工程流体力学论文范文第四篇：超临界流体技术应用于中药检测中的情况探究
摘要：超临界流体是一种高于临界温度和临界压力以上的流体，多用于物质的萃取、化学合成反应、催化及超临界色谱技术等。因超临界流体具有消耗时间少、提取效率高、无有毒有害溶剂残留等优点，现广泛应用于中药检测中。本文主要介绍近几年来超临界流体技术及其应用于中药检测中的情况。
关键词：超临界流体；中药；研究进展； SPE技术；
作者简介：李丰（1985-），男，广东人，硕士研究生，主要研究方向为检验检测。；
基金：广州市科技计划项目：基于荧光增强高光谱成像的中药黄曲霉毒素快速检测方法研究（项目编号：201906010045）；
Abstract:Supercritical fluid is a kind of fluid which is higher than critical temperature and pressure. It is widely used in material extraction, chemical synthesis,catalysis and supercritical chromatography. Supercritical fluid is widely used in the detection of traditional Chinese medicine because it has the advantages of less time consumption, high extraction efficiency and no toxic and harmful solvent residues. This paper mainly introduces the supercritical fluid technology and its application in the detection of traditional Chinese medicine in recent years.
Keyword:supercritical fluid; traditional Chinese medicine; research progress; SPE Technology;
近年来，随着人们对中医中药看法的改变，越来越多的科研工作者开始重视中医中药[1],尤其是在2020年新冠[2]疫情影响下，中医中药发挥了举足轻重的作用，使得人们对中医中药重视程度得到了极大提高。现今对于中药的研究分为多种，常规的分析[3]如成分检测、药物提纯、杂质去除及药理研究等。而通过超临界流体[4],将特定组分从液体或固体中萃取出来，已成为一种新型的分离技术，现正逐步应用于中药检测领域中。本文主要从超临界流体技术背景、研究进展、中药检测中的应用及小结与展望共四部分进行介绍。
1 超临界流体技术
超临界流体[5]是一种兼具液体和气体双重特性，且拥有与液体近似的密度，拥有与气体近似的黏度及较高的扩散系数的流体。它具有非常优异的溶解能力和流动能力。其位于临界温度和临界压力附近的密度仅仅与温度和压力呈函数关系，所以处于适当的温度和压力影响下，提供了足够的密度来保证达到需要的溶解性。由于其对温度和压力的改变十分敏感，具备独特的物理性质[6],造成了黏度低、密度大、良好的流动、传质、传热和溶解等性能，因此被广泛应用于节能环保、萃取分离、聚合反应、超微粉和纤维的生产、喷料和涂料、催化和色谱等领域。
2 超临界流体研究进展
2.1 超临界萃取技术（SFE）
超临界流体萃取（supercritical fluid extraction,SFE）[7]是将超临界状态下的流体用作萃取剂一种分离技术。SFE法与传统的分离方法相比，可以兼顾萃取与蒸馏两个步骤，具有高效分离、短周期、快速、强力的渗透能力等优点。近年来陆续开发出SFE技术与其它技术的在线耦合方法，如超临界流体萃取-气相色谱联用技术、超临界流体萃取-液相色谱联用等，这些联用技术使得萃取物萃取后不用转移即可进行直接分析，将气相色谱或液相色谱用作检测手段，可以充分发挥这些现代分析技术的优点，对结果进行深入研究，从而进行准确的定量分析，结果以直观的反应在色谱图上。除此之外，还出现了超临界流体萃取-红外联用、超临界流体萃取-质谱联用等技术。SFE法还可以与各种分离手段的联用，出现了超声强化SFE技术。这些联用技术可以解决单独采用SFE法萃取中药时[8],由于中药成分复杂、近似化合物多、萃取物纯度不高等问题。这些新技术对于促进超临界萃取技术应用的发展具有重要意义，也是今后研究中草药分析的发展方向之一。
2.2 超临界喷涂技术
空气、水体等环境污染日益严重，影响的主要因素之一即是工业溶剂的使用量过大，而且还存在着毒性、易燃易爆等危害。超界流体技术具有较好的溶剂性能[9],在喷涂领域获得了越来越多的应用。以超临界CO2为稀释剂[10]（浓度为10%至50%）代替有机溶剂生产涂料，在商业化应用上取得了一定的进展。其适用于各类热固性、热塑性聚合物配的清漆等。超临界喷涂设备一般使用改进型无气喷涂系统，喷枪兼备流量阀与压力阀，以控制流量、压力、喷射角度和速度。一般喷涂[11]温度为40~70℃，喷涂压力为8.5~11 MPa.以丙烯三聚氰酰胺清漆为例，超临界喷涂粘度可达2 Pa·s,而压缩空气喷涂仅为0.1 Pa·s,大液滴体积分数分别为1%、22%,小液滴体积分数则为11%与19%.总的来说，超临界CO2喷涂技术，可以达到节约涂料、节约劳动力。节约能量、降低成本及提高上漆率等经济效益，同时也兼具高性能涂层与环境保护等要求。
