微波消解系統(tǒng)

微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無(wú)線(xiàn)電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱(chēng)，即波長(zhǎng)在1米(不含1米)到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱(chēng)。微波頻率比一般的無(wú)線(xiàn)電波頻率高，通常也稱(chēng)為"超高頻電磁波"。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類(lèi)東西，則會(huì)反射微波。

(1) 金屬材料不吸收微波，只能反射微波。如銅、鐵、鋁等。用金屬(不銹鋼板)作微波爐的爐膛，來(lái)回反射作用在加熱物質(zhì)上。不能用金屬容器放入微波爐中，反射的微波對(duì)磁控管有損害。

(2) 絕緣體可以透過(guò)微波，它幾乎不吸收微波的能量。如玻璃、陶瓷、塑料(聚乙烯、聚苯乙烯)、聚四氟乙烯、石英、紙張等，它們對(duì)微波是透明的，微波可以穿透它們向前傳播。這些物質(zhì)都不會(huì)吸收微波的能量，或吸收微波極少。物質(zhì)吸收微波的強(qiáng)弱實(shí)質(zhì)上與該物質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)有關(guān)，即損耗因子越大，吸收微波的能力越強(qiáng)。家用微波爐容器大都是塑料制品。微波密閉消解溶樣罐用的材料是聚四氟乙烯、工程塑料等。

(3)極性分子的物質(zhì)會(huì)吸收微波(屬損耗因子大的物質(zhì))，如:水、酸等。它們的分子具有永久偶極矩(即分子的正負(fù)電荷的中心不重合)。極性分子在微波場(chǎng)中隨著微波的頻率而快速變換取向，來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，使分子間相互碰撞摩擦，吸收了微波的能量而使溫度升高。我們吃的食物，其中都含有水份，水是強(qiáng)極性分子，因此能在微波爐中加熱。下面，我們可以進(jìn)一步理解微波消解試樣的原理。

為了防止民用微波功率對(duì)無(wú)線(xiàn)電通訊、廣播、電視和雷達(dá)等造成干擾，國(guó)際上規(guī)定工業(yè)、科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)及家用等民用微波的頻率為2450MHz。因此，國(guó)際上通用的微波消解儀所使用的頻率基本上都是2450MHz，工業(yè)用微波消解儀和家庭用微波爐基本都是在這個(gè)赫茲范圍之內(nèi)。

首先，我們來(lái)了解一下微波的特性，從而可以了解什么物質(zhì)吸收微波？什么物質(zhì)反射微波？什么物質(zhì)對(duì)微波沒(méi)有任何影響？

（1）吸收微波的物質(zhì)?

極性分子的物質(zhì)會(huì)吸收微波（屬損耗因子大的物質(zhì)），如：水、酸等。它們的分子具有永久偶極矩(即分子的正負(fù)電荷的中心不重合)。極性分子在微波場(chǎng)中隨著微波的頻率而快速變換取向，來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，使分子間相互碰撞摩擦，吸收了微波的能量而使溫度升高。我們吃的食物，其中都含有水份，水是強(qiáng)極性分子，因此能在微波爐中加熱。

（2）反射微波的物質(zhì)

金屬材料不吸收微波，只能反射微波。如銅、鐵、鋁等。用金屬（不銹鋼板）作微波爐的爐膛，來(lái)回反射作用在加熱物質(zhì)上。不能用金屬容器放入微波爐中，反射的微波對(duì)磁控管有損害。

（3） 穿透微波的物質(zhì)

絕緣體可以透過(guò)微波，它幾乎不吸收微波的能量。如玻璃、陶瓷、塑料（聚乙烯、聚苯乙烯）、聚四氟乙烯、石英、紙張等，它們對(duì)微波是透明的，微波可以穿透它們向前傳播。這些物質(zhì)都不會(huì)吸收微波的能量，或吸收微波極少。物質(zhì)吸收微波的強(qiáng)弱實(shí)質(zhì)上與該物質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)有關(guān)，即損耗因子越大，吸收微波的能力越強(qiáng)[2]。家用微波爐容器大都是塑料制品。微波密閉消解溶樣罐用的材料是聚四氟乙烯、工程塑料等。

微波消解儀主要用于重金屬元素及有害元素檢測(cè)，如鉻、鎘、汞、砷、鉛等。

主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

（1）環(huán)境，包括大氣、土壤、水等。

（2）食品，包括乳制品、糧油、飲料、茶葉等。

（3）其他領(lǐng)域，如涂料、塑料、玩具等。

微波消解儀與普通的電爐加熱相比，不僅加熱速度快，還具有以下二個(gè)獨(dú)特的功能。

（1）體加熱功能

電爐加熱時(shí)，是通過(guò)熱輻射、對(duì)流與熱傳導(dǎo)傳送能量，熱是由外向內(nèi)通過(guò)器壁傳給試樣，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式加熱試祥。微波加熱是一種直接的體加熱的方式，微波可以穿入試液的內(nèi)部，在試樣的不同深度，微波所到之處同時(shí)產(chǎn)生熱效應(yīng)，這不僅使加熱更快速，而且更均勻。大大縮短了加熱的時(shí)間，比傳統(tǒng)的加熱方式既快速又效率高。如：氧化物或硫化物在微波（2450MHz 、800W）作用下, 在1min內(nèi)就能被加熱到攝氏溫度幾百度。又如二氧化錳1.5 克在650W微波加熱1min可升溫到920K，可見(jiàn)升溫的速率非常之快。傳統(tǒng)的加熱方式（熱輻射、傳導(dǎo)與對(duì)流）中熱能的利用部分低，許多熱量都發(fā)散給周?chē)h(huán)境中，而微波加熱直接作用到物質(zhì)內(nèi)部，因而提高了能量利用率。

（2） 存在過(guò)熱現(xiàn)象

微波加熱還會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象（即比沸點(diǎn)溫度還高）。電爐加熱時(shí)，熱是由外向內(nèi)通過(guò)器壁傳導(dǎo)給試樣，在器壁表面上很容易形成氣泡，因此就不容易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，溫度保持在沸點(diǎn)上，因?yàn)闅饣沾罅康臒?。而在微波?chǎng)中，其”供熱“方式完全不同，能量在體系內(nèi)部直接轉(zhuǎn)化。由于體系內(nèi)部缺少形成氣”泡”的“核心”，因而， 對(duì)一些低沸點(diǎn)的試劑，在密閉容器中，就很容易出現(xiàn)過(guò)熱，可見(jiàn)，密閉溶樣罐中的試劑能提供更高的溫度，有利于試樣的消化。

由上討論可知，加熱的快慢和消解的快慢，不僅與微波的功率有關(guān)，還與試樣的組成、濃度以及所用試劑即酸的種類(lèi)和用量有關(guān)。要把一個(gè)試樣在短的時(shí)間內(nèi)消解完，應(yīng)該選擇合適的酸、合適的微波功率與時(shí)間。