微波技术在地理学实验中的应用综述

吴 彬，臧淑英

(哈尔滨师范大学 黑龙江省高校地理环境遥感监测重点实验室，黑龙江 哈尔滨150025)

0 引 言

近些年，随着科学的进步和电子、计算机技术的迅猛发展，国内外研制出许多高效率的用于地理学实验样品分析的仪器。因此，地理实验样品的前期处理过程中消解时间和消解速度问题日益受到重视。微波密闭消解技术处理样品便应运而生并且受到广泛的应用，现已逐渐深入到工业、农业、制药、化学、环境等各个领域［1］。本研究将重在详细阐述微波消解技术在地理学实验样品预处理过程中的应用。

1 微波消解的原理及组成

微波密封消解是用频率为2 540 MHz 的电磁波能量来加热反应液的，在高频微波作用下反应物分子产生高速摩擦运动使其迅速升温［2］。分子间的剧烈碰撞搅动并清除已溶解的试样表面，促进酸与试样更有效的接触，从而使样品迅速地被分解。

微波消解设备由微波炉和消解罐组成，地理学实验室专用微波炉具有防腐蚀排放装置和具有耐各种强酸腐蚀的涂料以保护炉壁。内有压力、湿度控制系统，能实时监控消解操作中的压力或温度，其磁控管工作时间为1s，使微波场强均匀以保证消解条件的重复稳定［3］。消解罐的材料使用低耗散微波的材料制成即这种材料不吸收微波却能允许微波通过，它必须具有化学性能稳定和热稳定性。因此，制作消解罐可以选择聚四氟乙烯、全氟烷氧基乙烯这样的理想材料。

2 微波消解与常规方法的比较

通过研究发现在对地理学样品进行预处理时，微波消解与常规的消解方法相比具有明显的优势，归纳为以下几点:

(1) 加热快、升温高、消解能力强、大大缩短了溶样时间。消解各类样品可在几min 到20 min 内完成，比传统的电热板消解速度快10 ～100 倍。如凯氏定氮法消解试样需3 ～6 h 而用微波消解只需9 ～18 min，速度快20 倍左右。快速消解的原因来自于微波对样品溶液的直接加热和罐内迅速形成的高温高压。

(2) 消耗试剂少、空白值低。消解一个样品一般只需15 mL 的酸溶液，只有传统方法用酸量的几分之一。因为密闭消解酸不会挥发损失，不必为保持酸的体积而继续加酸，节省了试剂也大大降低了分析空白值，减少了试剂带入的杂质元素的干扰，空白值也明显减小了。

(3) 避免了挥发损失和样品的二次污染。提高了分析的准确度和精密度，回收率实验获得令人满意的结果。采用密闭的消解罐，避免了样品中或在消解过程中形成的挥发性组份的损失，保证了测量结果的准确性。也避免了样品之间的相互污染和外部环境的污染。适于痕量及超纯分析和易挥发元素，如As、Hg 的检测。电热板上加热挥发性成分跑掉了，空气中的灰尘等落入烧杯或几个杯子靠近溅出物相互污染。挥发损失少了试剂带入的干扰元素就减少了受污染的情况也相应减少了，自然回收率实验更满意。微波消解系统能实时显示反应过程中密闭罐内的压力、温度和时间3 个参数［4］。并能准确控制反应的重复性好坏，准确度和精密度都大大提高。

(4) 降低了劳动强度，改善了工作环境。常规消解方法在电热板上煮酸消解样品，尽管有通风柜，仍然是周围酸雾缭绕。不仅分析人员深受其害也腐蚀了实验室内其他设备。现在在密闭的罐中消解，挥发的酸大大减少，有效地改善了分析人员的工作环境。由于消解样品的速度加快、分析时间缩短，同时，分析的准确度与精密度又得以提高，显著地降低了劳动强度提高了工作效率［5］。

