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离子液体的安全性研究进展

文档作者：刘晓庚*, 袁磊, 高梅, 赵发辉文档来源：南京财经大学食品科学与工程学院江苏省粮油品质控制及深加工技术重点实验室		点击数：	更新时间： 2025年06月30日
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第4 卷 第1 期 食品安全质量检测学报 Vol. 4 No. 1
2013 年2 月 Journal of Food Safety and Quality Feb. , 2013
基金项目: 江苏省高校科研成果产业化推进项目(JH10-24)、江苏省大学生实践创新训练计划项目(2012JSSPITP0982)
Fund: Supported by the Project of Advancing Industrialization of Scientific Research of Universities in Jiangsu Province (JH10-24) and the
Project of Students’ Innovative Training In Jiangsu Province (2012JSSPITP0982)
*通讯作者: 刘晓庚, 教授, 主要研究方向为食品科学和食品化学。E-mail: lxg_6288@163.com
*Corresponding author: LIU Xiao-Geng, Professor, School of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing
210046, China. Email: lxg_6288@163.com
离子液体的安全性研究进展
刘晓庚*, 袁 磊, 高 梅, 赵发辉
(南京财经大学食品科学与工程学院, 江苏省粮油品质控制及深加工技术重点实验室, 南京 210046)
摘要: 作为环境友好的“绿色溶剂”, 离子液体发展迅猛, 取得了令人瞩目的成果。作为新物质的离子液体,
其毒性、降解性、环境相容性等安全性问题已日趋成为人们必须高度重视解决的问题。受传统思想的影响, 有
关离子液体安全性研究还是滞后于其应用研究。为此, 对离子液体的安全性进行综述就显得格外必要。本文对
离子液体的细胞毒性、微生物毒性、高等动植物毒性和影响其毒性的离子液体本身的构效特性, 离子液体对环
境作用性以及其降解性等安全性问题进行了简要综述, 并对离子液体安全性研究趋势作了展望。
关键词: 离子液体; 安全性; 毒性; 环境相容性; 降解性
Progress on security of ionic liquids
LIU Xiao-Geng*, YUAN Lei, GAO Mei, ZHAO Fa-Hui
(Jiangsu Provincial Key Laboratory of Quality Controls and Deep Processing on Grain and Oil, School of Food Science and
Engineering, Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing 210046, China)
ABSTRACT: Regarded as environmentally benign “green solvents”, ionic liquids gained rapid developments
and remarkable achievements. As new substances, the toxicity, degradation, environmental compatibility and
other problems of ionic liquids have increasingly become the problems which people must pay great attention
to. Influenced by traditional ideology, researches on ionic liquids are still lagging behind applications. So it is
extraordinarily necessary to summarize the security of ionic liquids. This paper briefly summarized the
cytotoxicity, microbial toxicity, higher plants and animals toxicity, and the QSAR properties which would affect
the toxicity of ionic liquids. Besides, the review highlighted the important issues and the future research directions.
