微波快速无溶剂萃取仪

萃取（Solvent Extraction）是有机化学实验中用来提取或纯化有机化合物常用的操作之一。应用萃取可以从固体或液体混合物中提出所需要的物质，也可以用来洗去混合物中少量杂质。通常前者称为“抽提”或“萃取”，后者称为“洗涤”（Solution Washing）。

1.基本原理

萃取和洗涤的基本原理都是利用物质在互不相溶（或微溶）的溶剂中的溶解度或分配比的不同而达到分离的目的。

分配定律是萃取方法的主要理论依据。物质对不同的溶剂有着不同的溶解度。同时，在两种互不相溶的溶剂中，加入某种可溶性的物质时，它能分别溶解于这两种溶剂中。实验证明，在一定温度下（不发生分解、电解、缔合和溶剂化等作用），该物质在两种溶剂中的浓度之比是一个定值。不论所加的物质量是多少，都是如此。用公式表示为

cA/cB＝K

式中，cA、cB分别表示一种化合物在两种互不相溶的溶剂中的质量浓度；K是一个常数，称为分配系数。

有机物质在有机溶剂中的溶解度一般比在水中的溶解度大，所以可以将它们从水溶液中提取出来。在萃取时，若在水溶液中加入一定量的电解质（如氯化钠），利用盐析效应以降低有机物和萃取溶剂在水溶液中的溶解度，常可提高萃取效果。

用得较多的有机溶剂有：乙醚、苯、四氯化碳、氯仿、石油醚、醋酸酯等。为了除去有机物中的少量酸、碱等，一般用5%的氢氧化钠、5%或10%的碳酸钠或碳酸氢钠、稀盐酸、稀硫酸等洗涤有机化合物，使杂质酸或碱与萃取剂反应形成盐而更多地进入水相。

要把所需要的化合物从溶液中完全萃取出来，通常萃取一次是不够的，必须重复萃取数次。当用一定量的溶剂萃取或洗涤时，是一次萃取好呢，还是多次萃取好呢？利用分配定律的关系，通过简单的推导可以得出结论。

设：V为原溶液的体积，W0为萃取前化合物的总量，W1为萃取一次后化合物剩余量，W2为萃取两次后化合物剩余量，Wn为萃取n次后化合物剩余量，Ve为萃取溶剂的体积。

经一次萃取，原溶液中该化合物的质量浓度为W1/V，而萃取溶剂中该化合物的质量浓度为（W0-W1）/Ve，两者之比等于K，即

整理后

同理，经两次萃取后，则有

即

因此，经n次萃取后

当用一定量溶剂萃取时，希望在水中的剩余量越少越好。而上式中KV/（KV＋Ve）总是小于1，所以n越大，Wn就越小。也就是说，把溶剂分成几份，做多次萃取比用全部量的溶剂做一次萃取效果好，即按照“少量多次”原则。但应注意，上面的公式适用于几乎和水不互溶的溶剂，如苯、四氯化碳等。而与水有少量互溶的溶剂，如乙醚，上面公式只是近似的，但还是可以定性地指出预期的结果。

2.实验操作

（1）液-液萃取。

①液-液分次萃取。在实验中用得最多的是水溶液中物质的萃取。最常使用的萃取器皿为分液漏斗，如图2-30所示。其中图2-30（a）为球形分液漏斗，图2-30（b）为长锥形分液漏斗。漏斗越长，摇振之后分层所需的时间也越长。当两液体密度相近时，采用球形分液漏斗较为合适，但球形分液漏斗在分液时，液面中心会下陷，呈旋涡状，且两液层的界面中心也会下陷，因而不易将两液层完全分开，故当界面下降至接近下端旋塞时，放出液体的速度必须非常缓慢。锥形分液漏斗由于锥角较小，一般无此缺点。

图2-30　分液漏斗
（a）球形；（b）长锥形

·选择一个容积较液体体积大一倍以上的分液漏斗，把活塞涂好润滑脂或凡士林，检查是否漏水。

·将分液漏斗架在铁圈上，关闭下端旋塞，先加入被萃取溶液，再加进萃取剂（一般为被萃取溶液体积的1/3左右），总体积不得超过分液漏斗容积的3/4。塞上顶塞（顶塞不要涂抹凡士林。较大的分液漏斗塞子上有通气侧槽，漏斗颈部有侧孔，应稍加旋动，使通气槽与侧孔错开）。

