張莉莉，李艷，高靜

（1廣東藥科大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，廣東中山528458；2廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東湛江524088）

引 言

雙水相體系(aqueous biphasic systems)分離萃取技術(shù)歷史悠久，具有條件溫和、生物相容性高、無有機(jī)溶劑殘留、可連續(xù)操作和易于放大等優(yōu)點(diǎn)，在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，傳統(tǒng)聚合物雙水相體系黏度大、選擇性低，且不利于萃取分子的分離純化。離子液體(ionic liquids,ILs)具有可設(shè)計(jì)性，以咪唑類為代表的離子液體溶解能力強(qiáng)、熱化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可循環(huán)利用，是理想的溶劑和反應(yīng)介質(zhì)[1-2]。2003年，Gutowski等[3]利用咪唑基離子液體與K3PO4構(gòu)建雙水相體系。后來，以不同種類的離子液體為chaotropic組分、以無機(jī)鹽或有機(jī)鹽為kosmotropic組分構(gòu)建的雙水相體系不斷發(fā)展。低共熔溶劑(deep eutectic solvents,DESs)是由氫鍵供體(HBD)和氫鍵受體(HBA)[4]或電子給體與電子受體[5-7]通過非共價(jià)相互作用所形成的共晶混合物，具有與離子液體相近的物化性質(zhì)，可以設(shè)計(jì)成低毒或綠色的溶劑體系，而且具有廉價(jià)易得和可生物降解的優(yōu)勢(shì)。Zeng等[8]用氯化膽堿和尿素形成的低共熔溶劑與K2HPO4構(gòu)建新型雙水相體系并成功提取牛血清白蛋白。近年來，離子液體雙水相體系和低共熔溶劑雙水相體系在蛋白質(zhì)[9-10]、核酸[11-12]等生物分子的萃取領(lǐng)域中發(fā)展迅速。但是，以K3PO4、K2HPO4為代表的kosmotropic鹽形成的雙水相體系多表現(xiàn)出強(qiáng)堿性。不但腐蝕萃取設(shè)備，而且不利于保持生物分子穩(wěn)定性和生物活性，引起研究者們的重視。

溶劑體系的化學(xué)平衡與溫度、組分的性質(zhì)和溶質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)，理解萃取過程或化學(xué)反應(yīng)最有效的途徑是考察介質(zhì)的物化性質(zhì)[13]。因此，設(shè)計(jì)一種適用于生物分子萃取的雙水相體系需要考慮體系結(jié)構(gòu)、溶液pH以及環(huán)境溫度等因素[14-16]。其中，溫度對(duì)雙水相體系的作用較為復(fù)雜。早期，Zafarani-Moattar等[17]指出溫度對(duì)雙水相體系沒有顯著的影響。因此，在萃取生物分子的許多研究中也忽略了對(duì)溫度的控制[18-19]。然而，Sadeghi等[20]提出離子液體-鹽雙水相的成相能力隨溫度的升高而減弱，表現(xiàn)為具有高臨界共熔溫度(upper critical solution temperature，UCST)的相轉(zhuǎn)變行為。這一結(jié)論得到了眾多學(xué)者的大力支持[21]。UCST型離子液體雙水相體系已在分離蛋白質(zhì)[22-23]、酶[24]等方面獲得廣泛肯定。近年來，研究發(fā)現(xiàn)，三丁基辛基溴化([P4448]Br)與K3PO4構(gòu)成的雙水相成相能力隨溫度升高而增強(qiáng)，表現(xiàn)為具有低臨界共熔溫度(lower critical solution temperature，LCST)的相轉(zhuǎn)變行為[25]。UCST和LCST型離子液體-鹽雙水相體系的建立成為重新審視溫度對(duì)離子液體雙水相體系影響作用的重要突破口。

