反式查尔酮反溶剂结晶中成核后超声功率对晶体回收率与特性的影响机制

《Ultrasonics Sonochemistry》：Ultrasound-assisted antisolvent crystallisation of trans-chalcone

　　

研究人员考察了反式查尔酮（trans-chalcone）在常规条件（silent）与超声辅助（ultrasound, US）条件下的反溶剂结晶（antisolvent crystallisation）过程。研究评估了溶解度（solubility）、亚稳区宽度（metastable zone width, MSZW）、晶体收率（crystal yield）、晶体结构（crystal structure）、晶体形貌（morphology）以及粒度与形状分布（particle size and shape distribution）。在30 °C时，反式查尔酮的溶解度随水质量分数（water mass fraction）的增加而降低，并采用Jouyban-Acree模型进行了关联。亚稳区宽度随反溶剂添加速率的增加而增大。常规条件下，晶体收率随温度升高而降低。因此，超声实验在30 °C下进行。研究在云点（cloud point）之后施加超声，以考察其对回收率（recovery efficiency）及晶体特性的成核后（post-nucleation）影响。相对于最大可获得收率（maximum attainable yield），回收率由常规条件下的71%提升至标称功率（nominal US power）30 W时的86%，但在更高功率下转而下降。粉末X射线衍射（PXRD）未显示主要的结构转变证据，但相对峰强度随超声功率发生变化。平均晶粒尺寸（average crystallite size）从常规条件下的44.8 nm减小至20 W时的29.8 nm。场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像显示晶体呈板状（plate-like），并出现与超声相关的表面不规则（pits）；基于图像的粒度与形状分析（image-based particle size and shape analysis, SOPAT）表明尺寸仅有有限减小，且径比（aspect ratio, AR）变化可忽略。这些结果表明，成核后超声（post-nucleation ultrasound）可通过优化操作条件选择性地提高晶体回收率并改性晶体特性。

查尔酮（chalcone）是一类广泛存在于水果、茶和食品中的天然化合物，因具有抗肿瘤、抗氧化、抗炎和抗痉挛等多种生物活性而备受关注。其中，反式查尔酮（trans-chalcone）因对骨肉瘤表现出抗癌活性而具有独特的研究价值。对于此类有机化合物，结晶是关键的分离与纯化步骤，直接决定产品回收率以及晶体尺寸、形状、形貌和结构等固体状态属性。反溶剂结晶（antisolvent crystallisation）相较于冷却或蒸发结晶，无需大幅温度变化，对热敏性化合物更具吸引力；然而，该过程对溶剂-反溶剂混合、反溶剂添加速率、过饱和度生成及成核过程高度敏感，容易导致局部浓度梯度和空间非均匀过饱和度。超声辅助结晶（sonocrystallisation）依赖声空化（acoustic cavitation）效应，气泡振荡与塌缩可产生局部湍流、冲击波和增强混合，理论上可影响成核、晶体生长及破碎过程。然而，现有研究对超声作用时机以及功率效应的认识仍不充分，且关于查尔酮及其衍生物的研究多集中于合成、生物活性、分子结构、晶体堆积及单晶生长，尚未见将其用于反式查尔酮结晶过程的系统报道。因此，研究人员开展本项工作，旨在阐明成核后超声对反式查尔酮反溶剂结晶回收率及晶体关键质量属性的独立影响机制。

研究人员系统考察了乙醇-水体系中反式查尔酮在常规条件与超声辅助条件下的反溶剂结晶行为。首先测定了30 °C下溶解度并关联了反溶剂添加速率对亚稳区宽度（MSZW）的影响；随后对比了常规条件下不同温度的收率；最终在成核后施加不同功率（20–50 W）的超声，评估其对收率、晶体结构、粒度、形貌及形状分布的作用。研究发现，成核后超声在20–30 W功率窗口内可显著提高晶体回收率（从71.2%提升至86.1%），并将平均晶粒尺寸从44.8 nm降低至29.8 nm，而晶体晶型未发生转变，表面出现空化凹坑，粒度仅轻微减小且径比基本不变。该研究的科学意义在于，通过仅在成核后施加超声，成功分离了成核事件与超声-晶体相互作用，从而定量揭示了超声对已有晶体群的回收增强与细化效应，为反式查尔酮的分离纯化及超声辅助结晶工艺的放大提供了依据。

