微乳液膜分離技術(shù)及其生物醫(yī)藥應(yīng)用研究進展

1、微乳液膜分離技術(shù)及其生物醫(yī)藥應(yīng)用研究進展         作者：劉力恒，王立升，王天文，黃中強，周健，曾楚杰，朱立剛 【摘要】 綜述了微乳液的形成機理、結(jié)構(gòu)、微乳液膜傳質(zhì)機理,研究現(xiàn)狀和其在醫(yī)藥生物上的應(yīng)用，并對微乳系統(tǒng)的應(yīng)用進行了展望。 【關(guān)鍵詞】 微乳液 機理 應(yīng)用 Abstract:The formation mechanism of microem             

2、60;    作者：劉力恒，王立升，王天文，黃中強，周健，曾楚杰，朱立剛【摘要】  綜述了微乳液的形成機理、結(jié)構(gòu)、微乳液膜傳質(zhì)機理,研究現(xiàn)狀和其在醫(yī)藥生物上的應(yīng)用，并對微乳系統(tǒng)的應(yīng)用進行了展望。 【關(guān)鍵詞】  微乳液 機理 應(yīng)用Abstract:The formation mechanism of microemulsion as well as its structure,mass transfer mechanism and its present situation of research and medical application

3、was summarized in this review. In addition,industrialization prospect of microemulsion liquid membrane technology was also prospected Key words:Microemulsion liquid membrane;  Mechanism;  Application    1943 年Hoar 和Schulman 用油、水和乳化劑以及醇共同配制得到一透明均一體系并將該體系命名為微乳液以來1，2，微乳液的研究受到廣泛

4、關(guān)注。微乳液真正作為液膜體系是近十多年來出現(xiàn)的一項新技術(shù)，其在石油、環(huán)境、水處理、制藥、醫(yī)藥、食品、牛奶、飲料、造紙、紡織、電子等領(lǐng)域的廣泛用途，使其在近些年成了一個非常熱門的研究課題，本文對微乳液的形成理論、結(jié)構(gòu)、微乳液膜傳質(zhì)機理和近些年來微乳液膜作為一種分離技術(shù)的國內(nèi)外研究狀況和其在醫(yī)藥生物上的應(yīng)用進行綜述。1  微乳液的形成     微乳液是在一定條件下可以自發(fā)形成的、宏觀上是各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系，一般由表面活性劑、助表面活性劑、油和水（或水溶液）組成。較為成熟的微乳形成理論有3 種，即界面混合膜理論、溶解理論和熱力學(xué)理論。Schul

5、man提出了界面混合膜理論，即負界面張力理論，該理論認為微乳液之所以能自發(fā)形成與瞬時負界面張力的產(chǎn)生有關(guān),在表面活性劑和助表面活性劑的共同作用下,使油/ 水界面產(chǎn)生瞬時負界面張力,形成由表面活性劑、助表面活性劑、油和水（或水溶液）組成的混合膜,體系自發(fā)擴張界面,形成微乳體系。該理論在解釋微乳液的形成和穩(wěn)定性上是合理的,但這種負界面張力難以測定,所以它在解釋微乳的自動乳化現(xiàn)象時缺乏有力的實證,并且事實上一些雙鏈離子型表面活性劑如AOT 和離子表面活性劑也能形成微乳而無需加入助表面活性劑,所以該理論存在一定的局限性。    溶解理論以Shinoda 和Friberg

6、等為代表,認為微乳的形成是油相和水相增溶于膠束或反膠束中而使膠束逐漸變大并溶脹到一定粒徑范圍內(nèi)的結(jié)果,但此理論無法解釋表面活性劑的濃度大于臨界膠束濃度(CMC) 時即可產(chǎn)生增溶作用這一事實,而此時也并不一定形成微乳。     熱力學(xué)理論以Ruckenstein 和Overbeek 等為代表,他們從熱力學(xué)方面對微乳的形成進行了闡述,認為表面活性劑降低油水表面張力的程度和系統(tǒng)的熵變決定了微乳形成的自由能,公式:G f =A -TS ,其中Gf 表示微乳形成的自由能,表示油水表面的表面張力，A 表示微乳化時表面積的變化,S 表示系統(tǒng)的熵變, T 是熱力學(xué)溫度。

7、值得注意的是,由于微乳形成時有大量非常小的液滴生成,A是非常大的。Taha 等通過計算機輔助的分子建模、描述符計算及多重線性回歸技術(shù)提出了統(tǒng)計學(xué)上具有重要意義的O/ W 和W/ O 微乳的模型,使人們對微乳的形成過程和性質(zhì)有了更深更好的理解。2  微乳液的結(jié)構(gòu)     微乳液又稱膨脹膠束，可以看成是膠束內(nèi)核增溶非極性或極性物質(zhì)后所形成的體系。而膠束是表面活性劑分子當濃度超過其臨界膠束濃度后在水或有機溶劑中自發(fā)締合形成的自組織系統(tǒng)（或聚集體），在水中形成的聚集體稱為正常膠束（normal micelle），在有機溶劑中形成的聚集體稱為反膠束(re

