微波消解技術(shù)是利用微波的穿透性和激活反應(yīng)能力加熱密閉容器內(nèi)的試劑和樣品，可使制樣容器內(nèi)壓力增加，反應(yīng)溫度提高，從而大大提高了反應(yīng)速率，縮短樣品制備的時間。 近年來，微波消解儀被廣泛運(yùn)用于實驗室樣品前處理中，今天小譜就其發(fā)展史、檢測原理、結(jié)構(gòu)等和大家進(jìn)行探討，一文把微波消解儀講通透。
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01“微波消解儀”的誕生和發(fā)展
二十世紀(jì)三十年代，微波電子管的出現(xiàn)開創(chuàng)了微波技術(shù)的發(fā)展；
1945年，美國人發(fā)現(xiàn)了微波的熱效應(yīng)，2年后制成了一臺微波爐；
1973年，微波消解技術(shù)用于分析化學(xué)中，使微波技術(shù)與化學(xué)相結(jié)合；
1978年，美國CEM公司推出第一臺微波消解儀；
1982年，同樣是美國CEM公司發(fā)明高壓密閉微波消解儀；
近年來一些品牌又推出了微波消解機(jī)器人，用機(jī)器人操作微波消解儀器。02
02“微波消解儀”的結(jié)構(gòu)和原理
微波消解技術(shù)是利用微波的穿透性和激活反應(yīng)能力加熱密閉容器內(nèi)的試劑和樣品，可使制樣容器內(nèi)壓力增加,反應(yīng)溫度提高，從而大大提高了反應(yīng)速率，縮短樣品制備的時間。并且可控制反應(yīng)條件，使制樣精度更高.減少對環(huán)境的污染和改善實驗人員的工作環(huán)境。傳統(tǒng)方法采用多孔消化器或消煮爐制備方法，樣品的消化時間通常需要數(shù)小時以上。即使選用較先進(jìn)的傳統(tǒng)消化器，內(nèi)配尾氣吸收裝置，也很難避免消化中尾氣泄漏而產(chǎn)生很嗆人的氣味。采用微波消解系統(tǒng)制樣，消化時間只需數(shù)十分鐘，消化中因消化罐*密閉，不會產(chǎn)生尾氣泄漏，且不需有毒催化劑及升溫劑。密閉消化避免了因尾氣揮發(fā)而使樣品損失的情況。
當(dāng)微波通過試樣時，極性分子隨微波頻率快速變換取向，2450MHz的微波，分子每秒鐘變換方向若干次，分子來回轉(zhuǎn)動，與周圍分子相互碰撞摩擦，分子的總能量增加，使試樣溫度急劇上升。同時，試液中的帶電粒子（離子、水合離子等）在交變的電磁場中，受電場力的作用而來回遷移運(yùn)動，也會與臨近分子撞擊，使得試樣溫度升高。這種加熱方式與傳統(tǒng)的電爐加熱方式絕然不同。
?。?）體加熱
電爐加熱時，是通過熱輻射、對流與熱傳導(dǎo)傳送能量，熱是由外向內(nèi)通過器壁傳給試樣，通過熱傳導(dǎo)的方式加熱試祥。微波加熱是一種直接的體加熱的方式，微波可以穿入試液的內(nèi)部，在試樣的不同深度，微波所到之處同時產(chǎn)生熱效應(yīng)，這不僅使加熱更快速，而且更均勻。大大縮短了加熱的時間，比傳統(tǒng)的加熱方式既快速又效率高。如：氧化物或硫化物在微波（2450MHz、800W）作用下,在1min內(nèi)就能被加熱到攝氏幾。又如Mn021.5克在650W微波加熱1min可升溫到920K，可見升溫的速率非常之快。傳統(tǒng)的加熱方式（熱輻射、傳導(dǎo)與對流）中熱能的利用部分低，許多熱量都發(fā)散給周圍環(huán)境中，而微波加熱直接作用到物質(zhì)內(nèi)部，因而提高了能量利用率。
(2)過熱現(xiàn)象
微波加熱還會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象（即比沸點溫度還高）。電爐加熱時，熱是由外向內(nèi)通過器壁傳導(dǎo)給試樣，在器壁表面上很容易形成氣泡，因此就不容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，溫度保持在沸點上，因為氣化要吸收大量的熱。而在微波場中，其“供熱”方式*不同，能量在體系內(nèi)部直接轉(zhuǎn)化。由于體系內(nèi)部缺少形成氣“泡”的“核心”，因而，對一些低沸點的試劑，在密閉容器中，就很容易出現(xiàn)過熱，可見，密閉溶樣罐中的試劑能提供更高的溫度，有利于試樣的消化。
