1、密闭微波样品消解原理及常识刘伟 阎军 武刚The Knowledge of Hermetic Microwave Digestion4 样品制备目标和原则现在，在生物有机物样品及矿物岩石、矿石、矿渣和玻璃等痕量元素分析中，常常是 从待分析物的溶样开始，绝大多数都要进行化学预处理，要把固体制成溶液，需要分解和破 坏样品基体。一般使用原子吸收或发射光谱分析元素时，若样品为水溶液时，通常都可以达 到极佳的分析结果。非水溶液也可以分析，但是样品溶液中，高浓度的有机化合物对某元素 会引起严重的分析干扰问题。绝大部分的样品都无法直接进行固体分析，因此必须先转变成 溶液型态。在分析前先经过消化处理，大多情况
2、下都可产生较精确的分析结果。以下为样品 消解前处理所应考虑的前提:4.1 确定样品消解是否必要1）.没有样品消解能否分析？2）.通过消解样品能否改善分析？4.2 理想样品制备的进行步骤1）.将固体和液体样品转化成液体溶液，以避免在测定中阻塞仪器液体传输及雾化系统。2）.破坏所有的有机物质使它不会干扰火焰燃烧或增加背景讯号。3）.把感兴趣的分析物以可检测的浓度保留在溶液中。4）.不加任何元素或化合物干扰离子。5）.调整样品的粘度和颗粒百分比到分析的最佳条件。4.3 采用微波消解手段的十大理由1） 与加热板消化比较时，消化可快 4100 倍完成。2） 通常采用的 2450MHz的微波，只能导致分子
3、（粒子）运动，不引起分子结构变化，从而 不会改变消解反应的方向。3） 微波直接向样品释放能量（热是副产物），避免了传统方式(热传导、热对流 ）中能量 的损失，提高了能量的使用效率。4）大多数传统试剂在微波消解中仍然可以使用，因此对大多数的反应操作者无须改变试剂 的种类。且用于消化的酸类不会因为其活性成分的蒸发而降低或失去强度。5）样品的消解可以进行的更精确、彻底。在许多消化程序中可避免过氯酸的使用，如 HNO 3在微波消化期间，基于消化瓶内压力的缘故，会产生较高的温度而得到较好的消化结 果，以取代过氯酸的使用。6）密闭微波消解可通过提高温度压力协助反应，使反应物在特定温度下发生快速分解， 减少
4、分解所需的时间，提高工作效率，对传统方法这是不可能的。7）挥发元素如：As，Hg 等可被保留在消化溶液中，防止挥发造成结果的偏差和对环境的污 染。同时也使操作人员避免接触酸雾和有害的气体，如氢氟酸。8）由于微波消解试剂用量少且密闭，可消除由于空气传播的微粒或渗出现象而导致的样品 污染。因此有较低的空白值。9）最先进的微波消解仪器能够通过磁控管的自动调节，定量的控制微波能量的传递，以此 控制分解条件并实现对反应的自动控制。避免了人为操作产生的错误和误差。10）通过温压控制可以保证消解的质量，保证反应一致的平行性和重复性。5 酸与样品分解消解的目的是希望酸能分解样品基体同所感兴趣的金属离子形成可溶
5、盐。硝酸及过氯酸等氧 化性的酸类，是最常用来破坏有机物质与分解金属化合物的试剂。有机物质氧化成 CO2,H 2O,及 NOX。金属、金属盐类，及氧化物则可使用氧化性酸液配合盐酸、氢氟酸、或硫酸 ，加以溶解。由于这些酸类都是液体或气体，在原子光谱分析时会迅速挥发，因而可大幅降 低可能发生的背景干扰问题。硝酸、盐酸及高氯酸被广泛用于化学分析的样品制备中， 传统上使用的大多数无机酸都是良好的微波吸收体，当微波能被直接加到密闭透射微波的塑 料容器中的酸时，受到许多必须加以估计的复杂因素所制约。如何选用单一酸或混合酸，这要看其分解基体的效果如何。在开口和密闭容器中常选用混酸 ，每种酸都有有效分解某一特定
