微波辅助萃取技术原理

• 介质损耗角又称介电相位角。反映电介质 在交变电场作用下，电位移与电场强度的
位相差。在交变电场作用下，根据电场频
率、介质种类的不同，其介电行为可能产
生两种情况。对于理想介质电位移与电场
强度在时间上没有相位差，此时极化强度
与交变电场同相位，交流电流刚好超前电 压π/2。对于实际介质而言，电位移与电场 强度存在位相差。此时介质电容器交流电 流超前电压的相角小于π/2。由此，介质损 耗角等于π/2与介质电容器交流电流超差电 压的相角之差。
微波萃取的特点
3 体积加热
• 微波加热是一个内部整体加热过程，它将 热量直接作用于介质分子，使整个物料同 时被加热，此即所谓的”体积加热”过程。
微波萃取的特点
4 高效节能
• 由于微波独特的加热机理，除少量传输损 耗外，几乎没有其它损耗，故热效率高。
微波萃取的特点
5 易于控制
• 控制微波功率即可实现立即加热和终止， 而应用人机界面和PLC可实现工艺过程的自 动化控制。
表现在不太高的温度范围内，且各物质的最佳萃 取温度也不同。
微波萃取的主要影响因素
4 萃取时间 • 微波萃取时间与被测物样品量、溶剂体积
和加热功率有关。一般情况下，萃取时间 在10—15 min内。在萃取过程中，一般加 热1—2 min即可达到所要求的萃取温度。 有研究结果显示，萃取率随萃取时间延长 而有所提高，但提高幅度不大，可忽略不 计。
微波萃取的优点
• 微波萃取则克服了上述方法的缺点，具有 设备简单、适用范围广、萃取效率高、重 现性好、节省时间、节省试剂、污染小等 特点。
微波萃取设备
微波萃取体系根据萃取罐的类型可 分为两大类:
密闭型微波萃取体系 开罐式萃取体系
根据微波作用于萃取体系(样品) 的方式可分为:
发散式微波萃取体系 聚焦式微波萃取体系。
Thanks
Akiko Tannabe , Shiperu Suzuki. Anal . Chem. , 1999 , 48 (10) :939～944
开罐式聚焦微波萃取系统
该体系与密闭微波萃取系统基本相似,只是其微波是通过一波导管将其聚 焦在萃取体系上,其萃取罐是与大气连通的,即在大气压下进行萃取(压力 恒定) ,所以只能实现温度控制。该系统将微波与索氏抽提结合起来,既采 用了微波加热的优点,又发挥了索氏抽提的长处,同时免去了过滤或离心 等分离的步骤。但该体系不足之处在于一次处理的样品数不能太多。 该类商品化的仪器有:Porlabo Soxwave 100
烷、苯和甲苯等； • 无机试剂：硝酸、盐酸、氢氟酸等； • 混合溶剂：己烷-丙酮、二氯甲烷-甲醇和水
-甲苯等。
微波萃取的主要影响因素
例如 • 正己烷作溶剂，从薄荷和大蒜等生物物料
中微波萃取精油； • 用正己烷-丙酮(1：1)混合溶剂从土壤和沉
积物中提取多环芳烃等有机污染物。
微波萃取的主要影响因素
微波萃取的特点
6 安全环保
• 整个过程无有害气体排放，不产生余热和 粉尘污染。
与其它萃取方法的对比
• 传统的索氏萃取、搅拌萃取和超声波萃取 等方法费时、费试剂、效率低、重现性差， 而且所用试剂通常有毒，易对环境和操作 人员造成危害。
• 超临界萃取虽然具有节省试剂、无污染等 优点，但是回收率较差；为了获得超临界 条件，设备的一次性投资大，运行成本高， 而且难于萃取强极性和大分子质量的物质。
• 常规加热：由外部热源通过热辐射由表及里的传 导方式加热。
• 微波加热：材料在电磁场中由介质吸收引起的内 部整体加热。
微波萃取的机理
3 能量转换
• 微波加热意味着将微波电磁能转变成热能，其能
量是通过空间或介质以电磁波的形式来传递的， 对物质的加热过程与物质内部分子的极化有着密 切的关系。
微波萃取的机理
4 介电分子极化
• 根据参加极化的微观粒子种类，介电分子极化大 约可分成4种介电极化： ①电子极化，即原子核周围电子的重新排布； ②原子极化，即分子内原子的重新排布； ③转向极化(取向极化)，即分子永久偶极的重新 取向； ④界面极化，即自由电荷的重新排布。
微波萃取的机理
微波电磁场的弛豫时间为10-9~10-12 S 前两种极化要快的多(弛豫时间在10-15~1O-16 S
