样品前处理

　微波制样技术和微波制样设备

　　郭振库

　　摘 要：本文介绍了微波制样技术的方法、特点和及其应用，微波制样设备的最新进展。全文参考文献近七十多篇涉及有关微波制样内容的基本书籍和最新研究成果。

　　关键词：微波， 制样， 技术， 设备

　　一、序言

　　分析家已越来越多地体会到，分析样品的制备环节，目前不仅仅是耗费时间的步骤，而且是导致误差的主要来源。一些报告指出，在土壤样品硒的分析研究中，用敞口玻璃烧杯在电热板上溶样时，硒的挥发特别严重，其硒的测定值仅为密闭溶样方法的一半。这说明了电热板上敞口溶样的传统方法已经不得不用更可靠的技术来代替。对于实验室的样品分析，理想的分析样品制备技术应当具备的条件是：⑴

　　易于重复，不同实验室内有经验的工作人员，依此方法可做出重复结果;⑵

　　试剂用量少，以使样品测定时空白最低;⑶

　　测定挥发性元素，如砷(As)，汞(Hg)，硒(Se)，铅(Pb)，锑(Sb)，锡(Sn)，或组分如挥发油等在制样中不损失;⑷

　　快速，满足于现代实验室的测定需要;⑸

　　易于控制，实验室内不同人员依据操作方法可完成相同的任务;⑹样品不被环境污染，制备的样品代表原始样品;(7) 不污染环境，以利于保护实验室工作人员的健康。

　　微波制样技术的成功应用改变了样品制备技术落后的状况，微波制样技术基本上可满足上述制样要求[1，70]。这样的制样技术革命，在近二十年内取得了令分析化学家们满意的进步[2]。目前，分析实验室用的微波制样技术，据报到已知的有微波消解、萃取、水解、显色、灰化、预浓缩、净化、脱附和热雾化等。其中微波消解和萃取技术是目前研究和应用最为普及的内容，USEPA3015、3015A、3051、3052等国内外涉及微波消解样品的标准方法有几十个，USEPA3546[3]等涉及微波萃取的标准方法有几个。这说明微波消解和萃取技术即将成为未来我国分析实验室内的主要样品制备手段，鉴于此，本文将主要介绍微波消解和萃取技术的原理、特点、应用和设备。我国目前市场上销售的微波样品处理系统有数十家。但作为科学技术快速发展的时代，分析实验室工作人员要全面了解不同的微波制样设备及其合适的应用需要大量的时间。尤其在我国大力发展市场经济的条件下，不同产品的提供者由于受到知识结构的限制，难以向购买设备的使用人员正确地说明产品性能以至于所置物品不能发挥作用。如微波制样设备象家用电器微波炉一样操作简单，或微波制样设备可制备分析实验室内的所有样品，或市场上销售的微波制样产品都一样等等，这种介绍在很大程度上误导了微波制样设备的使用者，同时也不利于微波制样技术的研究和应用。我们大家都清楚没有那一种技术可解决所有问题，而且任何新的技术都需要大量的应用研究成果来开发和确定它的最大限度的实用价值。

　　二、微波加热技术及特点

　　微波是频率在300MHz—300,000MHz(波长1mm—100cm)的电磁波，工业和生活中最常用的频率是2450±13MHz(波长约12.5cm)。

　　微波加热不同于一般的常规加热方式，后者是由于外部热源通过热辐射由表及里的传导式家热，微波加热是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热。微波加热样品的能力部分地取决于样品和介质的耗能因子，耗能因子由样品和介质的离子传导和偶极子转动决定。这表明不是所有物质都可被微波加热，而常规加热可加热任何物品。