8、versed  micelle)。膠束內(nèi)部的非極性環(huán)境使它可以增溶非極性物質(zhì)水形成膨脹膠束，又稱為水包油型微乳液（O/W）；同樣，反膠束內(nèi)部的極性環(huán)境使它可以增溶極性物質(zhì)形成膨脹反膠束，或稱為油包水型微乳液（W/O）。目前，膠束和微乳液的區(qū)分尚無嚴格界定，兩者在拓撲學(xué)結(jié)構(gòu)上極為相似，但還是有區(qū)別。對于反膠束和W/O型微乳液來說，兩者的主要區(qū)別在于W/O型微乳液的水池內(nèi)有自由水存在，反膠束則沒有。膠束的大小一般在5 nm以下，而微乳液的大小則在5 nm以上3，但不超過40 nm4。根據(jù)表面活性劑分子極性端基電離性質(zhì)的不同，微乳液可分為以下4 種類型：非離子型微乳液（如以O(shè)P-7壬基酚聚

9、氧乙烯（7）醚和OP-4壬基酚聚氧乙烯（4）醚等非離子表面活性劑組成的微乳液），陽離子型微乳液（如以十六烷基三甲基溴化銨組成的微乳液），陰離子型微乳液如以AOT二-（2-乙基己基）磺化琥珀酸鈉和SDS（十二烷基硫酸鈉）組成的微乳液，兩性離子型微乳液（如以卵磷脂、甜菜堿類表面活性劑組成的微乳液）。圖1是膠束、反膠束和微乳液的示意圖。 3  微乳液的相行為     從連續(xù)相性質(zhì)來分，微乳液有O/W(水包油)、W/O(油包水)和雙連續(xù)型。而從相平衡觀點來看，微乳液體系可分為Winsor，四個相平衡體系。如圖2所示。3.1  Win

10、sor體系O/W型微乳液與過剩油相共存的兩相平衡體系。3.2  Winsor體系W/O型微乳液與過剩水相共存的兩相平衡體系。3.3  Winsor體系雙連續(xù)型微乳液（中相微乳液）同時與過剩油相和過剩水相共存的三相平衡體系。3.4  Winsor體系O/W 或W/O型微乳液的均相熱力學(xué)穩(wěn)定體系。4  微乳液膜的傳質(zhì)機理 4.1  界面溶化傳質(zhì)機理用于水相萃取的體系是W/O型的反膠束或W/O微乳液，萃取過程在winsor體系(W/O型微乳液和水相的兩相平衡體系) 中進行。在傳質(zhì)方面，Plucinski和Nitsch提出了萃取過程的界面溶化傳質(zhì)機理（

11、又稱“bud”膠束溶化機理或 “蓓蕾”狀膠束溶化機理，該機理如圖3所示。     其要點是：反膠束移動到油、水兩相的液/液界面并發(fā)生黏性碰撞使反膠束發(fā)生開孔而形成“bud”反膠束（“蓓蕾”狀反膠束），被萃溶質(zhì)隨后通過離子交換在“bud”反膠束的凹陷部分發(fā)生連續(xù)溶化（fusion），負載有溶化物的反膠束擴散進入有機相中。4.2  基于液膜的界面?zhèn)髻|(zhì)機理Tondore等4最早將陰離子型微乳液作為液膜使用，研究了親油化合物，如：芘、蒽在液膜中的傳質(zhì)。之后他們又拓展到W/O型微乳液萃取金屬離子Ni2+，Co2+，Cu2+等。對Ni2+，Co2+，Cu2

12、+的萃取分離所用的體系是含萃取劑8-羥基奎啉或改性物Kelex 100的SDS-異丁醇（戊醇）-水-十二烷的陰離子型W/O微乳液。Tondre等通過用一個U-型管進行的大量傳質(zhì)實驗研究基礎(chǔ)上提出了W/O微乳液萃取的兩種液膜界面?zhèn)髻|(zhì)機理，一種是通過有機相的傳質(zhì)（transfer via the organic phase）：溶質(zhì)首先轉(zhuǎn)移到有機相，然后再轉(zhuǎn)移到反膠束或W/O微乳液滴內(nèi)并通過該聚集體擴散到第2個液/液界面；另一種是直接傳質(zhì)(direct transfer)：通過兩親分子膜的開裂-愈合方式使溶質(zhì)直接從料液相轉(zhuǎn)移到反膠束或W/O微乳液滴，然后該液滴離開第1個界面擴散到第2個界面。這兩種界

