微波設備萃取技術在環境分析中的應用

 微波設備萃取技術在環境分析中的應用

從古代時，人們就開始致力于將一種物質從另外一種物質中提取出來，但是那時候還缺乏科學的提取方法。自從化學提取法建立起來后，才從效率和速度上得到本質的提高。但是即使在今天，從混合物中分離、富集依然是一件費力費時的工作，特別是在復雜環境樣品分析應用中，還是碰到了相當的困難。環境分析最關鍵的步驟之一就是樣品的預處理，即從采集到的環境樣品基體中（如廢水、土壤、植物、食品、飼料等）提取出待測分析組分。多年來人們一直在探索速度快、消耗少、效率高且重復性好的提取方法，從傳統的溶劑振蕩萃取、索氏提取，超聲提取到新近發展起來的快速溶劑萃取和超臨界萃取，這些技術由于成本和效率等問題，在應用中都存在了一定的局限性，而80年代中期開始發展起來的微波萃取技術（Microwave Extraction Method）表現出了巨大應用潛力和良好發展前景，無疑成為了萃取技術中的佼佼者。

微波萃取技術起步較微波消解技術晚，還處于初始階段。微波消解應用得到充分驗證以后，N. Gedye等人于1986年將微波技術應用于有機化合物萃取，他們把將樣品放于普通家用微波爐中，通過功率/時間模式激發微波，幾分鐘就能萃取得到了傳統加熱需要幾個小時甚至十幾個小時才能得到的分析物。從此微波設備輻射技術應用研究激發了人們的興趣，逐漸從消解應用發展到了萃取應用。上世紀90年代，由加拿大環境保護部和美國CEM公司經過多年的研究，開發了新一代的微波萃取系統（MARSX），該系統采用了能量最小化技術，有效的防止了萃取物的分解，并提高了萃取回收率和重現行，并經過美國加州環保局對MARSX認證后，批準MARSX作為唯一標準萃取儀器。微波萃取技術的成功應用，因此微波萃取技術被美國環保局（USEPA）認定為標準方法EPA3546，應用于環境樣品中揮發性有機物和半揮發性有機物的萃取，也被ASTM采用為標準萃取方法。微波萃取技術現已廣泛應用到土壤分析、化工、食品、香料、中草藥、和化妝品等領域。

1. 微波原理和優勢

微波是指頻率為300到300 000MHz 的電磁波，介于紅外線和無線電波之間。民用微波頻率一般采用2450MHz，所對應能量大約為0.96J/mol，能級屬于范德華力（分子間作用力）的范疇，與化合物鍵能相差甚遠。USEPA通過對17種稠環芳香碳氫化合物、14種苯酚類化合物、8種堿性、中性化合物以及20種有機農藥的研究認證了微波萃取法不會破壞任何被測分析物的分子結構。

微波與物質相互作用主要是兩種方式：極性分子(如H2O)在微波電磁場中快速旋轉和離子在微波場中的快速遷移，從而相互摩擦而發熱。微波加熱方式與傳統加熱方式不同，微

波將能量直接作用于被加熱物質，空氣和器皿基本上不會損耗微波能量，這保證了能量的

快速傳遞和充分利用。

很多研究者在微波萃取作用理論上還存在分歧意見，但是微波對極性物質的提取的優

越性已得到了眾多研究者的肯定和支持。

微波萃取的優勢在于：

(1)選擇性好。微波萃取過程中由于可以對萃取物質中不同組份進行選擇性的加熱，因而能使目標物質直接從基體中分離。 

(2)加熱效率高，有利于萃取熱不穩定物質，可以避免長時間高溫引起樣品分解。

(3)萃取結果不受物質水分含量影響，回收率高。

(4)試劑用量少，節能、污染小。

(5)儀器設備簡單、低廉，適應面廣。

(6)處理批量大，萃取效率高，省時。基于以上的優點，微波萃取被譽為“綠色分析化學”。

2. 微波設備在環境分析中的應用

土壤和沉積物樣品含有大量必須被分析的有害物質，也是環境監測中不可缺少的重要

內容。但土壤中殘留有機污染物的提取一直是分析工作的薄弱環節, 主要原因是大多數有機

物, 特別是農藥與土壤有較強的耦合。在實驗室中，分析人員試著將這些有害物質如殺蟲

劑從固體中萃取出來，烴類污染物如總石油烴（TPHs），多環芳烴（PAHs），多氯聯苯

（PCBs），含氯殺蟲劑以及含氮或含磷的化合物是土壤和沉積物中最常被測定為污染物的

物質。

2.1 土壤和沉積物中PAHs 的萃取分析

1986 年Ganzler 等人用微波從土壤、種子、食物、飼料中提取了各類化合物，他們用微波加熱樣品和溶劑，水浴冷卻，并重復實驗，取得了最佳萃取回收率 [10]，從此開創了微波設備技術在環境萃取中的光明前景。