?。?）攪拌
由于試劑與試樣的極性分子都在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(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。交變的電磁場相當(dāng)于高速攪拌器，每秒鐘攪拌2.45×109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、過熱、不斷產(chǎn)生新的接觸表面。有時還能降低反應(yīng)活化能，改變反應(yīng)動力學(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。
03“微波消解儀”的應(yīng)用及分類
微波消解技術(shù)的應(yīng)用
微波消解技術(shù)具有省時、省酸、安全、污染小以及損失少、空白值低、易實現(xiàn)自動監(jiān)控等*優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品、環(huán)境樣品、人體及動物樣品、農(nóng)產(chǎn)品、中草藥樣品、紡織品、合金、化妝品以及礦物質(zhì)樣品中的重金屬元素的分析，尤其是在易揮發(fā)元素的分析檢測中更具有優(yōu)勢。能夠與之配合使用的分析儀器也很廣泛，它可適用于原子吸收光譜（AAS）、原子發(fā)射光譜（ICP-AES）、原子熒光（AFS）、等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）等儀器分析方法的樣品前處理。
微波消解技術(shù)在食品樣品中的應(yīng)用
微波消解是目前食品檢測中廣泛使用的一種重要而有效的前處理方法，主要用于肉制品、水產(chǎn)品、乳制品、調(diào)味品以及食品包材等樣品中重金屬檢測的前處理階段。由于常見的食品大部分是由有機(jī)成分組成的碳水化合物，在消解過程中會有大量的CO2氣體產(chǎn)生。另外，消解使用的硝酸被還原還會產(chǎn)生NO2氣體，試劑及水本身被加熱也會產(chǎn)生一定的蒸汽壓力。因此大部分的食品消解反應(yīng)中，當(dāng)升高到一定的溫度時密閉反應(yīng)體系內(nèi)壓力會迅速增加，鑒于在反應(yīng)過程中有高溫高壓的存在，因此在對食品樣品進(jìn)行消解的時候必須要控制好微波輻射的功率，并且所使用的設(shè)備還需要具有多重壓力防護(hù)措施，以防止發(fā)生危險。
微波消解技術(shù)在環(huán)境樣品中的應(yīng)用
很多環(huán)境樣品在常壓下用酸不易*消解，而使用密閉微波消解所達(dá)到的高溫高壓條件可以很好地解決這一問題，同時在消解過程中樣品所包含的一些易揮發(fā)元素也被很好地密閉在消解罐中不易造成損失。因此，微波消解技術(shù)在眾多環(huán)境樣品如污水、污泥、土壤等的分析中得到廣泛應(yīng)用。
微波消解技術(shù)在生物樣品中的應(yīng)用
隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論與技術(shù)的發(fā)展，微量元素在生物體內(nèi)的作用得到逐步揭示，因此人們對生物樣品中各種微量元素的含量也越來越重視。對于微量元素的測定，常用的分析方法有AAS、AFS、ICP-AES等，這些測試手段通常需要對樣品進(jìn)行一定的前處理，即采用酸消解的方法將樣品機(jī)體及其里邊所含的待測元素全部溶解成可溶性鹽類。傳統(tǒng)消解手段往往達(dá)不到相應(yīng)的反應(yīng)溫度，樣品難以得到*消解，而使用密閉微波消解儀其所產(chǎn)生的高溫高壓條件可以很好地解決這一問題，提高消解的質(zhì)量和效率。因此，憑借相對于其它傳統(tǒng)處理手段的顯著優(yōu)勢，再加上大量的實際需求的存在，使得微波消解技術(shù)在生物樣品分析工作中的應(yīng)用越來越廣泛，在中草藥材樣品、動植物組織樣品、農(nóng)副產(chǎn)品、生物體液樣品等生物樣品的微量元素分析中都有應(yīng)用。
