微乳液膜分离技术及其生物医药应用研究进展
作者：刘力恒，王立升，王天文，黄中强，周健，曾楚杰，朱立刚。
【摘要】 综述了微乳液的形成机理、结构、微乳液膜传质机理,研究现状和其在医药生物上的应用，并对微乳系统的应用进行了展望。
Abstract:The formation mechanism of microemulsion as well as its structure,mass transfer mechanism and its present situation of research and medical application 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、水和乳化剂以及醇共同配制得到一透明均一体系并将该体系命名为微乳液以来［1，2］，微乳液的研究受到广泛关注。微乳液真正作为液膜体系是近十多年来出现的一项新技术，其在石油、环境、水处理、制药、医药、食品、牛奶、饮料、造纸、纺织、电子等领域的广泛用途，使其在近些年成了一个非常热门的研究课题，本文对微乳液的形成理论、结构、微乳液膜传质机理和近些年来微乳液膜作为一种分离技术的国内外研究状况和其在医药生物上的应用进行综述。
1 微乳液的形成 微乳液是在一定条件下可以自发形成的、宏观上是各向同性的热力学稳定体系，一般由表面活性剂、助表面活性剂、油和水（或水溶液）组成。较为成熟的微乳形成理论有3 种，即界面混合膜理论、溶解理论和热力学理论。Schulman提出了界面混合膜理论，即负界面张力理论，该理论认为微乳液之所以能自发形成与瞬时负界面张力的产生有关,在表面活性剂和助表面活性剂的共同作用下,使油/ 水界面产生瞬时负界面张力,形成由表面活性剂、助表面活性剂、油和水（或水溶液）组成的混合膜,体系自发扩张界面,形成微乳体系。该理论在解释微乳液的形成和稳定性上是合理的,但这种负界面张力难以测定,所以它在解释微乳的自动乳化现象时缺乏有力的实证,并且事实上一些双链离子型表面活性剂如AOT 和离子表面活性剂也能形成微乳而无需加入助表面活性剂,所以该理论存在一定的局限性。 溶解理论以Shinoda 和Friberg 等为代表,认为微乳的形成是油相和水相增溶于胶束或反胶束中而使胶束逐渐变大并溶胀到一定粒径范围内的结果,但此理论无法解释表面活性剂的浓度大于临界胶束浓度(CMC) 时即可产生增溶作用这一事实,而此时也并不一定形成微乳。 热力学理论以Ruckenstein 和Overbeek 等为代表,他们从热力学方面对微乳的形成进行了阐述,认为表面活性剂降低油水表面张力的程度和系统的熵变决定了微乳形成的自由能,公式:ΔG f =γΔA —TΔS ,其中ΔGf 表示微乳形成的自由能,γ表示油水表面的表面张力，ΔA 表示微乳化时表面积的变化,ΔS 表示系统的熵变, T 是热力学温度。值得注意的是,由于微乳形成时有大量非常小的液滴生成,ΔA是非常大的。Taha 等通过计算机辅助的分子建模、描述符计算及多重线性回归技术提出了统计学上具有重要意义的O/ W 和W/ O 微乳的模型,使人们对微乳的形成过程和性质有了更深更好的理解。
2 微乳液的结构 微乳液又称膨胀胶束，可以看成是胶束内核增溶非极性或极性物质后所形成的体系。而胶束是表面活性剂分子当浓度超过其临界胶束浓度后在水或有机溶剂中自发缔合形成的自组织系统（或聚集体），在水中形成的聚集体称为正常胶束（normal micelle），在有机溶剂中形成的聚集体称为反胶束(reversed micelle)。胶束内部的非极性环境使它可以增溶非极性物质水形成膨胀胶束，又称为水包油型微乳液（O/W）；同样，反胶束内部的极性环境使它可以增溶极性物质形成膨胀反胶束，或称为油包水型微乳液（W/O）。