6、基体中个别组分的能力，其中辅助酸不仅能作消解试剂，且 把溶解过程中与另一种酸形成的络合元素盐有效地溶解掉。例如，单用氢氟酸并不适合于植 物样品的分解。然而，如果有含硅组分存在，则常把氢氟酸加入到硝酸中以便使那些和硅以 不同形式结合在一起的痕量元素释放出来。这种酸的组合必须根据样品基体的化学性质加以 选定。为了选择适当的酸以保证样品完全溶解，了解样品基体和其中主要的元素及化合物是非常重 要的。必须在试图用密闭容器进行消解之前就做出估价。碳酸盐和硫化物常形成气态产物， 因此在样品容器密封以前直到反应沉淀池中起泡，应被允许存在。必须考虑的因素是：5.1 酸和容器间的化学作用氢氟酸不应用于玻璃和石英容
7、器。5.2 酸沸点和容器熔点的矛盾高沸点（339）的硫酸能熔化大多数塑料制品，包括特氟隆 PFA。5.3 酸在微波场中的稳定性、蒸气压。5.4 混酸组合使用时，酸之间的相互作用。5.5 挥发性在盐酸中 - As,Se,Sb,Sn,Ge,Te,Hg 的氯化物；在其它酸中 - Cr,V,Mo,Mn,Bi,Tl的氯化物； 在稀酸中 - B,P，Pb,Se,Sb,As,Te,Hg的氢化物。5.6 溶解性溶解度常数，(伴随)氟化物沉淀酸和混合酸 HNO 3,HCl,HF,H2SO4,H3PO4,H3BO3酸类及混酸在大气压力下的沸点酸类 浓度% (重量百分比) 沸点盐酸 37 110氢氟酸 49 108
8、硝酸 70 120王水 （HNO3=HCL,1:3v/v） 112硫酸 98.3 338磷酸* 85 150硝酸、盐酸及氢氟酸有相对较低的沸点，因而伴随有高的分压。磷酸、硫酸及氟硼酸在相近 温度下则有较低的分压和较高的沸点。取每组酸中的一种并加以组合便可利用它们的性质获 得一种分压比沸点较低的酸还要小的混酸。 6 微波消解酸选择的一般准则酸或混合酸 评注 可消解的样品类型HNO3广泛用于酸消解。能氧化侵蚀金属和有机物质。Au,Pt,Nb,Ta 和 Zr不能被硝酸溶解。Sn, Sb 和 W形成不溶性的水合氧化物。能溶解大多数硫化物，UO 2和 U3O8。在起始反应后， 可加入过氧化氢以主要用于有
9、机样品如脂肪、饮料、蛋白质、碳水化合物、植物材料、废水、一些颜料和 聚合物。也应用于氧化金属，广泛用于淋洗土壤样品。 使消解彻底。HCl 本身应用不广。用于溶解弱酸的盐：碳酸盐，磷酸盐和无机氧化物、（如 Fe2O3）和铝金属 H2SO4浓硫酸是有效溶剂，可完全破坏几乎所有的有机物，进行快速脱水炭化。沸点：339，用于有机组织、氢氧化物、合金、金属和矿石。采用玻璃或石英容器可扩 大硫酸的适用温度范围。应用于敞口微波消解系统如美国 CEM公司的 STAR系统采用玻璃或石英容器 HClO3是一种强氧化剂，能与其他酸不反应的金属反应，也能完全分解有机物，然而当热高氯 酸与有机物及容易氧化的无机物接触时
10、，可能会产生爆炸，因为高氯酸在微波系统的密闭容器中加热时经历了一个不可逆的分解反应，产生一种气态最终产物造成压力迅速上升，形成 潜在的威胁。慎重使用H3PO4热磷酸成功的用于那些用盐酸消解时会使某些特定痕量组分挥发损失掉的铁基合金。磷酸除了可消解铁基合金，还可溶解许多铝炉渣、铁矿石、铬及碱金属。HBF4四氟硼酸用于那些需要分解硅酸盐和需高温条件的含有无机基体的地质样品的消解。在 22.7的密闭容器中其分压仅为 5.7atm,不需高压就可得到比氢氟酸更高的温度，且酸并不分解。硅酸盐、地质样HF 适用于彻底消解含硅样品。与硝 酸一起氧化钛、钨、铌、锆 硅酸盐，Ni-Cr 合金，硅酸盐矿物HCl:H