3 微波消解技术在地理环境样品分析中应用

微波溶样技术是一种新发展的样品预处理技术，因其处理样品过程中的高效性和准确性，在诸多领域得到了广泛的应用。例如在冶金、地质、CIQ、质量监督、食品、制药等行业以及在地理环境研究、生物监测等诸多科研部门都将微波消解技术作为首选的样品预处理技术手段。以下则是几种常见的地理环境样品在微波消解中的应用，经过与标准的消解方法相比，准确度和精密度均无显著性差异，证明了该方法在实际研究中的可行性。本研究则为从事地理科研的专业人员在地理学环境样品预处理过程中提供了一种省时、有效的方法，值得广泛推广和应用。

3.1 高锰酸钾指数

高锰酸盐指数是反映天然水体和生活污水中还原性污染物含量的一个重要指标［6］。传统的定容法测定过程耗时长、耗能高、人为操作不方便，故采用聚四氟乙烯消解罐密封加热方法。用移液管吸取50 mL 的水样放于消化罐中，并加入10 mL 0.01 mol/L 的高锰酸钾溶液，2.5 mL(1 +3)硫酸，摇匀，旋紧密封盖，将10 个消化罐对称放入微波炉腔，设置加热功率和加热时间。加热完毕后取出放冷后，将反应液转入250 mL的锥形瓶中，加入(5 ±0.5)mL 硫酸，用滴定管加入10.00 mL 高锰酸钾溶液摇匀。此后的操作和计算方法于国标相同。并将测定值与国标方法测定值进行比较。经比较，用50%的功率消解16 min，70% 功率消解12 min，100% 功率消解6 min 的测定值与国标方法测定值相一致。并且统计学分析结果通过了t 检验。证明了微波密封快速消解测定高锰酸盐指数的方法具有较高的精密度和准确度［2］。

3.2 水样总磷、总氮

氮、磷是生物生长所必须的营养元素，也是导致水体富营养化的限制性因素之一［7］。因此，测定地理研究区采样点的水体中的总磷、总氮是进行水体污染状况评价的一项重要内容。但是传统的过硫酸钾高压蒸汽消解法等消解方法存在着时间过长，操作繁琐的缺点。因此采用微波溶样技术在同一消解液中测定水样中的总氮、总磷，提高了工作效率。

准确地吸取均匀水样10 mL，碱性过硫酸钾溶液10 mL 于消解罐中，旋紧其外盖，每次将10 个消解罐均匀放在微波炉负载盘上进行消解。消解完后取出消解罐用水冷却至室温，用去离子水将内盖冲洗干净后置入50 mL 的比色管中，调节pH 值，定容至50 mL。消解之后进行水样总氮的测定，用移液管准确的移取20 mL 消解液于小烧杯中，加入5 mL 总离子强度缓冲剂，在由硝酸根电极与甘汞电极组成的电池里测量其电动势，稳定后记下读数A1;再加入1 mL 含硝酸盐氮100. 0 mg/ L 的标准液，稳定后记下读数A2。

水样中总磷的测定，取水样10 mL，加入浓硝酸4 mL，过氧化氢2 mL 至微波溶样系统消解。冷却至室温后加入酚酞指示剂1 滴，滴加6 mol/L NaOH 至刚呈微红色，滴加盐酸(1 +1)使微红色刚刚褪去并充分混匀，移入50 mL 比色管中定容至标线。加入抗坏血酸1 mL 与2 mL 钼酸铵溶液，显色后用比色皿在Lamda35 紫外分光分光光度计上进行测定，绘制磷标准曲线计算回归方程最终求出磷的含量［8］。微波溶样法预处理地理样品与常规高温高压消解法的测定结果具有可比性，总氮、总磷的加标回收率高，结果令人满意。且操作简便、快速省时，是一种值得推广的样品预处理方法。