Budzinski H , Letellier M, Garrigues , Menach L K. J . Chromatogr. A , 1999 , 837 (122) :187～200
在线微波萃取系统
Cresswell 等在研究测定沉积物中PAHs时首先应用了了一种微波在线萃取技术， 该体系在萃取过程中可以不断的让新鲜的溶剂进入萃取罐,而萃取物可以通过 HPLC或GC/MS进行实时监测
• 微波萃取是利用微波能来提高萃取速 率的一种最新发展起来的技术。
基本原理
• 利用微波能来提高萃取率的一种最新发展 起来的新技术。它的原理是在微波场中， 吸收微波能力的差异使得基体物质的某些 区域或萃取体系中的某些组分被选择性加 热，从而使得被萃取物质从基体或体系中 分离，进入到介电常数较小、微波吸收能 力相对差的萃取剂中
微波萃取的主要影响因素
1 萃取溶剂 • 萃取溶剂的选择对萃取结果的影响至关重
要。微波萃取中首先要求溶剂必须有一定 的极性，以吸收微波能进行内部加热；其 次，所选溶的沸点
及其对后续测定的干扰。
微波萃取的主要影响因素
用于微波萃取的溶剂： • 有机溶剂：甲醇、丙酮、二氯甲烷、正己
微波萃取的特点
• 加热迅速 • 选择性加热 • 体积加热 • 高效节能 • 易于控制 • 安全环保
微波萃取的特点
1 加热迅速
• 微波能穿透到物料内部，使物料表里同时 产生热能，其加热均匀性好，且加热迅速。
微波萃取的特点
2 选择性加热
• 微波加热具有选择性，可通过选择适当的 溶剂来提高萃取效率，以期达到最佳的萃 取效果。
• 由于微波的频率与分子转动的频率相关连，因此 微波能是一种由离子迁移和偶极子转动而引起分 子运动的非离子化辐射能，当它作用于分子时， 可促进分子的转动运动，若分子具有一定的极性， 即可在微波场的作用下产生瞬时极化，并以 24．5亿次／s的速度作极性变换运动，从而产生 键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞，并迅速 生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出 并扩散至溶剂中。在微波萃取中，吸收微波能力 的差异可使基体物质的某些区域或萃取体系中的 某些组分被选择性加热，从而使被萃取物质从基 体或体系中分离，进入到具有较小介电常数、微 波吸收能力相对较差的萃取溶剂中。
微波萃取的机理
根据对微波的吸收程度，可将物质材料分成导体、 绝缘体和介质。 • 导体主要为金属，如铁、铝等，微波不能进入导 体，只能在其表面反射； • 绝缘体是指可透过微波而对微波吸收很少的材料， 如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等； • 介质可吸收微波，吸收程度可用tg§表示
微波萃取的分析
• 微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质 到达物料内部的微管束和腺胞系统的过程。 由于吸收了微波能，细胞内部的温度将迅 速上升，从而使细胞内部的压力超过细胞 壁膨胀所能承受的能力，结果细胞破裂， 其内的有效成分自由流出，并在较低的温 度下溶解于萃取介质中。通过进一步的过 滤和分离，即可获得所需的萃取物。
例如 • 有研究表明，以异辛烷为萃取剂分离沉积
物中的杀虫剂时，样品水分为15％时微波 萃取效率最高。
微波萃取的主要影响因素
3 萃取温度 • 在微波密闭容器中，由于内部压力达到十几个大
气压，使得溶剂沸点比常压下要高。因此，用微 波萃取可以达到常压下使用相同溶剂所达不到的 萃取温度，从而提高萃取效率，但又不至于分解 待测萃取物。萃取率随温度升高而增大的趋势仅
Cresswell S L , Haswell S J . Analyst , 1999 , 124 (9) :1361～1366
微波萃取的影响因素
• 萃取溶剂 • 萃取温度和萃取时间 • 溶液PH值 • 试样中的水分或湿度 • 基体物质