研究人员主要采用以下关键技术方法：通过平衡溶解度法测定反式查尔酮在乙醇-水混合溶剂中的溶解度，并采用Jouyban-Acree模型关联溶解度数据；利用目视法观测云点，以确定不同反溶剂添加速率下的MSZW；在常规与超声辅助条件下进行分批反溶剂结晶实验，通过气相色谱-氢火焰离子化检测器（GC-FID）测定溶质浓度，进而计算收率、最大可获得收率及回收率；采用粉末X射线衍射（PXRD）结合Scherrer方程分析晶体结构与晶粒尺寸；利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察晶体形貌；并通过内窥镜光学探头（SOPAT）图像分析系统获取粒子尺寸与形状分布（PSSD）。超声处理在成核后（云点后30 ± 5 s）启动，采用40 kHz连续超声浴，功率为20–50 W，持续作用5 min，随后维持30 min晶体生长。实验所用试剂包括反式查尔酮（纯度97%）、分析纯乙醇（纯度99.8%）和蒸馏水，未使用临床样本队列。

3.1 反式查尔酮在乙醇-水混合物中的溶解度
研究人员通过平衡溶解度法结合GC-FID分析发现，在30 °C下，反式查尔酮的溶解度随水质量分数的增加而单调降低，从纯乙醇中的225 g/L降至水质量分数为0.42时的14.6 g/L。九组组成数据采用Jouyban-Acree模型进行了良好关联，R² = 0.988，平均相对偏差（MRD）为8.7%。在结晶实验母液组成（水质量分数0.222）下，关联模型给出的溶解度C*为53.7 g/L，该值被用于计算最大可获得收率。

3.2 亚稳区宽度测量及反溶剂添加速率的影响
研究人员通过向饱和乙醇溶液（225 g/L）中以1、2、4、8 mL/min的速率添加水，并目视确定云点（成核起始），测得MSZW随反溶剂添加速率的增加而增大，从1 mL/min时的0.190 ± 0.004 g/g增至8 mL/min时的0.324 ± 0.007 g/g。该依赖关系近似对数关系，MSZW = 0.193 + 0.066 ln q（R² = 0.974）。结果表明，添加速率越快，达到可检测浊度所需的反溶剂量越多，这是因为反溶剂添加速度快于晶核形成并生长至可检测尺寸的速率。

3.3 常规条件下收率的温度依赖性
研究人员在30、40和50 °C下进行了常规反溶剂结晶实验。结果显示，晶体收率随温度升高而显著下降，从30 °C时的50.4 ± 2.6%降至40 °C时的9.5 ± 0.8%，以及50 °C时的3.6 ± 0.3%（Welch's t-检验，p < 0.05）。这一趋势主要归因于温度升高导致溶质在母液中的溶解度显著增加（从53.7 g/L增至199.5和215.5 g/L），从而使最大可获得收率Y_max降低；同时，过饱和度比S从3.4（30 °C）降至1.3–1.4（40–50 °C），导致初级成核速率降低、晶核数量减少，在固定的30 min生长周期内可析出的溶质量下降。回收率由30 °C的71.2%分别降至40 °C的42.7%和50 °C的12.7%。

3.4 不同超声功率下的收率测定
鉴于常规条件下30 °C收率最高，超声辅助实验均固定于该温度。研究人员在成核后（云点后30 ± 5 s）施加20、30、40、50 W超声，持续5 min。结果表明，晶体收率随功率增加呈先升后降趋势，从常规条件下的50.4 ± 2.6%提升至20 W时的57.3 ± 2.6%和30 W时的61.0 ± 3.0%，随后在40 W和50 W时下降至47.2 ± 1.4%和44.4 ± 2.4%。回收率从71.2%提升至80.9%（20 W）、86.1%（30 W），再降至66.7%（40 W）和62.8%（50 W）。20 W和30 W下的提升具有统计学显著性（p = 0.031和0.011）。该现象归因于空化产生的声学流、冲击波及微射流可减薄晶体表面的扩散边界层并加速传质，同时空化附近已有晶体可诱导二次成核，增加用于脱过饱和的晶表面积；但过高功率时空化气泡云产生屏蔽效应，降低了有效空化效率。

