溶液結晶方法與技術的現狀與發展

譚君蕊，李暉

北京理工大學化學與化工學院，北京 102488

溶液結晶方法與技術[1]是培養可用于單晶X射線衍射分析的晶體的重要且常用的手段之一，也常見于生物活性藥物的制備過程中純化分離的最終和中間階段，對于藥品的化學純度、物理性質起著關鍵性作用。放眼整個工業結晶領域，由于不同工業部門對晶體的形貌、尺寸及其分布和多態性均有著不同的細節要求，要生產出符合質量要求的晶體，勢必要綜合理論性與實踐性的跨學科研究來對結晶技術進行更新與發展[2]。遺憾的是，盡管現階段的化學合成技術已能基本滿足多數情況下對產品性質與純度的要求，但在晶體顆粒的物理性質和結晶過程的控制上依舊處于薄弱狀態。

由此看來，對溶液結晶方法與技術的討論與拓展，不僅能夠深化現階段的理論研究，也能實現工業生產實際上的開拓前進，成為使實踐開展與經濟效益并舉的重要一環。因此，本文將對溶液結晶的方法與技術現狀作全面系統的總結，探討濃度與 pH對結晶過程的影響，并基于影響溶液過飽和度的單一或復合因素討論十種溶液結晶方法與技術的應用與發展前沿。為使讀者對每種結晶手段有更清晰直觀的了解，將在闡述結晶基本原理和操作的基礎上，通過解說近年來的典型應用案例，證實相應手段的可行性與有效性。最后，將建立結晶技術優化方法的思維模型，并加以案例解說，希望對相關的科研、生產工作帶來指導。

1 溶液結晶的基本原理

在具體討論相應方法與技術以前，應首先明確，溶液結晶的基本化學原理為通過一定的方式(如應用不同的操作條件、引入晶種等)增大溶液的過飽和度，使目標溶質(即結晶物質)析出結晶，達到目標溶質與溶液中其他溶質分離的目的。過飽和度指溶液濃度超過理論平衡濃度(即溶解度)的部分，此時的溶液稱為過飽和溶液。溶液結晶中，過飽和是該過程的推動力，使得溶液體系由穩定態向不穩定態過渡，生成新相[3]。在整個溶液結晶過程中，形成過飽和液體是第一步，接著，將發生一次成核過程——從無晶體顆粒的溶液中產生第一批晶核，并可能發生二次成核過程——在同種晶相存在的前提下產生晶核，接著，結晶物質在晶核表面進一步生長，逐漸形成晶體。

影響溶液結晶的因素[4]是多方面的，可以總結為化學因素、物理因素兩方面?；瘜W因素包括溶劑、添加劑(或雜質)、酸堿度、濃度等，物理因素則包括溫度、晶種、壓力、超聲、剪切力、磁場等。這些因素分別在形成過飽和溶液、晶體成核及生長等階段影響著晶體的成核速度、生長時間、晶習、晶型、粒徑和粒度分布等。

2 溶液結晶方法與技術的現狀

在討論具體的溶液結晶手段以前，首先應注意的是，溶液中的目標溶質濃度和溶液 pH對于各類結晶技術都具有重要影響，在此先對這兩個因素進行討論。

結晶物質的濃度直接影響著溶液的飽和狀態，濃度過低會使得后續的結晶操作增加不必要的時間成本和技術難度。另外，濃度對于晶體最終的晶習也具有一定影響，例如，對谷氨酸冷卻結晶過程的研究表明[5]，初始谷氨酸濃度的增大使得所得晶體的粒徑增加，因濃度的增加使得目標溶質獲得了更多從環境相擴散到晶體表面層的機會，但濃度變化對于體系的亞穩態區域(metastable zone width，MSZW) (圖1)，即溶液從過飽和狀態降溫到開始析晶的過程中覆蓋的溫度區間，并無明顯作用(除非降溫速率達到0.5 °C·min?1以下，此時隨著濃度增大，亞穩區減小)。

圖1 采用ΔTmax (最大亞穩溫度區間)表示MSZW [5]