11、NO3（王水）由于化合不稳定且不好储存，需现配现用。通常的比例是 HCl:HNO3,体积比 3:1用于无机物如金和铂的消解。植物组织和废水也通常用此混合酸消解。王水能从硅脉石 中滤去金属但不能使其全部溶解。HNO3： 得益于硫酸盐的络合物的形成及 聚合物、脂肪和有机材料H2SO4 高温下脱水和氧化的性质。一般体积比 1:1。起始反应 后加入过氧化氢可使反应完全，但须当液体体积减少至可看到 SO2烟雾时才加入。HNO3:HF 一般体积比为 HNO3:HF 1:5,溶解Ti,W,Nb和 Zr( 除 ZrO2)。合金、碳化物、氮化物、硼化物、硅酸盐岩石、灰 、矿渣和高硅含量的植物材料可用此混合酸消解
12、。HNO3:HCl:HF通常方法是制成逆王水(HNO 3:HCl体积比 3:1)，然后再和 HF以 7: 3的体积比混合。另一种比例为HNO3:HCl:HF体积比为 5:15:3。用于消解合金、硅 酸盐岩石、灰、矿渣、粘土、玻璃和一些陶瓷。 H2SO4:H3PO4 比例为 1：1 用于消解过氧化氢的使用1）如果 HNO3消解食物或类似样品后仍有残余有机物存在，可以加入过氧化氢，但应小心 从事。过氧化氢必须在预处理阶段和低功率条件下（250W）进行辅助，或在主要有机物质 被消解后才能加入。2）需要炭化的样品须在密闭容器消解操作的后期蒸发掉硝酸和水，然后加入过氧化氢彻底 消解有机物质。硝酸和水蒸发
13、到产生浓、白的SO2烟雾为止。过氧化氢应逐滴加入，直到 溶液变清为止。 7 禁止随意在密闭系统中操作的物质化学反应中介入以下危险物质和产生爆炸性的原子特征集团时，只意味着爆炸发生的必要条 件即化学基础，而非爆炸的充分条件，那还包括脉冲微波的峰值指标。因此无论是否选择微 波系统进行消解，都应该对此类反应 给予严重的关注，其中包括审视微波系统的控制能力和能否降低反应的当量及剧烈程度。1) 炸药(TNT，硝化纤维等)；2) 推进剂(肼，高氯酸胺等)；3 ) 引火化学品；4) 二元醇(乙二醇，丙二醇等)；5) 航空燃料(JP-1 等)；6) 高氯酸盐(高氯酸铵，高氯酸钾等)；7) 乙炔化合物 8) 醚
14、(熔纤剂-乙二醇苯基醚等)；9) 丙烯醛 HT 10) 酮(丙酮，甲基乙基酮等)；11) 漆；12) 烷 烃(丁烷，己烷等)；13) 双组分混合物(硝酸和苯酚，硝酸和三乙胺， 硝酸和丙酮等)；14) 动物脂肪(硝酸甘油酯，硝化甘油或其它有机硝化物)请关注特性样品与试剂在反应过程中可能出现的产物，爆炸物的原子团特征如下：名称 结构 名称 结构乙炔化合物 CC金属 氯酸盐 ClO2 过氧化氢化合物 OO H 次石盐 OX 硝酸盐 ONO2 亚硝酸盐 O NO 硝基 NO2 亚硝基 NO 重氮基 NN 雷酸盐 ONC 高氯酸盐 ClO4 过氧化物 OO +- 重氮化合物 +- 叠氮化合物NNN (N