骆健美，卢学英，张敏卿，微波萃取技术及其应用，化工进展， 2001，20(12)：46-49
和10-12~10-13 S之间)，所以不会产生介电加热。
后两种极化的弛豫时间刚好与微波的频率吻合，
故可以产生介电加热，即可通过微观粒子的这种 极化过程，将微波能转变为热能。
微波萃取的机理
5 物质材料分类
• 物质吸收微波能的程度可用介质损耗角正切tg§ 来描述。
tg§=介电常数/介电损耗因子
物质吸收微波能的能力随tg§增大而增加。
2 物料中的水分或湿度 • 物料的含水量对回收率影响也很大。水是
极性分子，因此物料中含有水分才能有效 吸收微波能产生温度差。若物料不含水分， 就要采取物料再湿的方法，使其具有足够 的水分。也可选用部分吸收微波能的半透 明溶剂浸渍物料，置于微波场中进行辐射
加热的同时发生萃取作用。
微波萃取的主要影响因素
微波热效应 • 微波对生物体的热效应是指由 微波引起的生物组织或系统受 热而对生物体产生的生理影 响．热效应主要是生物体内有 极分子在微波高频电场的作用 下反复快速取向转动而摩擦生 热．
非热效应
• 微波的非热效应是指除热效应以外 的其他效应，如电效应、磁效应及 化学效应等．
微波萃取的机理
2 加热方式
例如 • 有文献考察了从土壤中萃取除草剂三嗪时
分别用NaOH、NH3-NH4Cl、HAc、NaAc 和HCl调节溶剂pH值对回收率的影响。结果 表明，当溶剂的pH值介于4．7～9．8时， 除草剂三嗪的回收率最高。
参考文献
• 微波萃取技术与应用，廖学红等 • 微波萃取技术研究进展，陈亚妮等 •
微波萃取技术
庚询 王飞 骆明川 邝允 李言 滕 旭、黄蓉、王倩、林帅
微波辅助萃取技术原理及仪器
王飞 骆明川 庚询 邝允 李言
微波萃取的机理
• 微波辅助萃取又称微波萃取 （Microwave assisted extractionMAE)，是微波和传统的溶剂萃取法相 结合后形成的一种新的萃取方法。
微波微波萃取的机理
微波
• 微波通常是指频率为3×108~3×1011Hz(波长1m 到1mm)的电磁波。
• 微波具有波动性、高频性、热特性和非热特性四 大基本特性。
• 微波加热能够透射到生物组织内部使偶极分子和 蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子 的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量 的产生。
微波萃取的主要影响因素
5 溶液的pH值 • 溶液的pH值也会对微波萃取率产生一定的
影响。针对不同样品，溶液有一个最佳的 用于萃取的酸碱度。
基体物质的影响
基体物质对微波萃取结果的影响可 能是因为基体物质中含有对微波吸 收较强的物质，或是某种物质的存 在导致微波加热过程中发生化学反 应。
微波萃取的主要影响因素
• 微波所产生的电磁场可加速被萃取组分的 分子由固体内部向固液界面扩散的速率。 例如，以水作溶剂时，在微波场的作用下， 水分子由高速转动状态转变为激发态，这 是一种高能量的不稳定状态。此时水分子 或者汽化以加强萃取组分的驱动力，或者 释放出自身多余的能量回到基态，所释放 出的能量将传递给其他物质的分子，以加 速其热运动，从而缩短萃取组分的分子由 固体内部扩散至固液界面的时间，结果使 萃取速率提高数倍，并能降低萃取温度， 最大限度地保证萃取物的质量。
李 核，李攻科，张展霞，微波辅助萃取技术的进展，分析化学，2003，10（31）：1261-1268
密闭式微波萃取体系
这类微波萃取体系是由一个磁控管、一个炉腔、监视压力和温度的监视装置及一 些电子器件所组成。其中在炉腔中有可容放12 个密闭萃取罐的旋转盘,其结构如 上图所示。该体系有自动调节温度、压力的装置,可实现温2压可控萃取。 该体系的优点是:待分析成分不易损失,压力可控。当压力增大时,溶剂的沸点也相 应增高,这样有利于待分析成分从基体中萃取出来。 该类型商品化的仪器有:CEM公司生产的MES1000和MDS2000及上海申科的MK-1 型微波炉等