但對于一些從反應物開始的結晶過程，如一些金屬有機配合物的晶體培養過程，我們通常是通過對反應物(如金屬鹽和有機配體)的濃度及比例的調控來對產物，即結晶物質，帶來影響。對于不同的反應體系，反應物濃度及比例的調控，可能影響到產物的濃度、構型或配位模式等性質，或因反應物過量等問題影響到溶液pH、溶質在其中的有效濃度等方面，進而間接影響產物結晶的過程和最終的晶型與晶習。關于這種影響的規律性的探索與討論應基于具體的反應體系而言，如目前，對于金屬有機配合物的晶體培養，普遍的規律為，較低的反應物濃度有助于形成質量更高的單晶[6–10]，較高的反應物濃度則可能在促進產率提升的同時，影響晶體良好形貌的形成，這可能是因為低濃度下，晶體生長速度趨緩，有利于形成溶質分子在結晶過程中的長程有序排列，使晶體具有更加規則的幾何外形。

pH對溶液結晶的影響也會隨著體系的變化而產生不同的效應，比如對晶體粒徑分布、晶型等產生影響。例如，對于氨基酸的晶體培養，有研究發現對于冷卻結晶制備蛋氨酸晶體聚集體[11]來說，因蛋氨酸在酸性溶液中具有更大的溶解度，在酸性條件下培養其晶體將更適宜，不過，若適當增大酸性溶液的pH (從2.5±到4.0±)并一步到位地進行pH調節(即并非在結晶過程中逐步增大pH)，有利于得到體積密度更高的聚集體產物，但注意應使用醋酸鹽類弱堿，因為強堿(OH?)可能會因為與 H+結合過于完全，使得溶劑中 H2O分子比例上升而造成鹽溶效應。而對于甘氨酸結晶[12]，酸性(3.40)或堿性(10.10)條件有助于形成β構型和γ構型甘氨酸結晶，而弱酸性溶液(5.90–6.20)則適宜制備最穩定構型的α-甘氨酸。此外，對于金屬有機配合物來說，中性或弱酸性條件為宜，一方面，酸性過大容易使得配體的配位能力受到影響，另一方面，堿性條件容易使金屬離子沉淀析出。因此，對于pH的調控需要基于大量的調研工作與實際經驗，以便更好地獲得晶體。

在溶液結晶過程中，基于對過飽和情況的調控衍生出各類方法與技術，接下來將按照產生過飽和度的方式，對幾類溶液結晶方法進行劃分，并對每類方法及對應技術進行綜合介紹。圖2為對本文所討論溶液結晶方法與技術的總結展示。

圖2 溶液結晶方法與技術

2.1 基于影響過飽和度的單一變量

本部分所討論的溶液結晶方法，所涉及過飽和度的增加主要受單一變量的影響，即通過控制這一單一變量即可達到對結晶技術的調控。

2.1.1 溫度調控

2.1.1.1 冷卻結晶(升溫結晶)

溫度能夠通過影響溶質的溶解度，達到對溶液飽和度的影響。因此，對于溶解度隨溫度升高而明顯增大的結晶物質，可采用冷卻結晶逐步降低溫度，使得結晶物質的溶解度降低，表現為溶液飽和度逐漸增大，當溶液達到過飽和時，目標溶質便開始析出結晶。而對于溶解度會隨溫度升高而明顯降低的結晶物質，則可反之采用升溫結晶，達到結晶目的。

例如，Takeshi Matsukawa等[13]報道了一種在1-丙醇(PrOH)溶劑下，通過溶液緩慢冷卻技術生長得到的Rubrene (5,6,11,12-四苯基四烯)單晶(圖3)。該單晶具有兩種晶型，一種為六邊形晶體，屬于正交晶系，尺寸多為300 mm × 200 mm × 50 mm；另一種為平行四邊形晶體，屬于三斜晶系，尺寸多為300 mm × 200 mm× 20 mm。在晶體制備過程中，作者使用純度 > 99%的Rubrene，首先在密閉聚四氟乙烯容器中配制50 mL Rubrene的飽和PrOH溶液，將其置于黑暗環境下的90 °C水浴裝置中溶解10 h至固體完全溶解，隨后冷卻至過飽和狀態。將該體系在45 °C環境下培養10天，目標晶體便通過自發成核過程不斷形成。通過系列表征，發現所得單晶中，正交晶系單晶顯示出高達約1.6 cm2·V?1·s?1的載流子遷移率，而三斜晶系單晶則表現出約0.1 cm2·V?1·s?1的載流子遷移，這一高質量有機單晶的培養方法，對于有機場效應晶體管(OFET)領域的相關研究具有重要意義。

