微波消解儀的基礎知識和應用前景

王會磊， 孫 頔 ，王 琳，趙 霞,孫乃明

(武警黃金第四支隊實驗室，遼寧遼陽 111000)

微波消解儀的基礎知識和應用前景

王會磊， 孫 頔 ，王 琳，趙 霞,孫乃明

(武警黃金第四支隊實驗室，遼寧遼陽 111000)

微波消解儀的機理和特點，綜述了微波消解儀在分析化學中的應用，展望了微波消解技術的前景，提出了微波消解儀在分析化學中的發展方向和建議。

微波技術；分析化學; 消解

微波消解系統與微波消解技術是20世紀70年代中期發展起來的。微波消解儀的類型有高壓密閉型和開放型，高壓密閉型用于測定各種元素的樣品處理，其特點是使用試劑少，速度快，污染少，最重要的是防止了砷、汞、硒等易揮發元素的損失，而開放型只使用于不易揮發元素的樣品處理，但它解決了取樣量少的問題，并無任何試劑限制 。在使用方面，近幾年國內有關微波制樣技術的研究發展很快，它將逐步成為各元素分析樣品處理最有力的工具之一。其研究方法文獻報道較多，消化一般用硝酸一過氧化氫。《食品衛生理化檢驗標準手冊》已經將微波消解食品樣品前處理作為國家標準方法。

1 微波加熱的原理及其特點

微波是一種電磁波，是頻率在300MHz-300GHz的電磁波，即波長在100cm至1mm范圍內的電磁波，也就是說波長在遠紅外線與無線電波之間。根據物質對微波的吸收程度，可將物質分成導體、絕緣體和介質。微波只能在導體表面反射;絕緣體可透過微波而對微波吸收很少；介質可透過吸收微波,介質通常為極性分子組成。由于試劑與試樣的極性分子2450MHz電磁場中快速的隨變化的電磁場變換取向，分子間互相碰撞摩擦，相當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反應加速進行。交變的電磁場相當于高速攪拌器，每秒鐘攪拌2.45萬次，提高了化學反應的速率，使得消化速度加快。由此綜合，微波加熱快、均勻、過熱、不斷產生新的接觸表面。有時還能降低反應活化能，改變反應動力學狀況，使得微波消解能力增強，能消解許多傳統方法難以消解的樣品。

2 微波消解儀的介紹

2.1 被動泄壓

能否及時安全泄壓關系到安全性，是最重要的。一般微波消解系統的控制方式，是在檢測到溫度/壓力達到目標溫度/壓力時停止微波加熱，但實際消化罐內的化學反應并不一定會立即停止，所以可能造成過壓，必須能夠及時安全泄壓。如果不具備泄壓方式，消化罐的耐壓必須遠大于最大工作壓力，才能保證有足夠的安全系數。消化罐內的壓力主要決定于樣品有機質含量、酸的蒸氣壓、溫度。樣品有機質含量越高，消化罐內壓力越大。

2.2 消化容器的材質

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、高溫高壓下的抗滲透性、高溫高壓下的抗形變性均優于。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。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。硫酸揮發性最小，最高溫度一般均為使用硫酸時才可能達到，但超過210℃后極容易損壞消化罐。有時，針對某些樣品(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(護套)和內插消化罐(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種材質構成，但已組合為一體，不能拆開。組合罐一般有外殼、框架(中間層)、內插消化罐組成，也有的組合罐不用中間層。外殼材質有復合纖維(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和高強度工程塑料。內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。兩者優缺點比較：組合罐比單一材料的一體消解罐耐壓高，內插消化罐可以取出更換(代價小)。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。氟塑料屬于韌性材料，不易爆裂。

2.5 微波消解的應用范圍

微波制樣中的微波消解是最廣為人知的現代制樣技術， 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、各類動物、植物等生物試樣、各種工業固體廢料等試樣的消解。因此在衛生檢驗、商檢、質檢、環保以及冶金、地質、農業、食品、制藥等部門應用最為廣泛。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分析、分光光度法測定各種微量和痕量元素，也用于色譜法測。

2.6 微波消解的取樣量

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

2.7 有機試樣的消化

微波密封增壓消解試樣速度甚快。但是含量高，有機物試樣， 企圖使有機物徹底破壞完畢，還是需要適當增長分解時間。未分解完畢而殘留在溶液中的有機物，對原子光譜分析雖然沒有太大的影響，但若是采用電化學法特別是催化極譜法會導致電極行為的不正常，甚至使分析完全失敗。消解有大量有機物的樣品，在開始消解后，由于消解反應自行放熱，導致消解速度越來越快，并且由于其降解的產物CO2及NO2氣體大量增加, 密封消化罐內的壓力和溫度迅速增高。當罐內壓力超過設定的壓力限時，為確保安全的自動卸壓閥將會自動卸壓，這時可能造成待測元素的損失。

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、王水進行分解，而且試樣必須浸沒在溶劑之中。不能呈長條狀伸出溶劑之外，否則會由于天線效應產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號稱世界上最佳的微波消解儀，其最優點是：(1)其消解腔體最大耐壓20 MPa，一次可最大消解有機物25 g，或一次最多消解77個樣品；(2)不同種類的樣品(如食品，礦物，塑料)可同時在一批樣品中一起消解；(3)改變了傳統的密閉式微波消解理念，采用了消解前沖入高壓氮氣(5．5～10 MPa)方式；4．其價格超過l臺ICP光譜儀，略遜于1臺ICP-MS。UhraCLAVE剛面世，就獲得2005年Pittcon金獎。 目前全球共有80多家UhraCLAVE微波消解儀的用戶，2008年5月6日中國第一臺UltraCLAVE微波消解儀將在香港安裝調試。目前，很多中國用戶都對UltraCLAVE微波消解儀表示出濃厚的興趣。相信不久的將來，越來越多的UhraCLAVE微波消解儀將走進中國的實驗室。

4 微波消解儀的展望

4.1 微波消解與分析儀器聯用

隨著各項現代技術的不斷進步，將取樣、加試劑、微波消解過程與分析測試儀器聯成一體，實現自動化的愿望將會逐漸變為現實。例如Perkin Elmer公司的微波消解測汞儀，將自動進樣器、流動注射技術及聚焦式微波加熱消解與測汞儀連成一體，計算機軟件控制，實現了全自動測定汞。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 微波消解方法標準化

由于微波消解樣品制備方法的可控性，可轉移性、良好的重現性、高效性以及容易掌握等特點而不僅僅是依靠操作人員的技巧性和熟練程度，因而可以制定出標準化的微波消解方法來，適用于各種試樣的微波消解。如美國環保EPA3052[3]法，適用于飛灰、沉積物、淤泥、土壤、牡蠣、牛肝、蘋果樹葉、金屬構件、食品、桃葉、檸檬葉、玻璃、潤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) 多元素測定，并已成為標準化的微波消解法。

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

[2] 孫玉玲，劉景振. 微波溶樣在元素檢測方面的應用研究[J].中國公共衛生,2002 , 18 (2) :231-232.

2017-09-26

王會磊(1989—)，天津人，助理工程師，主要從事分析化學。

O657

A

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

(本文文獻格式：王會磊，孫頔，王琳，等.微波消解儀的基礎知識和應用前景[J].山東化工，2017，46(22)：108，111.)