超声波萃取仪器(超声波辅助萃取的基本原理)

2019/01/10 作者/ EWG1990仪器学习网
一、微波辅助提取
微波辅助提取（Microwave Assisted Extraction，MAE）是一种相对较新的样品预处理技术，主要有两个应用方向，一个是加酸辅助消解固体样品，提取样品基质中的无机离子；另一个是作为传统索氏提取的辅助或替代方法，提取样品基质中的有机组分。
MAE技术需要专门仪器进行操作。最为常见的是高压密闭微波萃取系统，将固体或半固体样品和萃取溶剂装入密闭的萃取罐中，在微波作用下迅速升温，在高温高压条件下短时间内完成萃取过程。除此之外还有在常压下操作的开放式微波萃取系统，以及进一步将超声波和微波辅助结合的超声-微波辅助萃取系统等。仪器设备比较低廉，方法不破坏组分本身结构，较少被萃取物极性限制，在环境和食品有机分析领域得到越来越广泛的应用。
经高压密闭微波萃取系统操作的样品挥发损失少，通量高，重现性好，而且仪器化程度较高，可对微波的输出功率，以及操作环境的温度、压力等参数实施精密调控和实时监控，操作简单，安全程度更高。有研究比较证明，达到同等提取效率比索氏提取法耗时大幅降低，且方法重现性更高，因此应用范围更广。
与高压密闭式微波萃取系统相比，开放式微波萃取装置则利用家用微波炉进行常压萃取，或将微波炉和索氏提取装置结合，利用微波能辅助萃取。亦可考虑加入超声波，和微波能协同作用。和高压密闭系统相比，开放式操作方式的样品容量较大，且仪器成本更加低廉。
影响萃取效率的主要因素有萃取溶剂的选择、微波功率、萃取温度、升温时间等。溶剂极性越大，对微波能的吸收越大，越有助于快速升温和提高萃取效率；采用高压密闭操作系统时，萃取溶剂的选择不止决定于样品基质和待测样品的性质，还要保证不会与萃取罐发生反应。常用的萃取剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、二氯甲烷、乙腈等；提取活性物质时也可考虑加入少量水或酸，有可能提高萃取效率。此外，因此法采用有机溶剂在高温（有时还有高压）下进行萃取，操作中要注意安全。同时也应注意，该方法的操作原理决定了方法选择性不会很高，所以多用作其他样品预处理技术的前期辅助手段，如在一些应用实例中，萃取液冷却后还需经过SPE等净化手段才能上样分析。
更多的仪器学习资料，在仪器学习网

二、超声波辅助提取
超声波辅助提取（Ultrasound-assisted Extraction，UAE）主要用于固体样品中组分的提取，利用超声波辐射压强产生的强烈空化效应、机械振动、乳化、击碎和搅拌等多重效应，增大物质分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，快速完成提取过程。
和索氏提取法相比，超声波辅助提取法的成作用增强了系统的极性，还可以选择任何种溶剂进行萃取，甚至加入共萃取剂进一步提高溶剂极性，这都有助于提高萃取效率。而达到同等萃取效率所需的萃取时间又大幅缩短，一般只需几分钟或十几分钟即可完成。另一方面，超声波辅助提取法适用于不耐热组分，这为因热不稳定而无法用于索氏提取法的样品提供了更加适合的预处理方法。
超声波提取法的操作步骤非常简单，将固体样品粉碎后用萃取溶剂浸泡，在超声波水浴锅中以一定的温度提取一定时间后，滤出溶剂进行进一步操作。如有必要，可重复萃取样品合并萃取液达到更高的回收效率。因为处理过程会产生热量，如日标组分对温度较为敏感，需考虑在水浴锅中加入冰块控制温度。
影响提取效率的因素包括样品粒度、样品浸泡时间、萃取溶剂的种类和组合、超声波的频率、强度和提取时间等，超声萃取过程的所有参数都可实现仪器化操作。
此法操作步骤很少，萃取过程简单快速，所需仪器设备简单，价格低廉，方法安全方便且成本较低，虽然同微波辅助提取法类似，方法的选择性相对不高，上样前有可能需要对萃取液做进一步净化，但仍很适合用于作为其他样品预处理方法的辅助手段，进行复杂基质固体样品中结构稳定组分的提顶，多在环境污染物提取、食品和化工产品分析等领域使用，还是美国国家环保局推荐的土壤中多环芳烃（PAHs）提取方法之（EPA SW-846-3550C）
三、超临界流体萃取
超临界流体萃取（Super-critical Fluid Extraction，SFE）是指利用超临界状态的流体溶解并分离样品基质中待测组分的预处理技术。所谓“超临界状态”，是指温度和压力同时超过某种气体物质的临界压力和临界温度的状态临界温度，是指某种气体能够被液化的最高温度而临界压力，则是在临界温度时使气体液化的最小压力。当环境温度和压力都超过某种物质的临界值，即处于超临界状态时，该物质即为既非气体也非液体的“超临界流体”超临界流体的密度、黏度和扩散系数都介于气体和液体之间，而且可以通过温度和压力条件的微调实现以上参数的改变，来实现针对样品组分更高的溶解能力，并具有比液体溶剂更好的流动和传质性能。
更多的仪器学习资料，在仪器学习网