目前，胶束和微乳液的区分尚无严格界定，两者在拓扑学结构上极为相似，但还是有区别。对于反胶束和W/O型微乳液来说，两者的主要区别在于W/O型微乳液的水池内有自由水存在，反胶束则没有。胶束的大小一般在5 nm以下，而微乳液的大小则在5 nm以上［3］，但不超过40 nm［4］。根据表面活性剂分子极性端基电离性质的不同，微乳液可分为以下4 种类型：非离子型微乳液（如以OP—7［壬基酚聚氧乙烯（7）醚］和OP—4［壬基酚聚氧乙烯（4）醚］等非离子表面活性剂组成的微乳液），阳离子型微乳液（如以十六烷基三甲基溴化铵组成的微乳液），阴离子型微乳液［如以AOT［二—（2—乙基己基）磺化琥珀酸钠］和SDS（十二烷基硫酸钠）组成的微乳液，两性离子型微乳液（如以卵磷脂、甜菜碱类表面活性剂组成的微乳液）。图1是胶束、反胶束和微乳液的示意图。
3 微乳液的相行为 从连续相性质来分，微乳液有O/W(水包油)、W/O(油包水)和双连续型。而从相平衡观点来看，微乳液体系可分为WinsorⅠ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四个相平衡体系。如图2所示。
3.1 WinsorⅠ体系O/W型微乳液与过剩油相共存的两相平衡体系。
3.2 WinsorⅡ体系W/O型微乳液与过剩水相共存的两相平衡体系。
3.3 WinsorⅢ体系双连续型微乳液（中相微乳液）同时与过剩油相和过剩水相共存的三相平衡体系。
3.4 WinsorⅣ体系O/W 或W/O型微乳液的均相热力学稳定体系。
4.1 界面溶化传质机理用于水相萃取的体系是W/O型的反胶束或W/O微乳液，萃取过程在winsorⅡ体系(W/O型微乳液和水相的两相平衡体系) 中进行。在传质方面，Plucinski和Nitsch提出了萃取过程的界面溶化传质机理（又称“bud”胶束溶化机理或 “蓓蕾”状胶束溶化机理，该机理如图3所示。 其要点是：反胶束移动到油、水两相的液/液界面并发生黏性碰撞使反胶束发生开孔而形成“bud”反胶束（“蓓蕾”状反胶束），被萃溶质随后通过离子交换在“bud”反胶束的凹陷部分发生连续溶化（fusion），负载有溶化物的反胶束扩散进入有机相中。
4.2 基于液膜的界面传质机理Tondore等［4］最早将阴离子型微乳液作为液膜使用，研究了亲油化合物，如：芘、蒽在液膜中的传质。之后他们又拓展到W/O型微乳液萃取金属离子Ni2+，Co2+，Cu2+等。对Ni2+，Co2+，Cu2+的萃取分离所用的体系是含萃取剂8—羟基奎啉或改性物Kelex 100的SDS—异丁醇（戊醇）—水—十二烷的阴离子型W/O微乳液。Tondre等通过用一个U—型管进行的大量传质实验研究基础上提出了W/O微乳液萃取的两种液膜界面传质机理，一种是通过有机相的传质（transfer via the organic phase）：溶质首先转移到有机相，然后再转移到反胶束或W/O微乳液滴内并通过该聚集体扩散到第2个液/液界面；另一种是直接传质(direct transfer)：通过两亲分子膜的开裂—愈合方式使溶质直接从料液相转移到反胶束或W/O微乳液滴，然后该液滴离开第1个界面扩散到第2个界面。这两种界面传质机理可用图4表示(其中S表示溶质，a表示水相，o表示有机相)：显然，Tondore等提出的直接传质机理（b）与Plucinski和Nitsch提出“蓓蕾”状胶束溶化机理是相似的。