本文以氯化膽堿(ChCl)和碳水化合物分別作HBA和HBD合成環(huán)境友好的低共熔溶劑，以此替代無機(jī)鹽/有機(jī)鹽與離子液體形成一種溶液環(huán)境溫和的雙水相體系。通過考察不同離子液體-低共熔溶劑雙水相體系相行為隨溫度變化的規(guī)律，篩選出具有UCST型和LCST型相轉(zhuǎn)變行為的兩類雙水相體系，系統(tǒng)研究了熱可逆離子液體-低共熔溶劑-水三元體系的黏度、密度、電導(dǎo)率以及pH與溫度的相關(guān)性，并利用量子化學(xué)計(jì)算從微觀角度分析離子液體、低共熔溶劑與分子之間的相互作用，旨在揭示離子液體-低共熔溶劑雙水相體系形成的機(jī)理，為雙水相體系在綠色萃取領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([C4mim]BF4)、1-丁基-3-甲基咪唑溴鹽([C4mim]Br)、1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([C4mim]Cl)、1-丁基-3-甲基咪唑三氟乙酸鹽([C4mim]CF3COO)、四丁基四氟硼酸([P4444]BF4)、四丁基溴化([P4444]Br)、四丁基氯化([P4444]Cl)、四丁基三氟乙酸([P4444]CF3COO)、三丁基辛基四氟硼酸([P4448]BF4)、三丁基辛基溴化([P4448]Br)、三丁基辛基氯化([P4448]Cl)、三丁基辛基三氟乙酸([P4444]CF3COO)、四丁基四氟硼酸銨([N4444]BF4)、四丁基溴化銨([N4444]Br)、四丁基氯化銨([N4444]Cl)、四丁基三氟乙酸銨([N4444]CF3COO)(純度均≥98%)，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所；氯化膽堿(ChCl)(純度＞98%)、D-果糖(Fru)(純度＞99%)，上海Aladdin化學(xué)試劑公司；D-核糖(Rib)(純度＞99%)，源葉生物有限公司；D-葡萄糖(Glu)(分析純)、蔗糖(Sur)(分析純)，廣東光華有限公司；4-硝基苯胺(NA)，北京百靈威科技有限公司；N,N-乙基-4-硝基苯胺(DENA)，F(xiàn)luorochem有限公司；甜菜堿30(RD)，Sigma-Aldrich有限公司。離子液體及低共熔溶劑化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離子液體及低共熔溶劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of ionic liquid sand deep eutectic solvents

1.2 儀器與設(shè)備

HAAKEMARSIII模塊化高級(jí)流變儀，德國賽默飛世爾科技；Cary60紫外可見分光光度計(jì)，安捷倫有限公司；STA449F3同步熱分析儀，德國耐馳儀器制造有限公司；DDSJ-308A電導(dǎo)率儀，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；PHSJ-3FpH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；KQ-300超聲波清洗器，上海精科實(shí)業(yè)有限公司；HH-6數(shù)顯電子恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司；AW120電子天平，日本島津公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 離子液體和低共熔溶劑基本性質(zhì)測(cè)定 水分測(cè)定采用GB5009.3—2016測(cè)定方法，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱101.3 kPa，378.15 K。黏度測(cè)定：模塊化高級(jí)流變儀，298.15 K、直徑20 mm、間隙1 mm平行幾何板結(jié)構(gòu)，平衡樣品溫度2 min、1 s-1剪切速率測(cè)定30 s。極性測(cè)定[26-28]：紫外可見分光光度計(jì)298.15 K，NA、DENA、RD、甲醇、離子液體的Kamlet-Taft極性參數(shù)和極性指數(shù)由式(1)～式(6)計(jì)算。熱重分析[29]：同步熱分析儀N2，298.15～973.15 K，進(jìn)樣量4～6 mg，加熱速率10 K·min-1，吹掃氣流20 cm3·min-1。所有的樣品進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)定。

式中，vmax(dye)是染料的最大波數(shù)，cm-1；λmax(dye)是染料的最大吸收波長(zhǎng)，nm；ET(30)是甜菜堿30染料的極性指數(shù)，kcal·mol-1(1 kcal=4185.85 J)；ENT是以水(ENT=1.00)和四甲基硅烷(ENT=0.00)為參比溶劑進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化的值，kcal·mol-1；ET(solvent)為溶劑的極性指數(shù)，kcal·mol-1；α是氫鍵酸性；β是氫鍵堿性；π*是偶極子/極化率。

1.3.2 相圖繪制 雙水相體系相圖采用“濁點(diǎn)滴定”法繪制[6]。準(zhǔn)確稱取1 g離子液體水溶液(6∶4,質(zhì)量比)于試管，置于恒溫水浴鍋(298.15、308.15、318.15、328.15 K)，隨后向試管中逐滴加入低共熔溶劑水溶液(8∶2,質(zhì)量比)，至混合體系由澄清變?yōu)榛鞚?，記錄各組分?jǐn)?shù)值。再逐滴加入水至體系變澄清，記錄各組分?jǐn)?shù)值。如此反復(fù)，直至形成與單相狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的清澈透明的溶液[6]。計(jì)算并記錄各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，繪制雙水相體系相圖。利用式(7)中的數(shù)學(xué)方法擬合離子液體-低共熔溶劑雙水相體系數(shù)值從而描述和關(guān)聯(lián)離散點(diǎn)組與坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系[10]。

