研究背景與理論

2-1 離子液體介紹

2-1-1 離子液體的定義

離子液體是由陽離子和陰離子組成的熔融鹽類，和無機鹽類(如 氯化鈉)所不同的是離子液體的陽離子為有機離子，熔點和無機鹽類 差異非常大¹⁵，如表2-1⁵，一般將熔點低於100℃的融鹽稱為離子液體 (room temperature ion liquids, ILs)。

表 2-1、 不 同 種 類 氯 化 物 之 熔 點 ⁵

離子液體可經由特定陽離子和陰離子，透過不同組合方式可高達 10¹⁸種，常見陽離子如圖2-1⁵，這些陽離子除了本身碳鏈長短可任意 改變，例如陽離子1-alkyl-3-methylimidazolium ([CnMIM]⁺, n為線性烷 基碳的數目)，還可和不同的有機或無機的陰離子形成種類廣泛的離

solvent)。一般常見的離子液體陰離子有hexafluorophosphate(PF6 -)、

tetrafluoroborate(BF4

-)、bis[(trifloromethyl)sulfonyl]amide [(CF3SO2)2N]^-、ethanoate(CH3CO2

-)、trifluoroethanoate(CF3CO2 -)、

trifluoromethylsulfonate(CF3SO3

-)、及halide(Br^-,Cl^-,I^-)。不同形式的離 子液體在物性和化性上有相當大的差異，其基本的合成實驗流程如圖 2-2⁵。

圖 2- 1、常見離子液體的陽離子 ⁵

圖 2- 2、離子液體合成步驟 ⁵

2-1-2 離子液體的發展

數十年來離子液體的相關文獻逐年快速成長，其發展最早是在 1914 年，ethylammonium nitrate ([EtNH₃]NO₃)低溫時以離子態液體呈 現而被報導出來，接著在 1951 年時 Hurley 發展出有機鋁離子液體

N-ethylpyridinium bromide- aluminium chloride ([EtPy]Br-AlCl

3)，並拿 來作為電鍍鋁的浸漬液¹⁶。隨後一直到 1970 年代 Osteryoung 和 Wilkes 才成功製備出一系列氯化鋁陰離子的融鹽(chloroaluminate melts)¹⁷， 從此離子液體被大量的應用在電化學。1992 年，Wilkes 研究團隊將 AgBF₄ 加入[EMIM][I]反應後，發展出離子液體[EMIM][BF4]¹⁸，這種 離子液體在水及空氣中都相當安定，使得咪唑(imidazolium)類的陽離

子所組成的離子液體在應用方面引起重視¹⁹，往後所發展的離子液體

皆以此種類為主。

近年來，一些具有特殊功能性的離子液體也陸續被合成出來，例

如:含DNA離子液體²⁰以及利用胺基酸作為陰離子的離子液體等等

21。另外，日本東京大學賓口宏夫教授在實驗中發現帶有金屬磁性的

離子液體²²，他們推測此種物質為非液體亦非固體的狀態，若進一步

得到證實，此種新物質狀態可能推翻一般所認為的物質三態。

2-1-3 離子液體的性質

離子液體具有低熔點、極低蒸氣壓、不可燃性、寬的電化學窗口 (potential window)、良好的導電與導熱性、選擇性溶解力和可設計性 等特殊性質，使得離子液體應用範圍非常廣泛。

離子液體之特性會隨著陽離子和陰離子形式而有所不同，例如在 親水性方面，[BMIM][Cl]這種離子液體和水是互溶的，若將陰離子置 換成[PF6]^-，形成的離子液體[BMIM][PF6]則和水不互溶。圖2-3表示

常見離子液體之陰離子對其在水中溶解度的影響²³，而研究也發現陽

離子上的烷基碳鏈越長會造成離子液體疏水性越強^24,25。

圖 2-3、常見離子液體陰離子與水之互溶性趨勢 ¹⁵

由於陽離子和陰離子之間的作用力，使得離子液體黏度比一般有 機溶劑大很多，其黏度大小受到分子之間氫鍵和凡得瓦耳力強弱的影 響，作用力越強則黏度越大，一般來說，陽離子上碳鏈越長則凡得瓦 耳力越大，造成黏度越大。在陽離子相同情況下，不 同 陰 離 子 的 離