KEY WORDS: ionic liquids; security; toxicity; environmental compatibility; degradation
1 离子液体的研究和应用概述
离子液体(ionic liquids, ILs)是完全由离子组成的
在室温下呈液态的离子化合物。它具有蒸气压极低、
难挥发、对水和空气稳定、且对多种物质有优越的溶
解性能等优点, 因此被称为“绿色溶剂”。目前其作为
溶剂、催化剂、助剂等被广泛应用于化工、医药、生
物技术、农业、食品等众多领域, 特别是近年来研究
发现ILs 在粮油食品领域也有着非凡的应用前景, 如
香料的合成、纤维素性能的改善、淀粉的改性、餐饮废
油的转化与深度利用以及生物活性物质的分离等[1-3]。
46 食品安全质量检测学报 第4 卷
近年来ILs 发展迅猛, 应用研究取得了令人瞩目
的成果, 但其毒性、降解性、环境可容性等安全性问
题还是滞后于其应用研究。ILs 的发展不能再走塑料
发展的老路, 在ILs 大规模应用之前必须全面、周密、
细致地做好其安全性研究工作, 因此, 全面综述国内
外对ILs 安全性研究具有十分重要的意义。
2 离子液体的安全性研究
作为一种新型的“绿色溶剂”, 人们对ILs 的兴
趣不断增加。有关ILs 的安全性研究国内外已有报
道, 且积累不少ILs 的安全性的数据。如美国国家毒
理学计划已要求对各类型ILs 进行毒理学测试并评
估其潜在的风险[4], 表明人们对ILs 的安全性在进行
全面研究。归纳起来目前ILs 安全性研究主要集中
在3 个方面: 一是ILs 对高等动物、低等动物、植物、
微生物等各种生物毒性作用情况; 二是ILs 各组成
部分如阳离子核、阴离子核、侧链取代基对ILs 的
毒性影响; 三是ILs 对生态系统中水体和土壤等的
影响。
2.1 离子液体的毒性研究
2.1.1 离子液体的正辛醇-水分配系数
化学物质的正辛醇-水分配系数(Kow)表征该化学
物质在水相与有机相间的迁移能力, 其中水相模拟
自然界环境, 正辛醇相模拟生物体的脂肪组织。Kow
反映的是该化学物质在生物体内累积程度的大小,
Kow 越大, 该化学物质越容易被生物体吸收而累积,
并通过食物链传播对生物体造成更大的毒性作用[4]。
因此, 理想的化学物质应具有较小的Kow。而Ropel
等[5]研究了部分ILs 的Kow 并与传统的有机溶剂对比,
同时测定对水的扩散系数, 发现ILs 流失到环境的速
率与挥发性有机溶剂相当, 这说明并非所有ILs 在生
物体内的累积程度比有机溶剂低。
2.1.2 离子液体的微生物毒性研究
刘芳等[6]以青海弧菌Q67 为指示生物, 应用微板
发光毒性测试方法测定1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸
盐([Emim][BF4])、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐
([Bmim][BF4]) 、1- 己基-3- 甲基咪唑四氟硼酸盐
([Hmim][BF4]) 、1- 辛基-3- 甲基咪唑四氟硼酸盐
([Omim][BF4])等12 种ILs 对发光菌发光的抑制毒性。
结果表明, 溴化1-辛基-3-甲基咪唑([Omim]Br)、1-癸
基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Demim][BF4])、氯化1-
辛基-3-甲基咪唑([Omim]Cl)、1-十二烷基-3-甲基氯化
铵(C16H31ClN2)这四种ILs 具有较高的抑制毒性, 半
最大效应浓度(pEC50)均大于4.5, 而其他8 种ILs 的
毒性相对较小(pEC50<3.5)。
Pernak 等[7]通过咪唑类ILs 对球菌、杆菌和真菌
最小抑制浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC)的测定,
发现阳离子对真菌的影响是毒性随阳离子取代基碳
