第十节　超临界流体萃取技术

超临界流体萃取（supercritical-fluid extraction，SFE）是用超临界流体作为萃取溶剂进行萃取的一种技术。从20世纪80年代起，SFE的发展就呈现出了前所未有的势头，成为分析化学领域一种新的样品制备方法。与索氏提取和液-液萃取等传统方法相比，SFE具有效率高，费时少，不使用或少使用有机溶剂，萃取流体易与萃取物分离，自动化程度高等优点。因而，SFE技术广泛应用于食品、石油、化工、医药及环境保护等领域。

一、超临界流体及其萃取原理

根据温度和压力的不同，纯净物质呈现出液体、气体、固体等状态变化。三相平衡、共存时的特定状态点称为三相点。当继续提高温度和压力并达到某一特定值时，气-液两相达成平衡状态，液体与气体界面消失，这一状态点称为临界点。临界点时的温度、压力分别称为临界温度、临界压力。超临界流体（supercritical fluid，简称SF或SCF）指的是处于临界点以上温度和压力区域下的流体。在临界点附近，流体的密度、黏度、溶解度、热容量和介电常数等所有物性将发生急剧变化。超临界流体具有气体和液体的双重特性，其黏度与气体相似，而扩散系数比液体大得多，其密度与液体相近。

超临界流体萃取分离就是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的萃取分离。在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其选择性地把极性不同、沸点不同及分子量不同的组分依次萃取出来。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以通过控制条件进行分离，获得最佳比例的混合组分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，因此，超临界流体萃取过程是由萃取和分离组合而成的。

通常应优先选择那些临界条件较低的物质作为超临界流体萃取剂。常见的溶剂中，水因其临界值高，故较少使用；CO₂使用率最高，因为它不但临界值相对较低，而且还具有以下显著优点：化学性质稳定，不易与溶质发生化学反应；无臭、无味、无毒、不会造成二次污染；纯度高，价格适中，便于推广应用；沸点低，易于从萃取后的馏分中除去，后处理较为简单；萃取过程无须加热，适用于对热不稳定的化合物的萃取。

二、超临界流体萃取的流程与操作模式

超临界萃取装置可以分为两种类型，一是研究分析型，主要应用于少量物质的分析，或为生产提供数据。二是制备生产型，主要应用于批量或大量生产。

1.仪器的组成及萃取流程

超临界萃取装置包括三部分。第一部分是超临界流体发生源，它由萃取剂贮槽、高压泵及其他附属部件构成，其作用是将萃取剂由常温常压态转变为超临界流体；第二部分是萃取部分，由样品萃取管及附属部件构成，超临界状态的萃取剂将待分离组分从样品中溶解出来，并借助超临界流体的流动作用使之与样品的共存组分分开；第三部分是减压分离部分，由喷口和吸收管组成。含有待分离组分的超临界流体经喷口后减压降温转变为常温常压态，流体则挥发逸出，而被萃取组分被吸收管中多孔填料所吸附，最后用适当的淋洗液洗脱备用（图6-9）。

2.操作模式

超临界流体萃取可分为动态萃取、静态萃取和循环萃取三种方式。动态法是将萃取剂通过样品萃取管，使待测组分直接从样品中分离出来进入吸收管。该法简便、快速，十分适合于萃取在超临界萃取剂中溶解度很大的组分；静态法是先用超临界流体萃取剂“浸泡”样品，再将“浸泡液”输入吸收管。该法操作比动态法费时，但对于萃取样品中共存组分较难分离的待测物或在萃取剂中溶解度不大的待测组分较为合适；循环法是将动态法和静态法相结合的一种方法。操作时先将萃取剂充满装有样品的萃取管，再用循环泵使流体反复流经管内的样品，故其萃取效率高于静态法，同时可以克服动态法的缺点，适用于处理动态法不宜萃取的样品。

