微波加速萃取標準方法— SW-846 Method 3546與未來發展

2016-11-11

微波加速萃取標準方法— SW-846 Method 3546與未來發展

1999年起,CEM開始評估微波加速萃取技術(Microwave Assisted Extraction,MAE)發展的可能性,美國環保局爾後也開始推廣使用SW-846 Method 3546來萃取固態基質樣品中的有機化合物,直至2015台灣也隨著環檢所的微波萃取方法草案公布而跟上了這波新興萃取方法的潮流。這一段時間以來微波加速萃取技術的應用範圍愈趨廣泛,而微波加速萃取裝置的設計也相對簡化,大大地提升產量與操作簡易性,本文探討了微波萃取技術的硬體與未來的相關應用方向。

美國國家環境保護局USEPA微波萃取方法

在1999年,微波加速萃取(MAE)為溶劑萃取的新技術,第一個被認證的是加州環境技術認證計畫。此方法用於土壤、沉積物與汙泥中的半揮發性有機化合物,縮減了樣品萃取時間與溶劑的使用量,並減少樣品的批次準備時間,對於數據產出有著顯著的改善,而回收率可達到與傳統方法一致的水準。

表1  微波加速萃取技術應用於土壤、沉積物與汙泥中的半揮發性有機化合物萃取回收率

之後,美國環境保護局(USEPA)評估固體廢棄物(SW-846)的測試方法,內容包括取樣、樣品製備、分析以及報告是否符合資源保護與回收法(RCRA)。最終,微波萃取(方法3546)在2008年被正式列入SW-846手冊第三版最後的更新內容。微波萃取是以溫控的方式使用微波加熱密閉容器中的固體樣品與溶劑基質的一種萃取方式。在密閉環境下,溶劑溫度可高於溶劑的常壓沸點,萃取效率比傳統標準索式萃取好,溶劑的使用量一個樣品只要約25~50毫升。

美國材料和試驗協會ASTM微波萃取方法 

ASTM是一個國際標準組織,發布非官方的一致技術標準,包括測試方法定義方法、方法驗證與與結果的準確性,測試結果可用於來評估是否符合標準規範。

ASTM有三個方法採用MAE技術,如下:

  1. ASTM 5765–05(2010)是溶劑萃取的標準方法,使用微波能量加熱密閉容器中的固體沉積物與溶劑來萃取樣品中的總石油烴。利用密閉式微波加熱土壤或沉積物使用丙酮或己烷至150°C,再以氣相層析(GC)或重量分析技術來進行後端分析。
  2. ASTM D6010-12是利用密閉式微波萃取固態基質中有機化合物的標準方法。使用密閉式微波加熱樣品(土壤、沉積物、汙泥或廢棄物)溶劑為丙酮-己烷混和在115°C下萃取。適合使用GC或GC-MS進行後端分析。此標準程序可縮減樣品製備時間、溶劑使用量與人力。
  3. ASTM D7210-13是萃取聚烯烴塑膠中的添加劑的標準方法,可從研磨聚烯烴塑膠中萃取酚類抗氧化劑、亞磷酸脂抗氧化劑、UV穩定劑、抗靜電劑與潤滑添加劑,後續再利用層析儀進行後端分析。

磷苯二甲酸酯主要用作來增加塑膠的可塑性與耐用性,但它會產生影響健康的問題所以正在逐步淘汰使用。消費者產品安全委員會(CPSC)於2010年4月頒布測試方法CPSC-CH-C1001-09.3,鄰苯二甲酸酯的測定標準操作程序。在兒童玩具和兒童護理用品中的鄰苯二甲酸成分分析是在消費品安全改進法案第108試驗,實驗方法則基於EPA method 3546。

微波萃取儀器設備上的革新

微波加速萃取方法是利用微波能量來加熱固態樣品與混和溶劑,使樣品中的有機化合物分離到溶劑當中。最常見的方式是在溫度控制下進行密閉容器的萃取,可將溶劑加熱至沸點以上,進而加快萃取速度。

表2 不同萃取技術之比較

批次式微波系統

新型的微波反應系統除延續傳統微波系統之功能外,更具有智能型瓶組判斷技術,使樣品在使用量、安全性、樣品攪拌與間接加熱等的溫度控制方面有顯著的增強,可自行計算瓶數與瓶組的種類來計算所需要的微波功率,以設定適合該樣品的溫度與時間,系統可以辨識的瓶組類型和數量隨後施加正確的微波能量來完成萃取,可大大地減少操作者的錯誤。

圖1:批次式微波系統示意圖

此外,最新的反應瓶只有三個組件:瓶身、瓶塞與瓶蓋,大幅簡化反應瓶組件。在75ml瓶組最高可達40個反應瓶,每批次可處理大量樣品。110ml瓶組最大批次量為24個反應瓶,無論哪一種體積瓶組都擁有自我調壓功能的安全機制,如果瓶內壓力超過瓶組使用限值會自動調節壓力。110ml瓶組亦可選用一次性玻璃襯管,避免樣品交叉污染。

前一代的系統,假定其他瓶組擁有相同的微波吸收升溫能力,在同一批次的樣品中選一瓶含有樣品與試劑的瓶子,插入溫度感測裝置,以該瓶的溫度來調節回饋功率輸出,以維持目標溫度。現在亦有紅外線溫度控制系統可選擇,該溫控裝置會安裝於爐腔底下,轉盤在爐腔內旋轉便可偵測到每一支反應瓶的溫度,然後系統會將所偵測到的平均溫度來調節微波功率的輸出進而維持設定目標溫度,提高萃取過程中的溫度控制,也簡化了操作步驟。