13、面?zhèn)髻|(zhì)機理可用圖4表示(其中S表示溶質(zhì)，a表示水相，o表示有機相)：顯然，Tondore等提出的直接傳質(zhì)機理（b）與Plucinski和Nitsch提出“蓓蕾”狀膠束溶化機理是相似的。4.3  液膜促進傳質(zhì)機理用非離子型微乳液萃取分離金屬離子時常常加入萃取劑（在液膜體系中稱為流動載體），萃取機理與傳統(tǒng)液膜萃取中的型促進遷移機理相同5，6，萃取過程一般包括金屬離子從料液相擴散到料液/微乳液界面，金屬離子在該界面與流動載體發(fā)生反應(yīng)生成可溶于油相的絡(luò)合物并擴散到微乳液/接收內(nèi)水相界面，絡(luò)合物在內(nèi)相解絡(luò)劑作用下發(fā)生解絡(luò)釋放出金屬離子等四個步驟，通過被萃物和內(nèi)相解絡(luò)劑在膜內(nèi)外兩相的偶合傳質(zhì)，最

14、后可以使被萃物在膜內(nèi)相富集，其實質(zhì)是流動載體在液膜內(nèi)外兩個界面之間來回穿梭地傳遞被遷移的物質(zhì)。如圖5所示。非離子型微乳液萃取研究以Wiencek等為主，他們主要研究了用非離子型表面活性劑DNP-8雙壬基酚聚氧乙烯（8）醚代替陰離子表面活性劑并加入流動載體制成微乳液，用于從水相中分離富集萃取Hg2+，Cu2+和HAc等, 并與普通乳狀液膜體系作了對比。結(jié)果表明，非離子型微乳液膜比傳統(tǒng)粗乳狀液膜具有更高的效率。5  微乳液體系的研究概況     微乳液體系用于蛋白質(zhì)的分離、濃縮、純化和金屬萃取的文獻不多，1982年后才有少量的相關(guān)報道，1990年后

15、略有增加。用反膠束、微乳液進行萃取分離研究主要是以德國munchen技術(shù)大學(xué)的Nitsch和Plucinski,法國Nancy大學(xué)C.Tondre教授及其合作者和美國Rutgers大學(xué)J.Wiencek 教授等人的工作為主，近年來在其他的實驗室也開展了一些研究。如K.Osseo-Asare、 Ovejero-Escudero F.G, Angelino H, Casamatta G等7 、C. S. Vijayalakshmi., A. V. Annapragada, E. Gulari8，Tondore等9、P. Plucinski and W.Nitsch10、Wiencek等11，12，

16、他們分別用離子型或非離子型微乳液作為分離介質(zhì)進行了金屬離子的萃取研究。非離子型微乳液萃取研究以Wiencek等為主，他主要研究了非離子型W/O微乳液作為液膜的傳質(zhì)，用非離子型表面活性劑DNP-8 雙壬基酚聚氧乙烯（8）醚代替陰離子表面活性劑并加入流動載體制成微乳液，用于從水相中分離富集萃取Hg2+，Cu2+和HAc等, 并與普通乳狀液膜體系作了對比。結(jié)果表明，非離子型微乳液膜比傳統(tǒng)粗乳狀液膜具有更高的效率，而傳質(zhì)機理與傳統(tǒng)粗乳狀液膜相同。用微乳液膜萃取完成時間短，并在較長時間內(nèi)檢測無H+泄漏。而用普通乳狀液，萃取所需時間長。     在國內(nèi)，著名化學(xué)家徐

17、光憲、袁承業(yè)等早在20世紀70年代開創(chuàng)性地進行稀土串級萃取理論和工藝的研究時就發(fā)現(xiàn)液液萃取體系中微乳液的形成對萃取有增效作用13。韓立新等14、朱霞石等15、分別用W/O陰離子型和O/W非離子型微乳液萃取痕量金屬離子如Cd3+，Cr3+，F(xiàn)e3+的萃取，然后用濃酸或濃鹽水進行反萃，其工作僅限于對痕量金屬離子Cd3+，Cr3+的分析。曾平等16研究了皂化P204/煤油體系微乳液對V（）萃取。近年來，龔福忠等17，18進行了W/O非離子型微乳液萃取釹的研究，效果良好。6  微乳液在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用6.1   微乳液在生物工程中的應(yīng)用微乳萃取是一項新出現(xiàn)的膜萃取技術(shù), 最早用于具有經(jīng)濟價值的蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸的分離19。在傳統(tǒng)的液膜萃取中, 由于液膜本身的穩(wěn)定性和機械性能較差, 不可避免地出現(xiàn)液膜破裂, 從而造成已被萃取的溶質(zhì)返回到料液相, 大大降低了萃取效率; 另外, 萃取完畢后,還需對液膜進行破乳, 以分離出萃取的溶質(zhì), 因此根據(jù)液膜的不同, 破乳設(shè)備也復(fù)雜多樣。研究發(fā)現(xiàn)，反膠團