微波消解技術(shù)在其他方面的應(yīng)用
微波消解技術(shù)除了應(yīng)用在以上所說的幾個領(lǐng)域之外，還在石油石化行業(yè)、冶金地礦行業(yè)、化妝品行業(yè)、玩具制造行業(yè)、涂料行業(yè)等其他一些行業(yè)的產(chǎn)品分析或質(zhì)量控制中也有很廣泛的應(yīng)用。這些行業(yè)中的很多樣品在檢測時若使用常規(guī)方法進(jìn)行樣品處理都較難以消解*，而密閉微波消解方法的*優(yōu)勢使它在處理這一類樣品時表現(xiàn)出來的效果相當(dāng)不錯。
微波消解儀的分類
第一類，即A類機(jī)
超高壓消解反應(yīng)罐，內(nèi)罐材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)TFM，外罐（套）各廠家均選用國內(nèi)外尤為先進(jìn)的材料制成，消解罐為框架式雙層罐結(jié)構(gòu)，批處理量大≥10個，一般采用工業(yè)微波爐的大爐腔設(shè)計，容積大，功率大，多層鋼結(jié)構(gòu)防爆爐門，自彈出（浮動式）平移爐門結(jié)構(gòu)。
第二類，即B類機(jī)
高壓消解反應(yīng)罐，內(nèi)罐材質(zhì)為TFM（或高質(zhì)量的PTFE），外罐（套）材料通常用增強(qiáng)型PEEK；改進(jìn)型爐腔設(shè)計，爐腔容積中等，有些廠家在爐門結(jié)構(gòu)上也采用了自彈出緩沖爐門結(jié)構(gòu)，批處理量為10左右。
第三類，即C類機(jī)
中高壓消解反應(yīng)罐。結(jié)構(gòu)簡單,操作方便，儀器本身的故障率低,成本低廉;但爐腔稍為單薄,若發(fā)生爆炸爐腔和爐門損壞較大,但操作人員的安全性還是有保障的。
按控溫方式，微波消解儀可以分為
紅外控溫、熱電偶控溫、鉑電阻控溫、光纖控溫等。
紅外控溫
其工作方式是在距離下掃描和監(jiān)測溫度紅外數(shù)據(jù)，系非接觸式控溫，故其性較差，控溫精度不高。
熱電偶控溫
是指傳感器通過冷熱端電勢差測試相對溫度，由于易引起天線效應(yīng)干擾微波場的均勻性，故容易產(chǎn)生電火花導(dǎo)致安全事故，并且在微波場下有自熱效應(yīng)即不能測定罐內(nèi)實際溫度。
鉑電阻控溫
利用溫度變化影響鉑金導(dǎo)體的電導(dǎo)率技術(shù),通過阻抗變化測試熱力學(xué)溫度，輸出信號響應(yīng)較強(qiáng)，精度較高。但是同樣會有天線效應(yīng)，容易產(chǎn)生電火花導(dǎo)致安全事故。
光纖控溫
采用直接光纖溫度測量法，不受微波場影響，可以提供高精度測量，具備信息反饋及時、控溫，不存在安全隱患等優(yōu)點，是目前理想的微波消解控溫方式。04
04“微波消解儀”操作規(guī)程
以某款微波消解儀為例：
1.接通電源，按下電源開關(guān)，待自檢成功后即進(jìn)入歡迎界面。
2.點擊屏幕歡迎界面上任一處位置，進(jìn)入?yún)?shù)選擇界面，在此界面中，選擇所需的方法程序。
3.在相應(yīng)的菜單任務(wù)欄上點擊后，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面。若需調(diào)整某項參數(shù)，點擊激活此參數(shù)任務(wù)欄，利用界面右方的上、下方向鍵對參數(shù)值進(jìn)行增減。
4.任務(wù)設(shè)置或調(diào)整完成后，點擊“儲存”鍵將當(dāng)前方法保存下來。利用上、下方向鍵可選擇方法儲存位置。
5.點擊“應(yīng)用”鍵，使用當(dāng)前方法程序進(jìn)行消解，點擊“確認(rèn)”鍵等待程序啟動，進(jìn)入裝卸消解罐界面。
6.進(jìn)入裝卸消解罐界面。界面中指示的位置為正對爐門的灌位；點擊屏幕上的“轉(zhuǎn)盤”鍵或按側(cè)門上的轉(zhuǎn)盤功能按鈕，使消解罐逐一移動；也可以直接點擊所需的罐點位置，使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置；完成后，點擊“退出”鍵，轉(zhuǎn)入等待啟動界面。