式中，Y是離子液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；X是低共熔溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；A、B、C是用最小二乘法回歸得到的擬合參數(shù)。

1.3.3 三元混合體系的理化特性測(cè)定 以質(zhì)量比

為0.30∶0.10∶0.60配制8種溫敏性離子液體-低共熔溶劑-水溶液，測(cè)定了三元體系在298.15～338.15 K下的黏度、密度、電導(dǎo)率和pH變化規(guī)律，記錄測(cè)定數(shù)值[30]。所有的樣品進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)定。

1.3.4 量子化學(xué)計(jì)算 分別構(gòu)建[P4448]Cl、ChCl、Fru、H2O的三維結(jié)構(gòu)，采用Molclus分別搜索初始構(gòu)象，體 系 有：[P4448]Cl、[P4448]Cl-H2O、ChCl、[ChCl][Fru]、

[ChCl][Fru]-H2O(1∶1)、[P4448]Cl-[ChCl][Fru]-H2O(1∶1∶1)[31]。使用MOPAC程序中的PM7半經(jīng)驗(yàn)方法優(yōu)化初始結(jié)構(gòu)，采用能量(0.5 kcal·mol-1)和構(gòu)象差異[0.25 ?(1?=0.1 nm)]方法進(jìn)行聚類[32]。采用DFT方法在B3LYP-D3/6-31G*水平下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)最后優(yōu)化的前3個(gè)構(gòu)象進(jìn)行單點(diǎn)能計(jì)算，計(jì)算水平為B3LYP-D3/def2-TZVP，按照能量進(jìn)行排序，取能量最低的構(gòu)象計(jì)算相互作用能[33-34]。計(jì)算時(shí)添加基組重疊誤差(basis set superposition error,BSSE)較正[35-36]。最終結(jié)合能采用式(8)計(jì)算：

式中，Einteraction是復(fù)合物的能量，kJ·mol-1；EA和EB分別為兩個(gè)相互作用組分的能量，kJ·mol-1；EBSSE表示BSSE較正能，kJ·mol-1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 離子液體、低共熔溶劑的基本性質(zhì)比較

根據(jù)“液體孔洞”理論，水分子與kosmotropic低共熔溶劑形成配合物，引起水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)空腔表面張力增加，導(dǎo)致chaotropic離子液體與水分子作用減弱，從而形成相分離。但是，由不同陰、陽離子排列組合形成的離子液體數(shù)目達(dá)1018，不同HBA和HBD組合也可以形成數(shù)量龐大的低共熔溶劑系列。Zafarani-Moattar等[37]通過測(cè)定由氯化膽堿和蔗糖合成的低共熔溶劑與聚乙二醇400構(gòu)建的體系的密度和聲速，指出該體系與半理想溶液存在負(fù)偏差，不利于溶劑-溶劑相互作用，從而導(dǎo)致相分離。因此，利用離子液體和低共熔溶劑的雙重“可設(shè)計(jì)性”，探索雙水相體系組分的基本性質(zhì)是構(gòu)建和設(shè)計(jì)離子液體-低共熔溶劑雙水相體系的核心。

表1列舉了16種離子液體和4種低共熔溶劑的黏度。整體來看，離子液體和低共熔溶劑的黏度均明顯大于乙醇等有機(jī)試劑的黏度，而且低共熔溶劑的黏度普遍顯著高于離子液體。其中，黏度最大的離子液體是[P4448]Cl，黏度最小的低共熔溶劑是[ChCl][Rib]。在298.15 K下[ChCl][Rib]的黏度為(23.40×103±0.25×103)mPa·s，是[P4448]Cl的18.57倍，而乙醇的黏度只有1.074 mPa·s。黏度大導(dǎo)致傳質(zhì)困難，進(jìn)而抑制了生物分子的提取效率，這是離子液體和低共熔溶劑在萃取應(yīng)用中面臨的共同難題。

表1 離子液體及低共熔溶劑的基本性質(zhì)Table 1 Properties of ionic liquids and deep eutectic solvents

