微波消解技术及其应用

微波消解技术及其应用
一、概述
微波消解技术是70年代中期产生的一种快速样品前处理方法。

微波是指电磁波中位于远红外与无线电波之间的电磁辐射，具有较强的穿透能力。

电热板、石墨消解仪等传统的加热技术都是“由表及里”的“外加热”，而微波加热是一种“内加热”，即样品与酸的混合物在微波产生的交变磁场作用下，发生介质分子极化，极性分子随高频磁场交替排列，导致分子高速振荡，使加热物内部分子间产生剧烈的振动和碰撞，致使加热物温度迅速升高。

分子间的剧烈碰撞搅动并清除已溶解的试样表面，促进酸与试样更有效的接触，从而使样品迅速地被分解。

微波消解设备由微波炉和消解罐组成。

实验室专用微波炉具有防腐蚀的排放装置和具有耐各种酸腐蚀的涂料以保护炉腔。

它有压力或温度控制系统，能实时监控消解操作中的压力或温度。

消解罐的材料要用低耗散微波的材料制成，即这种材料不吸收微波能却能允许微波通过，它必须具有化学性能稳定和热稳定性，TFM、聚四氟乙烯、PFA（全氟烷氧基乙烯）都是制作消解罐的理想材料。

温压双控微波消解罐主控罐示意图
高压密闭微波消解是80年代以来常用的微波消解样品的方法，其最大优点是耗时大大减少、样品消解完全、几乎没有易挥发元素的损失、空白值降低。

另外，样品消解时产生的酸雾存在于容器中，专业级炉腔可免受腐蚀。

使用密闭容器消解，由于内部温度、压力急剧上升，为了安全起见，专业的微波消解仪都会配有安全泄压保护措施，以确保安全操作。

微波消解具有以下优点：
（1）被加热物质里外一起加热，热能损耗少，利用率高，节能，与电热板消化相比，消化可快4-100倍。

（2）微波穿透深度强，加热均匀，对某些难溶样品的分解尤为有效例如：用目前最有效的消解法分解锆英石，即使对不稳定的锆英石，在200℃也需要加热2天，用微波密闭消解在2小时之内即可分解完成。

（3）通常采用的2450MHz的微波，只能导致分子（粒子）运动，不引起分子结构变化，从而不会改变消解反应的方向
（4）封闭容器微波消解所用试剂量少，空白值显著降低，且避免了痕量元素的挥发损失及样品的污染，尤其适合易挥发元素（As，Hg）的测定，提高了分析的准确性。

密闭消解减少对环境以及实验人员的伤害。

（5）样品的消解可以进行得更精确、彻底。

在许多消化程序中可避免高氯酸的使用，如在微波消解期间，基于消解罐内压力的缘故会产生较高的温度而得到较好的消化结果，以取代过氯酸的使用。

（6）微波溶样最彻底的变革之一是易实现分析自动化。

因此，它被广泛地应用于食品、环境、生物、地质、冶金、石油化工、化妆品等领域。

二、微波消解技术在分析化学中的应用
2.1微波消解在食品领域的应用
对食品中重金属、有机农药残留及其它一些成分的监测，越来越受到人们的关注。

食物样品中大部分为有机成分，一般不含难消解的物质，不加入HF和HCl04。

研究表明，当食物中油脂含量较大时，应采用更大的消解压力、增加消解时间或加人H202等试剂以保证样品的完全消解。

GB/T5009.17-2003食品中总汞的测定前处理方法中便规定了微波消解法的有关操作：“称取0.1g-0.5g试样于消解罐中加入1mL-5mL硝酸，1mL-2mL过氧化氢，盖好安全阀后，将消解罐放入微波炉消解系统中，根据不同种类的试样设置消解的最佳条件，至完全消解，冷却后用硝酸溶液（1+9）定量转移并定容至25mL（低含量试样可定容至10mL），混匀待测。

”
2.2微波消解在石油化工领域的应用
应用原子光谱(AAS,ICP)分析石油样品的测量技术已进入相当成熟的阶段,从原油到燃料油和润滑油两大类产品线,无论生产、科研和售后服务,处处需应用原子光谱的分析技术来检测各类样品中的各种相关元素。

