搜索
微波消解法【色谱世界】【本书目录】【引用网址】微波消解法（microwave-digestion,MWD）是一种利用微波为能量对样品进行消解的新技术，包括溶解、干燥、灰化、浸取等，该法适于处理大批量样品及萃取极性与热不稳定的化合物。微波消解法于1975年首次用于消解生物样品，但直到1985年才开始引起人们的重视。与传统的传导加热方式（如电热板加热，加热方式是从热源“由外到内”间接加热分解样品）相反，微波消解是对试剂（包括吸附微波的试样）直接进行由微波能到热能的转换加热。其主要产生机理有两个方面：（1）偶极子旋转常用作溶剂的水分子是偶极子，分子内因电荷分布不匀而存在正、负偶极。微波场可看成是交变速度极快的正、负极交变电磁场。交变电场对偶极子的影响除与频率有关外，耗散因子越大影响越大。水恰是这样的溶剂。在未施加微波场前，水分子排列是杂乱无章的；在施加微波场后，水分子偶极的正、负极分别向电场的负、正极取向。这种取向约在0.1ns内发生，造成水分子偶极子的旋转。由于周围存在无数其他水分子亦从各自初始位置作这种取向、旋转，因而造成分子间的相互“碰撞”和“摩擦”。化学实验室常用的微波频率为915或2450MHz，即交变电场极性每秒要变化9.15或24.5亿次，这种激烈的“碰撞”和“摩擦”直接将微波能转化为热能。（2）离子传导的阻滞消解样品所用的酸在水中会解离为H+和相应的Cl-、NO3-及F-等负离子。这些带正、负电荷的离子在微波场下亦作极性取向迁移。由于极高速变化的电场使这些离子在相邻区域内作剧裂回转，同样也受到周围溶剂分子的阻滞从而直接产生热。在上述两种热产生机理中，一般情况下，偶极子旋转起主导作用。此外，由于溶剂和试样的介质耗散因子各异而造成界面温差，从而引起搅动，不断“剥蚀”、带走已反应的产物，裸露出新的试样表面再与溶剂接触也会加速消解反应。微波场下使用密闭容器会极大提高消解速度，其作用与内衬为聚四氟乙烯罐的不锈钢熔弹升压消解作用类似。因为消解容器由可穿透微波的材质制成，微波可直接对溶剂和试样加热，而不像不锈钢熔弹那样需要较长时间才能使溶剂和试样与钢套外的温度达成平衡。消解速度之所以提高，一方面是由于微波直接加热而缩短时间；另一方面则由于容器的密闭使溶剂在短时间内就会超过常压下的沸点温度而加速试样消解。密闭容器的使用虽会加速消解，但由于罐压升高，必须注意安全。微波消解法以其快速、溶剂用量少、节省能源、易于实现自动化等优点而广为应用。已用于消解废水、淤泥、河床沉积物等环境样品及生物组织、流体、医药以至矿粉等试样。有人将其称为“理化分析实验室的一次技术革命”。美国公共卫生组织已将该法作为测定金属离子时消解植物样品的标准方法。IC分析家们也逐渐将其应用于IC中的样品前处理。测定发酵清液中的无机阴、阳离子时，将发酵液离心（3500g，10min）后经0.45μm的滤膜过滤以除去细菌细胞（生物基体），若测定其中的过渡金属，则用微波-酸消解法。测定含细菌细胞的发酵液中的阴、阳离子及过渡金属时，也用微波-酸消解法。当测定过渡金属时，必须用5ml高纯硝酸将聚四氟乙烯容器清洗干净，以减少样品空白。然后将20ml样品置于100ml的聚四氟乙烯消解罐中，除非特别说明，一般情况下再加入0.5ml65%硝酸，盖好盖子，置于微波炉中并按表10-4-4,的程序将样品消解。一次消解2至12个样品。表10-4-4微波消解样品时所用的功率及时间()为了减少样品的分析时间及花费，并使分析结果具有良好的重现性，用日立CR5A型微波消解炉及一种新的微波消解步骤，经Sep-PakC18SPE柱脱氯后即可测定各种食品如大米、谷类、水果、蔬菜、鱼及牛奶等中的Br-。将50g样品完全匀化，称取100mg匀化后的样品放入内部的TeflonPFA容器内（体积为7ml），加入0.5ml0.5mol/L氢氧化钠溶液。0.5ml水倒入外部的、可加高压的PTEF容器内。