微波技术在分析化学中的应用进展

摘要:文章就近十几年微波新技术的发展。比较全面的介绍微波技术在现代分析化学中的具体应用。

关键词:分析化学微波消解萃取干燥等离子体

Abstract: the article near ten years microwave the development of new technology. Comprehensive introduction of microwave technology in the modern analytical chemistry in the specific application.

Keywords: analytical chemistry microwave digestion extraction dry plasma

中图分类号：F407.7 文献标识码：A 文章编号

微波技术发展于20世纪初，它最早应用于通讯行业。微波技术在其他方面的使用要在20世纪50年代后期。自从1970年Harwell在实验室使用微波炉装置成功处理了核材料以来,微波辐射技术逐步扩大到了化学领域并逐渐形成一门新的交叉学科- 微波化学。自从Ganzler等人报道了用微波加热促进溶剂萃取污染土壤中的有机化合物以来，微波技术因处理样品时间短、选择性好、回收率高、试剂用量少、污染低、可用水作萃取剂等优点和可自动控制制样而得到分析测试人员的认同。因而在设备研究、机理探讨等方面均有研究报道。微波技术应用于大型分析仪器始于1951年，由谐腔中心电极顶端维持的微波等离子体(即电容耦合微波等离子体，CMP)首次用于原子光谱分析; 1958年,Brorla等又将微波诱导等离子体(MIP)用于光谱化学分析; 1985年，金钦汉等人又提出了一种新的获得微波等离子体的装置――微波等离子体炬(MPT)，MPT 以其更多的优点受到了光谱化学工作者的广泛关注。

1、在消解试样中的应用

近年来，随着科学技术的发展，元素成分分析的方法和手段不断更新，分析速度越来越快。但是分析样品的预处理，却往往需要很长时间，显得极不协调。在分析方法、手段与样品制备之间有一个明显的”时间差”。另外在处理样品的过程中，由于使用大量的酸，导致空白值很高，精密度不是很好，对于人体健康和周围环境都有极大的危害作用，当待测定成分易挥发时，标准物质的回收率并不是很理想，同时，由于各种待测元素上机测定时所需酸度不同等因素，同一个样品需要测定几个项目时，则需要单独分开处理。为了解决这些矛盾，科研人员做了种种努力，微波消解技术在一定程度上满足了这方面的要求。微波消解技术主要是运用2450H z频率微波辐射装在能被微波穿透的高压密封消解容器内样品而达到处理样品的目的。它具有以下特点:(1)快速溶样，比常规快5~ 100 倍；(2)大幅度降低所使用的样品量和试剂量；(3)由于是密闭操作，可减少挥发和交叉污染,提高结果的重现性；(4)能改善工作条件,使工作人员免受酸雾环境的毒害；(5)消解结束后,消解容器(消毒罐)便于清洗；(6)能改变温度与压力，从而进一步提高效率,中国预防医学科学院营养与食品卫生研究所李筱薇等采用微波消解中药材，运用石墨炉原子吸收分光光度法测定植物药材中Pb和Cd，冷原子吸收分光光度计法测定植物药材中的Hg。许立强等用密封聚四氟乙烯溶样器和国产微波炉,以HNO3-H2O2-HF分析土壤和沉淀物样品。李攻科等研究了利用微波对样品进行加热，整个消化过程只需2min，与传统方法相比大大缩短了实验操作时间,特别适用于大量样品的测定。

2、微波真空干燥技术的应用

微波真空干燥是用微波辐射作为加热源在真空条件下进行加热而使物料脱水的过程,具有快速、高效、低温等优点。而用于化学方面的例子还没见报道，它还不是一项十分成型的技术。但微波干燥技术已初步用于测定纸板中的水分，由于微波具有穿透介质的特性，因此，大大缩短了热传导的时间，又可以做到里外层同时升温，使加热很均匀。微波加热不需要预热和热传导时间,目前国内外微波真空干燥装置的结构形式还比较单调，技术性能还需要完善。

3、微波萃取技术的应用

我们现在用到微波萃取(MAE)，是说在微波能量的作用下；用有机溶剂将样品中待测组分溶出的过程。是自二十世纪80年末才逐渐问世的分离技术，适用于从各种固体、半固体试样中提取的有机分析物。它具有设备简单、高效、快速、试剂用量少、可同时处理多个样品的优点。