如炼厂原油中铁、镍、钒等重金属含量直接影响到催化、重整工艺的调整；润滑油品中添加剂含量的加剂量直接反映在钙、镁、锌、磷等一些元素的浓度指标上；而内燃机油经过使用后某些元素的含量变化曲线可预测发动机运转状态和油品使用周期；催化剂是否中毒失效其直接的指标是中毒元素的浓度是否超标。

原子光谱的测定大体可分为有机法和无机法,即将样品制备成水溶液或有机溶液,对上述种种样品采取不同制样方式进行样品预处理,如原油和润滑油新油,较多的是用干法灰化;催化剂现行标准是采用湿法酸解;而运行油使用的是有机溶剂稀释法。

无机法制样存在的问题是:制样时间长,元素损失或污染的机会多且不利于环保。

有机法使制样时间大为缩短,
但存在的最大问题是仅限于测定可溶性元素。

微波消解法制样属于无机法制样的湿法酸解范
畴,该技术的应用,基本解决了传统制样方法中突出的两个问题:无机法制样时间长和有机法制样不完全。

同时由于使用试剂量的大幅减少,对操作人员和环境的危害得到很大程度的限制。

陈迎霞等利用微波消解仪研究了一些典型石油样品的制样方法并借助ICP发射光谱仪对样品进行测定,将部分样品与传统制样方法进行了对比测试,并用标样考察制样方法的准确性,相对误差小于10%,结果令人满意。

卫生部关于印发化妆品卫生规范的通知中介绍了微波消解化妆品的操作，使得化妆品检测变得更加简便。

2.3微波消解在生物医药领域的应用
随着人们对微量元素在生物体中作用的认识不断加深，生物样品中各微量元素的含量越来越受到人们的重视。

其中，中药中重金属问题倍受关注。

目前，各国对进口中药的质量控制愈加严格，一般要求重金属含量在10-6数量级甚至更低，往往需要借助先进的仪器分析手段，才能够准确检测。

常用测定微量元素的方法有AAS,ICP等，但在测定中会受到样品中未消解完全的有机质的影响。

传统消解手段往往达不到相应的温度，而无法使样品消解完全。

密闭微波消解中，容器内压力升高，使酸的沸点相应升高。

此外，重金属元素如Cd,Hg,As,Sb, Bi等均为易挥发元素，利用常压敞口消解很容易在消解过程中造成损失。

采用微波消解则可很好地解决这一问题，这使得微波消解在生物样品检测中得到了越来越广泛的应用。

还有备受关注的毒胶囊事件使得空心胶囊的检测得到重视，大量的检测实验靠传统的湿法消解无法满足要求，而微波消解法大大提高了工作效率，因此微波消解法被列入空心胶囊检测指导规范。

2.4微波消解在环境领域的应用
许多环境样品都是经过复杂的作用，沉降后的产物，基体成分复杂，既有沉淀下来的重金属，又有有机农药残留物等环境污染物。

近年来，随着环境与人类健康的关系日益密切，对环境进行分析、监测的需求日益增加，其表现为:(1)分析物的种类明显增加;(2)对分析方法的要求不断提高，快速、准确、灵敏的分析方法越来越受到人们的推崇。

环境样品中通常含有一些有机成分，常压下用酸不易完全被消解，而密闭微波消解所能提供的高温可以很好地解决这一问题。

另外，一些易挥发元素也不会在消解过程中损失。

张士权等将土壤分别用高压微波消解和常压消解处理后，利用FAAS测定其中Cu,Pb,Zn,Cd的含量，前者的RSD在0.8%--2.6%之间，而后者的可达5.5%
水质COD检测中采用微波消解处理水质样品具有消解时间短，一次处理样品多，使用试剂量少等优点，且准确度和精密度很高。

除上述应用领域外，微波消解还应用于冶金，地质、电池制造等领域。

三、总结
微波消解作为一种先进、高效的样品处理方法，能够很好地满足现代仪器分析对样品处理过程的要求，尤其在易挥发元素的分析检测中更具有优势。

微波消解必将取代传统消解方
法与后续检测设备连用实现分析自动化。