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微波消解和微波辅助萃取技术

  第 二 种 是 美 国 CEM 公 司 和 意 大 利 的 Milestone公司生产的适用于溶解、萃取和有 机合成的微波实验设备产品。国内中科院深 圳南方大恒公司和上海新科微波技术应用研

  介质吸收微波的要取决于其介电常数、 比热和形状等。极性较大的溶剂或目标组分, 吸收微波的能力较强,在微波照射下能迅速升 温,沸点低的溶剂甚至会出现过热现象,极性较低 者吸收微波的能力比较差,而非极性的氯仿等则几 乎不吸收微波。因此,利用不一样物质在介电性质 上的差异也可达到选择性萃取的目的。

  微波炉的心脏是磁控管。这个叫磁控管的电 子管是个微波发生器,它能产生每秒钟振动 频率为24.5亿次的微波。这种肉眼看不见的 微波,能穿透食物达5cm深,并使食物中的水 分子也随之运动,剧烈的运动产生了大量的 热能,于是食物煮熟了。这就是微波炉加 热的原理

  微波是一种电磁波,以直线方式 传播,并具有反射、折射、衍射等光 学特性。微波遇到金属物质会被反射, 但遇到非金属物质则能穿透或被吸收。 微波的电场频率介于 300MHz~300GHz之间,常用的微波 频率为2450MHZ。

  ③由于微波频率与分子转动频率相关连,因 此微波能是一种由离子迁移和偶极子转动而 引起分子运动的非离子化辐射能。当它作用 于分子时,可促进分子的转动运动,若分子具 有一定的极性,即可在微波场的作用下产生 瞬时极化,并以24.5亿次/秒的速度作极性变 换运动,由此产生键的振动、撕裂和粒子间的 摩擦和碰撞,并迅速生成大量的热能,促使萃 取物扩散至溶剂中。

  目前报道的微波萃取方法一般 有三种:常压法、高压法、连续流 动法。而微波加热体系有密闭式和 敞开式两类。

  微波萃取主要是利用微波强烈的热效应, 但微波加热方法不一样于传统的加热方式。在 传统的加热方式中,容器壁大多由热的不良 导体制成,热由器壁传导至溶液内部需要一 定的时间;此外,液体表面气化而引起的对 流传热将形成自内而外的温度梯度,因而仅 一小部分液体与外界温度相当。

   根据物质与徽波作用的特点,可把物质大 致分为吸收微波、反射微波和透过微波三 种物质  吸收微波的物质是可以把微波转化为热能 的物质,如水,乙醇、酸、碱和盐类,这 些物质吸收微波后,使自身温度上升,并 使共存的其他物质一起受热;

   透过微波的物质是很少吸收微波能的物质, 从分子结构特性上讲是一些非极性物质,如 烷烃,聚乙烯等,傲波穿过这些物质时,其 能量几乎投有损失;  反射微波的物质是金属类物质,微故接触到 这些物质时发生反射,根据一定的几何形状, 这些物质可把微波传输、聚焦或限制在一定 的范围内

  取物质从基体或体系中分离,进入到具 有较小介电常数、微波吸收能力相对较 差的萃取溶剂中。

  综上所述,微波能是一种能量形式,它在传 输过程中可对许多由极性分子组成的物质产 生作用,并使其中的极性分子产生瞬时极化, 并迅速生成大量的热能, 其中的目标化合物 扩散至溶剂中。从原理上说,传统的溶剂提取 法,如浸渍法、渗滤法、回流提取法、连续回 流提取法等,均可加入微波进行辅助提取,从 而成为高效提取方法。

  而微波加热是一个内部加热过程,它不同 于普通的外加热方式将热量由外向内传递, 而是同时直接作用于内部和外部的介质分子, 使整个物料被同时加热,即为“体加热”过

  6. 微波萃取的选择性较好。由于微波可对 萃取物质中的不同组分进行选择性加热,因 而可使目标组分与基体直接分离开来,从而 可提高萃取效率和产品纯度。 7. 微波萃取的结果不受物质含水量的影响, 回收率较高。 基于以上特点,微波萃取常被誉为“绿 色提取工艺”。

  微波萃取也存在一定的局限性。例如,微波 萃取仅适用于热稳定性物质的提取,对于热敏 性物质,微波加热可能使其变性或失活。又如, 微波萃取要求目标化合物拥有非常良好的吸水性, 否则萃取物难以吸收足够的微波能而将难以从 基体中释放开来。再如,微波萃取过程中目标 化合物因受热而分解,一些不希望得到的组分 也会溶解于溶剂中,从而使微波萃取的选择性 差显著降低。

