微波消解儀的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用前景

王會(huì)磊， 孫 頔 ，王 琳，趙 霞,孫乃明

(武警黃金第四支隊(duì)實(shí)驗(yàn)室，遼寧遼陽(yáng) 111000)

微波消解儀的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用前景

王會(huì)磊， 孫 頔 ，王 琳，趙 霞,孫乃明

(武警黃金第四支隊(duì)實(shí)驗(yàn)室，遼寧遼陽(yáng) 111000)

微波消解儀的機(jī)理和特點(diǎn)，綜述了微波消解儀在分析化學(xué)中的應(yīng)用，展望了微波消解技術(shù)的前景，提出了微波消解儀在分析化學(xué)中的發(fā)展方向和建議。

微波技術(shù)；分析化學(xué); 消解

微波消解系統(tǒng)與微波消解技術(shù)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的。微波消解儀的類型有高壓密閉型和開放型，高壓密閉型用于測(cè)定各種元素的樣品處理，其特點(diǎn)是使用試劑少，速度快，污染少，最重要的是防止了砷、汞、硒等易揮發(fā)元素的損失，而開放型只使用于不易揮發(fā)元素的樣品處理，但它解決了取樣量少的問(wèn)題，并無(wú)任何試劑限制 。在使用方面，近幾年國(guó)內(nèi)有關(guān)微波制樣技術(shù)的研究發(fā)展很快，它將逐步成為各元素分析樣品處理最有力的工具之一。其研究方法文獻(xiàn)報(bào)道較多，消化一般用硝酸一過(guò)氧化氫?！妒称沸l(wèi)生理化檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》已經(jīng)將微波消解食品樣品前處理作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法。

1 微波加熱的原理及其特點(diǎn)

微波是一種電磁波，是頻率在300MHz-300GHz的電磁波，即波長(zhǎng)在100cm至1mm范圍內(nèi)的電磁波，也就是說(shuō)波長(zhǎng)在遠(yuǎn)紅外線與無(wú)線電波之間。根據(jù)物質(zhì)對(duì)微波的吸收程度，可將物質(zhì)分成導(dǎo)體、絕緣體和介質(zhì)。微波只能在導(dǎo)體表面反射;絕緣體可透過(guò)微波而對(duì)微波吸收很少；介質(zhì)可透過(guò)吸收微波,介質(zhì)通常為極性分子組成。由于試劑與試樣的極性分子2450MHz電磁場(chǎng)中快速的隨變化的電磁場(chǎng)變換取向，分子間互相碰撞摩擦，相當(dāng)于試劑與試樣的表面都在不斷更新，試樣表面不斷接觸新的試劑，促使試劑與試樣的化學(xué)反應(yīng)加速進(jìn)行。交變的電磁場(chǎng)相當(dāng)于高速攪拌器，每秒鐘攪拌2.45萬(wàn)次，提高了化學(xué)反應(yīng)的速率，使得消化速度加快。由此綜合，微波加熱快、均勻、過(guò)熱、不斷產(chǎn)生新的接觸表面。有時(shí)還能降低反應(yīng)活化能，改變反應(yīng)動(dòng)力學(xué)狀況，使得微波消解能力增強(qiáng)，能消解許多傳統(tǒng)方法難以消解的樣品。

2 微波消解儀的介紹

2.1 被動(dòng)泄壓

能否及時(shí)安全泄壓關(guān)系到安全性，是最重要的。一般微波消解系統(tǒng)的控制方式，是在檢測(cè)到溫度/壓力達(dá)到目標(biāo)溫度/壓力時(shí)停止微波加熱，但實(shí)際消化罐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)并不一定會(huì)立即停止，所以可能造成過(guò)壓，必須能夠及時(shí)安全泄壓。如果不具備泄壓方式，消化罐的耐壓必須遠(yuǎn)大于最大工作壓力，才能保證有足夠的安全系數(shù)。消化罐內(nèi)的壓力主要決定于樣品有機(jī)質(zhì)含量、酸的蒸氣壓、溫度。樣品有機(jī)質(zhì)含量越高，消化罐內(nèi)壓力越大。

