《Green Analytical Chemistry》：Green Solvents in Analytical Chemistry: From Sustainable Innovation to Education for a Greener Future
向更绿色的分析化学转型不仅需要开发可持续方法，还需要强有力的教育策略，以支持其在教学与培训情境中的有效实施。绿色溶剂已成为这一转型的关键推动因素，与传统有机溶剂相比，其具有毒性降低、生物降解性改善和环境影响更小等优势。本综述批判性地审视了分析化学中绿色溶剂的最新进展，特别关注生物基溶剂（bio-based solvents）、低共熔溶剂（deep eutectic solvents, DESs）、离子液体（ionic liquids, ILs）和超临界流体（supercritical fluids, SCFs），在讨论其分析性能的同时兼顾可持续性与生命周期考量。除技术相关性外，研究人员明确阐述了绿色溶剂的教学价值，通过分析其作为生命周期思维、溶剂选择、方法绿色度评估和负责任决策的教育工具的作用。研究提出了一种结构化的教育框架，从定性溶剂选择指南逐步推进到定量的、面向生命周期的方法论，并通过层级化教育规则、基于工作流的学习以及多指标评估工具（如GreenSOL、AGREE和Eco-Scale）加以实施。为展示如何将绿色溶剂系统整合到本科和研究生阶段的分析化学课程中，研究呈现了基于实验室的问题导向和课程层面的教育场景示例。此外，研究强调了数字平台和社区驱动倡议在支持课程改革和教育者培训中的作用。通过将溶剂创新、分析方法开发和教育相联系，本综述为将可持续性作为分析化学的核心组成部分提供了连贯路线图，有助于培养下一代化学家所需的能力，并使分析教育与绿色化学原则及联合国可持续发展目标（Sustainable Development Goals, SDGs）保持一致。
1 引言
1.1 绿色化学
绿色化学（green chemistry, GC）运动源于20世纪末全球日益增强的环境退化意识以及对传统化学实践有害影响的认识。Rachel Carson的《寂静的春天》（1962年）等具有里程碑意义的事件以及后续环境法规的扩展，包括美国1990年《污染防治法》，为一种积极的、预防导向的化学创新方法奠定了基础。1998年Paul Anastas和John Warner出版的《绿色化学：理论与实践》为该领域提供了正式定义，建立了设计更安全、更可持续化学产品和过程的连贯框架。推动GC采用的动力超出环境保护范畴，涵盖监管压力、不断演变的消费者期望以及长期经济利益的驱动。更严格的全球法规要求工业界减少污染并依赖更安全的替代品，同时消费者要求可持续来源的产品。并行地，整合GC原则通常能降低废物管理成本、提高能源效率并增强操作安全性，从而强化环境管理与经济可行性之间的协同关系。
GC聚焦于在化学产品从设计到废弃的整个生命周期中最小化或消除有害物质。其概念基础通过Anastas和Warner定义的十二项绿色化学原则表达，这些原则与联合国（UN）定义的可持续发展目标（SDGs）密切相关。这些原则作为战略性指导，用于创建本质上更安全、更可持续的化学转化。多个行业的应用展示了这些原则日益增长的采用率。制药行业中，辉瑞公司舍曲林（Zoloft）的更绿色合成展示了催化方法和溶剂最小化如何改善环境绩效。溶剂减量策略和酶催化生物转化正日益取代危险和高废过程。农业同样受益于生物基农药和精准养分输送系统，减少生态污染。材料科学中，源自可再生资源的生物塑料开发为石油基聚合物提供了可持续替代品。
1.1.1 绿色分析化学
绿色分析化学（green analytical chemistry, GAC）是分析科学的一个变革性分支，致力于最小化实验室实践对环境和人类健康的风险，同时保持高标准的分析质量，包括准确度、精密度和可靠性。与传统分析方法相比，后者常依赖资源密集型程序、大量溶剂使用和危险试剂，GAC将GC原则整合到分析工作流中以减少废物产生、能源消耗和生态足迹。因此，GAC是可持续发展的组成部分，特别强调方法微型化、缩短分析时间和高效资源利用。
GAC的概念框架由十二项核心原则正式定义，指导可持续分析方法的设计。Ga?uszka、Migaszewski和Namie?nik在Trends in Analytical Chemistry上的发表中阐述了这些原则，以应对分析实验室的具体挑战。关键要素包括使用直接分析技术以最小化或消除样品前处理，减少样品量和溶剂消耗，以及实施原位和在线测量。其他原则促进分析步骤的整合以节省能源和材料，使用自动化和微型化系统，避免衍生化，以及实施适当的废物管理策略。重要的是，GAC还鼓励用可再生替代品替代有限资源，如生物基溶剂，并强调消除有毒试剂以确保操作者安全。
GAC的相关性超出方法优化范畴，作为跨多个应用领域的创新关键驱动力，包括药物分析、环境监测和食品安全。通过优先实时监测、减少溶剂使用和主动预防污染，GAC使分析实验室和工业能够在源头而非通过下游修复解决低效和危险副产物问题。因此，GAC已成为一个成熟的横向研究领域，激励全球科学家以显著减少的有毒废物和环境负担实现可靠的分析结果。
GC与GAC之间的概念和实践关系表明，GC为更安全、更可持续的化学产品和过程设计提供总体原则，而GAC将这些原则转化为具体的分析策略，包括溶剂和样品最小化、能源高效方法、方法微型化和增强的实验室安全性。这些互补框架共同展示了面向可持续的化学设计和分析实践如何联合促进环境保护、人类健康、经济效率以及与全球可持续发展目标的一致性。
1.2 绿色分析化学与溶剂可持续性
替代传统挥发性有毒有机溶剂是GC以及更具体的GAC的核心目标。许多传统溶剂的性质，如高蒸气压、差的生物降解性、环境持久性、毒性和可燃性，并不增强分析性能，却施加了显著的环境和健康负担。鉴于溶剂在分析工作流中用于采样、样品前处理、分离和检测的广泛和常规使用，溶剂替代代表了减少实验室大气排放、水生污染和危险废物产生的特别有效策略。
行业驱动的工具如溶剂选择指南（solvent selection guides, SSGs）在加速向更可持续溶剂使用转型方面发挥了关键作用。葛兰素史克（GSK）于1999年发起，随后通过辉瑞的交通灯分类系统扩展并被赛诺菲采纳，这些指南基于环境、健康、安全和废物处置标准系统评估溶剂。生命周期评估（life cycle assessment, LCA）方法的逐步整合和溶剂数据库的扩展，在GSK最新框架中达到154种溶剂，凸显了溶剂评估方法论日益增长的复杂性。在这些评估中，挥发性有机溶剂因其持久性、毒性和对大气污染的贡献而持续得分较差。
监管框架进一步强化了分析化学中可持续溶剂选择的必要性。欧洲化学品注册、评估、授权和限制法规（REACH）以及美国的《清洁空气法》和《清洁水法》对有害物质施加越来越严格的限制，并要求更严格的环境合规。这些监管压力得到非政府组织、政府机构和公司可持续发展计划的补充，共同促进更安全、更可持续溶剂系统的研究、开发和实施。