15、N)XOO 过氧酸 COOH O O 臭氧化合物 + - Cl NO N-卤胺 N 氮氧化合物 X当然，微波化学发展至今已有 25年，估计已有 4万多台机器在广泛使用。98 年 6月在德国 曾有人首次因操作不当而被炸伤至死，当时使用的是意大利 Milestione 的机器，在微波化 学界引起震动。此事实促使人们进行反思，重新确立高压安全的概念。证明了花大力气进行 周密全面的安全保护设计是正确的，最新的设计思想已从如何防止爆炸变成假设如果爆炸， 机器如何将损坏降低到最低限度。 8 密闭消解样品量讨论在密闭容器中进行的高温高压反应速度很快，其危险因素主要取决于三点：1）过大的 样品量使反应过于剧烈
16、，2）压力罐所能承受的压力较低。3）机器没有反应过程的反馈控制 或响应慢、控制能力很差，易引起反应失控。因此在实验初期务请严格控制样品量，首先使 用小量样品以建立消化程序。等到深入了解整个反应的过程后，在有把握的基础上再根据样 品的性质适当的放大样品量。才可于较短时间内迅速而安全的完全消化大量样品。8.1 有机样品样品量限制按如下准则有机样品应限制到0.5 2 克物质容器，取决于样品有机物的含量的高低。如石油属重 有机物，安全限不能超过 0.5克。对于陌生样品从 0.10.2 克开始逐渐增加到 0.5克，这将 防止样品消解过程中过量气体副产物的积累。密封器皿消化所能使用的最大有机体样品量大约为
17、 2.0g。如果样品于密封消化前先在开 放式的器皿中进行消化处理，则可使用较大量的样品。当使用密封的器皿来消化较大量的有 机物质时，一般需要控制能力很强的平稳加热步骤，才能达成完全消化的目标。如果消化完 毕后得到透明的黄色溶液，那么逐滴添加 30的 H2O2基本上即可完成消化反应。使用 H 2O2在密闭式容器进行消化时，务必非常小心。除非整个消化反应接近完成，否则切勿 在器皿内添加过氧化氢（双氧水）。在低压条件下（300psi）对一些含高百分率芳香族化合物的有机物质而言，即使使 用 1：1 的 HNO3:H2SO4混合酸，可能仍无法将其完全消化。最好使用高压，如不具备 高压条件，最后一种可能解
18、决的方法是考虑使用 HClO4,但须采用开放式的消化方式。如果 消化过程中要使用 HClO4时，务必先用 HNO3消化分解样品中部分易于氧化的物质，之后，才能将 HClO4加入样品中。仅需加热而非煮沸方式即可使过氯酸本身分解，且其与 有机物质可剧烈反应并产生大量反应气体，使用 HClO4的微波消化方法亦未有过多发展， 因此微波消化法中利用 HCLO4来充当酸解溶液的研究并不多见。试用这种酸解法的人，应 该极为小心。8.2 无机样品样品量限制按如下准则无机样品应限制在10 克物质容器。典型的限制因素是消解萃取品所需酸的量。在一个 120mL的消化瓶中，称取 0.5g的样品。如果样品粒径小于100
19、纲目（mesh），则样 品将被快速的消化。如果消化的样品粒径较大，或是呈一整块的物质时，反应速率较慢，这 是因为反应物的表面积较小的缘故。可于样品中添加 10mL 的混合酸以进行消化。混合酸的 种类有 HNO3:HF,王水，或王水：HF,如何选择则视所要溶解的样品基质（matrix）及元素 而定。使用氢氟酸（HF）时，务请格外小心。当 HF加入某些样品时，可能会有大量泡沫产生 。因此，加酸时应逐次少量的添加以免样品及酸所产生的泡沫逸出消化瓶。根据 CEM的经验，在单一消化器皿中一次可消化无机物的重量可高达 10克左右。有 些类型的无机物固体能直接吸收微波的能量。具有这种能力的物质包括炭黑、碳化