将TeflonPFA容器置于PTFE反应容器内中，用扳手拧紧螺丝以使其密封。PTFE容器内的水可阻止在内部TeflonPFA容器内压力的升高。微波消解罐的示意图如图10-4-9所示。两套消解罐对称地放置在微波炉内可旋转的圆盘上，圆盘中央放置一个装有水的50ml烧杯，然后将样品与烧杯一起在100-200W的功率下加热2min。移去烧杯，再次将样品加热2min。冷却后，往已有部分溶解的样品中加入100-200μl30%双氧水，双氧水与样品剧烈反应，放置直至反应停止。按上述方法再次将样品密封在消解罐内，于微波炉中200W的功率下加热2min。消解后的样品应经过一支可除去Na+的阳离子交换柱，以降低样品;L值。用一小片通用pH试纸来监测样品pH值的变化，其变化范围为2-4。为了除掉一些基体干扰，将样品溶液经过一根C18柱，再用1.5ml去离子水冲洗，洗液并入样品溶液中，分别经0.5μm及0.2μm的滤膜过滤后定容至1.5ml，即可用于IC分析。对稀土材料、粮食和大气颗粒物等样品中金属和重金属的分析，混合酸为常用的消解液。Bruzzoniti等用CEM公司的WI40型微波炉，消解用稀土氧化物（如YbF3）制成的光纤维材料，测定了YbF3中的稀土杂质。此种型号的微波炉配备12个可释放压力的Teflon-PFA消解罐及可移动的旋转式传送盘。压力释放阀也由Teflon-PFA材料制成并位于罐的顶部，可使罐内的压力达0.7MPa，一旦超过此压力，消解罐就会自动释放压力而且散出的气体被收集在位于转盘中央的收集器内。消解光纤维材料样品时，称取0.1g样品置于PTFE微波消解弹内，加入10ml14mol/LHNO3,6ml1.3mol/LH3BO3（用热水溶解以免产生沉淀）及8ml2mol/LHF然后将此消解弹分别置于600W和750W的功率下消解5次，每次消解时间为3min。为了保证样品消解完全，还需分别在900W（消解2次，每次5min）、1015W（消解1次，时间为2min）及1200W消解7次，每次3min）的条件下进一步消解。将消解后的溶液转移到100ml,-的聚丙烯容量瓶中，用去离子水定容。同时做样品空白。Yamane等用微波消解法，以填充有强酸型阳离子交换树脂的硼硅酸盐玻璃柱为分离柱，测定大米粉样品中的Pb、Cd、Mn时，用硝酸及盐酸的混合液进行微波消解。往300mg样品中加入2mlHNO3及0.3ml0.6mol/LHCl，于微波辐射下进行消解。开始加热时间为3min，最后阶段的加热时间为2min。将消解产物转移到50ml-玻璃烧杯中，在电热板上小心地将溶液蒸至近干，加入少量水将剩余的部分溶解，然后转移至25ml-容量瓶中，加入2.5ml1.1×10-2mol/LN-（二硫代羧基）肌氨酸（DTCS），以去离子水定容，即可进行IC分析。Bruno等用法国Fontenay公司的Micridigest3.6Prolabo型微波样品处理系统，消解了大气中的颗粒物样品，并用离子色谱分析了其中的重金属。方法的操作步骤如下：用一便携式空气恒流采样器，以20L/min的流速将大气颗粒物采集到直径为47mm,、孔径为0.2μm,的聚碳酸酯纤维膜上，采样时间为24-48h。然后用微波湿消解法提取纤维膜上吸附的重金属。将40ml-的样品溶液置于25ml的石英瓶中，用2450MHz的微波进行照射。消解完毕，将溶液蒸干，样品中的重金属主要以硝酸盐的形式存在，然后将其溶解在10ml氯化钠、硝酸钠和草酸钠的混合溶液中，经0.4μm的AutotopWFPlus聚碳酸酯纤维膜过滤后即可进行IC分析。经典的氨基酸水解是在110℃水解*$S，在微波炉内于150℃消解氨基酸样品，不但能够切断大多数的钛键，可将氨基酸的水解时间缩短为10-30min，而且不会造成丝氨酸和苏氨酸的损失。