7.按下側(cè)門上的“啟動”功能鍵，進(jìn)入程序運(yùn)行界面。
8.在消解完成后，打開爐門，取出消解罐。放在冷卻機(jī)上冷卻至室溫后，方可擰開消解罐。
9.消解罐當(dāng)日使用結(jié)束后，必須拆卸，并用清水沖洗各個部件至無酸味。晾干或擦干備用。
10.注意彈性體老化程度，如果老化嚴(yán)重，禁止使用。
11.整理完畢現(xiàn)場后，方可離開。
12.微波消解儀由專人定期保養(yǎng)維護(hù)，并建立保養(yǎng)和維護(hù)記錄。05
05“微波消解儀”的常見問題
1、什么是微波消解法？
答：微波消解是濕法消化的一種。是指利用微波加熱容器（一般為密閉容器）中的消解液和試樣，從而達(dá)到破壞樣品中的有機(jī)物或還原性物質(zhì)的目的，為后續(xù)檢測提供良好的樣品前處理的一種方法。
2、微波消解應(yīng)遵循的原則是什么？
答：第一：安全；
第二：樣品的完整回收率。也就是應(yīng)避免待測組分遭受損失且不得引進(jìn)干擾物質(zhì)；
第三：快速。不給后續(xù)操作步驟帶來困難，消解后得到的溶液要便于檢測。
3、微波消解的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？
答：微波消解儀已廣泛應(yīng)用于食品、紡織、塑料、地質(zhì)、冶金、煤炭、生物醫(yī)藥、石油化工、環(huán)境監(jiān)測、污水處理、電池制造、化妝品等領(lǐng)域。
4、微波消解原理是什么？
答：通常,介質(zhì)材料由極性分子和非極性分子組成。在電磁場作用下,極性分子從原來的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向按照電場的極性排列取向。在高頻電磁作用下,這些取向按交變電磁場的變化而變化,極性分子在微波電磁場中快速旋轉(zhuǎn)和離子在微波場中的快速遷移、相互摩擦,迅速提高反應(yīng)物溫度,激發(fā)分子高速度旋轉(zhuǎn)和振動,使之處于反應(yīng)的準(zhǔn)備狀態(tài)或亞穩(wěn)態(tài),促使物質(zhì)與酸等試劑發(fā)生反應(yīng)被消解。
5、微波消解的優(yōu)勢是什么？
答：微波消解作為一種高效的樣品前處理方法，能夠很好的滿足現(xiàn)代儀器分析對樣品前處理過程的要求，具備加熱速度快、加熱均勻、試劑用量少、低空白、節(jié)能高效等優(yōu)點。尤其在易揮發(fā)元素的分析檢測中可以很好的保持樣品完整性，具備很高的樣品回收率。
6、微波消解儀采用的測壓方式有哪些？各有什么特點？
答：彈性體測壓：采用位移傳感原理對消解罐內(nèi)壓力進(jìn)行監(jiān)測，即測量罐內(nèi)“彈性體”在壓力作用下產(chǎn)生的形變量，再將變形量轉(zhuǎn)換為電信號。但彈性體的變形量與壓力關(guān)系非線性關(guān)系，所以測壓結(jié)果并不準(zhǔn)確。
水線測壓：將去離子水注入毛細(xì)管，毛細(xì)管置于消解罐內(nèi)，罐內(nèi)壓力通過毛細(xì)管傳遞到爐腔外的電子壓力傳感器來測定罐內(nèi)壓力，這種方法測壓是準(zhǔn)確的，但每次都需要清理、更換毛細(xì)管中的用水，操作復(fù)雜，另外工作壓力只有1.4MPa。
理想氣體測壓：用壓力導(dǎo)管將消解罐內(nèi)高溫高壓氣體直接引至壓力傳感器的感壓膜片上，轉(zhuǎn)換為電信號，這是一種的直接測壓方式，工作壓力高、測壓準(zhǔn)確度高、操作簡便，明顯優(yōu)于其他測壓方式，為大多數(shù)微波消解儀。
7、微波消解儀應(yīng)該具備哪些主動安全措施？
答：第一：采用高精度的溫度與壓力控制系統(tǒng)，操作人員通過觀察溫壓變化的數(shù)據(jù)和曲線了解機(jī)器運(yùn)行情況。其軟件模塊在斜率失控時可主動停止運(yùn)行，大大降低爆罐的可能性。