不過，[C4mim]CF3COO和[ChCl][Fru]的最低降解起始溫度分別為454.05和432.75 K，兩者所表現(xiàn)出的良好熱穩(wěn)定性為構(gòu)建萃取體系提供了較大的溫度范圍選擇空間。在利用程序控制溫度的過程中，離子液體和低共熔溶劑在加熱過程中發(fā)生升華、氣化、分解出氣體或失去結(jié)晶水等物理現(xiàn)象，質(zhì)量逐漸減小。由表1可知，整體上看，離子液體較低共熔溶劑表現(xiàn)出更高的降解起始溫度(Ti)和降解終止溫度(Tf)，但是，與離子液體相比，低共熔溶劑的主要質(zhì)量損失(Wlost)較低，973.15 K下的殘余質(zhì)量(W973.15)更大，說明低共熔溶劑的熱穩(wěn)定性更好。例如，W973.15最大的離子液體是[C4mim]CF3COO，最小的低共熔溶劑是[ChCl][Fru]，[ChCl][Fru]的殘余質(zhì)量(W973.15=16.17%)是[C4mim]CF3COO(W973.15=7.16%)的2.26倍。

極性是描述離子液體、低共熔溶劑對(duì)水分子以及萃取目標(biāo)分子溶解能力的重要參數(shù)。離子液體往往同時(shí)具有疏水、不飽和鍵、氫鍵供體、氫鍵受體、靜電等多種結(jié)構(gòu)片段，可與溶質(zhì)之間發(fā)生疏水、氫鍵、靜電、π-π等多種相互作用[38]。低共熔溶劑的HBD和HBA之間不僅存在氫鍵作用，還有C—H…O和C—H…π相互作用[39]。由于純低共熔溶劑黏度過大，無法測(cè)定極性。表1列舉了在298.15 K下測(cè)定的離子液體的Kamlet-Taft探針行為和極性指數(shù)。一般情況下，具有較小β值的咪唑類離子液體形成氫鍵的能力更強(qiáng)。例如，與[C4mim]CF3COO(0.71±0.03)相比，[C4mim]BF4(0.32±0.01)酸性顯著，具有更強(qiáng)的氫鍵形成能力。季鹽離子液體的β值規(guī)律為:[P4448]Cl＞[P4448]CF3COO＞[P4448]BF4。由此可見，相同陽離子的離子液體其陰離子氫鍵堿性變化遵循:Cl-＞CF3COO-＞BF4-。

2.2 離子液體-低共熔溶劑雙水相體系的相行為

2.2.1 溫度的影響 生物活性分子對(duì)溫度十分敏感，因此明確溫度對(duì)離子液體雙水相萃取體系穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。但是，溫度對(duì)離子液體雙水相體系的作用始終存在爭(zhēng)議，隨著離子液體雙水相體系種類的增加，情況也越來越復(fù)雜。Passos等[40]構(gòu)筑了一種對(duì)溫度敏感的熱可逆離子液體-聚合物雙水相體系，而且明確指出低溫利于該體系的形成。許多研究表明低溫有利于離子液體-鹽雙水相體系的形成，表現(xiàn)出具有UCST型的相轉(zhuǎn)變行為[41]。Griffin等[42]觀察到在聚乙二醇-鹽雙水相中，kosmotropic鹽濃度增加與溫度升高在促進(jìn)雙水相體系熵貢獻(xiàn)的過程中具有類似的效果，即通過升高溫度增加相的不混溶性從而擴(kuò)大兩相區(qū)域面積，表現(xiàn)為L(zhǎng)CST型雙水相體系。Gao等[25]最新研究發(fā)現(xiàn)：由三丁基辛基溴化([P4448]Br)構(gòu)成的離子液體-鹽雙水相的成相能力隨著溫度的升高而增強(qiáng)，也表現(xiàn)出具有LCST型的相轉(zhuǎn)變行為。

本文測(cè)定了16種離子液體與4種低共熔溶劑在298.15～328.15 K的相圖，篩選出3種UCST型和19種LCST型離子液體-低共熔溶劑雙水相，結(jié)果見表2。其中，僅有[C4mim]BF4能形成UCST型雙水相體 系 體 系，而[P4444]Br、[P4444]Cl、[P4448]Br、[P4448]Cl、[N4444]CF3COO能形成LCST型雙水相體系。因此，離子液體的陽離子結(jié)構(gòu)與其熱致相變的能力密切相關(guān)。圖2列舉了分別以[C4mim]BF4和[N4444]CF3COO為代表的UCST型[圖2(a)]和LCST型[圖2(b)]雙水相。類似地，Schaeffer等[43]指出[P44414]Cl-HCl表現(xiàn)為L(zhǎng)CST型雙水相。由此可見，離子液體的種類是決定溶劑體系熱誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)變類型的關(guān)鍵因素。

