导读：
近期，有研究人员在微流控聚二甲基硅氧烷芯片上验证了2-（二丁基氨基）乙醇（DBAE）作为CO2切换亲水性溶剂（CO2-SHS）的性能，实现了大豆油的高效液-液萃取，并揭示了DBAE在无水条件下也能通过CO2刺激转变为亲水化合物的现象，为微流控液-液萃取过程提供了新的应用前景。相关研究以“Toward Liquid–Liquid Extraction Using Switchable Hydrophilicity Solvents in Microfluidic Poly(dimethylsiloxane) Chips”为题目，发表在期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》上。
本文要点：
1、本研究提出了一种新方法，通过在聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片中使用2-（二丁基氨基）乙醇（DBAE）作为基于CO2响应的可切换亲水溶剂（CO2-SHS），快速评估其性能。
2、该方法将相变反应的时间缩短至亚分钟级，并验证了从大豆油/DBAE混合物中提取大豆油的可行性。
3、DBAE在CO2气氛下的光谱分析表明，水并不是启动DBAE转变为亲水化合物所必需的，这意味着存在额外的反应途径。
4、这一发现不仅证实了DBAE作为SHS在水以外的亲水溶剂中的应用潜力，而且为连续微流控液-液萃取过程的设计和优化提供了实验基础。
使用CO2响应型可切换亲水溶剂（CO2-SHS）在化学过程中的优势包括：
1、环境友好性：CO2-SHS提供了一种更环保的替代方案，减少了对传统挥发性溶剂的依赖，降低了对环境的影响。
2、可控性：这些溶剂能够在特定刺激（如CO2气氛）下可逆地改变亲水性，支持在反应和分离过程中灵活调节溶剂的性质。
3、能量效率：CO2-SHS可以在低能耗条件下实现相变，减少了对高温或高压的需求，从而降低了能耗和成本。
4、提高分离效率：在微流控系统中使用CO2-SHS可以显著提高质量传输效率，缩短反应时间，达到亚分钟级的相变反应时间。
5、广泛的应用潜力：CO2-SHS不仅适用于水相，还可以与其他亲水溶剂结合使用，扩展了其在不同化学过程中的应用范围。
6、简化的分离过程：通过利用CO2的气体特性，可以实现更简单的分离过程，减少了传统分离方法（如蒸馏）的复杂性。
综上所述，CO2-SHS在化学过程中的应用具有显著的环境、经济和操作优势。
微流控设备通过以下几个方面提高了提取效率：
1、缩小反应体积：微流控系统将反应体积缩小到纳升级别，增加了表面积与体积的比率，从而加快了溶剂与目标化合物之间的相互作用。
2、连续流动操作：设备采用连续流动模式，提供稳定的反应物供应和更高效的混合，减少了传统批量反应中的质量传递限制。
3、快速相变：利用CO2触发亲水性溶剂（如DBAE）的快速相变，显著缩短了提取和分离的时间。
4、增强的质量传递：微流控通道的设计促进了相与相之间的更好接触，提升了质量传递速率，尤其是在液滴流动中形成的循环流动进一步增强了这一效果。
5、压力控制：通过施加不同的CO2压力（最高可达2 bar），可以更有效地将气体传输到PDMS膜中，从而加快亲水性溶剂的转换速率。
图1.筛选出的可切换亲水性溶剂的化学结构。
图2.SHS的筛选实验。
图3.亲水性切换的反应方案。DBAE在水和CO2存在下产生相应的碳酸氢盐。
图4.DBAE质子化和通过CO2的简单化学吸附形成R-CO3-的反应方案。
图5.DBAE在PDMS中的溶解度和扩散系数。
图6.DBAE在PDMS薄膜中的浓度随时间的变化，以及通过一维扩散模型对实验数据的拟合。
图7.微流控芯片的通道设计和横截面。
图8.由于DBAE通过PDMS膜渗透蒸发，通道排空。
图9.（a）在t=0、6、10、15和20h时对通道尖端进行荧光显微镜观察。（b）与PDMS基质（蓝色）相比，分离液体（橙色）的拉曼信号。
图10.静态微流控条件下DBAE的亲水性切换。死端通道的尖端充满了水和DBAE。气体通道中施加的CO2压力（PCO2=1.1 bar）触发了亲水性切换（t=0、10、13和20分钟）。
图11.局部拉曼分析。
图12.在连续滴液装置中获得的相变图像。DBAE中的水滴暴露于空气（a）或CO2气氛（b）（施加压力：2 bar）。水滴的典型停留时间为约200秒。
图13.展示了在连续液-液萃取过程中，使用芯片B将大豆油从大豆油/DBAE混合物中分离的过程，并通过拉曼光谱确认了分离出的两个液相。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c04907