在許多種溶劑系統中，人們已能成功的將PAHs 從土壤中利用微波萃取出來。Lopez等人從土壤中提取有機物，使用己烷：丙酮（1:1）為萃取溶劑，在115℃下萃取15 分鐘，45 種有機氯農藥中38 種，47 種有機磷農藥中的34 種回收率均在80%～120%，并證明了用微波萃取法所得的有機氯農藥的回收率比索氏提取或者超聲波提取法至少高7%。在另外一篇文獻中，Lopez 等人分別用微波萃取粘土、上表層土和沙土中的PCBs，以及不同濕度的土壤中萃取PCBs，也取得了較好的結果[12]。由于許多環境（固態）樣品較濕，并可能含有大約50%的水分，水是很好的微波能吸收體，其存在可提高加熱速率。濕樣品能很快達到臨界萃取溫度，因此當有水存在時，所有分析物的回收率都有所提高。相比之下，濕基質和干基質中的PAHs 平均回收率為85%，而RSD 為10%。在采用微波萃取法時，幾乎所有從濕的和干的參照材料土壤中萃取污染物的回收率都比傳統的EPA 方法高。Lopez 及其同事還發現，從土壤中萃取PAHs，苯酚，堿性或中性化合物以及有機氯殺蟲劑時，無論土壤還是沉積物，對己烷：丙酮（1:1）混合物的加熱速率并沒有什么影響。PAHs還可在開放微波系統中，從上層土壤萃取到丙酮：己烷（1:1）混合物中。總收率與在微波下密閉容器中所得到的值相當，且兩種溶劑系統的效率無明顯差別。E.R.Noordkamp 等人也提出了一種從土壤和沉積物中用微波萃取的PAHs 的方法， 認為用N-methy1-2-pyrrolidinone(NMP)作為萃取溶劑，在130℃下萃取淤泥和沉積物中的PAHs是最有效的方法之一，回收率達到99%以上[13]。

2.2 有機氯和有機磷農藥的萃取分析

與陳土樣品相比，微波萃取法更易從新鮮的土壤樣品中萃取出污染物。而土壤陳置時間越長，收率越低。Onnska等人試用多種溶劑從泥渣中提取有機氯農藥殘留，效果很好。他們用微波萃取技術從水樣中提取多氯聯苯，回收率在64.17 %～85.15 %。最近,何小青等通過微波堿解有機氯的同時萃取富集多氯聯苯,消除土壤樣品多氯聯苯測定中有機氯農藥的干擾。

當用微波從新鮮土壤和各種土壤中萃取EPA 8141A列表中的47種有機磷化合物時，其中35種的收率在80～120%。還有一些如敵敵畏，收率為50～80%。而二溴磷及HMPA的收率則較低，小于20%。萃取陳置14天的樣品效果較好：其中有37種他們的收率大于80%，一些為50%，一些則大于120%。而對于陳置21天的樣品，其中35的收率為80～120%。而二溴磷和亞胺硫磷的回收則低于50%。

微波加熱有機磷除草劑的水相萃取已取得了一定程度上的成功，因為與PAHs和有機氯化物相比，它們在水中的溶性較高。Steinheimer描述了一個以微波輔助，從農用土壤中萃取了阿特拉津及其主要代謝物。而分析物的回收率與普通萃取比起來相當或者更高，并且樣品的預備時間大量縮短。

戴暉研究了微波萃取技術提取土壤中的六六六、滴滴涕，再利用毛細管氣相色譜分離,微電子捕獲檢測器檢測，實驗結果表明微波萃取7min效果最好，色譜分析只需11min。萃取回收率在90%～105%之間，相對標準偏差小于10%。該方法簡便、快速，是測定土壤中有機氯農藥殘留的高效方法之一。

2.3總石油烴的萃取

在密閉容器中采用微波技術，將總石油烴（TPHs）從環境樣品如土壤中萃取出來，是相當容易的一件事。透過微波將TPHs用丙酮：己烷（1:1）從5克土壤中完全萃取出來，在150℃下只需15分鐘。回收數據和7-，24-小時以Soxhlet萃取的TPH值相當。柴油機所用有機物質也能在150度下，用丙酮:己烷（1:1）的溶劑從濕土壤中被萃取出來，時間僅需15分鐘。丙酮:己烷（1:1）的微波萃取比同樣溶劑的超聲處理來的好。220mg/kg時氣相色譜和火焰離子化檢測(GC/FID)表明，提取回收率為100～113%。用微波和超聲處理對含No.2柴油燃料990mg/kg的干燥參考土壤進行萃取時在丙酮：二氯壓甲烷（1：1）中，微波提取的收率為95%，而超聲處理為78%。超聲處理每個樣品需要30-500mL的溶劑；微波萃取僅需用30mL便可完成。

2.4 其他

除了以上有機物以外，環境中還存在著廣泛分布的砷，有機錫和有機汞等有害重金屬。這些化合物基質的分析是重要的環境監測，最近，Croteau等人提出了一種快速的微波處理過程以萃取3-硝基-4-羥基苯胂酸，它是一種取自動物組織的飼料添加劑。

相比之下水生環境是有機錫的富集區，它們在沉積物或是海洋生物中積累。Donard及其同事發現被高度替代的TPTs 和TBTs經微波加熱后，在水環境中（淡水和鹽水）主要分解為無機錫，但它們在異辛烷和甲醇中能存留較長，并可用透過乙酸酸化的乙醇將其從濕沉積物中快速、有效的萃取出來。

3. 結語

微波萃取技術不僅僅用于了環境分析，在其他許多領域也得到了廣泛應用。從以上的文獻總結和分析可以看出，微波萃取作為環境樣品前處理技術，不僅具有簡便快速、試劑用量少、回收率高、處理批量大等優點，而且實現了分析人員勞動強度小、實驗室環境保護和自動化控制，在環境分析中具有非常誘人的應用前景。