在此背景下，可持续溶剂通常以低毒性、降低的安全风险、生物降解性或可回收性以及有限的环境持久性为特征。其采用有助于减少污染物排放、降低对化石衍生化学品的依赖以及改善实验室安全。随着对传统挥发性有机化合物（VOCs）环境影响的认识不断提高，更绿色的替代品如<子>水、生物基溶剂、低共熔溶剂（DESs）、离子液体（ILs）和超临界流体（SCFs）正日益在分析化学中得到探索和实施。这些溶剂系统在废物减少、增强安全性和与可持续化学转化的一致性方面提供了明显优势。
水常被描述为最终的绿色溶剂，因其无毒、不燃、低成本、可再生和整体环境友好性。然而，淡水可获得性有限，全球水资源中只有一小部分易于供人类使用。日益增长的需求和广泛的污染进一步威胁这一资源。因此，尽管水从安全和可持续性角度来看仍是理想溶剂，其在分析化学中的使用必须谨慎管理以避免加剧水资源短缺。
1.3 教育作为绿色分析化学的驱动力
除对可持续研究和工业实践的重要性外，GAC为培训新一代具有环境意识、社会责任感和能够就可持续性做出知情决策的化学家提供了强大的教育框架。教育日益被认可为分析科学中长期采用更绿色实践的关键驱动力，使可持续性原则能够转化为专业能力而非孤立的技术选择。
在教育情境中，GAC通过将分析性能与安全性、环境影响、资源效率和监管约束联系起来，支持系统思维的发展。绿色溶剂提供了一个有效的教学切入点，因为溶剂选择直接影响废物产生、操作者暴露、生命周期影响和方法稳健性。将溶剂选择作为多标准决策过程引入，使学生能够参与真实世界的权衡，这些权衡在研究实验室和工业实验室中都会遇到。
多项国际倡议已经出现，以支持将绿色化学和绿色分析化学整合到教育中，提供结构化的资源以连接概念框架和课堂实践。这些倡议表明，面向可持续的溶剂选择和分析方法设计可以系统地纳入各教育层次的化学课程中，从本科教学到高级培训。
在这一框架内，本综述不仅总结了分析化学中绿色溶剂的最新进展，还强调了其对教育和培训的相关性。通过将溶剂创新、分析方法学和可持续性考虑联系起来，本工作为后续部分中更详细讨论的教育挑战、策略和示例性案例奠定了基础。综合分析化学中的绿色溶剂，展示了溶剂开发、分析应用、可持续性目标和教育的联系。
2 绿色溶剂
化学过程包括分析工作流广泛依赖溶剂，使溶剂选择成为环境影响、废物产生、操作者安全和整体方法可持续性的关键决定因素。因此，用更绿色的替代品替代传统且常具危险性的溶剂已成为GC和GAC的核心目标。溶剂替代被广泛认可为减少分析方法生态足迹同时保持高分析性能的最有效策略之一。
为应对这些挑战，过去几十年开发了广泛的可持续溶剂系统。尽管这些溶剂类别在来源、物理化学特性和环境特征方面存在显著差异，但它们共享一个共同目标：与常规石化溶剂相比减少毒性、增强可再生性和最小化废物。
绿色溶剂被设计为传统石化溶剂的环境友好替代品，后者仍广泛用于化学和分析过程。许多绿色溶剂系统的一个决定性特征是其源自可再生原料，以及支持在较温和的温度和压力条件下进行化学转化，从而减少能源需求和环境负担。一个代表性例子是<子>乳酸乙酯，由玉米加工产生，表现出生物降解性、可回收性、非腐蚀性和无致癌或臭氧消耗效应等有利特性。与十二项绿色化学原则一致，理想的绿色溶剂应无害、安全、可再生、稳定且资源高效。这类溶剂通常表现出降低的环境和健康风险，以及改善的生物降解性、可重复使用性、可回收性，在某些情况下还有增强的成本效益。在此基础上，几种可持续溶剂家族已经出现，包括生物基溶剂、低共熔溶剂（DESs）、离子液体（ILs）、超临界流体（SCFs）、可切换溶剂和表面活性剂。
以下小节聚焦于四大溶剂类别——生物基溶剂、DESs、ILs和SCFs，它们是分析化学及相关领域中应用最广泛的。其物理化学特性和分析应用将在第3节中更详细讨论。
2.1 生物基溶剂
生物基溶剂（bio-solvents）由生物质资源生产，包括农作物、废物流和微生物发酵产品，为化石衍生有机溶剂提供替代。其发展与可持续化学加工的更广泛目标一致，因为多种天然原料（碳水化合物、蛋白质、油脂、脂肪等）可通过热化学和生物化学路线转化为溶剂。这些过程能够生产醇类、酯类、醚类、烷烃和芳香族化合物。
向生物经济的全球转变，无论是基于陆地生物质的"绿色"还是基于海洋资源的"蓝色"，正加速对可再生溶剂生产的兴趣。海洋生物质（大型和微型藻类、古菌）特别有前景，因其高多糖和脂质含量、快速生长速率以及极端微生物在成本效益高、非无菌条件下茁壮成长的能力。这些优势使海洋原料成为生产生物溶剂和最大化资源价值化的宝贵来源。
除海洋来源外，广泛使用的路线包括碳水化合物发酵、原生或废弃植物油加工，以及木质纤维素生物质转化。这些原料产出多样化溶剂，包括3-羟基丙酸、乙醇、甲醇、丁醇、呋喃、乳酸和琥珀酸。天然低共熔溶剂（NADES），由天然产物组成，代表了另一个重要家族。
2.1.1 生物基醇类
醇类是研究和工业中多用途的溶剂。其传统石化生产正日益被基于可再生原料的路线所补充，使其成为关键的生物溶剂候选物。
<子>乙醇是生产最多的生物溶剂，通过 Sugar cane、sugar beet、玉米、糖蜜、淀粉质材料和木质纤维素生物质的发酵获得（"生物乙醇"）。生物乙醇用作燃料、燃料添加剂、工业化学品前体和提取溶剂。对食用原料的伦理和经济担忧加强了<子>纤维素乙醇的兴趣。
<子>丁醇（生物丁醇）既是溶剂也是化学中间体（如用于醋酸丁酯），因其相对低毒性和广泛溶解力而受重视。其类汽油的能量密度和混溶性使其成为有吸引力的生物燃料组分。它也广泛用于涂料、油漆、化妆品和化学合成。
<子>丙烷-1,3-二醇，源自玉米，是用于聚合物、涂料、化妆品和清洁剂的低毒性溶剂。<子>糠醇，通过戊聚糖水解获得，应用于润滑油精炼和萃取蒸馏。
<子>甘油，主要的生物柴油副产物，无毒、可生物降解且廉价。其高沸点和溶解力使其适用于化学过程和代谢物提取。除直接使用外，甘油还可转化为其他溶剂如<子>缩酮和生物醇（甲醇、乙醇、丙醇）。
2.1.2 生物基酯类及相关化合物
<子>乙酸乙酯，天然产物的组分，广泛用于提取和色谱，被认为是几种常规溶剂的更绿色替代品。
<子>乳酸盐，通过乳酸与醇的酯化产生，无毒且对提取生物活性化合物有效。<子>乳酸乙酯，源自玉米和大豆，可生物降解、低挥发性，能够溶解塑料、去除盐和脱漆。
<子>γ-戊内酯（GVL），由乙酰丙酸获得，是有效提取酚类化合物的低毒性非质子溶剂。其水溶液已被用于从古菌中分离<子>菌红素。它可生物降解、与水非共沸，并获准用于食品、化妆品和农用化学品。
<子>甘油碳酸酯，由甘油和CO?或其他碳酸化剂生产，是另一种有前景的具有广泛应用性的生物溶剂。
2.1.3 生物基醚类及相关化合物
<子>2-甲基四氢呋喃（2-MeTHF），源自木质素、纤维素和半纤维素，是关键的可再生溶剂和环醚如二氯甲烷的更绿色替代品。其在<子>种子油提取中表现出优越性能，并在工业上应用，例如辉瑞公司在双相反应中使用，Actelion公司在制药中间体合成中使用。
2.1.4 其他生物基溶剂
其他生物溶剂包括从糠醛和羟甲基呋喃生产的烷烃，用作非极性介质。
