一问题提供了可能。

亚临界水萃取技术所需的高温可能会使热敏性物质的性质或大分子物质的结构发生不可逆的转变，因此单一使用亚临界水萃取技术并不能满足产品纯度的要求。目前，该技术除了与HPLC、GC、MS等联用应用于有效物的提取与分析测定，提高提取分离效率外，也可将超声波、大孔树脂、微波、生物酶法、分子印迹技术与该技术相结合，可提高产品的品质和提取效率。比如，已有研究利用亚临界水萃取技术与分子印迹技术相结合对样品中三嗪类除草剂进行快速高效的提取研究。寻找或替代更环保的改良剂以及亚临界水萃取技术与其他技术联合使用是今后的重要研究方向。

亚临界水萃取技术在国内外的研究、应用还比较少，除了应用于环境样品预处理外，还应用于天然产物的提取、工业分析、生化分析等领域。亚临界水萃取用于环境样品预处理的研究，主要集中在土壤、水体沉积物、空气颗粒物以及其他一些固体环境样品中的PAHs、PCBs、酚类、有机氯农药、除草剂、杀虫剂的分析预处理。

（高蓉）