3.5 有和没有超声的晶体的PXRD分析
PXRD分析表明，所有实验条件下衍射峰位置与标准卡片（JCPDS-ICDD card No. 00–033-1568）在2θ容差0.2°范围内均匹配良好，未出现主要结构转变。然而，部分衍射峰的相对强度差异超过±20个百分点，如(0 2 0)、(0 3 0)、(1 4 0)和(2 3 0)晶面，且这种变化在40 W和50 W时更为明显，表明超声功率影响了晶体的择优取向而非晶体结构。通过Scherrer方程计算，平均晶粒尺寸从常规条件下的44.8 nm降至20 W时的29.8 nm（降低33.5%），但在30、40、50 W时分别小幅回升至40、38和37.4 nm，且始终低于无超声条件，说明超声对晶粒尺寸的影响并非与功率呈简单线性关系。

3.6 所得晶体的FESEM分析
FESEM二次电子图像显示，反式查尔酮晶体呈典型的板状（plate-like）形貌。常规条件下晶体表面平滑，缺陷极少；施加超声后，晶体整体保持板状，但表面出现局部不规则，表现为凹坑（pits）。在40 W样品中，表面出现沿特定晶体取向分布的规则凹坑；当功率升至50 W时，晶体均匀性下降，呈现更无序的形貌。研究人员认为，这些表面特征源于近壁面气泡塌缩的非对称性，驱动高速微射流冲击晶体表面并造成局部侵蚀。

3.7 有和没有超声的晶体的PSSD分析
研究人员利用SOPAT系统对每个条件下约27,000–30,000个晶体进行了图像分析。结果表明，超声应用后晶体长度和宽度的体积概率密度函数（vPDFs）仅呈现轻微左移，体积平均直径d₄₃仅有有限减小。基于数量的径比（AR）概率密度函数（nPDF）显示，所有条件下平均AR值均约为1.8，长度-宽度散点图无明显偏移，表明晶体形状未受显著影响。研究人员指出，本研究所采用的超声比能量输入低于6 kJ/kg，低于多数超声诱导破碎研究的能量水平，因此反式查尔酮晶体在实验条件下对超声破碎相对不敏感。

论文讨论部分强调，将超声施加限定于成核后阶段，可有效隔离超声对初级成核事件的干扰，从而确保实验中测得的收率、晶粒尺寸和粒度差异仅反映超声对已有晶体群体的作用。研究同时指出，收率与晶粒尺寸对超声功率的响应并不同步：最优收率出现在30 W，而最大晶粒尺寸降低出现在20 W。此外，在常规条件下，提高反溶剂添加速率至8 mL/min虽可获得更高收率（66.7%），但这主要归因于到达云点所需反溶剂量增加导致最大可获得收率提高，而非过程强化本身；因此，添加速率与成核后超声作用于回收率的两个不同层面，其联合效应值得进一步探索。与冷却结晶相比，反溶剂结晶在30 °C等温条件下可获得更高理论收率（70.8%，而50至30 °C冷却仅为40.6%），并避免了冷却表面结垢和结壳问题。

研究结论部分指出：在乙醇-水体系中，反式查尔酮在30 °C下的溶解度随水质量分数从0增至0.42而由225 g/L降至14.6 g/L，可由Jouyban-Acree模型良好关联（MRD为8.7%）；MSZW随反溶剂添加速率由1 mL/min增至8 mL/min而从0.190 g水/g乙醇增至0.324 g水/g乙醇。常规条件下，晶体收率随温度升高而显著下降，回收率由30 °C的71.2%分别降至40 °C的42.7%和50 °C的12.7%。成核后超声处理在20–30 W功率窗口内（对应比能量2.2–3.2 kJ/kg）有效提升了晶体收率，使回收率由约71%提升至86%，但更高功率后因空化屏蔽效应而下降。PXRD分析未发现主要结构转变，但相对峰强度发生变化；平均晶粒尺寸在20 W时最大降低33.5%（44.8至29.8 nm）。FESEM显示晶体保持板状形貌并出现空化凹坑。PSSD分析表明，在低于6 kJ/kg的低比能量输入下，超声仅引起有限的尺寸减小和径比的显著变化。该研究为将空化辅助反溶剂结晶技术应用于反式查尔酮的高效分离与晶体特性改性提供了方法学基础。