2.2 消化容器的材質(zhì)

一般有氟塑料類TFM、PTFE聚四氟乙烯、PFA和石英。PTFE最高使用溫度不低于TFM，表面光潔度、高溫高壓下的抗?jié)B透性、高溫高壓下的抗形變性均優(yōu)于。PFA盡管半透明，但其最高使用溫度不如PTFE。因此，PTFE是消化容器的首選材質(zhì)。TFM消解罐只能做中高壓，而PTFE消解罐可以做超高壓微波消解。

2.3 消解用酸或者堿液

微波消解通常使用硝酸、鹽酸、氫氟酸、硫酸和雙氧水等。硫酸揮發(fā)性最小，最高溫度一般均為使用硫酸時(shí)才可能達(dá)到，但超過(guò)210℃后極容易損壞消化罐。有時(shí)，針對(duì)某些樣品(硅鋁合金)常使用氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液消化處理。

2.4 組合罐還是一體罐

組合罐的外殼(護(hù)套)和內(nèi)插消化罐(insert)可以分開。一體罐可能是單一材料制成，但也可能有1種、2種或3種材質(zhì)構(gòu)成，但已組合為一體，不能拆開。組合罐一般有外殼、框架(中間層)、內(nèi)插消化罐組成，也有的組合罐不用中間層。外殼材質(zhì)有復(fù)合纖維(CEM專利)、PEEK、高溫陶瓷、Ultem-100(Ultem材料基本已被淘汰)。框架主要用PFA和高強(qiáng)度工程塑料。內(nèi)插消化罐直接與樣品、酸接觸，耐酸、耐溫和高壓性能是首要考慮。兩者優(yōu)缺點(diǎn)比較：組合罐比單一材料的一體消解罐耐壓高，內(nèi)插消化罐可以取出更換(代價(jià)小)。但組合罐需要拆裝，外殼耐酸性能總是不如氟塑料，有的外殼高溫下有脆性。一體罐不需要拆裝，但成本較大、厚重、降溫慢。單一材料一體罐只能由TFM或PTFE，耐酸、使用壽命長(zhǎng)。氟塑料屬于韌性材料，不易爆裂。

2.5 微波消解的應(yīng)用范圍

微波制樣中的微波消解是最廣為人知的現(xiàn)代制樣技術(shù)， 主要用于原子光譜分析的樣品前處理。微波輔助密封增壓酸法消解試樣， 廣泛用于污水、污泥、土壤、巖石礦物、冶金制品、糧食及其制品、飲料、化妝品、血液、尿、人體組織、各類動(dòng)物、植物等生物試樣、各種工業(yè)固體廢料等試樣的消解。因此在衛(wèi)生檢驗(yàn)、商檢、質(zhì)檢、環(huán)保以及冶金、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、食品、制藥等部門應(yīng)用最為廣泛。微波消解不僅用于原子光譜分析， 也可用于其他手段如電化學(xué)分析、分光光度法測(cè)定各種微量和痕量元素，也用于色譜法測(cè)。

2.6 微波消解的取樣量

一般情況下對(duì)容積為70～100mL 的消解罐，試樣量均在500mg 以下。對(duì)情況不明的試樣應(yīng)先取不大于100mg 的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，視其消解反應(yīng)的劇烈情況再確定合適的取樣量。

2.7 有機(jī)試樣的消化

微波密封增壓消解試樣速度甚快。但是含量高，有機(jī)物試樣， 企圖使有機(jī)物徹底破壞完畢，還是需要適當(dāng)增長(zhǎng)分解時(shí)間。未分解完畢而殘留在溶液中的有機(jī)物，對(duì)原子光譜分析雖然沒(méi)有太大的影響，但若是采用電化學(xué)法特別是催化極譜法會(huì)導(dǎo)致電極行為的不正常，甚至使分析完全失敗。消解有大量有機(jī)物的樣品，在開始消解后，由于消解反應(yīng)自行放熱，導(dǎo)致消解速度越來(lái)越快，并且由于其降解的產(chǎn)物CO2及NO2氣體大量增加, 密封消化罐內(nèi)的壓力和溫度迅速增高。當(dāng)罐內(nèi)壓力超過(guò)設(shè)定的壓力限時(shí)，為確保安全的自動(dòng)卸壓閥將會(huì)自動(dòng)卸壓，這時(shí)可能造成待測(cè)元素的損失。