圖3 從PrOH溶液中冷卻結晶得到的Rubrene的六邊形(a)和平行四邊形單晶(b) [13]

在上文提到的谷氨酸結晶過程[5]中，同樣使用到冷卻結晶培養單晶，作者除了研究結晶物質濃度對晶體培養結果的影響外，還進行了不同冷卻速率作用規律的探究。實驗發現，在最緩慢的冷卻過程(0.5 °C·min?1)中，晶體呈長而細的針狀。隨著冷卻速率的增加，晶體逐漸變為更寬更厚的片狀。隨著冷卻速率的進一步提升，最終在2.5和3.0 °C·min?1條件下得到花朵狀的晶體聚集體碎片。作者認為，較大的冷卻速率一定程度上導致了較大的MSZW，這又將反過來促使更大過飽和度與更快成核過程的形成。因此，在MSZW結束之際，會產生大量的小晶核，接著，它們所形成的聚集體小碎片將繼續在彼此粗糙的表面上生長，使得寬而薄的碎片附著在一起，得到花朵狀晶體。

進一步地，從冷卻技術的不同上看，冷卻結晶方法可拓展為自然冷卻結晶、夾套冷卻結晶、外部循環冷卻結晶、真空冷卻結晶等技術[14,15]，其中，真空冷卻結晶工藝是先進的冷卻結晶技術之一。真空冷卻結晶的原理除了利用真空減壓降低結晶溫度外，還包括在低壓條件下增加溶劑的揮發，因此真空冷凍結晶已不屬于單純的溫度調控結晶技術，而是利用真空冷卻技術耦合冷卻結晶和蒸發結晶，達到結晶更高效、更低耗能、更衛生的目的，可以有效解決溶劑沸點較高或結晶溫度較低的問題。

2.1.1.2 冷凍結晶

冷凍結晶[3,14]旨在利用溶液中不同化合物間凝固點的差異，通過對整個體系降溫冷卻，根據不同溫度梯度下物質析出結晶的順序不同，達到分離、提純目的的結晶方法。通用的技術方法可簡單描述為，對結晶體系降溫后，非結晶物質首先從體系中析出，過濾分離固液兩相，收集濾液，通過旋轉蒸發等方式收集目標溶質的結晶。冷凍結晶因其相對簡單的操作，已在工業結晶中有很長的應用歷史。

冷凍結晶在脫硝生產工藝中的應用極廣泛且體系化。以氫氧化鋰的生產為例，我國生產氫氧化鋰的主要方法為硫酸焙燒-冷凍法，其中的冷凍脫硝工序是關鍵環節，即，使原料液中的 Na+、以十水硫酸鈉的形式析出，以提高液體中的鋰離子濃度。韓濤等[16]針對基于Li+、Na+//OH?、-H2O四元混合體系的冷凍脫硝溶液，采用兩級連續冷凍結晶的工藝，對于?15 – ?10 °C下二級冷凍結晶分離出來的十水硫酸鈉，用原料液將其溶解后，投放入5–10 °C下的一級冷凍結晶工序，析出的十水硫酸鈉再用離心機分離得其晶體和母液，使母液回到二級冷凍結晶工序降溫結晶，進一步降低溶液中Na2SO4的含量，最終，將二級冷凍結晶所得十水硫酸鈉離心分離得到氫氧化鋰的冷凍母液。

冷凍結晶可與其他技術耦合形成新型結晶技術，比如超聲冷凍結晶技術(在后文展開)和磁場冷凍結晶技術[17]。磁場冷凍結晶技術通過在傳統的結晶培養過程中引入不同強度的靜磁場或變磁場，發現磁場能夠增加水溶液的過冷度、處于過冷態的時間，并影響冰晶的成核過程，這種影響的程度依賴于磁場類型、強度、溶液濃度等，但因過冷過程存在隨機性，相關的實驗結果并不穩定。因此，該領域還有待進行機制與定量檢測上的深入探索。

2.1.2 溶劑調控

2.1.2.1 蒸發結晶(溶劑緩慢揮發法)