2.3 超临界发泡技术
超临界发泡技术[12]是一种利用超临界流体在特定的压力与温度下在特殊的塑化压力容器中进行的物理性塑化反应的技术。主要为通过选用惰性气体作为超临界流体，利用增压装置及加热装置以达到要求的工艺条件。再使气体与熔融的原材料混合后形成混合物，导入模具或挤出，利用出口瞬间产生的压降，使析出过程形成大量气泡核，最终获得微孔发泡的制品的技术。超临界发泡技术的明显优势是绿色，环保，产品泡孔尺寸小，应力结构强，质量轻等特点。余鹏、樊丽君等[13]研究了超临界流体发泡技术制备开孔型微孔塑料技术，利用其在塑料基体中拥有较大溶解度的同时还具有无毒、环保、价格低廉、易于获得等优势，使得超临界流体发泡技术可以应用于制备开孔型微孔塑料方面，具有一定的应用前景。
2.4 超临界清洗技术
清洗是工业生产重要环节之一。史妮、梅其政等[14]报道了某电厂超临界运行机组热力系统化学清洗工程实践，介绍了化学清洗流程、清洗工艺及主要监控数据；分享了化学清洗过程中的经验及建议。清洗结果表明：除垢率大于95%,钝化膜均匀、致密，各材质平均腐蚀速率都小于1.00 g/m2·h-1,总平均腐蚀总量远小于80 g/m2,无过洗现象和镀铜现象，无残留氧化物，整体效果评价优良。为同类型机组热力系统化学清洗提供了经验。卢斌斌[15]依据瑞利空化理论，结合超临界二氧化碳性质，估算出超临界二氧化碳流体中空化阈值约为107 Pa,其压力与超临界二氧化碳静压力值相当。由于需要高压系统，所以超临界CO2清洗相对于其他溶剂清洗来说，设备投资相关产生的费用是比较高的，但同时由于能耗的显著下降，以及简化的溶剂处理工序，使得操作费用仍相对较低。
2.5 超临界聚合技术
CO2是目前使用最为广泛的超临界流体，其作为聚合反应的介质有诸多突出优点[16],如来源广、无毒无害、成本低、不安全无副反应、扩散能力强、传热，传质速率快效率高、产物易分离纯化、反应速度可控、临界状态易实现（31.1℃，7.39 MPa）等。正是由于以上诸多优点，超临界二氧化碳（ScCO2）被视为一种极好的聚合反应介质。然而由于CO2内聚能密度低，大多数聚合物均不溶于超临界二氧化碳中，因此如何使反应体系很好地分散在超临界CO2介质中是合成中的关键。李慧、刘小伟等[17]通过称重法、核磁法及高压原位红外光谱法对RAFT聚合反应动力学进行了研究，通过SEM和TEM对聚合产物形貌和结构进行分析，表明嵌段共聚物PFOA-b-PMMA-b-PFOA具有以PFOA链段为壳，PMMA链段为核的核壳结构；结果还表明，在超临界CO2介质中，含氟单体的聚合与制备含氟嵌段共聚物时的聚合过程，是不同的，为均相聚合过程及分散聚合过程。
3 超临界流体技术在中药检测中的应用
众所周知，对于药物制剂过程来说，中药有效成分的提取与分离，是必不可少的工艺步骤，是剂型改良、质量提高、新品种的增加、市场竞争力提升等的关键环节。传统意义来说，提取有效成分的方法往往工艺复杂、纯度低，易残留有害溶剂等。而超临界流体萃取（SFE）技术提取效率高、纯度好、操作简单、能耗低，适合不稳定、易氧化的挥发性成分以及脂溶性成分的提取与分离，更适用于中药提取。葛云初等[18]研究了超临界流体萃取技术在各类有效成分提取分离中的特点及相对于传统工艺的优势及作用，并从专利保护角度论述了超临界流体萃取技术的发展过程，概述了超临界流体萃取技术今后面临的挑战及其研究方向。王志锋等[19]同样对超临界流体在中药中的应用做了详细的研究，结果均表明，超临界流体萃取技术在中药提取分离领域和中药现代化进程中具有良好的发展前景。
现在，超临界萃取法越来越受到各国的重视，已广泛的应用于中草药及其他天然产物的提取中，它与气相色谱、质谱等联用形成较为有效的分析技术。刘永静等[20]研究了超临界流体萃取法应用于中药领域，对于挥发油及挥发性成分、生物碱类、黄酮类、醌类、香豆素和木脂素类及皂苷类等的提取分离，并对在中药材中农药残留物检测及去除重金属现状进行了分析。Selim等[21]于1993年首次建立采用超临界流体萃取技术从粮食的粉尘中提取黄曲霉毒素，结果显示，SFE比传统的液相萃取技术更高效、更灵敏、更准确，检测限可达1 ng/g.同年，Taylor等[22]建立并优化了采用超临界流体萃取技术提取检测玉米中黄曲霉毒素B1的方法，结果显示，该方法可获得高于90%的回收率。
从研究范围来看，SFE技术已非常广泛。但是由于CO2的物理性质的特点[23],使得该技术难以提取分离强极性和分子量较大的成分。所以超临界技术要想应用到工业化大生产中，还有大量的基础研究和化学工程方面的问题亟需解决。
4 小结与展望
由于超临界流体所具有的特殊物理化学性质，其所处应用领域正不断扩展。超临界流体除了应用于萃取外，还可用于喷涂喷料、生产制造、环境治理、化学反应和节能等方面。超临界流体的基础数据、工艺流程及装置设备等方面的研究也不断地进行着深入浅出的研究，但这对超临界流体本身的认识还是不够透彻的，化学反应、传质传热过程等的理论还未达成共识，这些问题仍需深入研究，并且超临界流体操作压力需求较高，对设备要求则更高，使得一次性投资较大的问题得不到解决，这限制了工业化规模的应用。随着国内外专家学者对超临界流体更深入的研究，它的工业化将具有更好的应用前景，给社会带来更大的经济效益及环保效益。
参考文献
[1]翟双庆，焦楠，闫永红，等。疫情"大考"背景下对中医药高等教育的思考[J] .中国高教研究，2020（04）：28-32.
