微波溶样技术的基本原理

微波溶样技术的基本原理

    由于食品分析工作中，样品消化一般是液态消化，因此， 以下所阐述的内容主要以溶液和水为研究对象。

    综前所述，微波是一种使偶极子“变极”和离子传导并 引起分子运动的非电离化辐射能，在它作用的过程中，水分 子、无机强酸的分子结构一般不变。

在我国，微波溶样最常用的频率是2 4501^192：，微波系统 输出的能量为600〜700呢。微波溶样对于一般的食品样品，消化时间可缩短到5爪丨〜在此过程中约10“的能量供给被 消解的样品。

物质吸收微波的能力主要由介电常数和 介质损耗来决定。在微波食品分析中，表征微波对样品穿透 率的常用概念是某样品在给定频率下的半功率深度。综前所 述，半功率深度的定义是微波能从样品表面到内部功率衰减 到一半处的距离，半功率深度与样品的介电常数与介质损耗 成正比，与微波频率的平方根成反比。

在微波溶样的基础研究中，对液体的研究已涞入到微观水平，现已发现微波能在液体介质中转换的主要机理是偶极 子极化和离子传导6在微波溶样过程中，离子传导、偶极子 极化对微波能的耗散同时存在。

影响离子传导的参数有离子浓度、离子迁移率和溶液温 度，每个离子溶液至少有二种离子组分，每个离子组分根据自己的浓度和迁移率传导电流。随离子浓度的增加，耗散因子增加，因而也提高了离子传导对微波加热的贡 献。因为温度影响离子的迁移率和离子浓度，所以，离子溶 液的介质损耗也随温度而变化。在加热样品的过程中，介质损耗随温度而变化，水的温度上升，介质损耗下降。随着水温上 升，水的转动频率与输入微波频率之间的差异增大，导致水 的微波吸收率降低。

因为粘度可以影响分子运动，所以/它也影响样品吸收 微波能的能力（介质损耗必粘度效应阻止了分子的迁移，使 分子很难传递微波能量。因而，粘性介质耗散因子低，粘度 降低，介质耗散因子增大。

1. 偶极子极化和离子传导对微波能量转化的影响

    温度在很大程度上决定了这二种作用对能量转化（偶极子转动或离子传导）的相对献。像水和其他溶剂那样的小 分子，随着样品温度的升高，偶极子极化对样品介质损耗的 贡献降低；相反，随温度升高，离子传导产生的介质损耗增 加。所以，用微波能加热离子样品时，随着温度的增高，样 品的介质损耗由最初的偶极子极化占主导，变为离子传导占 主导。

如果离子的迁移率和样品离子的浓度低，那么，偶极子 极化基本上确定了样品的加热作用。相反，当样品离子的迁 移率和浓度增加时，离子传导将控制微波加热过程，随着离 子浓度的增加，介质损耗提高，加热时间减少（加热时间还与微波系统的设计和样品量的大小有关。

2^样品量的影响

    在具有高损耗的大食品样品中，在样品体^积超出微波能 穿透深度的加热过程中，可通过分子碰撞的热传导实现，因 此，样品的表面或近表面的区域的温度将更高些。而一旦出 现这种情况，容器壁的热损失就将变得十分重要6少量食品 样品具有消解均匀的优越之处，但也有不足。样品量的减少，样品吸收的微波能量降低，即样品量少，未 被吸收（反射〉的微波能量大，这样对磁控管有危害所以， 在微量食品样品的分析中，最好使用有专门匹配设计的微波 制样系统，以防止反射。

样品吸收微波功率的上限就是微波输入功率的上限。如 果样品量和所需要的加热温度超过了微波炉加热能力的上 限，就不应用微波来消解了。一般微波溶样中能准确重复的 样品量为25〜358。

3^微波溶样速度的研究

用传统法加热一个普通食品湿法消解样品需要1〜2卜， 有些可能要更长时间；而开口容器微波加热消解同样一个样 品可以在5〜15111丨II内完成。

影响微波溶样速度的参数主要有两个，它们是所用酸的 浓度和酸的介质驰豫时间。其中，介质驰豫时间是电介质极 化方面的一个概念，它是指介质极化的变化与电磁场变化的 时间差。酸的介质驰椽时间一般是不变的（也正是由于介质 的这种“惯性”，在条件允许时，可选用合适的微波频率快速 加热样品八在电磁场作用下，具有永久或诱导偶极矩的物质 分子，其偶极子极化具有一定的方向性。微波电磁场增强时， 极性分子具有一定的取向；当电磁场减弱时，极性分子又重 新恢复到原来的状态或热运动的无序状态。如不考虑量子效 应，则将63^的分子回到原来状态所需要的时间称为驰豫时 间。在驰豫时间内，微波电磁场能不可逆地变成热能使介质 发热。在2 4501^^下，每秒内分子的定向极化和热无序状态 变化108次以上，因而加热非常快，因此，偶极子极化产生的 热效应与样品的特征介质驰豫时间有关。

以上从理论上阐述了微波溶样所涉及到的基础知识。微波溶样的加热机制与经典方法有根本的不同，它的最大特点 是加热速度快。然而，要将这一优势变成现实，还需要有可 靠的微波设备和辅助工具。