蒸發結晶，即溶劑緩慢揮發法，是通過揮發溶劑，造成溶液濃度逐漸增大至達到過飽和，進而使目標溶質析出結晶的方法。蒸發結晶包括真空蒸發結晶技術和恒溫蒸發結晶技術[14]，其中的真空蒸發結晶即上述提到的真空冷凍結晶，也可稱真空結晶。關于真空蒸發結晶需要補充的是，該方法尤其適用于熱敏性結晶物質的分離提純，因此在醫藥領域，為了防止藥物在高溫下變性，常使用真空蒸發結晶。而恒溫蒸發結晶技術則保持壓力和溫度的恒定，適合于具有較小溶解度溫度系數、較小和較大溶解度的化合物晶體制備。例如，Sheng Liu等[18]通過蒸發結晶方法，將三種前體C6H5C2H4NH2、HI和PbI2加入含γ-丁內酯溶劑的圓底燒瓶，配制飽和溶液，加入期間于熱油浴中劇烈攪拌以保持液體呈黃色澄清狀態。之后，將圓底燒瓶于70 °C通風爐內緩慢蒸發3–7天，真空干燥后收集到橙色毫米級層狀晶體——苯乙基胺鉛碘化物((PEA)2PbI4)。有趣的是，這種二維晶體在壓力誘導下，會出現變色行為，被稱為“變色龍”晶體。在0–3.5 GPa區間內的壓力循環變化下，二維晶體的發射熒光呈現出由綠到紅再回到綠色的可逆変化(圖4)，且期間發光強度基本不變。

圖4 二維鈣鈦礦(PEA)2Pbl4晶體的可逆壓致變色示意圖[18]

須注意的是，恒溫蒸發過程中，晶體容易從玻璃器皿表面生長，導致晶體品質較差，為了盡量避免這一現象，所用的燒杯內壁應較光滑，且保證溶劑揮發的速度盡可能慢，但也不宜太慢，以免造成晶體培養時間過長。器皿還應用塑料薄膜封口并用針扎幾個小孔，一方面防止灰塵落入，另一方面減慢揮發速度，有利于生長出較好晶形的單晶。蒸發結晶中所用溶劑可以為純溶劑，也可以使用混合溶劑，常見的溶劑為水、甲醇、乙醇、乙腈、二甲基甲酰胺(DMF)、氯仿等。

2.1.2.2 擴散法結晶

一般地，該方法需要結晶物質的一對互溶的良溶劑和不良溶劑，在培養過程中，使不良溶劑逐漸進入良溶劑之中以降低結晶物質的溶解度，進而使結晶化合物的晶體析出。根據良溶劑進入方式的不同，可將擴散法進一步劃分為氣相擴散法和液相擴散法(圖5)。

圖5 基于溫度調控和溶劑調控溶液結晶過程的部分原理示意圖[19]

氣相擴散法中要求良溶劑易揮發，而不良溶劑難揮發或不揮發，并提供一密閉容器，使溶劑擴散過程發生在密閉空間內。氣相擴散法包含大燒杯套小燒杯技術和H管培養技術。液相擴散法則包括層鋪法、H管培養兩種技術，前者要求不良溶劑密度大于良溶劑，操作時將良溶劑“鋪”在不良溶劑上方，有時可以在兩種溶劑間加入一層緩沖層以避免兩種溶劑混合過快。液相擴散下的H管培養技術對于操作要求較高，需要保證兩側溶液同時加入、同時沒過中間的連接管，并保持液面相平。

例如，在金屬有機配合物領域中，Marta Mon等[6]利用 H管擴散法制得了分別從天然氨基酸L-絲氨酸和L-甲硫氨酸合成而來的兩種多元金屬有機框架(MTV-MOF)的單晶，過程為將銅離子配合物的水溶液置于H管的一臂，CaCl2·2H2O或BaCl2·2H2O的水溶液置于H管的另一臂，經緩慢擴散，制得目標MTV-MOF，因其溶解度在水中極小，故析出得到適用于單晶測試的優良六方柱晶體。這種獨特材料具有六方通道，當于通道內修飾上兩種靈活且具功能性的“手臂”(－CH2OH和－CH2CH2SCH3)后，能夠通過協同作用同時有效地去除無機和有機污染物，并實現完全的可重復利用。而在鈣鈦礦領域，由于升、降溫過程中產生的熱對流會對鈣鈦礦單晶結構造成負面影響，姚方等[20]提出一種室溫下的鈣鈦礦單晶的生長方法——室溫液相擴散誘導結晶(LDSC)，培養出了高質量鈣鈦礦單晶。該方法中，結晶溶質的不良溶劑 DMF通過擴散作用進入良溶劑硅油下的鈣鈦礦前驅體溶液，使前驅體溶液達到過飽和而形成晶體(圖6)。

