什麼是微波消化?微波消化的原理及目的

2022-02-16

關鍵字:微波消化快速入門

什麼是微波消化?微波消化的原理及目的

日常生活中聽到的「消化」,意指生物攝取食物後,將之分解成足夠小的水溶性分子,這些小分子便可穿過腸壁,隨血液循環全身,讓身體細胞得以吸收利用的過程。在重金屬分析程序中,由於許多樣品含有固體或大分子,若想用ICP-AES(感應耦合電漿原子發射光譜儀)或ICP-MS(感應耦合電漿質譜儀)等主流的重金屬分析儀器來測定重金屬含量,則必須先將樣品中的固體或大分子分解成更小的分子甚至是離子,使樣品變成澄清均勻的液體,後續才有辦法分析;這樣的程序與生物體的「消化」邏輯相似,都需要將大分子分解成更小的形式,所以同樣被稱為「消化」。

那麼,消化實驗到底該怎麼做呢?傳統的樣品消化方式主要分為兩大類:

一、濕式消化法:將樣品與消化試劑放進燒杯中,再用加熱板加熱。

開放熱加熱

二、乾式灰化法:將樣品放入坩堝中,用灰化爐以數百度C的溫度進行灰化,把樣品燒到會剩下一些灰燼,再把消化試劑與灰燼混和,用加熱板加熱消化。

開放熱加熱

舉個實際例子:

若想分析八寶粥的重金屬濃度,由於八寶粥含有大量固體、澱粉與糖份,無法直接進樣到分析儀器分析,我們可以選擇濕式消化法,將八寶粥與硝酸一起加熱數小時,八寶粥中的固體與澱粉等大分子會被分解成更小的分子或離子,變成澄清的消化液,將消化液送進分析儀器裡,不到一分鐘,就可以計算出八寶粥的重金屬濃度了。

濕式消化與乾式灰化法,都不是什麼複雜的樣品處理技術,非常容易學習,也是廣為人知的公告標準方法,但都有著以下缺點:

  1. 處理時間長

無論是濕式消化或乾式灰化,通常都得花上數小時的處理時間;若樣品是難分解物質(例如礦物或特殊合金等),甚至要不斷添加新鮮消化試劑,並持續加熱一整天或好幾天才可能完全消化。

  1. 腐蝕性試劑的蒸氣危害

消化實驗會用到各種強酸,硝酸、鹽酸、硫酸甚至是毒性很強的氫氟酸;這些酸在燒杯裡加熱時勢必大量蒸發,這些酸蒸氣可能會損害抽風櫃、加熱板、實驗設備、甚至實驗人員健康。

  1. 揮發性金屬元素經長時間加熱後散失

汞、砷之類的揮發性元素在長時間加熱或灰化後易散失,影響實驗回收率與穩定性;若擔心揮發性元素的損失而縮短加熱時間,又可能導致消化不完全,同樣會影響回收率與穩定性。

  1. 浪費空間

消化實驗的加熱時間原本就較長,若樣品數量又多,為了提升實驗效率,勢必要準備多台加熱板與灰化爐來進行實驗,會大量佔用原本就寶貴的抽風櫃空間。

  1. 易遭受外界污染

長時間加熱會增加外來污染物質影響實驗的機會,像是空氣中的懸浮微粒、鏽蝕的抽風櫃或設備所掉落的金屬微粒等,都可能掉入燒杯而造成額外污染;若目標元素為鈉、鉀、鈣、鐵等環境中常見的元素時,可能對實驗結果造成顯著影響。

開放熱加熱

為了改善濕式消化法與乾式灰化法的缺點,運用微波作為加熱能量源的微波消化器出現了,它帶來了以下優點:

  1. 消化效率高

在過去的知識庫文章已經提到,微波可以加快反應速度;再者,微波消化用的反應瓶是密閉式的,所以能像壓力鍋一樣,運用壓力越大則沸點越高的物理現象,讓常壓沸點為121°C的硝酸能被加熱到210°C以上;依照「阿瑞尼斯反應速率方程式」,溫度每提升10°C,反應速率就提升約一倍,所以能將消化時間從數小時(甚至數天)壓縮到1小時內。

  1. 安全、穩定且再現性高

以密閉式消化瓶進行實驗,好處多多:

(1) 避免酸蒸氣外洩,提升實驗人員安全並避免實驗設備受酸氣腐蝕。
(2) 減少酸試劑消耗,降低成本。
(3) 避免外界污染物落入反應瓶中造成污染。
(4) 保護揮發性元素,避免揮發而降低回收率。

  1. 產量提高又省空間

微波消化系統專為消化實驗所設計,提供專用於微波消化實驗的反應瓶,可同時放入數十支樣品一同消化;此外,微波消化系統不須放在抽風櫃內,裝設所需的空間僅與傳統高溫灰化爐相當。

從1985年美國CEM公司開發出全世界第一台微波消化器後,微波消化法逐漸取代濕式消化及乾式灰化法,新技術所帶來的速度、安全、實驗穩定性以及再現性等,皆完全勝過傳統前處理方法,成為重金屬樣品前處理方法的主流;此外,因應新法規、基礎科學研究、QA/QC與科技發展的需求,分析實驗室逐漸往超微量分析靠攏,傳統的樣品前處理方式易受外界污染物干擾,還得擔心待測物於加熱時揮發,勢必成為超微量分析的阻礙,這些都是微波消化在市場上成為主流的原因。

若您對微波消化還有更多問題,或是想了解更多的儀器資訊,歡迎來電洽詢 02-2728-2767或 來信與我們聯繫

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