20、矽、与某 些型态的玻璃。此种直接加热方式可改善某些物质的消化速度。然而，如果此方式的加热是 局部性且将导致该固体加热温度超过容器的熔点时，则会对消化容器造成损害。8.3 含有机物与无机物混合物的样品对于含有无机物的混合样应被当成有机物处理,采用相同程序模式，消解前的预处理有益于 氧化反应。如果您要处理的样品中含有 5（以重量计）的有机物时，应该首先对有机物进行消化，通 常，开始时是用浓硝酸来消化，直到大部分的有机物都被消化分解为止。在某些情况下，或 许需要硝酸与硫酸的混合酸分解有机物。当有机物完全消化后，可添加其他的酸来消化其余 的无机物。消化中，所能使用无机样品量，基本上受样品中所含有机物含
21、量及消化器皿所能容纳的酸量 及样品总体积的限制。对样品做进一步的密封消化处理前，建议应先在开放式器皿中使用微 波加热做初步的样品消化。如此可将会产生气态反应产物的有机物消化清除掉。然而，在此 步骤中，有些挥发性较高的元素（例如，硼（B），磷（P），及硒（Se）亦可能会逸失。 因此如何修改消化的程序需赖所想要分析之元素为考虑依据。受有机废物污染的沉积物或土 壤样品，应把它们视为有机物样品来处理。如果样品中含有 5以上有机物时，需把此样品 视为有机物，并依据有机物的处理方式来消化整个样品。如果在消化期间观察到氮氧化物所 产生的褐色烟时，表示样品中可能含有相当数量的有机物。8.4 敞开式聚焦微波消解
22、系统对于必须用大样品量保证检测线和降低分析误差时，敞开式聚焦微波消解系统解决了这一问 题。如： STAR 全自动聚焦微波开式消化系统（美国 CEM公司），虽然该系统反应的速度略慢 于密闭微波消化系统，但其全自动化的操作所具备的快速和多功能，免去了反应前的试剂添 加和反应后的定容步骤。从整体上提高了反应效率，降低了劳动量。在使用上更安全，灵活 。因此在某些领域敞开式微波消解系统同样具有广泛的应用前景。9 样品消解温/压反应临界点设计得当的消解法是尽量在最低温度下达到迅速分解基体中主要有机组分。了解样品基体中 的各组分对于确定分解的最有效温度是必不可少的。了解消解特性和样品组分同各具体试剂 间的相
23、互作用可使分析工作者更容易地控制样品消解过程。对于不同的有机/无机样品，酸 消化时化学反应在各点温度的剧烈程度和物理当量的变化不同。9.1 有机物反应温/压条件糖类、蛋白质和脂类是生物和植物组织样品的三个基本成分。蛋白质物料约 150下迅 速分解，三硬脂精（碳脂肪酸脂）约 160才显示出同样的分解情形。在 175以后还有哪些 在该条件下唯一没有断裂的有机键是苯环中的 键，是芳香氨基酸。硝酸分解有机基质样品 并不完全，完全分解只有用像高氯酸这样的特殊试剂才能达到。但应避免使用这种强氧化剂 。有机样品的分解温度根据轻重不同从 140度到180度不等。一般有机样品成分以硝酸消 化之临界温度如下：物
24、质 硝酸消化温度（）淀粉碳水化合物 140 蛋白质类 145150 糖类 150 类脂，脂肪类 160165重油类,石油、沥青 180185在生物和植物基体的分解中，像 CO2和 NO2这类气体副产物会产生很高压力。NO 2受容 器中总压力的影响溶解度会发生突然变化。NO 2气体缓慢地逸出，没有起泡现象，释 放出 NO2特征的烟雾。然后溶液又转变为更加熟悉的黄棕色。从绿色到黄棕色的颜色变化 是硝酸消解产物引起的。 9.2 无机物反应温/压条件通常，无机样品的消化需要较多腐蚀性混合酸，且有时需在高温情况下反应以达到样品的完 全消化。因其消化过程极少产生气态产物，所以其消化反应常是可以预估的。有些