圖6 (a) LDSC法生長鈣鈦礦單晶的過程示意圖；

2.1.2.3 鹽析結晶

向結晶體系中加入某種與溶劑結合作用更強的化合物后，使得目標溶質的“有效濃度”相對增大至過飽和而析出，這種方法即為鹽析結晶[3]，所添加的化合物稱為鹽析劑。對于鹽析劑，不僅要考慮鹽析劑在溶液中的溶解度，還要考慮鹽析劑與溶劑的相互作用強度，這種相互作用主要為鹽析劑陽離子溶劑化作用。因此，鹽析劑通常包含具有較大溶劑化作用的陽離子，如Li+、Mg2+、Al3+、Ca2+、Fe3+、Sn2+等。

硝酸鉀的結晶率優化是鹽析結晶的一個應用。張罡等[21]在研究利用硝酸銨與氯化鉀復分解反應制備硝酸鉀與氯化銨的過程中，發現硝酸鉀結晶率普遍較低，僅有45%–55%。為提高結晶率，他們采用鹽析結晶法制取硝酸鉀，并對鹽析劑進行循環回收利用。研究表明，鹽析結晶法使得硝酸鉀結晶率提高至80%，且總結出了鹽析結晶制取硝酸鉀的最佳工藝條件。

2.1.2.4 萃取結晶

萃取結晶的結果類似于鹽析結晶，都是使目標溶質的“有效濃度”增大，形成過飽和溶液，析出晶體，不過萃取結晶是通過向原飽和水溶液中加入另一萃取劑，使得水分子部分溶于萃取劑中，而造成這一結果。因操作中無需加熱等過程，故耗能更低，操作時間也相對縮短。該方法尤其適用于目標溶質與溶液中其他物質的沸點與揮發度相近的情況。

在萃取結晶過程中，需要使用大量的萃取劑，故對于萃取劑的恰當選擇，不僅能夠保證盡可能高的萃取結晶效率，降低能耗，也能夠使得萃取劑回收效率更高。合適的萃取劑需能與水形成臨界會溶點——萃取劑在萃取過程中親水，在回收過程中憎水，以利于結晶效果與回收效率。研究發現，引入鹽效應可以改變體系的臨界會溶點，甚至可以使原本沒有會溶點的體系在特定溫度下發生部分互溶[15]。比如，向正丁醇-水體系中加入Na2CO3后，體系最高臨界會溶點升至220 °C (原為122 °C)。而對于本與水在任意溫度下完全互溶的正丙醇，加入Na2CO3可以讓它與水發生部分互溶的現象，進而將其用作萃取劑。這一發現使得萃取劑的選擇范圍得到了進一步的擴大。

2.1.2.5 溶析結晶

溶析結晶[22]雖然也同鹽析結晶一般需要向原溶液中加入添加劑，但原理是通過降低目標溶質在原溶劑中的溶解度，使晶體容易析出，這里的添加劑，也叫作媒晶劑，可為固態、液態或氣態，應易溶于原溶劑而不溶于目標溶質，且易與原溶劑分離以方便回收。該方法適用于溶解度隨溫度變化較小的化合物結晶，在有機工業結晶領域中有重要地位，相應技術可應用于在高粘度體系中的快速成核過程，以及混合電解質溶液或熱敏性物質的分離過程等。

例如，為從滌綸堿減量廢渣中更有效地回收對苯二甲酸(TPA)，賀永林等[23]基于TPA在不易揮發的DMF溶解度較大的事實，采用蒸餾水為媒晶劑，活性炭為除雜脫色劑，通過溶析結晶從DMF溶液中回收TPA。所回收TPA的純度極接近標準試劑(純度 ≥ 99.0%)，且酸值達標準試劑的96.43%，回收率達86.54%。