表2 熱可逆離子液體-低共熔溶劑-水體系的構(gòu)建Table 2 Construction of thermo reversible ILs-DESs-H 2O system

圖2 UCST型(a)與LCST型(b)離子液體-低共熔溶劑體系的雙水相相圖Fig.2 Phase diagrams of UCST(a)and LCST(b)of IL-DES-H2O

2.2.2 離子液體的影響 研究表明β值介于0.38～0.60之間的咪唑類離子液體具有良好的成相能力[44]。例如，較高氫鍵堿性的[C4mim]Cl(β=0.87，數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[44])和[C4mim]CF3COO(β=0.71±0.03)因親水性強(qiáng)而不利于雙水相的形成，而[C4mim]BF4具有適中的氫鍵堿性(β=0.32±0.01)，更易形成雙水相體系。圖3對(duì)比了308.15 K下6種離子液體分別與低共熔溶劑[ChCl][Fru]和[ChCl][Sur]構(gòu)建的雙水相體系的成相能力?？梢钥闯?，離子液體成相能力的規(guī)律為[P4448]Br＞＞[P4448]Cl＞[N4444]CF3COO＞[C4mim]BF4＞[P4444]Br＞[P4444]Cl。與陰離子相比，離子液體的陽離子種類對(duì)其成相能力的影響更為顯著，其成相能力的差異性主要表現(xiàn)在陽離子電荷分布不同[23]。[P4448]+具有較長(zhǎng)的側(cè)鏈，與水相互作用的自由能大，分子有逃逸水相的傾向，導(dǎo)致水溶液摩爾體積增大，因此成相能力大[45]。陰離子對(duì)成相能力的影響規(guī)律為：Br-＞Cl-。在季基/季銨基離子液體與磷酸鉀形成雙水相體系的研究中也有相似的規(guī)律[46]。因?yàn)锽r-可與陽離子形成較強(qiáng)的庫侖力，從水中接受質(zhì)子能力比Cl-弱，利于相分離[47]。

2.2.3 低共熔溶劑的影響 糖類物質(zhì)作為HBA與氯化膽堿合成的低共熔溶劑因穩(wěn)定性強(qiáng)、廉價(jià)易得

圖3 離子液體-[ChCl][Fru]和離子液體-[ChCl][Sur]在308.15 K下的雙水相相圖Fig.3 Phase diagrams of ILs-[ChCl][Fru]-H2Oand ILs-[ChCl][Sur]-H2Oat 308.15 K

且綠色的特點(diǎn)常用于雙水相體系的構(gòu)建和生物分子的萃取。如圖4所示，低共熔溶劑與離子液體形成雙水相的能力大小為:[ChCl][Sur]＞[ChCl][Glu]＞[ChCl][Fru]＞[ChCl][Rib]。蔗糖具有較多的氫鍵結(jié)合位點(diǎn)，可形成更多的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，與水分子之間存在較強(qiáng)的氫鍵作用，有利于與離子液體競(jìng)爭(zhēng)水分子，因此其相形成能力更強(qiáng)。另一方面，結(jié)合表1中的黏度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，低共熔溶劑的黏度大小影響雙水相體系兩相間的物質(zhì)傳遞，是設(shè)計(jì)雙水相體系的重要參考因素。例如，[ChCl][Sur]的黏度最大[大于(2201.00×103±83.00×103)mPa·s]，而[ChCl][Rib]的 黏度最小[(23.40×103±0.25×103)mPa·s]，其黏度大小與成相能力規(guī)律完全一致。

2.2.4 雙水相體系數(shù)學(xué)模型 利用經(jīng)驗(yàn)公式(7)對(duì)