·取下分液漏斗，先把分液漏斗倾斜，使漏斗的上口略朝下，右手捏住上口颈部，并用食指根部压紧塞子，以免盖子松开，用左手拇指、食指和中指控制漏斗的旋塞，控制旋塞的方式既要防止振摇时旋塞转动或脱落，又要便于灵活地旋开旋塞，如图2-31所示。

图2-31　分液漏斗的振摇和分液

·轻轻振摇后，将漏斗的上口向下倾斜，下部支管斜向上方，打开活塞“放气”。如此重复几次至放气时压力很小，再剧烈振摇几次。将漏斗放回铁圈中静置。当使用低沸点溶剂，如乙醚、苯或用碳酸钠溶液中和酸性溶液时，漏斗内部会产生很大的气压，及时放出这些气体尤其重要，否则，因漏斗内部压力过大，会使溶液从玻璃塞子边渗出，甚至可能冲掉塞子，造成产品损失或打掉塞子。特别严重时会造成事故。每次“放气”之后，要注意关好活塞，再重复振摇。振摇结束时，打开活塞做最后一次“放气”，然后将漏斗重新放回铁圈上去。旋转顶塞，使出气槽对准漏斗颈部的侧孔，静置，使乳浊液分层。

·待分层清晰后，打开上面顶塞，在分液漏斗下放置一容量合适的锥形瓶，将活塞缓缓旋开，使下层液体放至锥形瓶中。开始时可稍快一点，当分层液面接近活塞时，应稍慢一点。

·上层液体由上面漏斗口倒出，不可以从活塞放下，以免被残留在漏斗颈中的下层液体玷污。

一般情况下，液层分离后，密度大的溶剂在下层，有关溶剂密度的知识可用来鉴定液层。但也有例外，因为溶质的性质及浓度可能使两种溶剂的相对密度颠倒过来，所以要特别留心。为保险起见，最好将两液层都保留，直至对每一液层确认无误为止。否则可能误将所需要的液层弃去。如果遇到两液层分辨不清，可用简便方法鉴定：在任一层中取少量液体加入水，若不分层，说明取液的一层为水层，否则为有机层。

应当使含有所需物质的溶剂层不要带水，也没有絮状物，否则会给以后的纯化处理带来很大麻烦。

在萃取时，特别当溶液呈碱性时，常常会产生乳化现象；有时由于溶剂互溶或两液相相对密度相差较小，使两液相很难明显分开；有时会产生一些絮状沉淀，夹杂在两液相之间。以上情况都使分离困难。破坏乳化和除去絮状物的办法有如下几种：

·较长时间静置；

·加入少量电解质，以增加水的相对密度，由于盐析效应使有机化合物在水中溶解度降低，可破坏乳化现象；

·若溶液为弱碱性，可加入少量稀酸，以破坏乳化现象和絮状物；

·有时也可加入少量乙醇或其他第三种溶剂；

·若被萃取液中含有表面活性剂而造成乳化，只要条件允许，即可用改变溶液pH的方法来使之分层；

·若被萃取液中存在少量轻质固体，在萃取时，常聚集在两相交界面处，使分层不明显，可以将混合物过滤后再静置分层。

选择作为萃取剂的有机溶剂时，既要考虑对被萃取物质的溶解度大，又要顾及萃取后易于与该物质分离，因此，所选溶剂的沸点最好低一点。一般水溶性比较小的物质可用石油醚萃取，水溶性较大的物质（极性较大）可用乙醚萃取，水溶性更大的，可用乙酸乙酯萃取。由于有机溶剂或多或少溶于水，所以第一次萃取时溶剂用量要比以后几次多一些。

也可选用5%～10%的氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠水溶液或稀盐酸、稀硫酸及浓硫酸等作为萃取剂。碱性萃取剂可以从有机相中移出有机酸，或从有机化合物中除去酸性杂质（使酸性杂质形成钠盐而溶于水中）。稀盐酸及稀硫酸可以从混合物中萃取出有机碱或除去碱性杂质。浓硫酸可以从饱和烃中除去不饱和烃或从卤代烷中除去醇、醚等杂质。