目前，溶析結晶尚存在一些不足[22]，比如制得晶體的主粒度小、變異系數高、雜質含量較高以及產品過濾分離難度較大等問題。

2.1.3 壓力調控

壓力調控下的溶液結晶方式稱為高壓結晶，是一種通過對結晶體系施加高壓，利用加壓過程中體系固、液相變化規律的差異，對目標化合物進行結晶分離的方法，也是一種新型分離精制技術。該方法有助于從低濃度溶液中獲得高純度組分結晶，且受其他操作條件的限制很低，能夠有效提升組分回收率，而且操作耗能僅為冷卻結晶耗能的十分之一。

高壓結晶有助于有機物系的提純與精制。王彪等[24]采用 XKY-6×1200MN型六面頂壓機，于不同溫度和壓力下，對物系進行30 min高壓結晶，制得了尼龍1010(PA1010)-單壁碳納米管(SWCNT)復合材料的樣品，并通過衍射、熱重、掃描電鏡等分析說明，高壓結晶或高壓退火均有助于所得聚合物片層晶體的增厚，且高壓熔體結晶的增厚效果優于高壓退火過程下的效果。

因高壓結晶所需高壓設備的維護比較復雜，且高壓下的相平衡數據也較難得到，故該技術目前仍主要用于實驗室研究，而較少應用于工業生產。

2.2 基于影響過飽和度的復合變量

目前，還有許多溶液結晶方法同時受到多種因素的調控，所對應的結晶原理可能覆蓋多個理論模型，也可能尚不明晰。除了下文提到的三種方法，對上述幾種單一變量調控方法的綜合應用，如真空結晶技術等，也屬于復合變量調控的范疇，此類方法與技術花樣繁多，尤其在工業領域有許多聯用案例，礙于篇幅，對此將不作展開討論。復合變量調控下的溶劑培養方法與技術是該領域大有前景的研究方向。

2.2.1 溶劑熱法

溶劑熱法來源于水熱法，以有機溶劑或水為反應介質，將反應體系置于特制的密閉容器中進行加熱，為反應提供高溫高壓的環境，使得原來難溶或不溶的結晶物質先溶解，再發生結晶。根據溶劑熱法中所使用的容器的不同，可將其分為反應釜法、真空封管法兩種培養技術[25]。前者所使用的不銹鋼反應釜有聚四氟襯里，將反應物與溶劑混合放入釜內后，于烘箱中慢慢升溫至80–200 °C，恒溫反應一定時間后，再逐步降溫結晶。而真空封管法使用玻璃管為容器，將反應物和溶劑從管的一段加入，并封好管口，待固體溶解后，將玻璃管在液氮中冷凝，抽真空后用酒精噴燈燒結封好管的另一端，創造管內的真空無氧條件。完成密封操作后，將體系放在烘箱中加熱，須注意，為防止玻璃管炸裂，加熱溫度不能超過180 °C。當發現有晶體析出后，用銼刀打開玻璃管，取出產品。

溶劑熱法的機理非常復雜，這為晶體生長的過程調控帶來了不小的障礙。為進一步探究其原理，Bor-Rong Chen等[26]借助二氧化錳的結晶過程，研究了不同粒徑和不同溶液組成(不同濃度K+，不同pH)下，二氧化錳的成核、生長過程(圖7)，及不同晶型二氧化錳的形成順序、存在時間，并利用所得結論指導合成了多晶型二氧化錳，為今后水熱法合成晶體提供了豐富的理論基礎。

圖7 亞穩態下的結晶過程機理圖[26]

溶劑熱法中常用的溶劑包括水、醇類(甲醇，乙醇，乙二醇)、DMF、DMSO (二甲基亞砜)以及它們的混合溶液等。溶劑熱法解決了反應物難溶條件下的反應與結晶問題，且在其提供的高溫、高壓的極端條件下，常常能得到結構特殊的化合物，從而實現產品的結構多樣性。