<子>萜烯，在精油中含量丰富，在微藻油提取中具有潜在应用。生物基植物油（向日葵、芥菜、米糠）也可在双相系统中作为溶剂。芳烃如苯、甲苯和二甲苯可以从木材和农业残留物产生。
一个显著例子是<子>Cyrene?（二氢左旋葡萄糖酮），一种纤维素衍生的酮，具有强偶极非质子特性。其对黄酮类提取有效，并因可比的性能和更低的毒性而被探索作为<子>二甲基甲酰胺（DMF）和<子>二甲基亚砜（D虎皮）的替代品。
2.2 低共熔溶剂
"低共熔溶剂"（DES）一词于2001年由Abbott等人引入，他们观察到加热季铵盐与ZnCl?产生的混合物熔点和凝固点显著低于其单个组分。这一发现开启了这一新溶剂类别的广泛研究。2003年，Abbott等人进一步证明，用作氢键受体（HBA）的氯化胆碱（ChCl）可与作为氢键供体（HBD）的尿素和酰胺形成DES，产生熔点显著降低的共熔混合物，常低于室温。
在这些基础性研究之后，众多HBA-HBD组合如羧酸、酰胺、氨基酸和多元醇被探索，揭示了DES配方的广泛性及其通过组分选择可调谐的性质。DES以其低熔点和非挥发性为特征，这些性质源于强氢键促进的电荷离域。氯化胆碱是最常用的HBA。其他HBA包括<子>甜菜碱（可再生、低成本选择）、胺和金属盐。
出于对毒性的担忧，NADESs的开发聚焦于使用天然初级代谢物。NADESs的天然存在例子包括蜂蜜和花蜜。NADES研究迅速扩展；例如，到2013年，已合成超过100种组合用于从红花中提取生物活性分子。尽管由可食用代谢物制成的DES通常被认为安全（GRAS，或通常认为安全），最终毒性实际上取决于特定的混合物组成。在当前语境中，DESs和NADESs两个术语可互换使用。
2.2.1 低共熔溶剂的类型
DESs传统上根据其组分分为四种主要类型（I-IV）。<子>I型：季铵盐与金属盐（如ChCl-ZnCl?）。<子>II型：季铵盐与金属氯化物水合物（如ChCl-MgCl?·xH?O）。<子>III型：季铵盐与HBD（如ChCl-尿素）。这些因强HBA-HBD相互作用而在提取生物活性化合物中使用最广泛。<子>IV型：金属氯酸盐水合物与HBD（如MgCl?-甘油）。
2023年，提出了第五类，<子>V型DES，由非离子化合物组成。这些依赖酚类氢键，百里香酚和薄荷醇为典型组分。
新型DES设计也正在出现。<子>反向DES主要依赖与阳离子的相互作用，常涉及冠醚和<子>三氟[(吡咯烷-1-基)甲基]硼酸钾。卤素键已被用于形成含三卤化物阴离子的共熔液体，拓宽了DES相互作用的范围。
最近的一个子类型，<子>超分子DES（SUPRADESs），于2020年引入，将环糊精（CDs）或CDs衍生物与典型DES组分结合。其性质源于包合复合物形成与DES氢键网络的联合作用。二元SUPRADES由CD和HBD组成，而三元系统需要精细控制CD含量或添加水以促进超分子组织。
2.2.2 DES的物理化学性质
DESs表现出低或微不足道的毒性、高生物降解性和可回收性。其低成本源于廉价、丰富的原材料。它们还显示不燃性、高热和电化学稳定性、低挥发性、高粘度和强溶解力。这些特征通过HBA/HBD组分选择、摩尔比和处理条件高度可调谐。
DES的一个标志性性质是其降低的凝固点，表现出从-69°C到149°C的广泛范围，取决于HBD类型和摩尔比。类似地，热稳定性也是组分依赖的。在高温下，DES可能因氢键减弱而离解，导致降解。较不稳定的组分如乙二醇或丙二酸更易降解，而基于甘油或葡萄糖的DES显示更高的固有稳定性。
极性在溶解极性底物和生物质方面起重要作用。金属卤化物基DES通常比铵基DES显示更高的极性。过量羧基降低极化率，而较长烷基链则有相反影响。酸度（Br?nsted-Lewis）也可针对特定反应环境进行调谐。
高粘度是室温下的常见限制，因强非共价相互作用所致，对提取过程是实际限制。可通过加热或添加控制量的水来降低，这增强质量传递。水含量对粘度、氢键、离子电导率和生物分子回收有强烈影响；因此，仔细控制至关重要。
2.3 离子液体
ILs是一类绿色溶剂，由在相对较低温度（常低于水的沸点100°C）下呈液态的盐组成。与普通盐如氯化钠在室温下形成刚性晶格不同，ILs保持液态是因为其离子结构阻碍高效晶体堆积。
它们通常表现出高热稳定性、可忽略或低的挥发性、不燃性、对多种化合物的强溶解能力以及优异的离子电导率。结构上，ILs通常由有机阳离子与无机或有机阴离子配对组成，至少一个离子（最常见为阳离子）携带离域电荷。经常遇到的阳离子包括季铵、锍和鏻物种。室温离子液体，一个特别重要的亚群，通常含有四烷基铵物种和环胺。这些胺可以是芳香的，如吡啶鎓和咪唑鎓，或饱和的，如吡咯烷鎓和哌啶鎓。
ILs的主要优势在于其结构可调性。通过修饰阳离子或阴离子组分，其性质可针对特定应用精确调整，实现具有定制功能特性ILs的设计。
ILs领域可追溯至20世纪初。一个基础性贡献来自Paul Walden，他报道了<子>硝酸乙铵（[EtNH?][NO?]）的物理性质，一种熔点约为14°C的盐。尽管最初发现归因于1914年（或根据另一来源为1938年），该领域在1970年代后期重新引起兴趣，当时氯铝酸盐熔体被探索用于电化学应用。最初，任何熔点低于100°C的有机盐都被归类为离子液体；然而，当代用法主要聚焦于室温离子液体，它们在或接近环境条件下保持液态。由于其高度可定制的离子结构，ILs现在广泛用于提取过程。
ILs最早被视为绿色溶剂的原因之一是其可忽略的蒸气压，这最小化大气排放并减轻与VOCs相关的健康风险。然而，低挥发性本身并不能保证环境友好性；有毒或生物降解性差的ILs不能被归类为绿色溶剂。这一认识推动了<子>生物衍生离子液体即生物基ILs（Bio-ILs）的发展，它们由可再生、生物来源的离子合成，提供增强的可持续性。
2.3.1 离子液体的类型
ILs可根据多种标准分为几类，包括阳离子类型、阴离子类型、官能团和水吸附能力。基于合成路线的进步以及由此产生的物理化学性质，ILs也可按代际分类。
<子>第一代ILs，使用涉及咪唑鎓和铵阳离子与[PF?]?、[BF?]?和[NtF?]?等简单阴离子的简单阳离子-阴离子irca 交互作用开发，表现出高热稳定性、低蒸气压，但对水和空气极其敏感。其合成常涉及负载氯化铝催化剂，产生大量昂贵且不环保的废物。
<子>第二代ILs为解决这些缺点而开发，1990年代的关键进步是将官能团引入阳离子或阴离子。这种可调性扩展了它们在金属分离、药物处理、气体净化和稀土元素提取中的应用。然而，许多这类ILs被发现具有危险性且生物降解性低。
为克服第二代ILs的局限性，<子>第三代ILs于2000年代初设计，也称为Bio-ILs或任务特异性ILs。这些ILs旨在服务于特定功能或应用，使用源自可持续来源材料如氨基酸、水果皮、烹饪油和生物质的阳离子和阴离子合成。Bio-ILs具有源自环保资源、更大生物降解性和降低毒性的优势。它们还可设计具有为特定任务优化的定制溶解性质，如高效选择性溶解稀土元素。Bio-ILs的主要驱动力是使用源自生物基来源的生理活性离子，使其更环境友好和可持续。然而，第三代ILs的一个限制是它们有时表现出对所研究溶质不适合的复杂性质。