[2]陈婧，王玟清，施春阳，等。新型冠状病毒肺炎（COVID-19）中医药防治的思考[J] .中草药， 2020,51（05）：1106-1112.
[3]马百平，康利平，庞旭，等。中药化学成分分析、分离技术及策略[J].国际药学研究杂志，2015,42（04）：413-426.
[4]刘永静，刘巧，于丽丽，等。超临界流体萃取技术在中药分离分析中的应用进展[J] .福建中医学院学报， 2008（02）：60-62.
[5]管荷兰，徐吉成，蔡笑笑，元强。超临界技术的发展现状与前景展望[J] .污染防治技术，2008（02）：30-34.
[6]Eduardo L G Oliveira. ,Armando J D Silvestre,Carlos M Silva.Review of kinetic models for supercritical fluid extraction[J]. Chemical Engineering Research and Design,2010,89（7）。
[7]齐悦如，卞志家。中药超临界流体萃取技术专利分析[J] .山东化工， 2021 ,50（03）：89-92.
[8]邓巧玉，江姗，陈誉丹，等。超临界二氧化碳萃取技术在中药领域的应用进展[J] .中国药业， 2020,29（17）：1-5.
[9]林春绵。超临界CO2在涂料及喷涂工艺中的应用[J] .浙江工业大学学报，1995（03）：242-247.
[10]吴允苗。超临界CO2喷涂的流动特性研究[D] .福州大学， 2010.
[1]魏子栋，君，殷菲。超临界CO2涂料及涂装技术[J] .电镀与精饰， 2000（02）：1-5+15.
[12]王博，冯东。超临界发泡法制备高性能热塑性高分子微/纳孔泡沫材料研究进展[J/OL].化工进展： 1-20.
[13]余鹏，樊丽君， 杨永潮，等。基于超临界流体发泡技术制备开孔型微孔塑料的研究进展[J] .分子材料科学与工程， 2020,36（10）：160-169.
[14]史妮，梅其政，曾小义，等。超临界运行机组热力系统分段化学清洗[J] .广州化工， 2020,48（22）：160-164.
[15]卢斌斌。超声强化超临界：二氧化碳复合清洗研究[D] .华南理工大学， 2020.
[16]Uttiya Sengupta, Hassan Nemati, Bendiks J Boersma, et al. Fully Compressible Low-Mach Number Simulations of Carbon-dioxide atSupercritical Pressures and Trans-critical Temperatures[J].Flow,Turbulence and Combustion,2017,99（3-4）。
[17]李慧，刘小伟，程龙，等。超临界CO2中RAFT聚合的研究[A].中国化学会高分子学科委员会。 2013年全国高分子学术论文报告会论文摘要集--主题A:分子合成[C].中国化学会高分子学科委员会：中国化学会， 2013:1.
[18]葛云初，黎阳。超临界流体萃取技术及其在中药提取中的应用[J] .现代药物与临床， 2009 ,24（05）：279-282.
[19]王志锋，精。超临界流体萃取技术在中药提取中的应用[J] .科技与创新， 2018（14）：13-15.
[20]刘永静，刘巧，于丽丽，等。超临界流体萃取技术在中药分离分析中的应用进展[J] .福建中医学院学报， 2008（02）：60-62.
[21]Selim M l,Tsuei M H.Development and optimization of a supercritical fluid extraction method for the analysis of aflatoxin B1 in grain dust[J].Americ an Industrial Hygiene Association Journal, 1993,54（4）：135.
[22]Taylor S L,King J W, Richard J L,et al.Analytical-scale supercritical fluid extraction of aflatoxin B1 from field-inoculated corn[J]. Journalof Agricultural&Food Chemistry, 1993 ,41（6）：910-913.
[23]Takahiro Yamamoto ,Mitsuhiro Matsumoto Solute effects on supercritical fluid[J] Molecular Simulation,2011,37（13）。