圖2. 微波反應瓶組之偵測溫度

連續式密閉微波加速萃取系統

連續式密閉微波系統近期亦推出了萃取應用,該系統使用較小的聚焦式爐腔,並且具有自動機械手臂,可自動進樣與退樣。當樣品瓶受到微波能量照射下可達到升溫的效果,最高耐熱溫度為300°C,壓力為400 Psi,可輕易的滿足萃取所需要的條件。

圖3. 連續式密閉微波加速萃取系統示意圖

由於每一個反應瓶的溫度都受到紅外線溫度控制裝置所監測,溫度數據回饋用於調節微波功率的輸出。系統內建電磁攪拌系統,可使用攪拌子讓樣品與溶劑基質充分混和。在微波供應結束後,空氣壓縮氣體能快速冷卻反應瓶,冷卻時間大約五分鐘。

連續式的是用瓶組規格為5~80ml工作體積範圍為2~50ml,材質可選擇玻璃或石英,瓶蓋與瓶蓋內襯材質為鐵氟龍材質,以減少汙染問題。自動手臂所使用的瓶架與反應瓶種類皆可調整,最常見的為48~60個10ml瓶組和24個80ml瓶組。

連續式密閉微波加速萃取系統的優勢

  1. 個別樣品採用各自獨特的萃取方法。
  2. 精確的控制每一個樣品溫度。
  3. 不同的樣品可以在樣品瓶架上做分類處理。
  4. 樣品可使用不同的萃取液。
  5. 在萃取程序結束後可立即將樣品移除。
  6. 小量樣品或是少量萃取液可使用10ml 萃取瓶處裡。

連續式微波萃取系統提供了相較批次式微波萃取系統更大的靈活性,這兩種系統都是使用  微波能量來升高樣品與萃取液的溫壓,在溫度壓力控制下藉由攪拌來加速萃取過程。對於實驗室的科學家們,須依據產量與樣品多樣性來選擇哪一種系統較符合需求。

微波加速萃取技術帶來新的應用領域

前述章節討論MAE的發展與相關方法,證明MAE技術被批准於特定的應用,而MAE技術目前主要運用在環境相關樣品的萃取上,然而科學家們通常利用現有的技術來探索新的應用,本章節便介紹MAE技術的其他應用領域。

汞物種型態:Leng 和他的團隊發表了一篇Speciation Analysis of Mercury in Sediments by HPLC Following Microwave-Assisted Extraction,以微波萃取沉積物中的汞物種,並使用使用HPLC-VGAFS分析。使用微波萃取技術檢測IAEA-405和ERM-CC580這兩種CRM,可得到良好回收率。

抗氧化劑:食物中的抗氧化物可降低心血管疾病與某些癌症的風險。2011年Mathur和他的同事以MAE與傳統溶劑萃取方式萃取植體中的抗氧化成分。結果顯示MAE技術下萃取的抗氧化活性較傳統方法來的有效。

活性藥物成分(API):從固態藥物中萃取活性藥物成分(API)是驗證藥物濃度重要的關鍵,Brannegan發表了Extraction Techniques Leveraging Elevated Temperature and Pressure,利用微波萃取可快速且簡單地排除與辨別低藥效的問題,微波加速萃取亦可在萃取過程中攪拌,加速萃取過程增加溶解度。

RoHS/WEEE:歐盟通過了有害物質限制(RoHS)與廢氣電子產品與電子設備(WEEE)的指令,但產生了一個問題,沒有可靠且具效益成本的測試方法,如從聚合物中萃取多溴聯苯(PBBs)與n多溴聯苯醚(PBDEs)。NSL開發了一個利用微波加速萃取PBBs與PBDEs的方法,該方法提供了節省時間與成本(人力、試劑與處理),具99%的回收率。

食品安全: 雙氰胺是白色結晶化合物,主要用於生產三聚氰胺,而三聚氰胺為導致腎結石的原因,檢測奶製品的中的雙氰胺可辨識出三聚氰胺。Shen和他的同事開發了用於嬰兒配方的微波萃取方法),在0.25ppm下於5%甲酸中有83%-93%的回收率。

精油:精油為高濃度、揮發性的油。可從香料植物中萃取,傳統的方法萃取精油是使用水蒸氣蒸餾或溶劑萃取,或使用冷壓機技術的機械處理的化學過程。Vian和同事開發了利用微波加速萃取不需要使用溶劑或水的精油萃取新技術,微波加速萃取精油的生產效益相當於使用傳統方法,但只需要六分之一的時間。

微波加速萃取為環境樣品檢驗的趨勢

在過去十五年裡,微波加速萃取已成為廣泛接受的環保檢測方式,不僅被EPA、ASTM、CPSC等驗證單位認可,中華民國環境檢驗所亦於2015年跟進,公布了微波萃取方法草案 (NIEA M194.00C)。微波加速萃取結合了高產量、減少溶劑使用量和簡易操作等優點,成為了很好的萃取方式。溫度監測、軟體控制、瓶組技術和自動化系統的進步,讓微波萃取成為環境樣品檢驗的未來趨勢。

欲了解更多的儀器資訊與實驗細節,歡迎來電洽詢 02-2728-2767或 來信與我們聯繫

欲了解更多的儀器資訊與實驗細節,歡迎來電洽詢 02-2728-2767來信與我們聯繫

參考文獻

  • Microwave-Accelerated Extraction — SW-846 Method 3546 and BeyondBobbie McManus, Michelle Horn, Steve Smith, Bob Lockerman, Greg LeBlancMay 02, 2014, Special Issues