3.3 环境水样COD 的测定

化学需氧量是评价水体有机污染的一项重要的指标。目前，多采用重铬酸钾和高锰酸钾指数法测定［9］，两种常规方法都需要加热回流，实验过程长、能量损耗大、二次污染严重。采用微波消解方法来测定水中化学需氧量取得了令人满意的结果。吸取5 mL水样于密封微波消化罐中，加入0.1 g 硫酸汞和10 mL 硫酸银-硫酸混合溶液，再加入已稀释2 倍的重铬酸钾溶液5 mL，摇晃混匀并旋紧密封盖将其放入微波炉中，可根据实际情况做平行试样于中高档功率(600 W)下消解4 min，迅速取出冷却至室温，在波长350 nm 下测定其吸光度，分光光度计可自动从工作曲线参数中得出COD 的测定结果［10］。微波方法与标准方法比较，大大减少了化学试剂的使用量，方法相对简单、操作速度快，可避免在人为滴定过程中的误差，实验结果取得令人满意的效果。

3.4 土壤沉积物重金属

近些年来，随着工业和各种加工制造业的发展以及海洋资源的大力开发，越来越多的重金属污染物被排放到海洋环境里，且富积于沉积物中。因此，对于地理工作者来说研究土壤沉积物中的重金属含量可以为管理决策者制定海洋及水污染防治措施提供依据。

为了快速准确地检测出重金属的含量，采用微波消解方法称取土壤样品0.25 g，置于微波消解罐中，加入硝酸5 mL，氢氟酸2 mL，过氧化氢1 mL，加盖密封，放入微波消解炉中，按650 W 的功率，8 min 220℃工作条件消解，待冷却至室温后，转移至聚四氟乙烯烧杯中，在电热板上加热赶酸，待酸赶尽，加入少量(1 + 5)硝酸溶液，温热溶解残渣，转移至25 mL 容量瓶，并加入相应基体改进剂1 mL 定容至标线，每批样品加做两个全程序空白试样［11］。对比不同消解方法测定土壤中重金属经过系列的对比实验，微波方法优于其他方法，且大大缩短了消解样品的时间，提高了工作效率［12］。

4 结 语

微波消解是一种新发展的样品预处理技术。本文通过该方法与常规的地理样品预处理方法相比较，各个地理指标检测过程中的加标回收率取得了令人满意的结果。实验过程节约了时间，提高了工作效率，真正意义上实现了更高效、更精确、更安全的实验目标。随着信息技术的进一步发展，微波技术将更加广泛地应用于多个领域。该技术应用在地理实验的常见的检测指标中将为地理研究工作者在实验操作方面节约大量的时间和精力，经验证后均通过统计学t 检验。它已显示明显的优越性和强大的生命力，是一种很有前途的新技术。

［1］ 袁 东.微波消解在环境分析中的应用及进展［J］. 现代科学仪器，2003(3):42-44.

［2］ 周遗品，刘洁萍，陈于泉，等.微波密封消解快速测定高锰酸盐指数的研究［J］.农业技术学院学报，1999，12(4):32-35.

［3］ 王 娟，陆志波.微波技术在环境样品分析预处理中的应用综述［J］.环境技术，2004(2):11-15.

［4］ 罗琦林，倪海燕.浅论微波消解［J］.天津化工，2008(3):58-60.

［5］ 刘 伟. 密闭微波样品消解原理及常识［J］. 现代科学仪器，2000(3):51-54.

［6］ 奚旦立.环境监测［J］.北京:高等教育出版社，1995.

［7］ 李夜光，李中奎.富营养化水体中N_P 浓度对浮游植物生长繁殖速率和生物量的影响［J］.生态学报，2006(2):318-324.

［8］ 林培喜，安晓春.微波消解联合测定水中总磷总氮［J］.中国给水排水，2004(12):95-97.

［9］ 国家环保局. 水和废水监测分析［M］. 北京:中国环境科学出版社，1989:354.

［10］ 丁伯鑫.微波消解光度法快速测定水质中化学需氧量［J］. 化学工程师，2004(4):25-26.

［11］ 张素荣，曹星星.对比不同消解方法测定土壤中重金属［J］.环境科学与技术，2004(S1):49-51.

［12］ 文湘华，吴玲钲. 微波消解技术在沉积物样品元素分析中的应用［J］.环境科学进展，1998，6(2):61-65.