2.8 金屬及合金試樣消化

必須是粉狀、小粒狀或小片狀。硝酸、王水進(jìn)行分解，而且試樣必須浸沒(méi)在溶劑之中。不能呈長(zhǎng)條狀伸出溶劑之外，否則會(huì)由于天線效應(yīng)產(chǎn)生火花而損壞消化罐。

3 尖端的微波消解儀

萊伯泰科公司UhraCLAVE號(hào)稱世界上最佳的微波消解儀，其最優(yōu)點(diǎn)是：(1)其消解腔體最大耐壓20 MPa，一次可最大消解有機(jī)物25 g，或一次最多消解77個(gè)樣品；(2)不同種類的樣品(如食品，礦物，塑料)可同時(shí)在一批樣品中一起消解；(3)改變了傳統(tǒng)的密閉式微波消解理念，采用了消解前沖入高壓氮?dú)?5．5～10 MPa)方式；4．其價(jià)格超過(guò)l臺(tái)ICP光譜儀，略遜于1臺(tái)ICP-MS。UhraCLAVE剛面世，就獲得2005年P(guān)ittcon金獎(jiǎng)。 目前全球共有80多家UhraCLAVE微波消解儀的用戶，2008年5月6日中國(guó)第一臺(tái)UltraCLAVE微波消解儀將在香港安裝調(diào)試。目前，很多中國(guó)用戶都對(duì)UltraCLAVE微波消解儀表示出濃厚的興趣。相信不久的將來(lái)，越來(lái)越多的UhraCLAVE微波消解儀將走進(jìn)中國(guó)的實(shí)驗(yàn)室。

4 微波消解儀的展望

4.1 微波消解與分析儀器聯(lián)用

隨著各項(xiàng)現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，將取樣、加試劑、微波消解過(guò)程與分析測(cè)試儀器聯(lián)成一體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的愿望將會(huì)逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。例如Perkin Elmer公司的微波消解測(cè)汞儀，將自動(dòng)進(jìn)樣器、流動(dòng)注射技術(shù)及聚焦式微波加熱消解與測(cè)汞儀連成一體，計(jì)算機(jī)軟件控制，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)測(cè)定汞。但是，這種儀器只適用于分解流體性試樣如污水、人尿、血液等。

4.2 微波消解方法標(biāo)準(zhǔn)化

由于微波消解樣品制備方法的可控性，可轉(zhuǎn)移性、良好的重現(xiàn)性、高效性以及容易掌握等特點(diǎn)而不僅僅是依靠操作人員的技巧性和熟練程度，因而可以制定出標(biāo)準(zhǔn)化的微波消解方法來(lái)，適用于各種試樣的微波消解。如美國(guó)環(huán)保EPA3052[3]法，適用于飛灰、沉積物、淤泥、土壤、牡蠣、牛肝、蘋果樹葉、金屬構(gòu)件、食品、桃葉、檸檬葉、玻璃、潤(rùn)滑油中的磨損金屬等試樣的微波消解原子光譜( ICP-OES、AAS、AFS、ICP-MS 等) 多元素測(cè)定，并已成為標(biāo)準(zhǔn)化的微波消解法。

[1] 羅方若，錢 力，劉明臣.微波制樣的應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn), 2004 , 40 (1) :59-62.

[2] 孫玉玲，劉景振. 微波溶樣在元素檢測(cè)方面的應(yīng)用研究[J].中國(guó)公共衛(wèi)生,2002 , 18 (2) :231-232.

2017-09-26

王會(huì)磊(1989—)，天津人，助理工程師，主要從事分析化學(xué)。

O657

A

1008-021X(2017)22-0108-01

(本文文獻(xiàn)格式：王會(huì)磊，孫頔，王琳，等.微波消解儀的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用前景[J].山東化工，2017，46(22)：108，111.)