2.2.2 超聲結晶

超聲結晶[27]是將超聲波與結晶過程進行耦合的一項技術。超聲結晶的作用機理較復雜，目前有三種普遍認同的作用機制：熱學機制、機械力學機制和空化機制，其中空化效應被認為是起主要作用的機制。在發生空化效應的過程中，過飽和溶液中的結晶體系可能獲得額外的能量，加上期間的界面效應可降低結晶能，造成處于穩定態的過飽和溶液可發生成核過程。不過，目前發現超聲作用對結晶過程的影響并不確定，可能促進晶體成核和生長，也可能抑制該過程，甚至沒有明顯作用，這可能是因為不同超聲參數、溶液性質、作用條件下，起主導作用的超聲作用機制存在差異的原因。

超聲結晶領域較為成熟的應用是超聲冷凍結晶技術[28]，可用于食品工業，是一種將超聲技術與冷凍結晶技術耦合的綠色冷凍技術，旨在利用超聲控制加速冰晶核形成并控制其大小、提高冷凍和解凍速率等，進而達到冷凍食品品質提高的目的。因超聲波只在食品的物理層面改善冷凍食品宏觀和微觀結構，更能保證冷凍食品的安全性。

2.2.3 剪切的應用

通常，人們認為晶體培養的過程中，尤其是在進行蒸發、揮發法結晶等恒溫結晶操作時，要盡量避免機械擾動的存在，以免影響晶體質量。

然而，在Jian-Ke Sun等[29]的工作中，借助一個在聚電解質溶液中受剪切作用的晶體培養體系，他們得到了生長速度更快且具有更大尺寸的晶體，并證明這一規律能夠應用到約 20種各類有機小分子、無機鹽、金屬-有機配合物，甚至一些蛋白質的晶體培養過程中。該工作主要基于三甲酸(TA)的DMF溶液體系展開討論，實驗中，為了消除一次成核的干擾，將TA粉末過量溶于DMF中形成過飽和溶液，再加入聚離子液(比如聚(3-氰甲基-1-乙烯基咪唑雙(三氟甲基磺?；?酰亞胺)，命名為PIL-1)，將混合液體倒入設計的Couette電池中，使體系受到均勻的剪切流，僅經過30 s，針狀晶體就變得肉眼可見，并在10 min后生長到約440 μm的尺寸(圖8)，1 h更是達到740 μm。改變不同的結晶物質、聚電解質，得到的晶體都能夠在幾至幾十分鐘內生長為規則多面體，并總是比相同條件靜態培養下的晶體尺寸更大。研究機理表明，一方面，聚電解質類似于鹽析結晶中的鹽析劑，能夠與結晶物質競爭溶劑，且剪切的存在使得聚電解質及其聚集體解纏、展開，進一步增大其與溶劑的結合位點，使得溶質的“有效濃度”迅速增大；另一方面，通過公式推導證明剪切速率與溶解度成反比，而剪切最大速率又總是集中于晶體顆粒的尖角處，這就使得大晶核比小晶核優先生長，且聚電解質的溶劑競爭也更加強烈，從而帶來晶體的更大尺寸。

圖8 TA晶體從相同的TA/PIL-1/DMF溶液中生長10 min內的光學圖像[29]

值得一提的是，聚電解質不僅可以充當“鹽析劑”，也可以獨立地發揮調控晶體形態的作用。高敏銳等[30]利用特定的聚離子液體作為晶體的“塑形劑”，成功實現對Bi2S3納米晶體形態的有效調控，制備出一系列Bi2S3超長納米線、六方片以及具介孔結構的片晶(圖9)，并且，借助適當的聚電解質，所生成的Bi2S3還能實現有效的水氧化催化功能。

圖9 通過不同的聚離子液(PILs)做合成添加劑，可得多種形態的高質量Bi2S3晶體[30]

剪切在晶體生長中的應用打破了人們對剪切流動不利于晶體培養的刻板印象，證明剪切作用不再只是因導致二次成核而降低晶體最終尺寸，或是僅僅在某些條件下能夠縮短結晶成核誘導期、增加晶體數量，而是能夠通過與其他溶液培養技術耦合[31,32]，顯著提升晶體質量和生長效率的有效手段。目前，該技術方向還存在巨大的發展空間，值得進一步的理論深化和操作優化。