为解决这一问题，<子>第四代ILs的概念被发展。这些ILs可设计为具有依赖于ILs、溶质和其他官能团之间相互作用的性质。这允许对各种应用如药物递送和复杂分离过程进行更大的可调性。
另一种分类ILs不同类别的方式基于其物理化学性质，如极性、性质和功能。因此，ILs被指定为<子>质子型离子液体（PILs）、<子>非质子型离子液体（AILs）、<子>无机型（IOILs）和<子>螯合基型。每种IL在其物理化学特性、功能变异性和活性水平、功能类型以及ILs离子间定向和非定向力的强度方面有所不同，这些赋予了ILs独特的性质。
尽管有优势，ILs并非没有缺点。许多ILs具有高粘度，使处理复杂化并可能降低提取效率；因此，提取过程中通常需要较低的粘度以实现最佳性能。此外，尽管低挥发性是关键环境优势，ILs的毒性和生物降解性必须仔细评估以避免二次污染影响。
总体而言，ILs代表了一类快速发展的材料，具有显著的可调性和功能多功能性组合。更绿色、生物衍生ILs的持续开发使它们成为推进可持续化学技术的重要贡献者，正在进行的研究预计将在多样的科学和工业领域扩展其应用。
2.4 超临界流体
超临界流体（SCFs）是一类绿色溶剂，当它们的临界温度和临界压力均被超过时存在于一个相态。在此状态下，SCFs结合类液密度与像气体一样膨胀和填充容器的能力。这种从亚临界到超临界行为的转变导致性质的显著变化，特别是溶解能力。
表征良好的SCFs包括<子>水、<子>甲醇、<子>乙醇和<子>二氧化碳，其临界性质已被总结。
尽管SCFs在技术上需要温度和压力均高于临界值，在实际应用中，具有超临界压力但略低于临界温度的流体通常也被包括在内。
SCFs的一个决定性特征是在<子>伪临界温度附近热物理性质的快速变化，即给定压力下比热最大化的温度。在此区域，密度和粘度急剧下降，而比热达到峰值。这些变化导致与常规单相对流相比独特的流动和传热行为。在高于临界点的压力下，性质从类液到类气平稳过渡，没有明显的两相区域。对于每种处于超临界压力的流体，伪临界温度标志着显著变化的点，在水中清晰可见。操作压力强烈影响伪临界温度和性质变化程度；例如，CO?的比热峰值随压力在临界点以上增加而降低，且转变变得更平滑。
2.4.1 超临界二氧化碳
在SCFs中，<子>超临界二氧化碳（scCO?）是使用最广泛和表征最充分的，特别用于化学提取，因其低毒性和环境友好性。其相对较低的操作温度和固有稳定性使大多数化合物能够以最小降解或变性提取。此外，许多化合物在scCO?中的溶解度是压力依赖的，允许选择性提取。scCO?的应用包括食品科学、制药、化学残留分析、生物燃料生产和聚合物加工。
<子>超临界流体提取（SFE）利用SCFs的性质提供一种环境可持续且高效的常规提取方法替代。SCFs增强的扩散性和低粘度促进从复杂基质中快速有效提取分析物，超越传统溶剂提取的局限性。SFE对获得优质纯净的精油特别有效，这对化妆品和芳香疗法应用尤其有益。此外，在较低温度下进行的SFE保留了热敏性化合物，否则这些化合物可能在Soxhlet提取等常规方法下降解。
SFE过程通常涉及干燥和粉碎固体样品，然后使其与超临界流体接触，最常用二氧化碳。提取可在<子>动态模式（SCF连续流过样品）或<子>静态模式（样品吸收SCF而不连续流动）中进行。scCO?是首选溶剂，因其低毒性、不燃性、化学稳定性、成本效益和适用于热敏性化合物的临界温度。其应用范围从电子废物塑料中提取阻燃剂和其他添加剂，到咖啡和茶的脱咖啡因。例如，scCO?结合3%乙醇实现了从茶叶中96.6%的咖啡因去除，同时保留59%的儿茶素。
近期研究扩展了scCO? SFE的范围，以提取脂质，包括甘油酯、甾醇酯和磷脂，在80 MPa和57°C等条件下。SCFs还被用于提取生物活性化合物，包括从甜樱桃树叶中提取多酚、花青素、维生素、类胡萝卜素和膳食酚类，压力为30 MPa。由于CO?的非极性，常添加极性共溶剂如乙醇、甲醇或乙酸乙酯以增强溶解度和拓宽可提取分析物的范围。除CO?外，其他超临界流体如甲醇、乙醇和水也已找到应用，特别是在燃料和生物材料加工中。超临界甲醇已被用于从煤中去除约45%的有机硫，而超临界乙醇与氢氧化钾结合实现了高达48%的硫去除。
3 绿色溶剂在分析化学及相关领域的应用
几种环境友好的技术方法已经出现，每种都基于特定的理念和应用，推动了前述多个领域的进步。避免使用苛刻的化学过程和危险废物的产生，无溶剂反应和绿色溶剂在获取多种天然成分方面显示出有效性。本节将说明绿色溶剂的主要应用，特别关注分析化学。
3.1 生物基溶剂
最广泛使用的生物基溶剂之一是<子>乙醇，其在众多领域有应用。其多功能性包括天然产物的提取，如其辅助从植物材料中提取抗疟药物<子>青蒿素的效率所证明。与乙醇结构相似的另一种醇<子>甲醇也用于各种合成过程；然而，其毒性限制了其在消费品 aimed at 消费品中的存在。尽管有此局限，甲醇在特定部门仍有价值，特别是生物燃料工业，它是生产柴油替代品的关键组分。
3.1.1 分离过程用膜制造
膜技术在可持续工业实践中扮演核心角色，因为它通常呈现比许多传统分离过程更低的环境影响。膜广泛用于空气净化、水净化、生物医学设备、能源生产、食品加工和化学分离，在这些领域展现出卓越性能。然而，膜制造本身的可持续性因其频繁使用非可再生和有毒溶剂如DMF以及化石基聚合物而受到审视。这些材料导致全球变暖、健康风险和化石资源枯竭。
近年来，几种生物溶剂包括<子>乳酸甲酯、<子>乳酸乙酯和<子>Cyrene?已被探索作为膜制造的更绿色替代品。它们与各种膜形成聚合物的兼容性使其特别具吸引力。例如，生物衍生的乳酸甲酯和2-甲基四氢呋喃已被用于制造具有高截留率的<子>醋酸纤维素纳滤膜。Cyrene?已成功应用于<子>聚醚砜（PES）和<子>聚偏二氟乙烯（PVDF）膜的制备，产生理想的孔结构和水渗透性。类似地，<子>碳酸乙烯酯已被用作PVDF膜制造的溶剂，并在膜蒸馏水淡化中表现出优异性能。
3.1.2 提取过程
分析化学日益强调绿色溶剂的采用，生物基选项形成主要焦点。生物基溶剂在化学分析中的早期应用包括使用醇类、酯类和萜烯进行提取，许多后续研究强调了它们从植物材料中提取生物活性化合物的潜力。然而，值得注意的是，并非所有生物基溶剂都完全环境友好，因为有些可能对水生生物表现出毒性。
现代分析化学也在评估其他绿色溶剂类别如ILs、DESs和SCFs。尽管ILs具有可忽略的蒸气压，但对其水生毒性的担忧以及与气相色谱的不兼容性限制了其应用。DESs可生物降解、成本效益高且易于从生物来源衍生；然而，其高粘度和凝胶化倾向可能使其分析使用复杂化。SCFs，特别是超临界CO?，提供众多优势；然而，其实施需要精密设备和大量能源输入。因此，分析工作流中实际的绿色溶剂替代策略频繁依赖生物基溶剂，它们通常更可生物降解、毒性更低，且不受与其他绿色溶剂类别相关的限制。
