微波消解和微波辅助萃取技术.ppt

微波消解和微波辅助萃取技术授课人：刘文莉第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理微波微波是一种电磁波，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。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，从而产生强烈的热效应。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。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理微波萃取技术（microwavedigestionMD）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。微波消解技术主要应用于元素总量分析，而微波辅助萃取技术主要应用于有机污染物的分析和有机金属化合物的形态分析微波炉的工作原理1-搅拌器；2-磁控管；3-反射板；4-腔体；5-塑料盘12345湿物料第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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，从而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。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理1986年，匈牙利学者GanzlerK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受能力时,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，即可获得被萃取组分。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理微波萃取主要是利用微波强烈的热效应，但微波加热方式不同于传统的加热方式。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。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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”过程，从而可克服传统的传导式加热方式所存在的温度上升较慢的缺陷。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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，使自身温度升高，并使共存的其他物质一起受热；第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理传导加热对流加热微波加热传统加热示意图微波加热示意图图1两种加热方式的比较体积加热、速度快、局部过热热量损失大，速度慢第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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为有效。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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，即可获得所需的萃取物。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发态，这是一种高能量的不稳定状态。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理此时水分子或者汽化，以加强萃取组分的驱动力；或者释放出自身多余的能量回到基态，所释放出的能量将传递给其他物质的分子，以加速其热运动，从而缩短萃取组分的分子由固体内部扩散至固液界面的时间，结果使萃取速率提高数倍，并能降低萃取温度，最大限度地保证萃取物的质量。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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,从而产生键的振动、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。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理在微波萃取中，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，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。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理综上所述,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。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理微波萃取的选择性主要取决于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、醇等，非极性溶剂可用正己烷等。但由于非极性溶剂不能吸收微波,为加速萃取过程,可在非极性溶剂中加入极性溶剂。若样品和溶剂均不吸收微波,则微波萃取过程无法进行。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理介质吸收微波的能力主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，沸点低的溶剂甚至出现过热现象,极性较低者吸收微波的能力较差,而非极性的氯仿等则几乎不吸收微波。因此,利用不同物质在介电性质上的差异也可达到选择性萃取的目的。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理一般来说,微波萃取首先要求溶剂必须具有一定的极性,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必须具有较强的溶解能力,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。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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，所需装置比较复杂，设备的投资较大，建立大规模提取生产线存在一定的工程难度。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理微波具有波动性、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。1.试剂用量少，节能，污染小。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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”。第一节微波消解和微波辅助萃取的定义及作用原理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具有良好的吸水性，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出来。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。第二节微波消解和微波辅助萃取装置微波萃取工艺流程图萃取组分溶剂与萃取组分分离原料预处理溶剂与物料混合冷却微波萃取过滤滤液溶剂第二节微波消解和微波辅助萃取装置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。第二节微波消解和微波辅助萃取装置1.常压法常压法一般是指在敞开容器中进行微波萃取的一种方法，其设备主要有三种。第一种是直接使用普通家用微波炉或用微波炉改装成的微波萃取设备，通过调节脉冲间断时间的长短来调节微波输出能量，目前国内外大部分的研究都采用这种设备。第二节微波消解和微波辅助萃取装置第二种是美国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究所研制的WK2000微波快速反应系统和MKⅢ型光纤自动控压微波制样系统属于该类产品的仿制国产产品。第二节微波消解和微波辅助萃取装置第三种是上海三元生物应用技术有限公司的MEI3L和MEI10L型实验微波萃取器。四川大学五线电系也开发了MCL系列的微波功率连续可调型微波炉，常压微波回流装置如图所示。概述——过程特点16524378常压微波回流装置示意图1.微波炉2.瓶架3.蒸馏瓶4.搅拌器5.铜管6.冷凝管7.开关8.控制面板第二节微波消解和微波辅助萃取装置2.高压法高压法是使用密闭萃取罐的微波萃取法，其优点是萃取时间短，试剂消耗少，这种方法是目前报道最多的一种方法。高压法的装置一般要求为带有功率选择，有控制温度、压力和时间附件的微波制样设备。第二