  1986年,匈牙利学者Ganzler K首先提出利 用微波进行萃取的方法。在微波萃取过程中, 高频电磁波穿透萃取介质,到达被萃取物料的 内部,微波能迅速转化为热能而使细胞内部的 温度快速上升。当细胞内部的压力超过细胞的 承担接受的能力时,细胞就会破裂,有效成分即从胞内 流出,并在较低的温度下溶解于萃取介质,再 通过进一步过滤分离,就可以获得被萃取组分。

  微波萃取指在目标化合物的提取过程中(或 提取的前处理)加入微波场,利用微波场的特 点来强化有效成分浸出的新型提取技术。利用 吸收微波能力的差异可使基体物质的某些区域 或萃取体系中的某些组分被选择性加热,从而 使被萃取物质从基体或体系中分离出来,进入 到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的萃 取剂中。

  微波萃取离不开合适的溶剂,因此微波 萃取可作为溶剂提取的辅助措施。溶剂提取 法是根据目标化合物在溶剂中的溶解性能差 异,选用对目标化合物溶解度大,而对基体 溶解度小的溶剂,将目标化合物从基体内提 取出来。采用微波协助提取,可使溶剂提取 过程更有效。

  一般来说,微波萃取首先要求溶剂一定要有一 定的极性,以利于吸收微波能,进行内部加热, 其次所选溶剂对被萃取组分一定要有较强的溶 解能力,溶剂的沸点及对后续测定的干扰也必须 考虑。而控制萃取功率和萃取时间则是为了在 选定萃取溶剂的前提下,选择最佳萃取温度。 适宜的萃取温度既能使被萃取组分保持原有的 化合物形态,又能获得最大的萃取效率。

  3. 微波萃取不存在热惯性,因而过程易于 控制。 4. 微波萃取无需干燥等预处理,简化了工 艺,减少了投资。 5. 微波萃取的处理批量较大,萃取效率高, 省时。与传统的溶剂提取法相比,可节省50 %~90%的时间。

  微波萃取的选择性主要根据目标物质和 溶剂性质的相似性,必须根据被提取物的性质 选择极性或非极性溶剂。极性溶剂可用水、醇

  微波具有波动性、高频性、热特性 和非热特性四大特点,这决定了微波 萃取具有以下特点。

  2.加热均匀,且热效率较高。传统热萃取 是以热传导、热辐射等方式自外向内传递热 量,而微波萃取是一种“体加热”过程,即 内外同时加热,因而加热均匀,热效率较高。 微波萃取时没有高温热源,因而可消除温度 梯度,且加热速度快,物料的受热时间短, 因而有利于热敏性物质的萃取。

  微波最早应用于通讯和军事,是一种 波长为1mm~1m的非电离的电磁波,被辐 射物质的极性分子在微波电磁场中快速转 向,并定向排列,由此产生撕裂和相互摩擦 而引起发热,同时可保证能量的快速传递 和充分利用。

  当被提取物和溶剂共处于快速振动的微 波电磁场中时,目标组分的分子在高频电磁 波的作用下,以每秒数十亿次的高速振动产 生热能,使分子本身获得巨大的能量而得以 挣脱周围环境的束缚。当环境存在一定的浓 度差时,即可在非常短的时间内实现分子自 内向外的迁移,这就是微波可在短时间内达 到提取目的的原因。

  传统的溶剂提取存在能耗大、耗材多、耗 时长、效率低、污染大等缺点。超临界流体 萃取的提取效率较高,但难以萃取极性较强 的物质,且为了获得超临界条件,所需装置 很复杂,设备的投资较大,建立大规模提

  微波萃取的机理可从三个方面来分析。①微 波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质到达物 料内部过程。由于吸收了微波能,物料内部的温 度将迅速上升,从而使萃取物的压力超过物料所 能承受的能力,结果使萃取物从物料中自由流出, 并在较低的温度下溶解于萃取介质中。通过进 一步的过滤和分离,就可以获得所需的萃取物。

  微波是一种非电离的电磁辐射,被 辐射物质的极性分子在微波电磁场中可快 速转向并定向排列,由此产生的撕裂和相 互摩擦将引起物质发热,即将电能转化为 热能,由此产生强烈的热效应。因此,微 波加热过程实质上是介质分子获得微波能 并转化为热能的过程。

   微波消解 在微波能的作用下,破坏样品 中目标组分的初始形态,而使其以无 机离子最高或较高价态的形式萃取出 来,这种技术叫微波消解技术

   微波萃取技术(microwave digestion MD) 在微波能的作用下,选择性的将样品中 的目标组分以其初始形态的形式萃取出来的 技术。 微波消解技术主要使用在于元素总量分析, 而微波辅助萃取技术主要使用在于有机污染物 的分析和有机金属化合物的形态分析

  ②微波所产生的电磁场,可加速被萃取 组分的分子由固体内部向固液界面扩散的 速率。例如,以水作溶剂时,在微波场的 作用下,水分子由高速转动状态转变为激