三、超临界流体萃取技术的影响因素

超临界流体萃取技术受多种因素影响，主要有以下5项。①萃取压力。萃取压力是SFE最重要的参数之一。萃取温度一定时，压力增大，流体密度增大，溶剂强度增强，溶剂的溶解度增大。不同的物质，其萃取压力有很大的不同。②萃取温度。温度对超临界流体溶解能力的影响比较复杂，在一定压力下，升高温度时，一方面被萃取物挥发性增加，增加了被萃取物在超临界气相中的浓度，使萃取量增大；但另一方面，超临界流体密度降低，化学组分溶解度减小，导致萃取量减少。因此，在选择萃取温度时要综合考虑这两个因素。③萃取颗粒大小。粒度大小可影响提取回收率，减小样品粒度，可增加固体与溶剂的接触面积，使萃取速度提高。但如果粒度过小、过细，不仅会严重堵塞筛孔，还会堵塞萃取器的出口过滤网。④CO₂的流量。CO₂流量变化对超临界萃取有两个方面的影响。一方面CO₂的流量太大，会造成萃取器内CO₂流速增加，CO₂停留时间缩短，与被萃取物接触时间减少，不利于萃取率的提高。但另一方面，CO₂的流量增加，可增大萃取过程的传质推动力，相应地增大传质系数，使传质速率加快，从而提高SFE的萃取能力。因此，在超临界流体萃取中，合理选择CO₂的流量相当重要。⑤夹带剂的选择。极性较大的溶质在超临界CO₂中溶解较差，难以萃取，但若加入适当的夹带剂改变溶剂的活性，在一定条件下，就可以萃取出来，而且萃取条件要求会更低，萃取率更高。常用的夹带剂有甲醇、氯仿等。夹带剂的种类可根据萃取组分的性质来选择，加入的量一般通过实验来确定。

四、超临界流体萃取技术的应用

作为一种实用的样品预处理技术，超临界流体萃取特别适用于处理烃类和非极性脂溶性化合物，已被广泛用于各种香料、草本植物中有效成分的提取。例如，德国、美国等国的咖啡厂利用超临界流体萃取技术脱除天然咖啡豆中的咖啡因，处理后的咖啡仍然保留其特有的芳香物质。该技术还广泛应用于啤酒生产中啤酒花的萃取，植物油中香精油等风味物质的萃取，从动物油中萃取各种脂肪酸，从天然产物中萃取药用成分等。在卫生检验领域中，也已采用超临界流体萃取技术处理样品，固体样品尤其适用超临界流体萃取技术进行处理，其代表性的应用见表6-3。

超临界流体萃取与其他分析仪器联用，可以避免样品转移损失，减少各种人为误差。例如，用经典样品预处理、脱机超临界流体萃取和联机超临界流体萃取三种技术分别处理测定城市灰尘中的多环芳烃，结果表明联机操作方法结果优于其他两种方法。

超临界流体萃取与其他分析方法的联用技术在卫生检验中的应用范围不断扩大，尤以色谱分析应用最广。例如超临界流体萃取-气相色谱（SFE-GC）、超临界流体萃取一超临界流体色谱（SFE-SFC）、超临界流体萃取-高效液相色谱（SFE-HPLC）等。经SFE预处理的样品绝大多数可进行GC分析或SFC分析，而且分离效率高，因此，SFE/GC、SFE/SFC联用技术的应用比SFE/HPLC更为普遍。相对而言，SFE/GC的操作比SFE/SFC的更简便。所以凡能用GC分析的组分应优先考虑选用SFE/GC技术进行分析。无论在样品消耗量，所需溶剂量及样品处理所需时间等方面，联机分析比经典方法及单独预处理方法都具有更明显的优势，已被用于分析空气、水质、生物材料等样品中的多环芳烃、多氯联苯、各种农药残留量等有毒有害成分。

超临界流体具有高密度、高扩散率、低黏度等特点，从而决定了超临界流体萃取具有经典方法无法比拟的优越性。用超临界流体萃取技术预处理样品的速度比经典方法快10～100倍；由于全过程不用有机溶剂，因此萃取物无溶剂残留，同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染；能把高沸点、低挥发度、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来；超临界流体萃取技术与其他仪器分析方法联用避免了样品转移过程的损失，提高了分析方法的灵敏度及分析结果的精密度和准确度。这对于生物材料及其他复杂的环境样品中待测组分的分析特别合适。SFE预处理技术还存在一些不足：它的萃取对象多数仍局限于非极性或弱极性物质，对含有羟基、羧基等极性基团的物质则难以萃取或无法萃取，尽管可用加入其他试剂的方法来提高萃取剂的极性，增大对极性物质的溶解度，但应用范围依然十分有限；对于食品中的糖、氨基酸、蛋白质、核酸及纤维素等分子量较大的物质的分析，用超临界流体萃取预处理样品也不甚理想。如何将其萃取范围扩大到极性物质甚至离子型物质，是超临界流体萃取预处理技术有待突破的一个重要问题。