子 液 體 其 黏 度 順 序 如 下 Cl^->PF6

->BF4

->NO3

->(CF3SO3)2N^-24。離 子 液 體 的 密 度 範 圍 則 在 1.0 到 1.6 g/cm³之 間 ， 陽離子團越大，

密度相對減小⁵，而溫 度 越 高 密 度 越 低 。

離子液體的熔點在應用上來說是重要的參考指標，其熔點決定於 陽離子的對稱性，對稱性差會影響晶體的排列，造成熔點下降，分子 間若有氫鍵作用力則會使熔點增高。另外，陰離子的種類不同也會影 響熔點。常 用 咪 唑 鹽 類 (imidazolium)的 離 子 液 體 熔 點，如 表 2-2⁷。

表 2-2、 咪 唑 鹽 類 的 離 子 液 體 熔 點 ⁷

2-1-4 離子液體的應用

近幾年來離子液體的應用相當廣泛，已有回顧文獻針對分析化學 方面做介紹^23,26,27，應用範圍包括液相/液相萃取、氣相層析、質譜儀 雷 射 脫 附 基 質 及 電 化 學 等 等 。 Abraham 提 出 的 “溶 劑 化 參 數 模 型”(solvation parameter model)²⁸，被用來表示離子液體和溶質之間的 作用力，根據參數不同，離子液體所應用的領域也有所差異，如圖 2-4。

圖 2-4、離子液體在 70℃作用力參數表示圖²⁸

a:氫鍵鹼度(hydrogen-bond basicity ), b:氫鍵酸度(hydrogen-bond

acidity), s:偶極性(dipolarity) or極化性(polarizability), r:離子液體和溶 質π電子和非鍵結電子之間作用的能力, l:分散力(dispersion

forces)。

因離子液體可調整成親水性或疏水性，在液相/液相萃取佔有很 大優勢。在離子液體中加入冠醚類(crown ether)分子作為萃取劑，萃 取硝酸鍶²⁹、重金屬離子 ³⁰、胺基酸 ³¹以及蛋白質 ^12,32;也有研究直接

在陽離子上修飾上硫醚、硫脲等官能基 ³³，此方法不須加入額外萃取

劑即可萃取 Hg²⁺、Cd²⁺，這樣的離子液體又稱為 task-specific ILs。用

離子液體當介質，可將奈米金和奈米棒從水相轉移到離子液體相³⁴，

藉由調整 pH 值，某些染料也有相轉移的現象 ^35,36。也有利用離子液 體及二氧化碳萃取有毒的多環芳香族後，再回收離子液體的環保分離 方法³⁷。

在氣相層析管柱中，離子液體因高黏度、無揮發性且在高溫穩

定，使其可填充當作靜相，對化合物亦有多種作用力³⁸，若為極性高

離子液體可用來分離極性樣品，反之，則可用來分離非極性樣品³⁹。

在電化學領域，電位窗(potential window)主要決定於溶劑本身是否容 易 被 還 原 或 氧 化 ， 離 子 液 體 和 水 比 有 較 寬 廣 的 電 位 窗 (potential window)及導電度，例如[C3H7(CH3)3N][(CF3SO2)2N]電位窗可達 5.7 V⁸。離子液體也可以作為質譜儀雷射脫附基質，Armstrong 等人曾用 蛋白質、胜肽及 PEG-2000 作為分析物證實其可能性⁴⁰。也曾被用來 偵測 DNA oligomer⁴¹。離子液體的應用已是綠色化學的一部分，各領 域也陸續投入離子液體的研究，其未來發展性指日可待。

2-2 蛋白質液相/液相萃取

一 般 蛋 白 質 液 相 / 液 相 萃 取 有 兩 個 步 驟 ， 正 向 萃 取 (forward extraction)與反向萃取(backward extraction)。正向萃取是將蛋白質從水 相萃取到有機相或另一水相中;移除原來蛋白質所在的水相後，添加 新的水溶液，將蛋白質再萃回到此新的水相稱為反向萃取。

2-2-1 蛋白質簡介

蛋白質是由超過50個胺基酸所形成的多胜肽鏈(polypeptide chain)，經雙硫鍵與非共價鍵的作用力結合，形成立體結構，在生物 體內扮演著非常重要的角色。本論文所使用的溶菌酶(lysozyme)是一 種可溶解細菌細胞壁的酵素，在哺乳類動物的血液、眼淚和乳汁中皆 存在，亦分佈於鳥類和植物當中，其中以鳥類的卵中含量最多。雞蛋 中的溶菌酶含量約佔3~4 %，且和人體內溶菌酶性質相似，不僅有抗 菌性亦有抗病毒之作用因此較受重視，亦可用來替代化學保存劑做為 食品中的天然抗菌劑。本實驗使用的即是雞蛋白溶菌酶(hen-egg white lysozyme)，由129個胺基酸分子所構成，分子量約為14.4 kDa，等電 點 (isoelectric point, pI) 為 10.7 ， 有 四 條 雙 硫 鍵 位 置 分 別 排 列 在 Cys6-Cys127、Cys30-Cys115、Cys64-Cys80、Cys76-Cys94。