本文所有雙水相體系的雙節(jié)線相圖進(jìn)行擬合，相關(guān)參數(shù)見表3。圖5列舉了308.15 K下[P4444]Br-[ChCl][Fru]雙水相體系雙節(jié)線擬合的結(jié)果。結(jié)果表明離子液體-低共熔溶劑雙水相體系離散點(diǎn)組數(shù)值符合方程擬合模型。通過在統(tǒng)計(jì)學(xué)范圍內(nèi)擬合數(shù)據(jù)得到線性回歸分析，并以最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，為雙水相體系的工業(yè)化應(yīng)用提供重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.3 離子液體-低共熔溶劑-水三元體系的理化性質(zhì)

2.3.1 黏度 針對(duì)表2構(gòu)建的熱可逆UCST型和LCST型離子液體-低共熔溶劑雙水相體系，測(cè)定了離子液體-低共熔溶劑-水(0.30∶0.10∶0.60)三元體系的理化性質(zhì)的變化情況（圖6）。圖6（a）是三元體系黏度隨溫度的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，其黏度高度依賴溫度，且呈指數(shù)變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過式(9)擬合處理。溫度升高加快分子振動(dòng)，引起黏聚性降低，導(dǎo)致黏度減小[48]。純離子液體黏度(表1)較離子液體-低共熔溶劑-水三元體系[圖6（a）]黏度顯著降低。除去固體狀態(tài)未測(cè)定的離子液體，三元體系與單獨(dú)組分黏度大小規(guī)律一致。低共熔溶劑對(duì)三元體系黏度影響不大，而相同[ChCl][Fru]條件下，三元體系黏 度 變 化 規(guī) 律 為[P4448]Cl＞[P4444]Cl＞[N4444]CF3COO＞[P4444]Br＞[C4mim]BF4。表明離子液體種類是影響三元體系黏度變化的主要因素。黏度取決于流體的分子結(jié)構(gòu)，高度依賴于組成離子之間的相互作用:靜電，范德華力和氫鍵[49]。水分子破壞了離子液體陰、陽離子的鏈結(jié)構(gòu)，降低相互之間的庫侖作用，使其分離出陰陽離子殼層，最終導(dǎo)致黏度降低[50]。

表3 離子液體-低共熔溶劑體系雙水相相圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性擬合Table 3 Phase diagram of ILs-DESs-H 2O with the corresponding fitting of the experimental data

圖4 [P4444]Br-低共熔溶劑(a)和[N4444]CF3COO-低共熔溶劑(b)在308.15 K下的雙水相相圖Fig.4 Phase diagrams of DESs-[P4444]Br-H2O(a)and DESs-[N4444]CF3COO-H2O(b)at 308.15 K

圖5 308.15 K下[P4444]Br-[ChCl][Fru]雙水相相圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性擬合Fig.5 Phase diagramof[P4444]Br-[ChCl][Fru]-H2Owith the corresponding fitting of the experimental data at 308.15 K

式中，η是三元體系黏度，mPa·s；T為三元體系溫度，K；A′、B′、C′是擬合參數(shù)。

圖6 不同溫度下離子液體-低共熔溶劑-水三元體系黏度、密度、電導(dǎo)率和pH的變化趨勢(shì)Fig.6 Viscosities,densities,conductivities,pH for ILs-DESs-H 2Oas a function of temperature

2.3.2 密度 密度是溫度的函數(shù)，一般來說，體系密度隨環(huán)境溫度升高逐漸降低。圖6(b)測(cè)定了不同溫度下離子液體-低共熔溶劑-水三元體系密度變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)式(10)擬合處理。結(jié)果表明,由不同離子液體構(gòu)成的雙水相其密度關(guān)系為[C4mim]BF4＞[P4444]Br＞[P4444]Cl＞[P4448]Cl＞[N4444]CF3COO。離子液體的陽離子是影響密度的重要因素。季鹽離子液體的陽離子烷基側(cè)鏈鏈長(zhǎng)增加，密度減小。Bounsiar等[51]研究發(fā)現(xiàn)1-丁基-雙酰亞胺吡啶比1-己基-雙酰亞胺吡啶的密度大，也是因?yàn)殛栯x子上的烷基鏈鏈長(zhǎng)增加，分子摩爾體積變大，導(dǎo)致密度降低。另外，陰離子的密度與分子量呈正比，含Br-(79.904)的陰離子比含Cl-(35.453)的密度大。

