综述：经过设计的深共晶溶剂基水两相体系：通过分子修饰调控相行为以实现精准的生物分离

《Journal of Molecular Liquids》：Engineered deep eutectic solvent-based aqueous biphasic systems: Molecularly-tailored phase behavior and extraction for precise bioseparation

生物分子分离技术综述：深度熔融盐水两相系统（DES-ABS）通过氢键驱动自组装形成两相，显著提升生物分子提取效率（>90%），其相行为、形成机制及强化策略基于分子模拟（COSMO-RS、MD）系统分析。重点探讨了盐-表面活性剂、盐-聚合物等复合DES-ABS体系，提出通过优化HBD/HBA配比、调控温度与pH实现高效分离。可持续回收方法显示5次循环后仍保持≥65%的回收率与性能稳定性，为新一代绿色生物分离技术设计提供理论依据。

　　

谢张辉|张莉莉|刘宇雅|高静

广东药科大学食品科学学院，中国中山528458

摘要

基于深共晶溶剂的水相双相系统（DES-ABS）已成为精密生物分离的变革性平台，对蛋白质和核酸等生物分子的提取效率可达到90%以上。本文对DES的性质、相形成机制以及不同DES-ABS的相行为进行了深入评估。通过强化盐析效应/疏水相互作用和调整各相的特性等先进工艺强化策略，提高了提取效率。基于分子相互作用分析（如COSMO-RS和分子动力学模拟）的数据，阐明了提取机制和选择性。最后，系统评估了DES的可持续回收方法，证明其在5个循环内的回收率可达到65%以上且性能没有下降。本文为DES-ABS的结构-性质-性能关系提供了定量见解，为其在下一代生物分离中的应用提供了设计路线图。

引言

水相双相系统（ABS）作为一种绿色工程范式，利用目标化合物在两种不相溶的水相之间的差异性分配，已成为生物分子分离的技术手段[1]。当两种水溶性混合物的浓度超过临界值时，会形成具有不同极性的两个水相。在提取过程中，目标分子优先分配到其中一个相中，而污染物则留在另一个相中。与传统有机溶剂提取方法相比，ABS具有生物相容性更强、环境足迹更小以及在温和条件下操作更灵活等优点，这些特性推动了其在蛋白质[2]、核酸[3]和氨基酸[4]等多种（生物）分子提取中的广泛应用。

高分子基ABS的高相粘度（30–150 mPa·s）限制了传质效率。离子液体（ILs）由有机阳离子和阴离子组成，具有高热稳定性、低挥发性、不易燃性和优异的溶解能力[5]。与高分子基ABS相比，通过阳离子/阴离子修饰可以调节离子液体基ABS的相性质，从而降低粘度（18–42 mPa·s）并扩大极性范围[5,6]。然而，由于离子液体成本高昂（120–500美元/千克）、生物相容性有限（酶活性保留率低于60%）以及合成路线复杂（需要3–5步有机反应），亟需寻找替代方案。深共晶溶剂（DES）通过氢键供体（HBD）和受体（HBA）的氢键驱动自组装，重新定义了ABS的设计[7]。DES具有制备简便、毒性低、兼容性和降解性更高等优势[8]。研究表明，DES-盐ABS[9]、DES-表面活性剂ABS[10]、DES-有机溶剂ABS[11]、DES-聚合物ABS[12]、DES-IL ABS[13]和DES-DES ABS[14]已成功开发并用于提取蛋白质[15,16]、酶[17]、氨基酸[18]、色素[19]和核酸[13]。

尽管Oke等人在2021年对基于DES的ABS用于蛋白质提取进行了基础性综述，主要关注经验性的相形成规则和优化方法，并强调了影响蛋白质提取的关键因素，但本文显著扩展了精密生物分离的应用范围，包括新型DES-ABS类型（如DES-IL、DES-DES和响应刺激的DES）及其分子设计原理（表1）。此外，探讨了提高提取效率的工艺强化策略，并基于分子相互作用数据（如水合作用、氢键作用和熵驱动的分配）阐明了提取机制。同时，系统评估了DES作为ABS组分的可持续回收方法。最后，讨论了数据驱动的设计策略（如COSMO-RS、机器学习）和实验性高通量筛选方法，以加速针对特定分离目标的ABS定制，这些内容在以往的综述中尚未涉及。本文有助于更深入地理解基于DES的ABS内部的基本相互作用及其对提取过程的影响。

DES与ABS特性的关联

当前研究中，一个关键限制在于对DES的表征不足，它们通常仅被定义为“共晶混合物”，而没有对其低熔点性质进行严格验证。现有研究主要通过简单混合成分来制备DES，但缺乏系统性的证据证明其共晶性质。尤其是熔点数据（例如确认熔点低于100°C）非常有限。

相形成机制

基于DES的ABS的相形成机制源于分子相互作用、热力学驱动力和结构重组的协同作用。最近，分子模拟（如量子化学（QC）和分子动力学（MD）为分子层面的相形成机制提供了见解。QC计算有助于理解参与ABS的组分的电子结构和键合特性，而MD则揭示了...

相行为

了解基于DES的ABS的相行为有助于选择合适的组分比例，从而提高提取效率。图3展示了各种基于DES的ABS的相图。该过程通过浊点法确定，相关数学参数（A、B、C和R2）通过方程（1）和方程（2）进行非线性最小二乘回归计算，具体数值列于表2中。

连线（TL）是连接...

应用

基于DES的ABS可以有效提取和选择性分离多种生物分子，包括氨基酸、蛋白质、酶、核酸、多糖、色素和药物。

提取过程的工艺强化

ABS的提取效率和分配行为受多种因素影响，包括相形成组分的类型和浓度、提取温度、提取时间和离子强度。有两种主要策略可以提高提取效率：（1）强化盐析效应/疏水相互作用以促进相分离；（2）调整各相的特性以提高目标化合物的溶解度。

用于生物分子提取的ABS设计策略

分析生物分子和溶剂的提取机制对于推动其在工业和环境应用中的广泛应用至关重要[83]。通常，氢键作用、范德华力、静电力和空间位阻是涉及基于DES的ABS和目标化合物的提取过程中的主要驱动力[84,85]。这些相互作用的强度取决于相组分及其结构和电荷...

结论

基于DES的ABS作为一种绿色分离技术，为生物分子和其他高附加值化合物的分离和纯化提供了高效的选择。与传统ABS相比，基于DES的ABS在经济和环境方面具有优势，通过调节DES组分（如HBA/HBD的类型和摩尔比）和外部条件（如温度、pH值和水分）可以优化相形成能力、提取效率和选择性。

CRediT作者贡献声明

谢张辉：撰写——初稿、方法论、研究、数据整理。张莉莉：撰写——初稿、方法论、研究、数据整理、概念构思。刘宇雅：数据整理。高静：撰写——审稿与编辑、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（21706040；22078070）、广东省自然科学基金（2019A1515010640）以及广东省高校创新项目（230419064）的支持。