所用微波消解仪为美国CEM公司生产的MDS-2000型，电源输出功率为（630±50）℃。它具有全程一体化内置电脑控温控压及五步编程加热功能；TeflonPFA内衬罐容积为110ml，转盘上可放12个罐同时萃取，罐压可达1.21MPa，罐温可达200℃，罐体有防爆安全装置。为了测定一些蛋白质样品中的胱氨酸和半胱氨酸，水解前需用过甲酸将其氧化，方法如下：称取20-50μm,蛋白样品于CEM容器中，分别加入5ml新配制的冰冷的过甲酸（0.5ml30%H2O2及4.5ml,-甲酸，在室温下混合，30min后将其置于冰上），250μl200mmol/L正亮氨酸及250μl10%苯酚溶液，混匀。将此混合物于0℃放置18h。特别值得注意的是，温孵蛋白质时，必须将蛋白质样品完全润湿并浸入氧化剂中。氧化完毕，将容器内的产物冷冻并用冻干机于真空状态下除去溶剂（注意：过甲酸对真空泵有很强的腐蚀性）。干燥后再加入5ml水及10ml30%HCl，即可在微波内进行水解。对不需要事先氧化的蛋白质样品，可直接将20-50mg蛋白质样品、2.5ml水或2.5ml60μmol/L巯基乙酸，2.5ml10mmol/L正亮氨酸和10ml30%HCl依次加入内壁衬有单层PTFE的CEM容器内，盖好塞子。将需要脱气的样品于-80℃冷冻以避免抽真空时样品的剧沸。往真空状态的样品中充入高纯氮气（99.995%）至压力为15psi（1psi=6.89476kPa），此抽真空C充氮气过程需重复4次。然后将样品置于110℃的炉中加热或在微波炉内按表10-4-5的操作程序水解。用50%NaOH将样品水解后的pH值调至2.2，用pH2.2的柠檬酸溶液（40g,柠檬酸钠、30ml30%HCl稀释至2000ml）将其稀释定容至50ml，经0.45μm滤膜过滤后即可用离子排斥色谱（IEC）进行分离测定。每一个样品水解两次，每一次的水解产物均测定两次。蛋氨酸在微波水解样品过程中相当稳定，用标准酸水解条件水解样品时，不能定量测定胱氨酸和色氨酸。胱氨酸被过甲酸氧化为磺基丙氨酸后即可定量测定。苯酚可用做氨基酸的稳定剂，尽管如此，仍不能准确测定被氧化后的蛋白质样品中的酪氨酸和色氨酸。因此，欲测定蛋白质样品中的所有氨基酸，需采用三种不同的水解方式：标准水解法、氧化后再水解及碱性条件下水解，然而无论用何种水解方式，在微波炉内水解蛋白质可极大地减少水解时间。表10-4-5微波水解的基本参数()Cavalli等以DionexAminoPacPAI阴离子交换柱为分离柱，电化学检测生化组织中的硒氨酸时，用CEMMSD-81D型微波消解仪水解蛋白质样品。具体操作分为蛋白质的纯化与蛋白质的水解两步。首先，蛋白质的纯化：取1g匀化的海豚肝脏样品，加入5.5ml水、1gNaCl和1.5ml浓HCl，超声振荡30min并于离心机上以6000g,的转速离心10min，其中的沉淀部分含有欲水解的蛋白质，用0.1mol/LHCl洗涤沉淀，酸解样品和AG-50树脂净化样品消化液之后，用IC-IPAD进行分析。蛋白质的水解：水解蛋白质样品时，取100mg已纯化好的海豚肝脏样品置于反应容器内，加入10ml6mol/LHCl及0.5%苯酚溶液以保护易被氧化的氨基酸。将盛样品的Teflon容器抽真空并同时充入氮气，将压力设定到55psi（379kPa），相应的温度为150℃，于645W的辐射功率下微波消解25min，用0.μm滤膜过滤消解液，将滤液用淋洗液（0.023mol/L氢氧化钠-0.007mol/L四硼酸钠）稀释后，即可进行IC分析。多种样品中总氮、磷和硫的测定，用微波消解后继用IC分析已成为推荐方法，然而分析阴离子时，应避免三酸的使用。Colina等用意大利Mileatone公司的MLS-1200Megs型微波样品处理系统，分别将10ml双氧水、5ml样品（或0.2g标准物质）及50μl甲酸置于微波消解的密闭容器内，盖