面向过程强化的逆流微萃取技术：现状、挑战与未来趋势

《Chemical Engineering Science》：Process intensification-oriented counter-current microextraction technology: Current status, challenges and future trends

　　

摘要

由于优异的相界面可控性和强化传质/传热能力，逆流微萃取技术已成为过程强化的重要平台。尽管近年来在反应器设计和操作模式优化方面取得了显著进展，但在微通道中实现稳定逆流仍是一个主要挑战，这限制了液滴形成机制和流型的深入研究，并进一步导致大规模工业应用中在萃取效率、智能化和环境友好性方面出现关键瓶颈。本文系统综述了该技术的研究现状和未来发展方向。首先，总结了应对上述挑战的三类策略：多级逆流微萃取、连续逆流微萃取和混合逆流微萃取。其次，阐述了萃取性能的评价标准。随后，重点介绍了近年来开发的各种逆流微萃取平台。并总结了高效分离、实时监测和低碳工艺开发方面的最新突破，特别是在复杂体系分离和资源化利用中的变革性应用。通过批判性评估现有技术的局限性和能效，本文旨在激发针对工业需求的创新解决方案，重点关注高通量、高稳定性和长期可靠性等核心挑战的突破。最后，讨论了逆流微萃取技术在智能化、绿色化和多技术融合方向的发展趋势。

引言

逆流微萃取（CCM）是一种基于两相流体逆流接触的高效微尺度分离技术，它结合了逆流接触和微流控技术的双重特性（Kriel等，2017）。其核心原理是利用溶质分配差异，通过不互溶两相在微反应器中的逆流流动实现选择性分离。该技术结合了传质效率高、溶剂消耗低和易于自动化等优点，特别适用于痕量分析和高通量筛选，同时也符合绿色化学的理念（Xu等，2016；Malengier和Pushpavanam，2012）。这些特性推动了CCM技术在跨学科前沿领域的应用，涵盖食品科学、生物医学、环境分析等多个方面（Xu，2024）。以“counter-current microextraction”或“countercurrent microextraction”为关键词在ScienceDirect数据库（时效性高、覆盖范围广、检索精度高）中检索，可以发现与CCM技术相关的出版物呈现持续增长态势，已超过20年，这表明CCM技术研究具有广阔的前景（图1）。从文献分布来看，相关成果不仅在形式上涵盖了多种类型（如综述、研究论文和科学报告），而且广泛涉及化学工程、化学、材料科学甚至农业和环境科学等多个研究领域。尽管研究热情持续增长且学科覆盖面不断扩大，但现有工作仍高度集中在实验室规模，与真正的工业应用之间仍存在显著差距。

为了进一步推动CCM技术的发展，有必要对现有方法和潜在应用进行系统分析。因此，本文对CCM技术进行了全面综述，涵盖分类、萃取性能评价标准、最新研究进展、应用现状和未来发展方向。首先，详细讨论了CCM技术的分类体系，重点关注每一类的特点及相应的解决方案，包括多级逆流微萃取（MS-CCM）技术、连续逆流微萃取（C-CCM）技术和混合逆流微萃取（H-CCM）技术。然后，简要讨论了CCM技术萃取性能的评价标准。随后，系统总结了CCM技术的最新进展，并在环境分析、生物医学和食品科学三个领域展示了代表性应用。通过上述领域的典型案例，展示了CCM技术在推动技术突破方面的实际效果。最后，对CCM技术当前的发展现状和面临的挑战进行了批判性分析，并对未来发展趋势提出了建议。

章节片段

逆流微萃取（CCM）技术

液-液两相微萃取根据流体流动类型可分为并流微萃取和逆流微萃取（Xie等，2020）。在并流模式中，液-液两相沿相同方向流动。各相浓度随流动距离的增加单调趋近平衡值，导致沿流动方向相间传质驱动力逐渐减小（

CCM技术中萃取性能的评价

通常，萃取效率（E）可用于评价不同萃取器的萃取性能，如式（1）所示（He等，2018a；He等，2018b）。$$E=\left(C_{\mathit{aq},in}-C_{\mathit{aq},out}\right)/C_{\mathit{aq},in}$$

其中，C_{aq, in} 和 C_{aq, out} 分别是水相在入口和出口处的溶质浓度。萃取过程中的质量平衡可表示为式（2）（He等，2024）。$$V_{\mathit{aq}}·\left(C_{\mathit{aq},in}-C_{\mathit{aq},out}\right)=V_{\mathit{or}}·C_{\mathit{or},out}$$

将式（2）代入式（1），可得到式（3）以

CCM技术的最新进展

近年来，CCM技术取得了显著进展。除上述内容外，还有许多其他研究采用了不同的微通道装置、测试系统和流型。表3概述了微通道中的逆流萃取过程，本节将对此进行讨论。如前所述，Li等（2012）和Lan等（2016）构建了仿生多级逆流微萃取器，并评价了萃取性能

CCM技术的应用

CCM技术将逆流萃取原理与微流控技术相结合，实现了微尺度下液-液两相之间的有效接触和传质。它具有富集效率高、溶剂消耗低、易于小型化和自动化等优点，正成为精细化学品、生物医学和环境分析等领域的重要分离方法，同时也在多个领域展现出广阔的应用潜力

CCM技术：关键瓶颈与发展趋势

近年来，CCM技术在器件创新、驱动机制、系统集成、应用拓展和理论模型等方面取得了显著进展。该技术正朝着小型化与高通量平衡、被动驱动与智能调控相结合、功能集成与多场景适应等方向发展，为化工、制药、环境、能源等领域的分离过程提供了有力的技术支持

CRediT作者贡献声明

Yuan He： 写作 – 初稿、调查、资金获取、形式分析。Shuang Yang： 监督、资源、形式分析。Man Zhang： 写作 – 审阅与编辑、监督、资金获取、形式分析。Cheng Zhang： 监督、资源、资金获取、形式分析。Pingqiang Gao： 监督、形式分析。Fei Zhu： 监督、形式分析。Zhiwei Wang： 监督、形式分析。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

衷心感谢以下项目的资助：先进纺织加工与清洁生产国家地方联合实验室（项目编号FX20250007），陕西省自然科学基础研究计划（项目编号2026JC-YBQN-0175），榆林学院高层次人才科研启动基金（2025GK31），国家自然科学基金（52403073），先进聚合物材料国家重点实验室开放课题，四川

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