②液-液连续萃取。当有机化合物在被萃取液体中的溶解度大于在萃取剂中的溶解度时，必须用大量溶剂并经过多次萃取才能达到萃取的目的。然而，处理大量溶剂既费时，又费事，也不经济，而使用较少溶剂分多次萃取也相当麻烦。为了提高萃取效率，减少溶剂用量和被纯化物的损失，多采用连续萃取装置，使溶剂在萃取后能自动流入加热器，受热汽化，冷凝变为液体再进行萃取，如此循环即可萃取出大部分物质。此法萃取效率高，溶剂用量少，操作简便，损失较小。使用连续萃取方法时，根据所用溶剂的相对密度小于或大于被萃取溶液相对密度的条件，应采取不同的实验装置，如图2-32～图2-35所示。

图2-32和图2-33为重溶剂萃取器。它适用于用密度较大的溶剂从密度较小的溶液中萃取有机物，如用氯仿萃取水溶液中的有机物。萃取时，加热支管下部的圆底瓶，蒸气沿上支管升腾进入冷凝管，冷凝的液滴在下落途中穿过轻质溶液并对之萃取，然后落入底部萃取剂层中。萃取剂的液面升至一定高度后，即从下支管流回圆底瓶中，继续蒸发萃取。若萃取剂密度小于溶液密度，萃取剂就不能自上而下穿过溶液层，这时宜采用图2-34所示的轻溶剂萃取器。它是让从冷凝管中滴下的轻质萃取剂进入内管，内管液面高于外管液面，靠这段液柱的压力将轻质萃取剂压入底部，并从内管下部逸出进入外管，轻质萃取剂即可自下而上地穿过较重的溶液层并对其萃取。当萃取剂液面升至支管口时，即从支管流入圆底瓶，在圆底瓶中受热蒸发重新进入冷凝管。图2-35所示为轻/重溶剂均适用的萃取器。

图2-32　重溶剂萃取器

图2-33　重溶剂萃取器

图2-34　轻溶剂萃取器

图2-35　轻/重溶剂萃取器

（2）固体物质的萃取。

图2-36　脂肪提取器
1—烧瓶；2—萃取溶剂；3—虹吸管；4—侧管；5—被萃取物；6—冷凝管

①固-液分次萃取。

·长期浸泡法：用溶剂一次次地将固体物质中的某个或某几个成分萃取出来，可直接将固体物质加于溶剂中浸泡一段时间，然后滤出固体，再用新鲜溶剂浸泡，如此重复操作，直到基本萃取完全后合并所得萃取液，减压浓缩并回收溶剂，再用其他方法分离纯化。药厂中常用此法萃取，但效率不高，时间长，溶剂用量大，实验室不常采用。

·回流提取法：以有机溶剂作为提取溶剂，在回流装置中加热进行，也可采用反复回流法，即第一次回流一定时间后，滤出提取液，加入新鲜溶剂，重新回流，如此反复数次，合并提取液，减压浓缩并回收溶剂。

②固-液连续萃取。脂肪提取器（图2-36）是利用溶剂回流及虹吸原理，使固体物质连续不断地为纯的溶剂所萃取，因而效率较高。但对受热易分解或变色的物质不宜采用。高沸点溶剂也不适用此法。萃取前，先将固体物质研细，以增加固体物质浸润的面积，然后将它放在滤纸套内，置于提取器中。在圆底烧瓶中放置萃取溶剂和几粒沸石，装上冷凝管。加热溶剂使其沸腾，溶剂蒸气经冷凝管冷凝成液体并滴入提取筒中，当液面超过虹吸管顶端后，萃取液自动流入烧瓶中，萃取出部分物质，再蒸发溶剂。如此循环，直到萃取物质大部分被萃取出来为止。固体中可溶性物质富集于烧瓶中，然后用其他方法将萃取物质从溶液中分离出来。

③其他萃取技术介绍。

·超临界萃取简介：超临界萃取（Supercritical Extraction）是指以超临界流体（Supercritical Fluid，SCF）为萃取剂的萃取分离技术。所谓超临界流体，即处于临界温度（Tc）和临界压力（pc）以上的流体。与常温常压下的气体和液体比较，超临界流体具有两个特性：一是密度接近于液体，具有类似于液体的高密度，因而对溶质有较大的溶解度；二是黏度近似于气体，具有类似于气体的低黏度，故易于扩散和运动，其传质速率远远高于液相过程。能作为超临界流体的化合物有二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水等。其中超临界流体CO2具有最适合的临界点数据，其临界温度为31.06℃，接近室温；临界压力为7.39 MPa，比较适中；临界密度为0.448 g/cm3，是常用超临界溶剂中最高的（合成氟化物除外），而高密度使其具有较好的溶解能力。此外，CO2性质稳定、无毒、不易燃易爆、价格低廉，因而是最常用的超临界流体。