越来越多的分析程序开始整合生物基溶剂以替代传统溶剂。<子>D-柠檬烯，例如，被美国油脂化学家协会推荐为<子>Dean-Stark装置水分测定中甲苯的替代品。它还替代了<子>正己烷用于橄榄油籽中脂肪和油的测定，提供了溶剂可回收性的附加优势。D-柠檬烯还被应用于各种食品中总脂质的测定，有时与分散液液微提取（DLLME）等微提取技术结合以减少溶剂消耗。使用D-柠檬烯的全生物基DLLME方法被开发用于<子>β-环糊精测定，采用<子>β-胡萝卜素作为生物试剂；然而，D-柠檬烯对水生生物的显著毒性仍是主要缺点。
其他生物基溶剂已显示出显著的提取性能。<子>薄荷醇已被用作DLLME中提取邻苯二甲酸酯的提取溶剂，提供可接受的检测限和精密度。<子>碳酸二乙酯，一种由乙醇合成的绿色溶剂，已通过DLLME用于从水中提取氯酚，实现了与传统溶剂相当的方法学性能。<子>聚乙二醇水溶液已被用于<子>微波辅助提取植物材料中的黄酮和香豆素，效率很高。几种生物基溶剂如丙酮、乙 acetate酸乙酯、四氢呋喃、甲醇和乙醇也显示出从鱼组织中高效提取杀菌剂的性能，其中乙醇因毒性更低和有利的物理化学性质而被确定为最合适。
除分析化学外，生物基溶剂正日益用于植物材料加工。<子>桉叶油素，例如，已被用于从藻类中提取酚类化合物，而2-MeTHF已被用于从油菜籽中提取类固醇，效率常与二氯甲烷、甲醇或正己烷等传统溶剂相当或超越。甘油已成为植物化学提取中乙醇的可行替代，提供相似的产率，毒性更低，且可直接掺入化妆品配方的附加优势。持续的研究继续探索这些生物基溶剂的工业规模可扩展性，由全球可持续性优先事项驱动。
3.2 低共熔溶剂
DESs已迅速崛起为一类变革性的绿色溶剂，具有广泛的科学和工业适用性。其广泛吸引力源于其环境友好的性质和作为传统有机溶剂替代品的卓越多功能性。DESs的核心优势在于其可调性：通过改变HBA和HBD，研究人员可以定制溶剂性质以满足特定应用的需求。这种内在灵活性在分离和提取过程中特别有价值，其中溶剂特性对选择性和效率有决定性影响。
DESs兴趣升级的主要驱动力之一是其与绿色化学原则以及更广泛可持续性目标的一致性。传统有机溶剂尽管在许多过程中有效，常与环境健康问题相关，包括大气排放、对人类和生态系统的毒性以及对环境的持久性。相比之下，DESs通常表现出更有利的毒理学和环境特征，常显示微不足道的毒性和潜在生物降解性，特别是当源自天然来源时（NADESs）。NADESs提供更绿色的足迹，使它们对食品加工、营养保健品和制药等敏感应用特别具吸引力。因此，DESs的应用领域正在迅速扩展，支持生物质价值化、环境修复、农业食品技术和可持续材料合成的进步。
3.2.1 生物质价值化
在生物质转化和价值化中，DESs已成为处理大型海藻和木质纤维素材料的强大介质。这些生物分子的有效提取和表征仍是绿色分析化学中的重要挑战，DESs提供了有前景的解决方案。
对于大型海藻，DESs提供了挥发性有机溶剂的可持续替代，能够提取有价值的生物活性化合物，包括抗氧化剂、抗增殖剂和抗炎成分，同时保留或增强海藻多糖如<子>岩藻聚糖和<子>藻酸盐的结构和功能。
在木质纤维素生物质处理中，DESs在前处理过程中发挥关键作用。它们有效破坏刚性的<子>木质素-碳水化合物复合体，改善纤维素和半纤维素酶水解为可发酵糖用于生物燃料生产，并促进木质素衍生增值化学品的回收。通过明智选择HBA和HBD，DESs可针对脱木质素或碳水化合物溶解进行定制，实现根据原料特性和所需产物谱的工艺优化。
除生物质分馏外，DESs正日益用于材料科学和纳米技术。其独特的溶剂性质和在纳米尺度影响反应路径的能力使它们成为合成具有可调性质的先进材料的理想介质。一个显著例子是<子>角蛋白价值化：DESs可选择性溶解角蛋白丰富的材料如羊毛废料，使这种生物聚合物得以回收用于高价值应用，包括生物医学（组织工程和伤口愈合）、纺织（可持续纤维）、环境修复（金属和染料生物吸附剂）以及化妆品（保湿和屏障增强）。DESs的可调性允许提取具有特定分子量分布的角蛋白，促进应用特定设计。
3.2.2 农业食品工业应用
农业食品部门将从DES基提取方法的整合中获得相当优势，特别是在农业和食品加工废物流的价值化方面。DESs在从副产品和残留物中提取多样化生物活性化合物如多酚、黄酮、花青素和蛋白质方面证明高度有效，从而不仅为废物减少做出贡献，还为循环经济更广泛原则做出贡献。这些回收的化合物作为营养保健品成分、功能性食品添加剂和天然抗氧化剂具有重要价值。
DESs在该领域的主要优势在于其固有的安全性和环境兼容性，特别是当使用天然代谢物衍生的NADES时。其最小毒性和食品级特性减轻了对最终产品中溶剂残留的担忧，使它们成为与人类消费直接相关过程的理想候选。
近期研究展示了DESs在广泛的农业食品应用中的技术多功能性。一个例子是使用DESs作为从棕榈果束中回收纤维素的预处理介质。在另一个案例中，DESs与微波辐照的协同组合实现了从<子>小龙虾壳废料中高效提取<子>几丁质以生产3D可打印墨水。此外，DESs已被用于从<子>大麻花中提取<子>植物大麻素用于治疗应用，突出了它们在回收结构复杂和疏水的天然化合物方面的效率。
除提取过程外，DESs正被越来越多地纳入食品化学的分析工作流。它们已成功应用于从食品基质中去除痕量金属，以及用于从各种食品样品中提取农药残留。Wang和Liu的全面综述进一步绘制了DESs在检测痕量污染物和食品污染物中 expanding 作用，强调了其分析兼容性和在食品安全评估中日益增长的重要性。
总体而言，这些进步说明DESs如何通过 despuntar 更可持续、高效和安全的方法来回收有价值的化合物和改善分析程序，从而催化农业食品工业的转型。它们的可调性、低环境影响以及与食品相关应用的兼容性确保DESs将继续塑造绿色提取技术和食品质量监测的未来发展。
3.2.3 药物分析中的应用
在制药科学中，DESs以及特别是NADES正被广泛研究，应用范围从天然产物提取到药物溶解和分析检测。由于其天然组成和改善溶解性、稳定性和生物利用度的能力，NADES能够从药用植物中创新提取生物活性化合物。DESs还作为色谱分离和药物定量及杂质分析光谱分析的更绿色替代品。
几项近期研究说明了其影响。Novotny等人开发了可靠的DES基微提取方法以从沙坦类药物中分离致癌性<子>亚硝胺。Amini等人证明由ChCl与乙二醇或1,2-丙二醇组成的DES系统将美沙拉嗪和硫唑嘌呤的水溶性分别提高了30倍和75倍。另一个例子是Trombino等人的工作，他们配制了基于ChCl与抗坏血酸或丙二醇的DES以增强<子>氨苯砜（一种砜类抗生素）的溶解度。
3.3 离子液体
ILs是由阴离子和阳离子组合组成的独特化合物，通常表现出低于100°C的熔点。这些特性使ILs在室温下保持液态，使其成为广泛应用的创新高效溶剂。其在环境条件下的可忽略蒸气压导致非挥发性溶剂，且它们常显示高化学和热稳定性以及比传统有机溶剂更低的毒性。此外，ILs的结构可调性允许设计具有特定物理化学性质的溶剂，使其适用于包括膜分离、能源存储、选择性提取和水净化等多样领域。常见例子包括<子>1-丁基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐和<子>1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐。