第二：具備實時溫壓異常監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)高精度溫壓控制系統(tǒng)失效時，該系統(tǒng)作為備份措施及時感應(yīng)并停止運(yùn)行，確保安全。
第三：選用高強(qiáng)度耐高溫容器材料。
8、當(dāng)主動安全措施失效時如何保障人身安全？
答：壓力罐安全泄壓：假設(shè)控制失效，當(dāng)壓力接近于設(shè)計壓力*，壓力罐能夠釋放超壓，確保安全。垂直定向防爆：的高壓容器結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于三維定向防爆理論，即使釋壓措施失效發(fā)生爆罐時，也能通過的宇航外殼材料限制沖擊波垂直釋放，保證橫向人員安全。高強(qiáng)度防爆安全門：三維定向防爆機(jī)制所提供的另外一個被動安全防護(hù)措施，其超感應(yīng)沖擊波自動防爆門在危險出現(xiàn)時能自動平行彈出提前釋放橫向沖擊壓力，多層硬鋼門結(jié)構(gòu)提供足夠的強(qiáng)度保證人身安全。
9、微波消解儀如何防止微波泄漏？
答：第一：主體采用金屬壁封閉的矩形工業(yè)諧振腔。
第二：爐門具備三重獨立連鎖傳感裝備，在打開爐門時切斷電源，爐門未關(guān)閉微波裝置無法工作。
第三：觀察窗中金屬柵格或絲網(wǎng)的網(wǎng)孔足夠小，可有效防止微波泄漏。
10、非脈沖變頻微波控制技術(shù)的優(yōu)勢是什么？
答：根據(jù)功率發(fā)射方式，把微波分為脈沖微波和非脈沖微波，傳統(tǒng)的固定功率輸出特征是開關(guān)式脈沖微波，這種控制方式不僅不易控制，還可能直接影響消化效果?，F(xiàn)微波發(fā)展方向為自動功率變頻控制和非脈沖技術(shù)，其特征是功率自動變化，輸出均為非脈沖微波，其優(yōu)點是無需關(guān)閉微波發(fā)射，在連續(xù)微波發(fā)射條件下，根據(jù)溫壓反饋信號自動線性改變微波功率輸出，調(diào)整反應(yīng)狀態(tài)，控溫更準(zhǔn)確，確保實驗安全順利進(jìn)行。
11、微波消解罐一般采用什么材質(zhì)？
答：現(xiàn)市場上微波消解儀一般采用的材質(zhì)是：內(nèi)罐采用TFM、外罐采用宇航復(fù)合材料、罐蓋采用PFA、壓力彈片采用PEEK。
12、微波消解消解酸的種類有哪些？
答：消解試樣使用廣泛的酸是硝酸、鹽酸、氫氟酸、雙氧水等。這些都是良好的微波吸收體。根據(jù)不同的樣品常使用各種混酸，常使用的是硝酸和雙氧水，特殊情況下也有用硝酸和高氯酸的，但是高氯酸與有機(jī)物在一起有爆炸的危險，故大都在常壓下預(yù)處理時使用，較少用于密閉消解中。
13、不能使用微波消解的物質(zhì)有哪些？
答：推進(jìn)劑，引火化學(xué)品，高氯酸鹽，二元醇（乙二醇、丙二醇等），航空燃料，乙炔化合物，各種醚類、酮類、短碳鏈烷烴等。不要用硝酸消解苯酚、三乙胺和動物脂肪。
14、微波消解試樣的注意事項？
答：第一：試樣（是未知樣品）加酸后，不要立即放入微波消解儀中，要觀察反應(yīng)情況，如果劇烈反應(yīng)需要靜置預(yù)處理一段時間，有的樣品需要加酸浸泡過夜。
第二：對有突發(fā)性反應(yīng)和含有爆炸組分的樣品不要放入微波密閉消解系統(tǒng)中消解。
第三：不要用高氯酸消解油樣和含油量大的樣品。
15、微波消解儀需要哪些耗材？
答：主要是消解中用到的試劑，包括濃硝酸、雙氧水、氫氟酸等。正常使用儀器本身并無其他耗材（如光纖溫度傳感器，正常使用壽命可達(dá)10年）。
16、微波消解儀安裝環(huán)境要求？
答：第一：微波消解儀要放置在牢固平穩(wěn)的試驗臺上，爐體頂部及左右不得有遮蓋，且要有20厘米以上的空隙，后壁應(yīng)留有15厘米以上的空隙，保持通風(fēng)良好。
第二：應(yīng)避開加熱源，以免熱氣和水蒸氣進(jìn)入微波爐內(nèi)引起故障，還應(yīng)遠(yuǎn)離自來水源，以免濺水發(fā)生漏電危險。
第三：不要靠近強(qiáng)磁性材料或帶有磁性的電器，因為外來磁場會干擾爐內(nèi)磁場均勻分布使加熱效率下降。第四：其他正常實驗室溫度及水電條件。