常用在SFE的物质包括二氧化碳、水、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、丙酮、乙烯、丙烯等。这些物质的临界温度多介于-80～240℃间，临界压力多为4～8MPa（水的临界温度约为374℃，临界压力约为22MPa）。在绝大多数应用实例中，二氧化碳是首选的超临界流体。它的临界温度约为31℃，临界压力约为7.4MP，临界压力易于实现，本身便宜易得，安全无毒，环境友好；无腐蚀性，不破坏设备；无溶解污染，在常温常压下非常容易挥发为气体而和样品组分完全分离；又有高扩散性，溶剂强度易于调节；兼具化学惰性和较低的操作温度，非常适合热不稳定和易氧化组分的提取。但二氧化碳也有缺点，它只适合提取非极性组分，对于极性组分，需要考虑加入少量的极性改性剂（如1％～10％甲醇），以增加对极性组分的溶解度，以及降低样品组分和基质间的相互作用，从而进一步提高萃取效率。
SFE方法的理论基础比较深厚，在实际应用中可以据此调节操作条件优化方法不难理解，影响SFE提取效率的主要因素为压力和温度。一般来说，当采用二氧化碳做溶剂时，溶解能力和操作条件的关系比较直观。在温度相同时压力增加会导致流体密度增加，而这将直接导致流体溶解能力的增加。在压力相同时，情况则稍微复杂一些。对于非挥发性样品，温度升高时会因溶解能力降低而导致提取效率降低。对于挥发性样品，温度升高时虽然溶解能力降低，但与此同时样品本身的挥发性又对提取效率有所帮助；进一步，样品的挥发性（蒸气压）又和环境压力有关系，因此不同操作压力下的最佳提取温度需要根据不同的提取组分具体优化。
SFE操作的基本流程为，将预先粉碎的固态或液态（如油类）样品放置在提取器中，用压缩二氧化碳溶解待测组分，并转移进入组分收集器，再减压将二氧化碳转为气态排出，即，不同可实现样品组分和基质及提取“溶剂”的完全分离。如果样品基质中有多个目标组分，不同组分的溶解度不同，则可利用压力对溶解度的直接影响，通过改变压缩二氧化碳的操作压力，将不同组分逐一提取出来。另一方面，当样品基质非常复杂时，如果直接用过高的压力进行萃取，很有可能因溶解能力很高而导致多种组分同时溶出，对后续进一步处理或上样分析造成困难。在这种情况下，逐渐改变提取压力也有助于减少共溶出组分，简化后续操作。针对具体样品，当然也可考虑在恒压条件下改变温度实现样品组分的提取与分离，但如前所述，因为温度对提取效率的影响很大程度上依赖于样品组分本身的性质，这种操作方式不如恒温操作应用范围广。
一般认为，如果样品基质很易分离而待测组分的溶解度非常大，采用不断注入压缩二氧化碳的动态萃取法就能获得满意的提取效果。但通常来说，当样品基质比较复杂，质地比较致密时，最好先用压缩二氧化碳静态萃取一段时间（一般数十分钟），再结合动态萃取，方能显著提高方法的提取效率。在动态萃取过程中，压缩二氧化碳的流速对提取效率也有显著影响；流速越慢，“溶剂”在样品基质中的渗透和传质就会越好，但提取过程也会越长。应从提高单位时间内提取量的角度优化萃取流速。
样品基质的粒度、装填密度和水分含量也会影响SFE提取效率。对于固态样品，适当降低粒度能够增加表面积，通常有利于提高提取效率。不同处理批次中装填密度应尽量保持相同，这有利于获得稳定的提取效率。在处理天然产物和生鲜食品时，样品中的水分不可避免；水分的存在对SFE的影响比较复杂，既可能帮助增加溶剂的渗透性能和极性，对提取极性较强的组分有利；但另一方面，如果水分含量过高，也有可能导致高水溶性的组分留在水相中，无法被溶剂带出，或者需要在样品分离阶段多加去除水分的处理。
SFE的提取介质为超临界流体，本就无法在常压环境下操作，其提取效率又对操作条件的改变非常敏感，因此必须借助仪器精准控制操作条件。和其他样品预处理技术相比，该法具有三大特点。其一，提取过程自动化程度很高；其二，易于实现和分析仪器，如HPLC、GC和SFC（超临界流体色谱）的在线联用；其三，非常适合制备级别的样品预处理过程。
更多的仪器学习资料，在仪器学习网

近年来SFE的商品化应用范围不断扩大，如香精香料提取和食品药品中目标组分提取，聚合物材料分离和精确组分清洗等。因为涉及高压操作系统，设备投入相对较高，但方法在从分析级到制备级的各类实验室包括生产线中都大有用武之地。
免责声明：文章仅供学习和交流，如涉及作品版权问题需要我方删除，请联系我们，我们会在第一时间进行处理。