隨著生物科技進步，蛋白質的分離和純化日益受到重視。傳統上 在分離蛋白質常用過濾、鹽析、凝膠電泳或各種層析(chromatography)

等技術進行樣品分離，但這些方法只能處理少量樣品。之後發展出的 雙水相溶劑系統(aqueous two phase solvent system ) 及反微胞萃取法 (reversed micelle extraction)，可用來萃取大量的生物樣品。

2-2-2 雙水相溶劑系統

雙水相溶劑系統是瑞典的 Albertson 於 1958 年所提出⁴²，因所需 成本低、操作簡單而被人們重視。所謂的雙水相溶劑系統是將兩種物 化 性 質 相 異 之 高 分 子 聚 合 物 (polymer) 或 一 種 高 分 子 與 一 種 鹽 類 (salt)，加入水溶液中，這些不同性質的大分子分別與水分子產生交互 作用力而成兩相。藉由欲分離物化合物性質差異，與兩水相分子間有 不同作用力而產生分配(partition)行為達到純化分離的效果。化合物分 子在兩相的分配情形受許多因素所影響，主要包括高分子聚合物種類

43、緩衝液濃度 ^44,45、溫度 ⁴⁴及溶液酸鹼值 ⁴⁵等。由於分離步驟少、

操作條件溫和、生物分子活性保存佳，且不需使用有機溶劑，目前雙 水相溶劑系統已被應用在蛋白質、核酸等生物分子的萃取分離及純化 上⁴³。也曾在逆流層析儀(countercurrent chromatography) 中使用，進 行蛋白質的製備分離^46,47。

2-2-3 反微胞萃取法

微包(micelles)由界面活性劑在水溶液中的濃度大於臨界微胞濃

基團朝外，形成一個團狀的結構，如下圖 2-5。相反地，反微胞(reverse micelles)則是界面活性劑溶於有機溶劑，疏水基向外，親水基團朝內 可包圍水分子，形成水核(water pool)，一般反微胞萃取就是利用此水 核將水溶液中極性大的分子轉移到有機相中。

反微胞系統萃取的機制包含靜電作用力(electrostatic interactions) 和疏水作用力(hydrophobic interactions)。若使用離子型的界面活性 劑，反微胞則會帶電荷，若水溶液中的分子帶有相反電荷就會被吸引 到有機相;相對的若水溶液中的分子帶有和界面活性劑相同電荷，則

會產生排斥而回到水相⁴⁸。對非離子型的界面活性劑來說，靜電作用

力影響便不大，一般認為是水溶性分子疏水基部分和界面活性劑上的 疏水基之間產生凡得瓦耳作用力，而達到萃取目的^49,50。

圖 2- 5、界面活性劑、微胞及反微胞示意圖

反微胞法萃取蛋白質的效率會受到系統狀態而有所影響，例如界 面活性劑的選擇、溶液 pH 值、離子種類、離子強度及溫度等。離子 型的界面活性劑與蛋白質之間有強的靜電吸引力，因此 pH 值對萃取 效 果 來 說 是 重 要 因 素 ， 影 響 著 蛋 白 質 表 面 的 電 荷 分 佈 (charge distribution over the protein surface)，當 pH 值大於蛋白質的等電點 (pH>pI)，蛋白質的表面淨電荷為負，使用陽離子界面活性劑時，就 需要使蛋白質帶負⁵¹;相反地，使用陰離子界面活性劑時，水溶液 pH 就需要小於蛋白質等電點(pH<pI)⁵²。但在 pH 調控範圍上有限制性，

因為蛋白質處於過酸或過鹼條件下，會造成其變性或喪失活性，使得 萃取效果不佳 ⁵³。而非離子界面活性因靜電作用力弱，較不受 pH 值 影響，對蛋白質傷害也比較小⁵⁴，因此適合用在生物分子上。

水溶液中離子的濃度和種類亦是影響反微胞萃取蛋白質的因

水溶液中離子的濃度和種類亦是影響反微胞萃取蛋白質的因

在文檔中 應用親和性離子液體於溶菌酶之萃取 (頁 18-36)