　　三、

　　微波制样设备

　　微波制样设备是实验室内使用的、涉及酸和碱等腐蚀性化学试剂的装置，防化学腐蚀和保证制样安全是微波制样设备的必备要求。

　　微波制样设备要求具有特殊的电路设计、运行方法、防腐处理、制样容器、控压和/或控温附件。

　　由于微波制样设备具有控压和/或控温部件，电路设计要考虑加热具有腐蚀性的特殊样品，因此，需要独特的电路设计要求。短的脉冲周期和小的功率间隔，是微波制样中保持反应平稳但又快速的关键。目前智能化的软件和变频设计可使操作系统使用更方便，但并不能控制或去除由于剧烈的化学反应所产生的高的温度或压力;波导管和谐振腔，防腐性的波导管和谐振腔是微波制样设备安全保障的重要部件;密闭且透过微波的制样容器，常规微波制样需要在提高的压力和温度下实现，适合的容器是实现快速制样的基本条件;对密闭容器内不同试剂样品的反应过程，利用控压和/或控温部件进行监测控制以及得到重现性的制样条件是微波制样技术进步的标志。由于不同生产厂家的指导方针不同，有的厂家在设备制造中有把温度、压力和排风系统与主机装配在一体免除使用人员的不便，但由此使单机的重量增大，搬运反而困难不适用于实验室内搬运或现场作业;有些厂家把温度、压力和排风系统与主机分开，使用时安装在一起，这样不仅单机重量大大降低，而且有利于实验室内搬运或现场使用。但是无论购置的微波设备多先进，没有相适应的微波和化学知识，对于使用人员来讲做好微波样品的制备工作都是困难的。

　　国内外不同的微波制样设备目前有三种主要类型：

　　(1)

　　无控压和/或控温的开口或密闭容器制样设备，这些产品有聚焦型或用家用微波炉自行改良的多模型两种，此类设备价格较低, 但安全性能相对较差;

　　(2)

　　有控压部件的密闭容器制样系统，此种设备在消解样品进行元素测定中，可满足大多数样品的制备要求。目前进口和国产微波制样设备大都具备这些条件。只是不同公司的产品各有特点，适用范围差异较大。比如一些产品的压力控制误差大到几个大气压，不仅达不到压力控制的真正目的，而且无法实现重复的实验结果。压力控制系统有理想气体、液体传导和膜三种，这三种系统在使用中将有不同的要求;

　　(3)

　　有控压和控温部件的密闭容器制样系统，此系统适合于绝大多数样品的消解和萃取。进口微波产品大多具有这种条件。目前，微波制样设备上使用的温度控制系统有样品容器内测温的红外光纤系统、金属热电偶和样品容器外红外测温系统三种。由于各个公司所使用的技术和材料不同，在具有这些温度控制系统的微波制样设备中，使用性能差别很大。

　　微波制样容器有开口和密闭两种。开口容器可用玻璃、石英、陶瓷和塑料制品，密闭容器目前均用塑料制品。密闭容器又分为单层和双层两种，单层罐一般用聚四氟乙烯车出。双层罐的内层大多数用PFA或TFM，外罐的材料各企业不同，且大都有相应的技术专利保护。

　　选购微波制样设备的考虑因素，对于进行食品、植物样品和矿物样品元素分析的消解制样，一般选择中压(200psi)有控压附件的微波制样系统;如果有难溶金属样，则可选择高压(≥600psi)有控压附件的微波制样系统，或仅选高压罐即可;对消解样品中需要控制样品温度的制样，必须选择带有控温和控压附件的微波制样系统。

　　样品中有效或有害组分的萃取，使用极性和非极性有机溶剂是萃取中必需的选择，尤其是食品中农药残留、食品中维生素、土壤和沉积物中的有机污染物、或中药有效成分等的提取测定。应用于微波萃取的微波制样设必须适合于使用丙酮、氯仿、苯和乙醇等有机溶剂;有压力控制的微波制样设备是最基本的条件，压力控制精度最好在±0.5大气压范围内，如果精度差，不利于需要提取组分的萃取和分离;有压力和温度控制的微波制样设备可满足大多数样品萃取的要求;有压力、温度控制和有机气体监控的微波制样设备是目前最好的微波萃取装置，可用于所有样品的萃取制备。

　　　四、

　　微波制样方法原理

　　微波制样的高效有几个方面的贡献：对于样品消解，①微波的内加热;②微波的高频振动;和③提高的温度为微波促进化学反应提供了作用[1]。但对于萃取，①微波的非热效应，即样品分子中微波活性的基团存在;②使用极性溶剂;以及③提高的温度是促进萃取化学反应主要原因[4]。

　　在微波消解样品制备中：

　　微波内加热，在吸收微波的介质中，微波可直接对此物质内外一起加热，因此，在微波处理的样品反应条件下，样品里外同时到达化学反应所需要的温度，这样，样品的化学反应可在较短的时间内完成。相比之下，常规加热时样品内外温度高低有别，尤其是流动性差而热传导性也差的样品，其接触热源部分与非接触部分在反应温度上存在较大温度梯度。因而，全部样品完全反应结束时，所需要的时间长。