4.3 液膜促进传质机理用非离子型微乳液萃取分离金属离子时常常加入萃取剂（在液膜体系中称为流动载体），萃取机理与传统液膜萃取中的Ⅱ型促进迁移机理相同［5，6］，萃取过程一般包括金属离子从料液相扩散到料液/微乳液界面，金属离子在该界面与流动载体发生反应生成可溶于油相的络合物并扩散到微乳液/接收内水相界面，络合物在内相解络剂作用下发生解络释放出金属离子等四个步骤，通过被萃物和内相解络剂在膜内外两相的偶合传质，最后可以使被萃物在膜内相富集，其实质是流动载体在液膜内外两个界面之间来回穿梭地传递被迁移的物质。如图5所示。非离子型微乳液萃取研究以Wiencek等为主，他们主要研究了用非离子型表面活性剂DNP—8［双壬基酚聚氧乙烯（8）醚］代替阴离子表面活性剂并加入流动载体制成微乳液，用于从水相中分离富集萃取Hg2+，Cu2+和HAc等, 并与普通乳状液膜体系作了对比。结果表明，非离子型微乳液膜比传统粗乳状液膜具有更高的效率。
5 微乳液体系的研究概况 微乳液体系用于蛋白质的分离、浓缩、纯化和金属萃取的文献不多，1982年后才有少量的相关报道，1990年后略有增加。用反胶束、微乳液进行萃取分离研究主要是以德国munchen技术大学的Nitsch和Plucinski,法国Nancy大学C.Tondre教授及其合作者和美国Rutgers大学J.Wiencek 教授等人的工作为主，近年来在其他的实验室也开展了一些研究。如K.Osseo—Asare、 Ovejero—Escudero F.G, Angelino H, Casamatta G等［7］ 、C. S. Vijayalakshmi., A. V. Annapragada, E. Gulari［8］，Tondore等［9］、P. Plucinski and W.Nitsch［10］、Wiencek等［11，12］，他们分别用离子型或非离子型微乳液作为分离介质进行了金属离子的萃取研究。非离子型微乳液萃取研究以Wiencek等为主，他主要研究了非离子型W/O微乳液作为液膜的传质，用非离子型表面活性剂DNP—8 ［双壬基酚聚氧乙烯（8）醚］代替阴离子表面活性剂并加入流动载体制成微乳液，用于从水相中分离富集萃取Hg2+，Cu2+和HAc等, 并与普通乳状液膜体系作了对比。结果表明，非离子型微乳液膜比传统粗乳状液膜具有更高的效率，而传质机理与传统粗乳状液膜相同。用微乳液膜萃取完成时间短，并在较长时间内检测无H+泄漏。而用普通乳状液，萃取所需时间长。 在国内，著名化学家徐光宪、袁承业等早在20世纪70年代开创性地进行稀土串级萃取理论和工艺的研究时就发现液液萃取体系中微乳液的形成对萃取有增效作用［13］。韩立新等［14］、朱霞石等［15］、分别用W/O阴离子型和O/W非离子型微乳液萃取痕量金属离子如Cd3+，Cr3+，Fe3+的萃取，然后用浓酸或浓盐水进行反萃，其工作仅限于对痕量金属离子Cd3+，Cr3+的分析。曾平等［16］研究了皂化P204/煤油体系微乳液对V（Ⅳ）萃取。近年来，龚福忠等［17，18］进行了W/O非离子型微乳液萃取钕的研究，效果良好。
6 微乳液在生物医药领域中的应用。
6.1 微乳液在生物工程中的应用微乳萃取是一项新出现的膜萃取技术, 最早用于具有经济价值的蛋白质、多肽、氨基酸的分离［19］。在传统的液膜萃取中, 由于液膜本身的稳定性和机械性能较差, 不可避免地出现液膜破裂, 从而造成已被萃取的溶质返回到料液相, 大大降低了萃取效率; 另外, 萃取完毕后,还需对液膜进行破乳, 以分离出萃取的溶质, 因此根据液膜的不同, 破乳设备也复杂多样。研究发现，反胶团W/ O 型微乳体系可以用于生物活性物质的萃取［20］，由于微乳体系中的微环境和生物细胞的环境类似,所萃蛋白质不易变性。另外,反胶团微乳液作为细胞的模拟膜,还可以用来制备生物分子的超微颗粒［21，22］。 最近研究还发现,在反胶团W/ O 型微乳体系及低含水介质中的酶体系中应用酶可以增加非极性试剂的溶解度,有利于反应进行,提高酶的热稳定性。在微乳体系中,酶催化应用于许多种反应,例如采用脂肪酶、磷脂酶、碱性磷酸脂酶、胰蛋白酶、溶菌酶、肽酶等催化应用于酯、肽、酰基糖的合成、酯交换、各种水解反应及生物碱的变换等。