链长度增大而增大, 且取代基为C16 时最大; 对球菌
的影响是毒性随阳离子取代基碳链长度增大而增大,
且取代基为 C12 时最大; 对杆菌的影响是毒性随阳
离子取代基碳链长度先增大后减小, 且取代基为C12
时最大。阴离子对这三种菌毒性的影响不大, 烷氧基
链长对抑菌活性有重要影响, 而短链的抑制作用较
小, 碳链长度小于13 时抑菌活性随碳链长度增加而
降低。同时, 当ILs 中含有10、11、12 和14 个碳原
子的烷氧基时, 微生物受到的抑制作用很强。
2.1.3 离子液体的细胞毒性研究
王雪峰等[8]研究38 种不同类型的ILs 对Hela 细
胞的毒性影响, 结果发现, 含有牛胎血清的培养液降
低了ILs 的毒性, 但是阳离子烷基侧链为乙基的ILs
的毒性并没有降低。将Hela 细胞在含有低于EC50 的
[Emim][BF4]培养液中培养48 h 后观察检测其形态和
生化变化, 发现细胞质内形成空泡, 细胞表面产生芽
状突起, 细胞核呈明显的凋亡特征, 线粒体膜去极
化。因此认为ILs 对Hela 细胞有一定毒性, 能诱导
Hela 细胞的凋亡。
胡佳斌等[9]研究[Cnmim]PF4(n=4,6,8,10)对酵母
细胞的毒性影响, 结果发现部分酵母细胞细胞壁发
生破裂, 细胞出现死亡, 同时随着阳离子咪唑环上烷
基取代基的增大, ILs 对酵母细胞的毒性逐渐增大,
酵母细胞死亡的数量增多。
2.1.4 离子液体对高等动物的毒性研究
徐红梅等[10]研究4 种咪唑型ILs ([Hmim]Br、
[Omim]Br、[Demim][BF4]和[C18mim]Br)对小鼠的急
性毒性, 结果发现, 小鼠的肝脏均出现水肿和淤血,
其受损程度随碳链和剂量的增加而增强。可见咪唑类
ILs 对小鼠有毒性, 毒性可能与其损伤肝脏等组织有
关, 但具体机制尚不清楚。
李效宇等[11]用[Omim]Br 处理金鱼的胚胎, 研究
金鱼的早期胚胎发育期暴露ILs 后对金鱼仔鱼氧化
损伤影响, 结果表明, 经胚胎发育期暴露ILs 后,
尽管孵化后脱离ILs 的暴露, 但[Omim]Br 仍对仔鱼
组织抗氧化系统造成较强的氧化损伤, 同时也引
第1 期 刘晓庚, 等: 离子液体的安全性研究进展 47
起脂质过氧化作用。因此[Omim]Br 对金鱼胚胎和
幼鱼均有毒性, 其产毒机制与ILs 诱导产生的氧化损
伤有关。
2.1.5 离子液体对植物的毒性研究
陈忠林等[12] 用营养液水培法研究1-甲基-3-乙
基-咪唑缬氨酸盐([C2mim][Val])对小麦幼苗生长及叶
片保护酶活性的影响, 结果发现, 对比其他生活史阶
段, 在发芽和幼苗生长阶段, 小麦对[C2mim][Val]浓
度的敏感性存在差异, 当[C2mim][Val]浓度大于200
mg/L 时, 其萌芽率受到显著的抑制; 而浓度大于300
mg/L 时, 其幼苗生物量、株高和根长均显著降低, 且
抑制效应具有剂量依赖型特点。其原因主要是
[C2mim][Val]的阳离子有较强的亲水和疏水性, 易吸
附在细胞膜表面破坏细胞膜稳定性, 导致活性氧清
除系统中的保护酶活性降低, 活性氧浓度显著升高,
细胞质膜受损伤, 最终导致电解质的严重损失[13]。
Baluzewski 等[14] 合成一种手性ILs, 发现其对春
麦的半数抑制浓度(IC50)为200 mg/kg, 小于对红萝卜
的100 mg/kg, 而含氮ILs 对种子发芽无抑制作用。
Jastorff 等[15]以两种高等植物, 一种水生浮游生
物丝藻和一种陆生草本植物家独行菜为实验对象,
考察咪唑类ILs 的毒性, 结果发现, 丝藻在10 mg/L
的[Omim][BF4]下数量减少87%, 而在相同浓度下的
[Bmim][BF4]作用下仅减少4%, 当[Bmim][BF4]浓度
提高到100 mg/L 时丝藻数量减少60%。独行菜仅在
100 mg/L 的[Omim][BF4]作用下萌芽率就降至0%,
而只有在1000 mg/L 的高浓度[Bmim][BF4]作用下才
出现较大程度的萌芽受抑制现象。这两种高等植物的
