微波溶樣技術(shù)的基本原理

微波溶樣技術(shù)的基本原理

    由于食品分析工作中，樣品消化一般是液態(tài)消化，因此， 以下所闡述的內(nèi)容主要以溶液和水為研究對(duì)象。

    綜前所述，微波是一種使偶極子“變極”和離子傳導(dǎo)并 引起分子運(yùn)動(dòng)的非電離化輻射能，在它作用的過(guò)程中，水分 子、無(wú)機(jī)強(qiáng)酸的分子結(jié)構(gòu)一般不變。

在我國(guó)，微波溶樣最常用的頻率是2 4501^192：，微波系統(tǒng) 輸出的能量為600?700呢。微波溶樣對(duì)于一般的食品樣品，消化時(shí)間可縮短到5爪丨?在此過(guò)程中約10“的能量供給被 消解的樣品。

物質(zhì)吸收微波的能力主要由介電常數(shù)和 介質(zhì)損耗來(lái)決定。在微波食品分析中，表征微波對(duì)樣品穿透 率的常用概念是某樣品在給定頻率下的半功率深度。綜前所 述，半功率深度的定義是微波能從樣品表面到內(nèi)部功率衰減 到一半處的距離，半功率深度與樣品的介電常數(shù)與介質(zhì)損耗 成正比，與微波頻率的平方根成反比。

在微波溶樣的基礎(chǔ)研究中，對(duì)液體的研究已淶入到微觀水平，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)微波能在液體介質(zhì)中轉(zhuǎn)換的主要機(jī)理是偶極 子極化和離子傳導(dǎo)6在微波溶樣過(guò)程中，離子傳導(dǎo)、偶極子 極化對(duì)微波能的耗散同時(shí)存在。

影響離子傳導(dǎo)的參數(shù)有離子濃度、離子遷移率和溶液溫 度，每個(gè)離子溶液至少有二種離子組分，每個(gè)離子組分根據(jù)自己的濃度和遷移率傳導(dǎo)電流。隨離子濃度的增加，耗散因子增加，因而也提高了離子傳導(dǎo)對(duì)微波加熱的貢 獻(xiàn)。因?yàn)闇囟扔绊戨x子的遷移率和離子濃度，所以，離子溶 液的介質(zhì)損耗也隨溫度而變化。在加熱樣品的過(guò)程中，介質(zhì)損耗隨溫度而變化，水的溫度上升，介質(zhì)損耗下降。隨著水溫上 升，水的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與輸入微波頻率之間的差異增大，導(dǎo)致水 的微波吸收率降低。

因?yàn)檎扯瓤梢杂绊懛肿舆\(yùn)動(dòng)，所以/它也影響樣品吸收 微波能的能力（介質(zhì)損耗必粘度效應(yīng)阻止了分子的遷移，使 分子很難傳遞微波能量。因而，粘性介質(zhì)耗散因子低，粘度 降低，介質(zhì)耗散因子增大。

1. 偶極子極化和離子傳導(dǎo)對(duì)微波能量轉(zhuǎn)化的影響

    溫度在很大程度上決定了這二種作用對(duì)能量轉(zhuǎn)化（偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)或離子傳導(dǎo)）的相對(duì)獻(xiàn)。像水和其他溶劑那樣的小 分子，隨著樣品溫度的升高，偶極子極化對(duì)樣品介質(zhì)損耗的 貢獻(xiàn)降低；相反，隨溫度升高，離子傳導(dǎo)產(chǎn)生的介質(zhì)損耗增 加。所以，用微波能加熱離子樣品時(shí)，隨著溫度的增高，樣 品的介質(zhì)損耗由最初的偶極子極化占主導(dǎo)，變?yōu)殡x子傳導(dǎo)占 主導(dǎo)。

如果離子的遷移率和樣品離子的濃度低，那么，偶極子 極化基本上確定了樣品的加熱作用。相反，當(dāng)樣品離子的遷 移率和濃度增加時(shí)，離子傳導(dǎo)將控制微波加熱過(guò)程，隨著離 子濃度的增加，介質(zhì)損耗提高，加熱時(shí)間減少（加熱時(shí)間還與微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和樣品量的大小有關(guān)。

2^樣品量的影響

    在具有高損耗的大食品樣品中，在樣品體^積超出微波能 穿透深度的加熱過(guò)程中，可通過(guò)分子碰撞的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，因 此，樣品的表面或近表面的區(qū)域的溫度將更高些。而一旦出 現(xiàn)這種情況，容器壁的熱損失就將變得十分重要6少量食品 樣品具有消解均勻的優(yōu)越之處，但也有不足。樣品量的減少，樣品吸收的微波能量降低，即樣品量少，未 被吸收（反射〉的微波能量大，這樣對(duì)磁控管有危害所以， 在微量食品樣品的分析中，最好使用有專(zhuān)門(mén)匹配設(shè)計(jì)的微波 制樣系統(tǒng)，以防止反射。

樣品吸收微波功率的上限就是微波輸入功率的上限。如 果樣品量和所需要的加熱溫度超過(guò)了微波爐加熱能力的上 限，就不應(yīng)用微波來(lái)消解了。一般微波溶樣中能準(zhǔn)確重復(fù)的 樣品量為25?358。

3^微波溶樣速度的研究

用傳統(tǒng)法加熱一個(gè)普通食品濕法消解樣品需要1?2卜， 有些可能要更長(zhǎng)時(shí)間；而開(kāi)口容器微波加熱消解同樣一個(gè)樣 品可以在5?15111丨II內(nèi)完成。

影響微波溶樣速度的參數(shù)主要有兩個(gè)，它們是所用酸的 濃度和酸的介質(zhì)馳豫時(shí)間。其中，介質(zhì)馳豫時(shí)間是電介質(zhì)極 化方面的一個(gè)概念，它是指介質(zhì)極化的變化與電磁場(chǎng)變化的 時(shí)間差。酸的介質(zhì)馳椽時(shí)間一般是不變的（也正是由于介質(zhì) 的這種“慣性”，在條件允許時(shí)，可選用合適的微波頻率快速 加熱樣品八在電磁場(chǎng)作用下，具有永久或誘導(dǎo)偶極矩的物質(zhì) 分子，其偶極子極化具有一定的方向性。微波電磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)， 極性分子具有一定的取向；當(dāng)電磁場(chǎng)減弱時(shí)，極性分子又重 新恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)或熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序狀態(tài)。如不考慮量子效 應(yīng)，則將63^的分子回到原來(lái)狀態(tài)所需要的時(shí)間稱(chēng)為馳豫時(shí) 間。在馳豫時(shí)間內(nèi)，微波電磁場(chǎng)能不可逆地變成熱能使介質(zhì) 發(fā)熱。在2 4501^^下，每秒內(nèi)分子的定向極化和熱無(wú)序狀態(tài) 變化108次以上，因而加熱非?？?，因此，偶極子極化產(chǎn)生的 熱效應(yīng)與樣品的特征介質(zhì)馳豫時(shí)間有關(guān)。

以上從理論上闡述了微波溶樣所涉及到的基礎(chǔ)知識(shí)。微波溶樣的加熱機(jī)制與經(jīng)典方法有根本的不同，它的最大特點(diǎn) 是加熱速度快。然而，要將這一優(yōu)勢(shì)變成現(xiàn)實(shí)，還需要有可 靠的微波設(shè)備和輔助工具。