近年来，超临界CO2流体萃取技术广泛应用于中草药有效成分提取。从已有的研究报道看，该技术可用于生物碱、醌类、香豆素、木脂素、黄酮类、皂苷类、多糖、挥发油等中药有效成分的提取。

·超声波萃取简介：超声波（Supersonic Wave）是指频率高于20 kHz，人的听觉阈以外的声波。超声波萃取（Supersonic Wave Extraction）是利用超声波具有的机械效应、空化效应及热效应，通过增大介质分子的运动速度，增大介质的穿透力而进行萃取的实验技术。

机械效应：超声波在介质中传播可使介质质点在其传播空间内产生振动，从而强化介质的扩散、传质，这就是超声波的机械效应。超声波在传播过程中产生一种辐射压强，沿声波方向传播，对物料有很强的破坏作用，可使细胞组织变形，植物蛋白质变性；同时，它还可给予介质和悬浮体以不同的加速度，且介质分子的运动速度远大于悬浮体分子的运动速度，从而在两者之间产生摩擦，这种摩擦力可使生物分子解聚，使细胞壁上的有效成分更快地溶解于溶剂之中。

空化效应：通常情况下，介质内部或多或少地溶解了一些微气泡，这些气泡在超声波的作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡由于定向扩散而增大，形成共振腔，然后突然闭合，这就是超声波的空化效应。这种增大的气泡在闭合时会在其周围产生高达几千个大气压的压力，形成微激波，它可造成植物细胞壁及整个生物体破裂，而且整个破裂过程瞬间完成，有利于有效成分的溶出。

热效应：和其他物理波一样，超声波在介质中的传播过程也是一个能量的传播和扩散过程，即超声波在介质的传播过程中，其声能可能不断被介质的质点吸收，介质将所吸收的能量全部或大部分转化为热能，从而导致介质本身和药材组织温度升高，增大了药物有效成分的溶解度，加快了有效成分的溶解速度。由于这种吸收声能引起的药物组织内部温度的升高是瞬时的，因此可以使被提取的成分的结构和生物活性保持不变。

此外，超声波还可以产生许多次级效应，如乳化、扩散、击碎、化学效应等，这些作用也促进了植物体中有效成分的溶解，促使药物有效成分进入介质，并与介质充分混合，加快了提取过程的进行，并提高了药物有效成分的提取率。

·微波萃取简介：微波萃取（Microwave-asisted Extraction）主要基于微波热特性的萃取分离技术。微波（Microwave，MW）又称超高频电磁波，其频率范围是3×102～3×105MHz。为了规范微波的应用，避免相互间产生干扰，国际公约规定，工业、民用及科学研究中使用的微波频率为（915±25）MHz、（2450±13）MHz、（5800±75）MHz、（22125±125）MHz。我国目前使用的微波频率为915MHz（大功率设备）和2450MHz（中、小功率设备）。

微波加热的原理有两个方面：一是“介电损耗”（或称“介电加热”），具有永久偶极的分子接受微波辐射后，以每秒数十亿次的速度高速旋转，产生热效应；二是“离子传导”，离子化的物质在超高频电磁场中高速运动，因摩擦而产生热效应。对于生物样品，微波辐射导致细胞内极性物质尤其是水分子吸收微波能量而产生大量的热量，使细胞内温度迅速上升，液态水汽化产生的压力将细胞膜和细胞壁冲破，形成微小的孔洞，再进一步加热，细胞内部和细胞壁水分减少，细胞收缩，表面出现裂纹。孔洞和裂纹的存在，使细胞外溶剂易于进入细胞内，从而溶解并释放细胞内的产物。

微波具有很强的穿透力，可使试样内外同时加热，它区别于传统的热传导和热对流的外加热，具有加热速度快、受热体系均匀、可控潜力强等特点。

图2-37　微波萃取系统示意图

一般微波萃取设备必须具备以下基本条件：①微波发生功率足够，工作状态稳定；②有温控装置；③微波泄漏符合安全要求。用大于10mW量程的漏场仪在距离被测处5cm处检测，漏场强度应小于5mW/cm2。微波萃取系统（Microwave-asisted Extraction Process，MAP）的基本流程如图2-37所示。

目前，已有微波技术用于生物碱、黄酮、多糖、苷类、挥发油等中药有效成分提取的研究报道，但该方法不适用于热敏性物质（如蛋白质、多肽等）的提取。