如圖7，通過對(duì)密度數(shù)據(jù)進(jìn)行式(11)～式(14)的處理，得到標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積(Vm)、分子體積(V)、標(biāo)準(zhǔn)熵(S?)等相關(guān)參數(shù)[52]?？梢钥闯?，標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積與標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵隨溫度升高而增大，而晶格能隨溫度升高逐漸降低。標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積與體系內(nèi)部分子間距密切相關(guān)，當(dāng)溫度升高，體系內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)加快，分子間締合作用減弱，分子間距增大，體系標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積增加[圖7(a)]。另外，溫度升高導(dǎo)致體系內(nèi)微?；靵y，標(biāo)準(zhǔn)熵增大[圖7(b)]。計(jì)算三元體系的晶格能，可以獲得其穩(wěn)定性的相關(guān)信息。與NaCl(786 kJ·mol-1)相比，三元體系內(nèi)陽離子的不對(duì)稱性以及體積大的性質(zhì)增大了空間位阻，減少了陰陽離子的相互作用，增大了晶格穩(wěn)定性[圖7(c)]。但是，溫度的增加增強(qiáng)了體系內(nèi)部離子之間的相互作用，三元體系的晶格穩(wěn)定性降低。

式中，ρ為三元體系密度，g·cm-3；T為三元體系溫度，K；Vm為標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積，cm3·mol-1；M為摩爾質(zhì)量，g·mol-1；V為分子體積，cm3；NA為Avogadro常數(shù)，mol-1；S?為標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵，J·K-1·mol-1；UPOT為晶格能，kJ·mol-1；A″、B″、C″是擬合參數(shù)。

2.3.3 電導(dǎo)率 為明確三元體系受溫度影響內(nèi)部電荷流動(dòng)的難易程度，測(cè)定了混合溶液電導(dǎo)率值隨溫度變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過式(15)擬合。如圖6(c)，三元體系電導(dǎo)率隨溫度增大逐漸降低，離子液體種類是引起電導(dǎo)率變化的關(guān)鍵因素，這是因?yàn)橛呻x子鍵結(jié)合的離子液體溶于水且在加熱狀態(tài)下解離成自由移動(dòng)的離子，而不同離子液體解離后的電解質(zhì)導(dǎo)電能力具有差異性。另外，具有相同陰離子[Cl]-的離子液體陽離子烷基鏈長(zhǎng)度增加，電導(dǎo)率降低。烷基鏈長(zhǎng)度增加了液相中的分散相互作用，導(dǎo)致離子遷移困難[53]。

圖7 不同溫度下離子液體-低共熔溶劑-水三元體系摩爾體積(V m)、標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵(S?)和晶格能(U POT)的變化趨勢(shì)Fig.7 Molar volume(V m),standard molar entropy(S?)and lattice energy(U POT)for ILs-DESs-H 2Oas a function of temperature

式中，σ為三元體系電導(dǎo)率，μS·cm-1；T為三元體系溫度，K；A?、B?、C?是擬合參數(shù)。

2.3.4 pH 為表征不同溫度下溶液中氫離子活度，測(cè)定了離子液體-低共熔溶劑-水三元體系pH隨溫度變化的趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)式(16)擬合處理。整體來看，離子液體-低共熔溶劑-水三元體系在溫度298.15～328.15 K范圍內(nèi)pH呈現(xiàn)中性或者酸性。只有[N4444]CF3COO-[ChCl][Fru]-H2O體系呈現(xiàn)堿性[圖6(d)]。與離子液體-K3PO4體系或低共熔溶劑-K3PO4相比，本文構(gòu)建的新型萃取體系更加溫和，利于保持生物分子的穩(wěn)定性和活性。此外，相同低共熔溶劑條件下，含不同離子液體的三元體系pH規(guī)律為

[N4444]CF3COO＞[P4444]Br＞[C4mim]BF4＞[P4448]Cl＞[P4444]Cl。

由離子液體和低共熔溶劑構(gòu)建的含水三元體系pH可調(diào)節(jié)范圍為3～8，受到離子液體種類影響作用明顯，可為萃取生物分子提供了設(shè)備選型和工藝設(shè)計(jì)參考。