25、陶瓷样品 （例如 -型氧化铝）需要在极高温度条件下才能分解。其所需温度可能超过 PFA器皿的使用 温度上限（280）。此时，因为消化压力不会提升太多，因此可考虑改用石英容器于开 放式的条件下进行消化。密闭容器消解高氧化物质如矿物、矿石、陶瓷或某些合金，酸分解 产生的压力比消解有机物时所产生的压力要低。大多数无机样品可在温度 185,压力 120psi 以下消解。无须采用程序升温升压模式, 增加温度、压力通常不能加快消解而且会减少容器 寿命。10 微波控制技术的发展和反应模式1975 年首次发表使用微波能做为加速酸消化的方法，这种技术从家庭微波炉的开放式器 皿消化用法，进步到专供实验室的仪器使用
26、，并配备了密闭消化的设计。人们希望微波不仅 进行快速加热，且可量化地为反应提供精确能量控制。从而实现快速精确化学过程动力学控 制 。起初人们试图通过固定微波功率/时间来控制反应达到稳定和一致的精确结果，事实证 明在硬件操作和反应上是很难实现的，受制于难以精确定量微波仪器的硬件发射性能指标和 反应物组成的不一致性。直到自动变频磁控管的出现才最终得以解决，超越了开始的不稳定 的功率/反应结果 的试验关系，发展成现在建立的 热力参数/反应结果 的直接量化关系。 最新出现的具备功率自动变频控制反应（MARS-5）的系统，98 年获美国 R & D 100技术发明 大奖。现在人们无须设定功率，仪器对消解
27、反应进行自动变频功率反馈控制，通过量化微波 化学热力学规律，使实验室操作寻找到了高效、重现性及安全性的方法，达到了前所未有的 境界。纵览微波化学控制水平经历了以下三个阶段：1）无反馈固定功率 / 时间设定2）固定功率 / 时间设定开关式反馈控制3）自动变频功率反馈控制对于某些样品不同的热力条件的反应过程不一样，样品消解反应缓慢累积在密封的消 化瓶中，而一旦在超越其临界点的某阶段，可能迅速产生的大量气体其内压升高而超过压力 上限。甚至释放出大量的热能使反应难以驾御，产生危害。因此需要随时谨慎监视整个反应 过程，并且加以控制。而固定功率 / 时间设定开关式反馈控制模式，因为是人为设定功率 和时间，
28、有时会出现响应迟缓，对快速的临界反应望尘莫及，易产生危害。最新 CEM仪器,其功率变频响应速度达 1/120秒，对全过程进行监控以防患于未然，具备四种 R AMP爬坡反应控制模式:1) Standard Control 标准温/压控制，此模式一般只适宜无机物样品在 200以下消解和某 些有机萃取。用此模式进行有机物样品消解时，可能会产生严重后果。2) Ramp to Temperature 温/时匀速爬坡，此模式可进行反应动力热力学指标控制测试。 它能帮助化学实验人员清楚的了解化学反应在各点温度的剧烈程度和物理当量的变化，测 试反应临界点，提供了精确量化手段 。注意：此模式应用广泛，于高温高压的有机/无机样 品酸消化，有机萃取，蛋白水解以及有机合成等。3) Ramp to Pressure 压/时匀速爬坡：此模式主要应用于高温高压的有机样品酸消化，蛋白 水解，及有机合成等。变化格式依照设定方法，自动控制微波动力，且每种爬坡模式都同时显示相应温度和压力的 变化情形。能使化学反应的升温升压变化斜率控制在预定的曲线上进行。且可根据反应情况 设定自动温控/压控模式转换。这样当反应到达临界点后，可进行精确控制的安全反应。同 时显示并存储上次使用方法，信息屏记录罐数样品量酸组分和每罐的体积。应用于高温高压 的有机/无机样品酸消化有机萃取蛋白水解以及有机合成化学反应工艺小试。