3.3.1 IL辅助提取过程
ILs的多功能性在提取过程中尤为明显。其有机阳离子和无机或有机阴离子的组合使其能够溶解极性和非极性化合物，包括氢键、离子交换和静电相互作用促进高度选择性和高效的提取。溶剂建模可进一步优化提取性能和选择性。ILs还表现出与水/极性溶剂和非极性溶剂的可调混溶性，使其高度适应环境友好的提取方法。通过减少对挥发性有机溶剂的依赖，IL基提取方法提高了效率，特别是对具有挑战性的目标如药物、植物中的生物活性化合物以及金属离子等环境污染物。一个特别值得注意的应用是在<子>稀土元素（REEs）的提取中，由于高科技产业对REEs日益增长的需求，ILs正被越来越多地探索作为环保替代。已研究了多代ILs——包括疏水性、亲水性、任务特异性、双功能、配体基、铵基、脂肪酸基ILs以及IL基复合材料——通过浸出、吸附和电化学还原过程增强REE分离。例如，Sun等人设计使用乙酸盐基配方的任务特异性ILs在REE吸附和回收方面优于硝酸盐基ILs，而源自天然脂肪酸的生物离子液体已被探索作为钐分离的更绿色替代。在植物提取中，ILs也证明高度有效。Li及其同事证明质子型ILs提高了从<子>紫苏籽中提取<子>迷迭香酸的产率，高于传统溶剂，且ILs已成功应用于提取具有抗炎性质的化合物，如槲皮素、白藜芦醇和姜黄素。
3.3.2 分离过程用膜制造
在膜制造中，特别是<子>纳滤（NF），ILs显示出增强性能的显著潜力。传统聚酰胺NF膜常受限于低渗透性、污损敏感性和缺乏耐氯性。掺入ILs改善膜亲水性和电荷性质，增强水传输，增加离子选择性，并可赋予抗菌活性。研究表明ILs可调控界面聚合过程中胺单体的扩散，实现对膜表面电荷和分离性能的精确控制。由烯烃功能化ILs与苯乙烯等单体的共聚形成的聚电解质膜可进一步改善电荷性质和膜效率。ILs在水净化方面也很有效，展示了对重金属和有机污染物（包括染料、除草剂和酚类化合物）的强去除能力，通过调谐其极性和疏水性实现。
3.3.3 生物质价值化
ILs正越来越多地应用于生物质价值化。它们在2006年首次证明具有优异的<子>甲壳素溶解能力，通过破坏聚合物的致密氢键网络。在<子>甲壳素-蛋白质-钙复合体如蟹壳中，ILs去除蛋白质而保持碳酸钙完整，随后可在酸处理中溶解，通常使用柠檬酸。铵基ILs专为从虾壳中提取甲壳素并随后转化为<子>壳聚糖而设计，显示出作为聚合物回收绿色溶剂的前景。ILs对从头发和羊毛中溶解和再生<子>角蛋白也很有效。其机制涉及IL阴离子对连接脂质层与富含半胱氨酸蛋白质的硫酯键的亲核攻击，促进脂质去除和蛋白质溶解。基于咪唑鎓的ILs对角蛋白溶解特别有效，Wu等人证明了在不同条件下8 wt%头发的完全溶解。Qin等人筛选了143种不同阳离子-阴离子组合的ILs，鉴定出五种基于咪唑鎓的ILs对人发溶解最有效。
3.4 超临界流体
超临界流体存在于温度和压力均高于其临界点的状态，传统液相和气相在此合并。这种独特状态赋予流体液的溶剂能力和气的扩散性质，使SCFs成为常规有机溶剂的有前景替代。其溶解在标准液相或气相中不溶化合物的能力在科学和工业应用中吸引了重大关注。
3.4.1 超临界流体提取
SFE利用SCFs的性质提供一种环境可持续且高效的常规提取方法替代。SCFs enhanced 的扩散性和低粘度促进从复杂基质中快速有效提取分析物，超越传统溶剂提取的局限性。SFE对获得优质纯净的精油特别有效，这对化妆品和芳香疗法应用尤其有益。此外，在较低温度下进行的SFE保留了热敏性化合物，否则这些化合物可能在Soxhlet提取等常规方法下降解。
SFE过程通常涉及干燥和粉碎固体样品，然后使其与超临界流体（最常用二氧化碳）接触。提取可在动态模式（SCF连续流过样品）或静态模式（样品吸收SCF而不连续流动）中进行。scCO?是首选溶剂，因其低毒性、不燃性、化学稳定性、成本效益和适用于热敏性化合物的临界温度。其应用范围从电子废物塑料中提取阻燃剂和其他添加剂到咖啡和茶的脱咖啡因。scCO?结合3%乙醇实现了从茶叶中96.6%的咖啡因去除，同时保留59%的儿茶素。
近期研究扩展了scCO? SFE的范围，在80 MPa和57°C等条件下提取包括甘油酯、甾醇酯和磷脂在内的脂质。SCFs还被用于从<子>甜樱桃树叶中提取生物活性化合物，包括多酚、花青素、维生素、类胡萝卜素和膳食酚类，压力为30 MPa。由于CO?的非极性，常添加极性共溶剂如乙醇、甲醇或乙酸乙酯以增强溶解度和拓宽可提取分析物的范围。除CO?外，其他超临界流体如甲醇、乙醇和水也已找到应用，特别是在燃料和生物材料加工中。超临界甲醇已被用于从煤中去除约45%的有机硫，而超临界乙醇与氢氧化钾结合实现了高达48%的硫去除。
3.4.2 生物质加工
SCFs也被应用于生物质加工，特别是藻类的水热液化用于生物油生产，旨在提高产率和质量。它们还可用于生物油提质，使用乙醇、甲醇或水等超临界溶剂。Xu等人证明，Ru/C催化剂上的超临界<子>1-丁醇在非超临界或亚临界条件下产生了性能更优的提质生物油。类似地，Duan和Savage报道，在超临界水中使用Pt/C催化剂和高压氢对粗藻生物油进行催化处理，获得了与石油基燃料相当的油性质。
SCFs还被应用于木材加工工业。超临界甲醇已成功用于从<子>山毛榉木质纤维素中回收产品，而超临界乙醇从山毛榉木材生产生物油。<子>圣栎用水预处理后进行超临界水提取，产出了<子>乳酸等低分子量化合物。此外，湿生物质如橄榄皮、棉茧壳和茶叶废料直接用超临界水在650-700 K和23-38 MPa下处理，生产氢气和甲烷以及碳氧化物。
3.5 绿色溶剂在分析化学中的比较应用
向可持续分析化学的转变严重依赖更绿色溶剂的采用，每种溶剂根据应用提供 distinct 优势和局限性。
生物基溶剂代表传统石化衍生溶剂的广泛可及且环境友好的替代，特别在提取程序中。其一般生物降解性、低毒性与各种基质的兼容性使它们对常规分析应用具吸引力。持续研究继续扩展这些方法在多样提取背景中的适用性和性能。
DESs提供了一种互补方法，结合多功能性、可调性和可持续性。其溶解广泛范围化合物和通过不同氢键供体-受体组合定制溶剂性质的能力使DESs对选择性至关重要的复杂提取和分析程序特别合适。尽管DESs具有重大潜力，分析化学中的实际采用仍需要进一步优化目标分析物的配方，以及更深入理解其与样品基质相互作用的机制。
ILs提供了另一维度的可调性和功能性，具有可忽略挥发性、高化学和热稳定性以及可定制的阳离子-阴离子结构。这些性质使ILs能够促进极性和非极性化合物的有效提取。然而，其较高的生产成本和粘度可能限制常规分析使用。与先进分析技术的整合对于充分利用ILs在提取、分离和定量工作流中的潜力至关重要，确保再现性并最小化环境影响。