式中，T為三元體系溫度，K；A″″、B″″是擬合參數(shù)。

2.4 離子液體-低共熔溶劑-水三元體系的量子化學(xué)計(jì)算

Hofmeister離子效應(yīng)是描述特定離子對(duì)大分子在水溶液中的溶解度影響。其中，離子與溶質(zhì)之間的結(jié)合最受關(guān)注。Xue等[54]應(yīng)用核磁共振波譜研究了特定離子對(duì)聚(2-乙基-2-唑啉)和聚(N-異丙基丙烯酰胺)的模型化合物N,N-二甲基丙酰胺(NDA)和N-異丙基異丁酰胺(NPA)水溶液的局域環(huán)境影響，指出Hofmeister效應(yīng)可能是一種全局效應(yīng)，而離子與溶質(zhì)的局部相互作用也具有關(guān)鍵作用。傅里葉變換紅外光譜結(jié)果表明離子對(duì)水結(jié)構(gòu)的影響可能是水彎曲振動(dòng)的關(guān)鍵[55]。為了探究離子液體-低共熔溶劑-水三元體系內(nèi)部各分子之間的相互作用，對(duì)比分析離子液體與H2O、低共熔溶劑與H2O之間的相互作用的差別，以[P4448]Cl-[ChCl][Fru]-H2O為例，通過Gaussian 09量子化學(xué)計(jì)算軟件，得出[P4448]Cl離 子 對(duì)、[P4448]Cl-H2O(1∶1)、[ChCl][Fru]、[ChCl][Fru]-H2O(1∶1)、[P4448]Cl-[ChCl][Fru]-H2O(1∶1∶1)在DFT/B3LYP-D3/6-31G*水平優(yōu)化后的最優(yōu)幾何平衡構(gòu)型(圖8)，并計(jì)算了復(fù)合物之間的相互作用能(表4)。

當(dāng)?shù)凸踩廴軇┡c水分子發(fā)生氫鍵相互作用時(shí)，N—Cl以及水中的H原子與Cl原子鍵長(zhǎng)增加，氯化膽堿中的H原子與Cl原子鍵長(zhǎng)縮短，符合“鍵級(jí)守恒原理”[56]。由于水分子的加入，[P4448]Cl-H2O體系氫鍵作用增強(qiáng)從而改變了P—Cl共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)。單獨(dú)的Cl-電荷數(shù)為-1，當(dāng)其與陽離子[P4448]+形成離子對(duì)[P4448]Cl時(shí)，電荷為-0.727。水分子使離子液體的陰離子電荷發(fā)生部分轉(zhuǎn)移，電荷的分散作用導(dǎo)致離子對(duì)之間的靜電作用減弱。雖然水分子與離子液體、低共熔溶劑之間都存在氫鍵作用，但是不同的二元體系內(nèi)部氫鍵作用存在較大差異。例如，[P4448]Cl與H2O(1∶1)的結(jié)合能為-1046.19×103kJ·mol-1，而[ChCl][Fru]與H2O(1∶1)的結(jié)合能為-974.74×103kJ·mol-1，[ChCl][Fru]競(jìng) 爭(zhēng) 水 分 子 的 能 力 弱 于[P4448]Cl。此外，[P4448]Cl-[ChCl][Fru]-H2O三元體系的作用能為-1972.96×103kJ·mol-1，作用強(qiáng)度顯著大于[P4448]Cl-H2O和[ChCl][Fru]-H2O二元體系中分子之間的作用強(qiáng)度。因此，離子液體、低共熔溶劑與水分子相互作用能的差異是引起雙水相體系形成的內(nèi)在原因，而且這種差異越大，其形成相分離的趨勢(shì)越明顯。

表4 離子液體-低共熔溶劑-水三元體系的相互作用能Table 4 Interaction energy of ILs-DESs-H 2O ternary system

3結(jié) 論

本文利用低共熔溶劑替代鹽類作為kosmotropic組分，以離子液體為chaotropic組分構(gòu)建了具有LCST型和UCST型熱可逆相轉(zhuǎn)變行為的新型雙水相體系。離子液體、低共熔溶劑與水分子相互作用能的差異是引起雙水相體系形成的內(nèi)在原因，而且這種差異越大，其形成相分離的趨勢(shì)越明顯。與低熔溶劑相比，離子液體的結(jié)構(gòu)特性是決定離子液體-低共熔溶劑體系熱致相變特性和理化特性的重要因素。因此，本研究通過調(diào)控離子液體的陰、陽離子種類，與低共熔溶劑形成不同熱效應(yīng)和特性的雙水相體系，可以為萃取溫敏性生物分子提供新的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖8 離子液體-低共熔溶劑-水三元體系幾何平衡構(gòu)型(青色、藍(lán)色、紅色、綠色、橙色和白色分別為C、N、O、Cl、P和H原子)Fig.8 Geometric equilibriumconfiguration of ILs-DESs-H 2Oternary system