　　微波的高频振动，微波制样过程中，溶解样品的试剂或样品本身是具有离子传导和偶极子性质的物质。在微波每秒钟2450MHz的作用下，离子或具有永久极性的分子以每秒钟49亿次的转动使被加热的样品受到快速搅动，这种动作不仅使样品内部更均匀，而且使颗粒样品受到溶剂离子或分子的磨擦尤如被无数个砂轮打磨，这样的磨擦使颗粒样品很快地被剥离和溶解。在开口容器微波消解2.0克生物和植物样品时，同样的样品量常规法消解需要约4小时，而微波法仅35分钟，表明了微波高频振动的这种作用[1]。

　　密闭容器微波消解样品时，提高的温度结合微波的内加热和高频振动比常规加热密闭容器溶样获得更快的溶样效果。

　　在微波萃取制样中：

　　微波的非热效应，样品的分子内有极性基团时，微波辐射直接作用于这些基团，带有这些基团的分子在微波作用下快速地从样品基体中分离出来，从而使样品快速溶解或样品中的有效成分快速游离到溶剂中。在微波萃取中，这种活性物质可大大提高其萃取率[5-15]。

　　微波萃取使用极性溶剂，极性溶剂比用非极性溶剂更有利，极性溶剂吸收微波能，从而提高溶剂的活性，使溶剂和样品作用更有效[16-25]。

　　密闭的微波化学反应容器，使样品的萃取反应温度大大提高，高的反应温度提高了化学反应速度，降低了化学反应时间[26-29]。

　　五、

　　微波制样方法的特点

　　微波制样方法可分为密闭、开口和在线三种。密闭制样是把样品和试剂一起装在密闭的微波制样容器内，用有控压或同时有控温和控压的特制微波炉内加热这些试剂和样品。这种方法适用于样品的消解、萃取和显色化学反应。开口制样是用开口容器装上样品和试剂，用单模或多模微波炉加热。这种方法适用于样品的消解和萃取。在线消解和萃取制样时，液体样品和试剂通过不同的蠕动泵或流动注射系统中的塑料毛细管，使样品和试剂在塑料管中混合后经过微波辐射区域吸收微波达到消解或萃取制样目的，取处理后的样品溶液进行测定。

　　微波消解和萃取制样所用试剂不同于常规制样。

　　开口容器微波消解应用与常规消解相同的试剂，如浓硫酸、磷酸、高氯酸、盐酸、硝酸、氢氟酸、硼酸、双氧水或这些酸的混合物。密闭微波消解时，由于制样容器用塑料制作，一般不用腐蚀性强的试剂，特别是不用或慎用高氯酸，而只用盐酸、硝酸、氢氟酸、硼酸、双氧水或这些酸的混合物，用有控温附件的微波消解系统时，有时可用沸点高的酸(如硫酸，磷酸等)。

　　微波萃取制样中，萃取溶剂要有吸收微波的试剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯甲烷等。已烷、乙醚和石油醚类溶剂不吸收微波，在微波萃取中不能单独使用。为了使用不吸收微波的溶剂以提高萃取效率，则把吸收微波的和不吸收微波的试剂混合使用，达到既可快速萃取又可达到高萃取率结的效果。表5-1是不同比例丙酮和环已烷作溶剂时，微波萃取土壤中农药残留的结果。

　　微波消解样品的特点：(ⅰ)微波的激活使溶样更容易;(ⅱ)溶样快速，一般仅需几分钟到几十分钟; (ⅲ)不损失易挥发元素，如As(砷)、Hg(汞)、Pb(铅)、Se(硒)等;(ⅳ)试剂用量少，测定空白低;(ⅴ)可自动控制，使每次制样具有相同的操作条件;(vi)对环境污染小，有利于实验室工作人员的健康。按照美国EPA3050(常规)和3051(微波)方法的步骤，微波消解制样仅用常规方法九分之一的时间。