最后，SCFs因其双气-液性质而脱颖而出，赋予卓越的扩散性和溶剂能力。SCFs，特别是超临界CO?，能够实现高效、无残留的提取同时保留敏感分析物，使其在生物活性化合物、精油和复杂天然基质的分析中高度有价值。其可调压力和温度参数允许对溶解度和选择性进行精确控制，尽管其使用可能需要专用设备和专业知识。
总之，每种绿色溶剂类别为分析化学提供独特优势：生物基溶剂广泛适用且安全，DESs为复杂基质提供可调选择性，ILs结合稳定性和多功能性用于挑战性提取，SCFs在可控条件下提供高效、无残留提取。这些溶剂之间的选择取决于特定分析物、基质复杂性、可持续性目标以及成本和设备可用性等实际考虑。
4 绿色溶剂作为绿色分析化学驱动力的教育应用
绿色溶剂不仅是化学和分析实践中更可持续的关键推动因素，也是教育和培训GAC的有力教学工具。教育在将可持续性原则从概念框架转化为常规实验室实践中发挥决定性作用，通过为未来化学家提供平衡分析性能与环境、健康和社会考虑所需的知识、技能和决策能力。在此情境中，绿色溶剂为将可持续性嵌入各教育层次的分析化学课程提供了有形的、可及性的切入点。
通过将绿色溶剂纳入教学活动，学生可以直接参与绿色化学的核心原则、生命周期思维、废物最小化、危险减少和资源效率。其教育使用使学习者能够在真实的分析场景内探索溶剂替代和方法重新设计，强化可持续性作为内在设计标准而非外部约束。绿色溶剂在GAC和教育之间占据核心位置，将分析方法、可持续性目标、生命周期思维和可持续教育连接成连贯框架。
除支持可持续研究和工业实践外，GAC为培训具有环境意识和社会责任感的化学家提供了结构化的教育框架，这些化学家能够就溶剂选择和分析方法设计做出知情决策。在教育环境中，GAC原则可以通过互补的教学方法引入，包括讲座、实验室课程和基于项目的学习。
基于讲座的课程中，真实案例研究如药物分析中的溶剂替代、食品和环墇分析中生物基溶剂的使用、或可再生原料的评估，使学生能够在当代分析挑战中情境化绿色化学原则。实验室课程通过重新设计传统实验以纳入更绿色溶剂、减少溶剂体积和更安全操作条件，为应用GAC概念提供了特别有效的环境。这些方法使学生能够直接比较传统和替代溶剂、评估安全和环境特征，并理解分析工作流中溶剂选择的更广泛影响。
基于项目和问题的学习策略通过鼓励学生参与开放式分析问题进一步加强GAC的教育影响。典型活动包括使用溶剂选择指南选择合适溶剂、重新设计现有分析方法以提高可持续性，以及批判性评估分析性能、成本、安全和环境影响之间的权衡。通过将这些任务嵌入监管约束和社会考虑，学生不仅发展技术能力，还发展更广泛的伦理和环境背景意识。
重要的是，GAC导向的教学方法还促进实验室教育的可及性和包容性。更安全、更低成本和更少危害溶剂的使用减少了对专门基础设施和广泛安全措施的需求，使资源有限的机构能够进行高质量的实验工作。通过这种方式，基于绿色溶剂的教育支持实验室学习的公平获取，同时强化可持续性作为现代分析化学实践的核心组成部分。
4.1 绿色溶剂选择的教育框架
虽然 introductory 溶剂替代练习常依赖定性溶剂选择指南，GAC的高级教育需要更严格的结构化方法，反映现实世界分析决策的复杂性。绿色溶剂选择的有效教育因此必须从简化的基于危险的工具向定量的、面向生命周期的框架推进，将分析性能与可持续性评估整合。
4.1.1 从定性指南到生命周期思维
基于交通灯的溶剂选择指南如CHEM21指南为教授安全、健康和环境（SHE）考虑提供了可及的切入点，特别是在本科层次。这些工具对提高危险溶剂意识和促进更安全的实验室实践很有价值。然而，它们常主要聚焦于实验室危害和直接废物产生，忽视了上游生产影响和下游 end-of-life 考虑。
对于高年级本科、硕士和研究生教育，需要更全面的框架来培训学生开发真正可持续的分析方法。GreenSOL（绿色溶剂指南）方法论提供了一个强大的教学模型，通过将三个生命周期阶段——生产、实验室使用和寿命终止——明确整合到溶剂评估中。这一方法使学生超越危险标志，发展对可持续性权衡的定量、系统级理解。
4.1.2 溶剂选择的四项核心教育规则
为在教学中操作化生命周期思维，可以实施四项层级化教育规则。
第一规则"优先考虑废物预防和E因子最小化"直接对齐GAC的基本原则。学生被要求计算和比较传统和重新设计分析方法的E因子，展示溶剂选择和微型化策略（如微提取技术）如何显著减少废物产生。
第二规则"评估溶剂来源和生产影响"关注上游可持续性。学生评估溶剂是化石基还是可再生的，并检验与其生产相关的能源使用、温室气体排放和资源消耗。这一分析鼓励学生批判性讨论生物基溶剂若生产路线能源密集，是否必然比传统替代品更绿色。
第三规则"评估实验室使用期间的完整危害特征"超越基本毒性。学生分析GHS（全球化学品统一分类和标签系统）分类和SHE标准以消除或最小化高危险溶剂的使用。CHEM21指南为这一阶段提供了实用框架，特别用于比较传统溶剂与生物衍生替代品。
第四规则"考虑环境命运和寿命终止"确保完整的生命周期视角。教学活动聚焦于生物降解性、生态毒性、溶剂回收和再利用。对于ILs或DESs等溶剂，学生被要求提出再生或闭环使用场景，强化分析化学中循环性的概念。
4.1.3 将GreenSOL整合到教学项目中
为强化这些规则GreenSOL框架可以被嵌入结构化教学项目。在典型的"方法重新设计挑战"中，学生被任务使用更绿色溶剂替代物和微型化技术重新设计传统分析方案（如使用二氯甲烷的Soxhlet提取）。学生然后使用AGREE或分析Eco-Scale等工具进行定量绿色度评估，明确处理生产、使用和寿命终止阶段。
这一方法将学习成果从简单的绿色溶剂识别转向更高阶的技能，即使用定量、多标准决策证明可持续分析选择的合理性。
4.2 说明性教育案例场景
为加强所提出框架的实践相关性，说明性教育场景展示了绿色溶剂如何融入不同教育层次的分析化学教学。
在本科层次，传统液液或固液提取实验可通过直接溶剂替代重新设计。氯化溶剂可被<子>乳酸乙酯或<子>乙醇等生物基替代物取代，允许学生在其他相同条件下比较提取效率、选择性、重复性和安全数据。
对于高年级学生，DESs或NADESs可在样品前处理模块中引入。这些实验使探索氢键、粘度和溶剂可调性的同时，突出分析性能与可持续性之间的权衡。
基于问题的学习活动允许学生使用绿色溶剂重新设计分析方法，并使用定量指标证明其选择。在硕士和博士层次，更复杂的案例研究可能涉及ILs或超临界CO?，要求学生考虑溶剂再利用、再生策略、能耗和工程约束。
评估策略应超越分析结果，包括基于可持续性的论证。评估标准可纳入废物减少、危险缓解、生命周期分析和决策质量。书面报告、小组演示和反思性作业为评估这些能力提供了有效工具。
4.2.1 课程层面实施：结构化示例
一个具体的GAC课程层面实施例子由Sa?a M. Miladinovi?开发的课程提供。该课程面向瑞士西部应用科学大学分析化学专业最后一年本科生，明确目标是将绿色化学原则整合到化学分析中，同时促进可持续、安全和资源高效的实验室实践。