3 溶液結晶方法與技術的展望

上述溶液結晶方法與技術，一些已作為實驗室晶體培養的常規方法，如蒸發結晶、擴散結晶、溶劑熱法結晶等；一些已在工業領域中占據重要地位，如冷凍結晶；一些作為晶體合成領域的新興技術，如高壓結晶、超聲結晶；或甚至還未發展成為具有系統操作的晶體生長技術，如剪切應用的晶體培養，它們在結晶機理與操作條件上仍需進一步優化。為了使溶液結晶方法與技術在理論上更加完備，在操作上更加體系化，具有更廣泛的適用范圍，在此借助5W1H分析法，對溶液結晶領域的探索與優化思路進行討論(圖10)。

圖10 5W1H法分析溶液結晶領域的探索與優化思路

WHY為什么研究它？

此項討論的是研究開展的最本質最深層的目的，可能是為了實驗創新(比如探索剪切、磁場作用對晶體生長的真實效用，以推進恒溫結晶方法的進步)，也可能是為了滿足實際需求(比如設計出更利于藥物晶體高效量產的結晶技術)。明確本源目的，不僅有利于在整個研究過程中抓住核心，也利于具體研究中對于研究體系的篩選和確認，幫助研究工作更高效地開展。

WHAT關注哪個方面的改變？

晶體形貌、尺寸、數量、生長時間，是我們主要關注的方面，也是研究中的階段目的。將研究焦點聚集于晶體及其生長的一個或幾個具體的方面，有助于定位晶體培養中的核心變量，而基于核心變量的討論將在WHERE部分展開。

WHERE依據哪些變量展開研究？

核心變量從屬于本文最初提到的幾種影響溶液結晶的因素，這也是整個溶液結晶過程中最易進行人為調控的方面。這一階段屬于橫向變量控制階段，表現為對條件的布置與改變。

WHEN對哪個階段進行研究？

這里的階段是指從形成過飽和溶液到晶體生長完畢的整個階段。對研究階段的選擇著重表現為對干擾因素的排除工作，這是一個縱向變量控制階段。舉例來說，在 Jian-Ke Sun等[29]的研究工作中，為了研究剪切與聚電解質引入在晶體生長階段的作用，需排除初始成核階段的干擾，因此他們通過向溶液體系中加入過量TA粉末(平均粒徑2 ± 0.5 μm)來生長晶體，而非從均相溶液中生長晶體。

WHO需要哪些領域的知識/技能？

這里尤其提出計算機技術在溶液結晶過程中的應用。通過對過程模擬軟件、過程分析技術的應用，可以更有效地對結晶操作過程進行設計與優化，對結晶過程進行實時監測、分析與控制。比如，Jian-Ke Sun等[29]，借助流體力學模擬，發現晶體顆粒周圍的剪切速率在顆粒尖角處保持最大，從而進一步完善了他們所提出的結晶機理。此外，許多先進的在線監測技術，如衰減全反射傅里葉紅外光譜(ATR-FTIR)、聚焦光譜反射測量技術(FBRM)、顆?？梢暅y量技術(PVM)、拉曼光譜等，也在近年被應用于對結晶過程的觀測之中[33]。

HOW怎樣獲得有力的證據以得出規律？

這一階段包括理論證明和實驗檢驗兩個方面。理論證明上，除了應用已知原理進行解釋和對公式進行推導證明這兩種常規方式外，利用上述過程模擬軟件對結晶過程進行建模分析將是一種新興的有力手段。而在實驗證據的收集與分析上，除了對晶體的最終狀態以及生長時間進行測定，我們也可以利用上述提到的在線監測技術對晶體的生長過程進行監測，使得期間的控制與后續的分析可以聚焦在更加具體的生長片段內。同時，為了排除研究體系中一些不確定性因素對實驗結論的干擾，相應的統計學分析是必要的，即對每組實驗重復足夠多的次數，并分析晶體各項參數的統計學分布情況，這一要求也有助于該結晶技術的可重復性證明。

4 結語

本文根據達到溶液過飽和度的不同方式總結了溶液結晶的幾種方法以及相應技術，并對其方法探索與技術優化提供了基本的思路。溶液結晶雖然已是眾多結晶方法中較為成熟的一大類，但幾十年來始終擁有著持續的多角度、多方面的創新與優化。未來，基本的溶液結晶技術與其他高新技術的耦合將愈發普遍，對于計算機模擬與分析的應用也將大大加速溶液結晶領域的深入、全面發展。