毒性实验说明ILs 对植物有一定毒性, 且毒性随取代
烷基链长度的增加而增加。
杨芬芬等[16]研究1-丁基-3-甲基咪唑卤化盐
[Bmim]X 对白菜、黄瓜和玉米3 种农作物生长发芽
状况的影响, 结果表明ILs 对这3 种农作物均造成一
定的毒性, 毒性随ILs 浓度和作用时间的增加而增
加。同时, 以卤素为阴离子的咪唑类ILs, 如[Bmim]
Br 和[Bmim]Cl, 毒性较大, 当浓度达到500 mg/L 时
显著影响作物的生长。
2.1.6 离子液体对低等生物的毒性研究
卢珩俊等[17]研究[Cnmim]Cl(n=4,8,12)对卤虫个
体的毒性, 结果表明, ILs 对卤虫的毒性随ILs 咪唑环
上烃基侧链碳原子数的增加而增强; 另外, 这3 种
ILs 对卤虫的半数致死浓度(LC50)分别为171.1、
133.6、17.76 μg/mL。与传统有机溶剂甲醇、乙腈和
无机溶剂重铬酸钾为阳性对照相比, ILs 对卤虫的
LC50 比甲醇(84.83 mg/mL)和乙腈(52.84 mg/mL)低
2~3 个数量级, 而与重铬酸钾对卤虫的毒性(16.87
μg/mL)处同一数量级水平。
罗艳蕊等[18]研究[Cnmim]Br (n=4,6,8,10,12)对大
型溞摄食行为的影响, 结果表明, 随着碳链长度的增
加, ILs 对大型溞的48 h 急性毒性增大, 其LC50 从
15326 μg/L 降至49 μg/L。不同碳链长度的ILs 也都
明显地降低大型溞的滤水率和摄食率, 其最大浓度
处理组分别比对照降低了60%~84%。这说明ILs 对
大型溞摄食行为有很大的毒性影响, 因此对水生环
境也存在潜在的生态风险。
2.1.7 离子液体的毒理学特性研究
王杰等[19]研究了ILs 1-甲基-3-丁基咪唑四氟硼
酸盐(BMIBF4)的毒性, 结果表明: 急性经口毒性小
鼠的半数致死剂量(LD50)为584 mg/kg(雄性)、369
mg/kg(雌性), 根据分级标准GB 15670-1995 应属中
级毒性; BMIBF4 对小鼠无诱发PCE 微核率增高作用,
即小鼠骨髓细胞微核试验结果为阴性; Ames 试验中,
BMIBF4 在185~5000 μg/皿 范围内, 在加和不加S9
的条件下, TA97、TA98、TA100、TA102 的回变菌落
数均未超过溶剂对照的回变菌落数2 倍, 即Ames 试
验为阴性, 故BMIBF4 对小鼠无致基因突变作用。
李效宇等[20]用不同浓度的[Omim]Br 浸泡金鱼进
行持续96h 的急性染毒, 然后分别在12、24、48、72、
96 h 检测金鱼外周血血红细胞微核率和核异常率来
进行毒理学研究, 结果表明: 其LC50为295 mg/L, 同
时, [Omim]Br 能诱发金鱼外周血血红细胞产生微核
和核异常。[Omim] Br 对外周血血红细胞微核和核异
常的诱导存在明显的剂量-效应关系, 在一定浓度范
围内微核率和核异常率随ILs 处理浓度的增加而升
高, 对金鱼外周血血红细胞正常分裂的干扰也越大。
此外, 随着处理时间的延长, 微核率和核异常也在不
断的增加, 在72 h 时达到最高峰。这些研究都有力地
证明了[Omim]Br 对金鱼的毒性作用。
综上所述, ILs 对微生物、细胞、高等动物及其
胚胎、植物及种子等不同类型的生物均表现出一定的
毒性, 存在潜在的生态风险, 且ILs 的毒性一般有一
定的构效关系、影响规律和变化规律可循, 因此使用
48 食品安全质量检测学报 第4 卷
ILs 时应加以遵循和注意。
2.2 离子液体的结构对其改进安全性的影响
2.2.1 阳离子结构对离子液体安全性的影响
Couling 等[21]用定量结构-性能关系研究23 种ILs
对费氏弧菌和大型蚤的毒性影响, 发现取代侧链及
阴离子相同时, 阳离子对这两种水生生物的毒性顺
序是: 季胺盐阳离子<吡啶阳离子><咪唑阳离子></咪唑阳离子></吡啶阳离子>

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