食品检测技术--微波溶样技术
微波溶样技术简介
1.微波溶样技术的原理
微波是频率300～300000MHz间的电磁波。微波溶样一般采用2450MHz为工作频率。当微波在传输过程中遇到不同材料时,会分别产生反射、吸收或穿透现象。这取决于材料本身的介电常数、介质损耗系数、电导率等。一般情况下,金属对微波具有反射作用;而像玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚丙烯等材料可被微波穿透;另一类物质会不同程度地吸收微波能量,被称为有耗介质。湿法消化中酸液与绝大多数样品都属于有耗介质。微波溶样就是利用样品与酸吸收微波能量,并将其转化为热能而完成的,能量的转化,也就是样品与酸被加热的过程。这种加热被形象地称为“内加热”。其原理相当复杂,理论基础涉及物理化学、热力学、电磁辐射和介质材料学等学科,被认为是有多种机理共同作用而产生的。通常的解释是:微波溶样的微波频率一般为2450Hz,就存在一个以4.9×109次/秒变化的电磁场,溶液中的分子、离子等粒子,会在这种高速变化的电磁场的交互作用下,在一定的区域内作极快的旋转,发生粒子间的极快的碰撞和摩擦,发热而产生高温。
微波加热与传统的热传导加热相比,具有加热速度快和加热均匀的特点。这两个特点对于溶解样品都是十分有利的。加热速度快的原因是“内加热”。在加热过程中,升温依赖于微波的输出功率状态,即有微波辐射时物质立即被加热,升温速度极快;当停止辐射时加热立即停止。这个特点对于微波溶样中的温度控制十分有利。“内加热”也是得到均匀加热的主要原因。对于微波溶样来说,均匀加热则不会出现传统溶样过程中经常出现的局部过热,也就避免了出现局部碳化及结块等现象,致使微波溶样更加快速、完全。
在密封微波溶样过程中,样品与酸液(必要时还有助剂)盛放在聚四氟乙烯压力罐中罐体不吸收微波,微波穿透罐壁作用于样品及酸液。快速变化的磁场诱导样品分子极化样品中极化分子极快速度的排列产生张力使得样品表面被不断破坏,样品表层分子迅速破裂,破裂后不断产生新的分子表层。通常,压力罐内的最高温度和压力可分别达到200℃和138MPa。在这样的高温高压环境下,样品表面分子同产生的原子氧作用,达到反复氧化的目的,使样品被迅速溶解。同时,微波对于样品与酸液之间的反应有很强的诱发和激活作用,能使反应在很短时间内达到相当剧烈的程度。这是其他溶样方法所不具备的。另外、密封微波溶样是在较高的温度和压力下进行的,在这种情况下,氧化性的酸及氧化剂的氧化电位显著增大,使得样品更易被氧化分解。
2.微波溶样装置
1975年首次发表使用微波能作为加速酸消化的方法,在此技术出现的早期,应用者是将聚四氟乙烯(PFA)压力罐放入家用微波炉中完成溶样的。研究表明,家用微波炉并不适合于在实验室中溶解样品,其主要原因是由于家用微波炉设计中,没有考虑到溶样过程中大量反射功率的存在。被反射的微波回到磁控管会影响其正常发射,一方面大大缩短了微波炉的使用寿命,另一方面造成微波溶样的重现性不好。随着现代工业和电子技术的发展,出现了为分析实验室溶解样品专门设计的微波消解系统,它主要是由微波炉、控制微机和压力罐组成的。系统中微波炉的设计考虑到了溶样过程中多种安全因素,其电器元件及微波腔、波导均有防酸处理;有防止微波泄漏的安全锁定装置;磁控管前端装终端循环器,可防止被反射的微波回到磁控管。人们希望微波不仅进行快速加热,且可量化地为反应提供精确能量控制,从而实现快速精确化学过程动力学控制。起初人们试图通过固定微波功率/时间来控制反应达到稳定和一致的精确结果,事实证明在硬件操作和反应上是很难实现的,受制于难以精确定量微波仪器的硬件发射性能指标和反应物组成的不一致性。直到自动变频磁控管的出现才最终得以解决,超越了开始的不稳定的功率/反应结果的试验关系,发展成现在建立的热力参数/反应结果的直接量化关系。
3.微波溶样的特点
通过密封微波溶样技术的一些应用和实验室的使用,表明这种微波溶样技术具有以下优点。
(1)溶样速度快。由于微波加热是分子“内加热”,样品与酸液(通常还有氧化剂)在短时间内便可升温到预定温度。样品在压力罐中的高温高压下被氧化分解。这都有利于提高溶样的速度,它比常规法一般要快10～100倍。
(2)溶样效果好。高温高压下样品消化得更加完全,这是溶样效果得到改善的主要原因。其次是较低的空白值,密封微波溶样不但减少了试剂的用量,而且避免了实验室环境对样品的污染。另外,由于聚四氟乙烯(PFA)内衬杯具有疏水性,这在很大程度上减少了溶样过程中的损失和污染。
(3)操作简便、安全、易于控制。现阶段,密封微波溶样的设备已由以前的家用微波炉发展到微波消解系统。微波消解系统由微机控制,专门设计的操作软件中存有大量的溶样方法,每个方法中都对样品量、酸液及氧化剂的配制、微波发射功率、消化时间等作了详细描述。操作者只需选定方法,按要求称样、加酸、溶样过程便可按描述自动运行。运行中微波消解系统可通过微机随时对温度和压力进行实时监测,监测的数据反馈到主机可以控制磁控管的发射。可通过精确控制微波的发射对压力罐中的温、压加以控制。
(4)由于溶样过程中使用了全封闭压力罐,使得常规溶样方法中易挥发而损失的元素被全部保留,包括As,B,Cr,Hg,Sb,Se,pb,Sn等。还由于溶样过程中使用了全封闭压力罐,微波消解适用于微量和超微量金属元素的分析。
(5)同批消化多个样品,以及溶样重现性好。一般密封微波消解系统均具有12个罐位因此,一次运行可同批消化多个样品。运行中精确的功率控制保证了良好的溶样重现性。
(6)显著地节省能源,提高了消解样品的效率。
(7)实现了样品消解自动化,提高了工作效率和结果的重现性。
(8)由于独特的消解条件,可用硝酸取代价昂易爆的高氯酸,降低成本。
(9)自动化操作,使人可远离酸雾环境,改善了工作条件,有利于人身安全。