课程分为六个主题单元，每个单元结合明确的学习目标和实践活动。学生被引入核心GC和GAC概念，并接受使用已建立的绿色度评估工具的培训，包括AGREE、GAPI（绿色分析程序指数）和NEMI（国家环境方法指数），以评估分析方法的可持续性。同时，课程使学生接触先进的分析方法，如更绿色的样品前处理技术、减少溶剂和能源消耗的策略，以及最小化实验室环境影响的方法。
重要的是，课程采用广泛的分析范围，涵盖生物分析、环境分析和工业分析应用。作为顶点活动，学生被要求批判性评估现有分析方法并提出面向可持续性的改进。这些提案基于原创性、分析可行性和减少环境影响的有效性进行评估，从而强化生命周期思维和决策技能。
近期课程版本的评估证明学生取得了对绿色化学原则及其在分析情境中应用的扎实理解。学生反馈突出了理论基础与实践实施之间的有效平衡。总体而言，课程成功实现了其教育目标，为学生在未来科学职业生涯中应用可持续实践做好准备。这一例子说明了结构化的、课程层面的GAC整合如何有助于培养致力于可持续性原则并与联合国可持续发展目标一致的专业人士。类似的课程模型可以 readily 改编并在全球分析化学项目中实施。
4.2.2 数字平台和社区驱动实施
除个人教学活动外，数字平台和教育者社区在实现GC和GAC的系统实施中发挥关键作用。一个突出例子是<子>Beyond Benign（https://www.beyondbenign.org/），一个致力于将绿色化学原则整合到中学和高等教育中的非营利组织。
Beyond Benign提供开放获取的课程、实验室模块、教师培训项目和社区驱动资源，支持溶剂替代、可持续性指标和生命周期思维。其<子>绿色化学教学和学习社区以及<子>绿色化学承诺倡议促进了可持续性在整个课程中的整合，而非孤立的教育干预。这些平台展示了本综述中讨论的教育框架如何在课程和机构层面 operationalise。
5 挑战、克服局限性的策略和未来展望
绿色溶剂的日益普及凸显了它们显著减少化学和分析过程环境与影响的潜力。然而，尽管取得了 substantial 进展，生物基溶剂、DESs、ILs和SCFs的广泛实施仍受技术、经济、监管和教育挑战的制约。应对这些局限性对于使它们在分析实践和教学中更广泛采用至关重要。
5.1 与绿色溶剂相关的挑战
生物基溶剂在响应社会和立法对碳中性、可再生化学产品的需求方面吸引了相当关注，这些产品和原料减少温室气体排放和对化石燃料的依赖。生物质代表溶剂生产的主要可再生原料，生物基溶剂常表现出 compared to 石油衍生替代品有利的生物降解性和降低的生命周期CO?排放。它们已成功应用于提取过程和消费品的各种物理化学应用。
尽管如此，重大挑战仍然存在。合适的非极性生物基溶剂仍然稀缺，且常提出的替代品如萜烯可能导致环境问题，包括光化学烟雾形成。重要的是，生物来源本身并不能自动保证环境友好性；<子>糠醛，例如，是可再生的但有毒且可能致癌。额外局限包括高生产成本、有限的可获得性、原料组成的可变性以及受限的功能多功能性。这些因素可能影响再现性、储存稳定性和分析性能。此外，对于能够有效从极性基质中提取亲脂性化合物的水不溶性、环境友好生物基溶剂仍存在关键需求。
DESs面临与可扩展性、成本和一致性相关的挑战。工业实施常因原料可获得性、高粘度以及极性和pH等物理化学性质的可变性而受阻。标准化合成、纯化和表征协议的缺乏进一步使再现性和放大复杂化。在分析应用中，DESs可能降低复杂基质中的检测灵敏度，并与传统仪器显示有限的兼容性。与长期稳定性、热行为、溶剂回收和杂质驱动降解相关的问题仍有待研究。
ILs提供卓越的可调性和独特的溶解性质，但伴随高合成成本、潜在毒性和与回收处置相关的挑战。其常高的粘度可能阻碍质量传递，而合成路线可能涉及多步、能源密集型程序。工业使用进一步受限于IL损失、阴离子交换、可扩展性约束以及关于长期环境命运和生态毒性的不足数据。
SCFs，特别是超临界CO?，提供有吸引力的优势包括无毒、可回收和非极性化合物的高效提取。然而，其应用需要高压和专用设备，导致 elevated 资本和运营成本。共溶剂提取极性分析物的需求可能损害可持续性，且某些应用中分析分辨率或灵敏度的降低已有报道。还需要全面的生命周期评估以评价与能耗和潜在大气释放相关的环境影响。
5.2 克服局限性和实现更广泛采用的策略
克服这些挑战需要系统的、多标准的方法进行溶剂评估和方法设计。整合物理化学表征、毒理学评估和生命周期评估的情境化溶剂评估策略至关重要。Montazeri等人提出了一种涵盖候选选择、<子>in silico性质预测、实验验证和全面可持续性评估的结构化工作流。计算工具包括定量构效关系（QSAR）和机器学习可以显著加速溶剂筛选和优化。
有前景的进展包括碳水化合物和木质素衍生溶剂的开发，这可能 substantially 减少生命周期温室气体排放。例如，木质素基甲醇据报道可实现高达76%的排放减少，而其他生物基溶剂如来自玉米碳水化合物的乙酸可能在特定影响类别中增加排放。这些发现强调了全面可持续性评估的重要性而非仅依赖原料来源。
对于DESs，未来努力应聚焦于标准化合成协议、优化组成以降低粘度、改善与分析仪器的兼容性，以及增强溶剂回收和可回收性。新兴概念如<子>聚(低共熔溶剂)（PDESs）、稳定化DES配方和机器学习引导的溶剂设计为改善性能和可扩展性提供了有前景的途径。
对于ILs，策略包括开发可生物降解、毒性更低的离子组合，简化的、能源高效的合成路线，以及减少溶剂损失并促进再利用的固定化或聚合IL系统。扩展关于IL毒性、环境命运和材料相互作用的数据库对于支持监管接受和工业采用至关重要。
对于SCFs，优化集成的提取和分离过程、降低能耗和改善共溶剂策略至关重要。过程建模和计算优化的进步预计将进一步提升效率和可持续性。
5.3 绿色分析化学的教育和培训视角
重要的是，与实施绿色溶剂相关的挑战同样定义了GAC的关键教育优先事项。理解分析性能、安全性、成本和环境影响之间的权衡是未来分析化学家的核心能力。将与溶剂选择、生命周期评估和监管合规相关的现实世界挑战纳入教学活动，使学生能够发展批判性思维和决策技能。
实验室模块可设计为允许学生比较传统和绿色溶剂、使用定量指标评估溶剂绿色度、并探索溶剂选择对分析性能和废物产生的影响。计算筛选工具和简化生命周期评估练习可将学生引入研究和工业中 increasingly 使用的预测设计策略。来自制药、环境和食品分析背景的案例研究进一步加强理论与实践的联系。
通过将这些要素嵌入课程，GAC教育不仅强化技术知识，还准备学生应对表征现代分析科学的复杂可持续性挑战。
5.4 未来展望：从溶剂创新到可持续教育
分析化学中更绿色溶剂的转型正在稳步推进，由溶剂设计、评估方法论和监管框架的创新驱动。然而，实现长期可持续性需要研究人员、教育者、行业利益相关者和政策制定者之间的协调努力。技术进步必须由系统的教育和培训补充，以确保未来从业者有效实施可持续实践。
通过将溶剂创新与教学策略联系起来，GAC可以作为科学进步与教育之间的桥梁，鼓励一代既技术熟练又面向可持续性的化学家。通过这种方式，绿色溶剂不仅成为减少环境影响的工具，也是将可持续性嵌入分析化学文化的有力载体。