　　微波萃取法用于样品中不同成份或组分提取，特别是微量或痕量污染成份和植物中有效成份的萃取，如土壤中六六六、DDT、PAHS 等污染成分萃取，粮食、蔬菜、水果中农药残留测定，一些植物中香精香料(如薄荷油萃取等)和中药有效成分的萃取，应用微波进行提取具有快速、溶剂消耗少、提取率高等特点。微波萃取法的特点是：(ⅰ)微波激活特性使萃取容易进行，因此，萃取回收率高，时间短;(ⅱ)使用极性溶剂(如丙酮、乙醇等)，或极性和非极性混合溶剂(如丙酮+已烷)，但不能用单独的非极性溶剂;(ⅲ)试剂用量小，仅是索氏萃取法的十分之一用量;(ⅳ)萃取回收精度好;(v)萃取溶液杂质低。一些研究人员就美国EPA方法8250中涉及到的94种有机污染化合物，用Soxhlet提取、超声处理、微波处理和超临界提取四种方法进行萃取，并就回收率和萃取精度进行比较。所用提取试剂微波法及Soxhlet法为丙酮和己烷(1+1，V/V)，超声法用二氯甲烷和丙酮(1+1，V/V)，超临界萃取法用含10%甲醇的超临界二氧化碳。在94种被萃取的化合物中，微波萃取回收率51种大于80%，33种在50-79%，8种在20-49%，仅有 2种小于19%。Soxhlet萃取给出相近的结果，而超声法回收率略好。在萃取精度方面，MAE最好，94个化合物中有90个RSDs小于或等于 10%， Soxhlet法精度最差，94个中仅有52个RSDs小于或等于10%。

　　六、

　　微波制样技术的应用

　　在大多数分析化学实验室，微波密闭溶样方法已经成为样品制备的常用方法。绝大多数标准参考物质的微波溶解结果证明了微波制样方法的可靠性，所以，许多新的运用微波制样步骤的分析标准方法已经颁布，这使微波消解和萃取方法成为现在必须考虑接受的技术。其它微波制样方法正在不断开发出来，并在实际制样中应用。微波技术在化学中的应用正在以超出寻常的速度改变着化学领域。

　　样品的微波消解和萃取适用于AAS、ICP-AES、ICP-MS、GC、LC、GC/LC-MS、UV-VIS，常规化学法及电化学测定法的样品制备。

　　微波消解方法从研究报到介绍已用于除贵金属以外的所有样品分析[30-34]，微波制样的几乎所有标准方法均为消解方法。但石油渣等高碳含量的固体油样品的微波消解研究成果较少。应用微波消解方法进行醋酸苯[35]和聚酰胺6样品水解[36]，使这些样品的水解时间降低到几分钟。水或污水中非金属元素炭 [37]、氮[38]及植物样品中磷[39]测定的微波消解制样是目前微波消解的新成果。

　　微波萃取目前应用最多的样品是土壤和沉积物中有机污染物萃取[40-42]、矿物[43、44]中铝、金或沉积物[45-49]、植物[50]中金属或有机金属化合物的萃取测定。沉积物和土壤中有机污染物、农药残留的提取已颁布为EPA3546方法。海洋沉积物中的有机汞、有机锡、有机污染物和农药残留等成分的测定有用这种方法进行样品制备的研究报道。微波富集用于矿物中的痕量贵金属测定，实验表明微波处理加速痕量金属离子的浓缩和吸附。这种方法不仅用于矿物中痕量贵金属元素的分析，而且已用于贵金属的湿法冶金。

　　微波萃取目前最有意义的应用是植物样品中有机污染物或有效成分的提取。植物[51、52]或生物[53-55]样品中农药或药物残留的微波提取为这些样品分析或研究开拓出了又一新的技术。

　　植物样品中有效成分的微波辅助萃取是最有应用前景和价值的研究成果，这种研究主要集中在香精香料[56-58]、油脂[59]、果胶[60]、色素[61]或中药及保健品中有效组分[62-69]。

　　七、微波制样技术的发展方向

　　微波制样技术在冶金工业、食品工业、制药工业

　　、地质勘探、航天工业、农业生产、化学工业等的分析实验室和生产应用都有广阔的前景。由于微波制样是一种新的且发展中的技术，还有许多方面的研究工作需要广大分析研究人员和生产部门作进一步的基础科学和应用研究。目前，微波制样及其在生产中的应用有几个方面需要进一步研究，第一：微波促进化学反应的作用机理还有待于继续研究和归纳，以利于更清楚这项技术的基础理论和促进技术的应用;第二：微波制样技术在不同样品制备中的应用，需要更多的分析研究人员参加。现在仅有的几个标准方法对这项技术的应用显然是太少，不同的样品具有不同的特性，较少的方法难以解决大多数问题。微波萃取技术在植物有效成分的提取中将具有特别重要的意义，更多更广的萃取应用研究不仅有利于微波技术应用的基础研究而且对有效地利用有限的植物资源具有深远的意义;第三：微波设备制造业的参与有利于设计出方便应用而又价格较低的产品，从而加快这项技术的应用研究和推广应用。