微波萃取所需主要设备有:(1)带有控温附件的微波制样设备，如CEM 公司的MAE1000和0. I.公司的7195或7165型微波系统; 国产MSP- 100型，SH9402型等都能进行微波萃取。(2)微波萃取用制样杯，一般为聚四氟乙烯材料制成的样品杯。研究表明，极性物质是微波吸能物质，所以应选用乙醇、甲醇、丙酮或水等物质作微波萃取溶剂,而不能选用100%非极性溶剂作微波萃取溶剂。由于样品杯置于密封罐中，内部压力可达到1MPa 以上，因此，溶剂的沸点比常压下的溶剂沸点提高许多。如密闭容器中丙酮的沸点可提高到164℃，丙酮- 环己烷(1:1)的共同沸点可提高到158℃，远远高于常压下沸点。而这个温度又不至于分解待测萃取物，这样用微波萃取可以达到常压下使用同样溶剂所不能达到的萃取温度，提高了反应温度,加快了反应速度。

试验表明，微波萃取时间与被测样品量、溶剂体积和加热功率有关。一般情况下,萃取时间10~ 15m in为好。(1)微波萃取农药残留如有机氯等，选用适当溶剂如异辛烷，苯/丙酮(2:1)、甲醇/乙酸等仅用3min就可获得与Soxhlet提纯法用6h才能取得相同的回收率。此法已应用于肉类、鸡蛋、奶制品、土壤、沙子、灰尘、水和沉积物、猪油、蔬菜(甜菜、苦瓜、莴苣、辣椒和西红柿)，大蒜和洋葱。(2)有机污染物如土壤、河泥、海洋沉积物、环境灰尘及水中高聚物、多环芳烃、氯化物、苯、除草剂和酚类等用微波萃取一般只需常规萃取方法10%的溶剂，约萃取5~ 20m in即可。(3)应用于重金属及其化合物萃取: 土壤、土壤河泥、沉积物、海洋生物和一些植物样品中重金属元素 ，都是经常要检测的项目，微波萃取法富集和分离这些元素或其他化合物，不仅试剂消耗少、制样快，而且检测灵敏度高。研究表明，微波萃取复杂基体中的有机金属化合物，不仅方法可行，费用低，而且整个分析测试所需时间可显著缩短到原来的0.5%~5%。此外微波萃取也用于植物中有效成分的萃取，

4、微波等离子体技术应用于光谱分析

微波等离子体发射光谱法(MP- AES )是一种高灵敏高选择性和进行多元素同时检测的分析技术，在痕量分析和作为GC 检测器中有着十分重要的应用。近年来发展起来了GC-MIP-AFS、LC-MIP-AES、SFC(超临界流色谱)-M IP-AES、MIP-AES、MIP-AAS等新的技术和方法。微波等离子体炬(MPI)是新发展起来的激光光源，具有利于样品引入的中央通道，可大大改善对样品的承受能力。吉林大学化学学院分析科学研究所周建光等用微波等离子体炬(MPI)作激发光源、以Ar为等离子体的工作气体、研究了气动雾化进样去溶系统的工作参数对分析性能的影响,探讨了水冷凝与浓H2SO4吸收二者协同去溶的相关性。还有人探讨了屏蔽气Ar流量变化时对新光源背景- 氩微波等离子体炬的背景发射光谱及某些元素的原子线离子线发射的影响。结果表明，该光源简单的背景发射十分有利于作原子发射光谱分析，同时它对多数元素的原子发射线信背比都有明显改善，是一种很有前途的新光源。还有学者建立了一种新的热雾化系统，将其用于微波等离子体炬原子发射光谱法并考察了试验参数的影响。

5、总结

我国分析化学技术还有待提高，而且微波技术在化学分析应用中也要大大加快跟进世界的步伐。现在我国的微波技术有一定的技术优势，在不少分析化学领域已有了应用，但就微波技术在分析化学领域的应用而言的话，目前还处于比较初级的阶段，在很多方面需要进一步完善。微波萃取技术已被广泛用于分析化学领域中，但它仍有许多发展空间，随着交叉学科的不断出现，微波萃取技术势必会与现在已有的经典的和新出现的萃取技术紧密地结合在一起，如微波与超临界流体萃取技术的结合将是完美的萃取方法。粮食、蔬菜、水果、咖啡豆、中药、化妆品和乳制品是日常生活中的必需品，这些商品的品质和有害物质检验，品种数量多、要求快速检定，是微波技术最有应用前景的领域。无论在基础理论方面，还是应用技术方面，微波技术都是化学领域的一大新进展，微波技术正在向传统的方法提出挑战

参考文献

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