微波化學在農業領域中的最新應用

微波化學在農業領域中的最新應用


摘要： 本文敘述了微波化學在樣品前處理技術方面的最新進展和最新的應用報告，特別是在農業領域的應用技術，同時綜述微波化學儀器的一些最新的技術。 關鍵詞： 微波化學； 樣品處理；農業中的分析應用前言 隨著我國國力的不斷提高，人們對食品的安全以及環境的質量越來越重視，我國的農業部門投入大量的人力和物力，建立一套遍及全國的農業檢測系統，引進大量的、先進的分析檢測儀器，并在不斷地加強和完善該檢測系統。 農業系統的分析領域包括：農產品、畜產品、農業環境及其他科學研究等，單從理化分析項目來看，主要是無機元素的檢測和有機成分的檢測，涉及的分析儀器包括：檢測無機元素的 AA 、 ICP-AES 、 ICP-MS 、 AFS 等， 檢測有機成分的 GC 、 GC-MS 、 LC 、 LC-MS 、 IR 、 UV-VIS 等。 隨著 現代分析儀器的發展，尤其是自動化程度的提高， 樣品的上機測定速度和精度得到很大的提高， 然而， 這些 現代分析儀器往往需要對樣品進行一定的前處理（如：消解、萃取、水解、灰化等）才能上機測定， 傳統的 樣品前處理技術存在 手續繁瑣、耗時長、易交叉污染， 處理 過程還會產生有害氣體影響環境等問題，已成為整個分析過程的薄弱環節和瓶頸。 國際上先進的分析實驗室都極為重視樣品前處理工作，采樣和樣品前處理投入約占全部分析和數據處理投入的 67% 。所以樣品前處理設備應該是獨立的工作系統，而非分析儀器的一個附件。因為分析儀器的性能好壞，主要影響到分析結果，而樣品前處理的情況則不僅會影響分析結果，還會影響到工作效率和操作的安全性。 對分析工作者來說，找到一種快速、可靠和準確的樣品處理方法無疑是雪中送炭。微波化學技術在實驗室樣品處理中的應用正是為適應這種需求而產生的，早在 70 年代中期，微波消解化學樣品的文獻報道就已開始在國外出現，目前全世界發表的相關論文已有 2000 多篇，其應用除了樣品消解外，已發展到萃取、水解、灰化等領域。按其應用劃分，大致可歸納如下： · 食品安全：麥制品、谷制品、豆制品、奶制品、肉類制品、糖類及動植物食用油的消解、萃取、灰化。 · 農產品分析：蔬菜、肉類、糧食、土壤、煙葉、種子及肥料樣品的消解和萃取；天然植物中有效成分的萃取 · 農業環保：固體廢棄物、污泥、大氣塵土、工業廢水及生活廢水的消解和萃取，凱式定氮及 COD 分析的消解。 · 畜牧飼料和獸藥：各種飼料和獸藥的消解、萃取和灰化、蛋白質水解。 一 ．微波消解技術在農業中的應用 目前，在我國農業領域測定元素除了常見的有毒元素 As 、 Pb 、 Cd 、 Hg 、 Cr 有毒元素外，還有如 Zn 、 Cu 、 Mn 、 Fe 、 Se 、 Ge 等幾十多種元素，測定的主要儀器是 AA 和 AFS ，條件好的實驗室還引進了 ICP-AES ，甚至 ICP-MS 。這些儀器都要求把樣品消解為無機鹽的溶液后才能上機測定，而農業領域樣品的基體往往是 C 、 H 化合物，需要用強氧化性的濃 HNO 3 酸來消解，反應式如下 : (CH 2 ) X + 2HNO 3 -> CO 2 (g) + 2NO + 2H 2 O 。而且消解溫度最好能達到 160-200 o C ，但濃 HNO 3 的沸點為 120°C ，因此在通常的消解過程中，大部分 HNO 3 沒有起到消解的作用而揮發掉，這一方面影響樣品消解的時間，另一方面由于用酸量較大而引起元素的沾污。微波消解是利用微波能直接作用于反應物分子，使反應物分子間急劇摩擦而迅速產生熱量，由于微波消解通常為密閉的高壓消解方式，在微波消解過程中，壓力可達幾十個 bar ，在 25bar 的壓力時， HNO 3 的沸點將升高至 225°C ，從而大大提高了消解速度和效率。應用示例： · 奶粉：稱樣 1.5g ，加 12ml 65% 的 HNO 3 ，消解程序為： 10 分鐘升溫至 180°C ， 10 分鐘恒溫 180°C 。 · 金槍魚：稱樣 1.5g ，加 20ml 65% 的 HNO 3 ，消解程序為： 5 分鐘升溫至 200°C ， 5 分鐘恒溫 200°C ， 5 分鐘升溫至 220°C ， 5 分鐘恒溫 220°C 。 · 茶葉：稱樣 0.5g ，加 9ml 65% 的 HNO 3 、 1ml 30% 的 H 2 O 2 ，消解程序為： 5 分鐘升溫至 180°C ， 5 分鐘恒溫 180°C 。 · 更多方法請看附頁目錄。。。。。。 需要指出的是： · 微波消解后的樣品往往酸度較大，對于后續的 GF-AAS 或 ICP-MS 分析，可能需要趕酸；同時對于痕量元素分析可能還存在需要進一步濃縮的問題。因此現代的微波消解一般有趕酸 / 濃縮的附件可供選擇，不過該附件的價格不菲。采用如圖所示的電加熱趕酸 / 濃縮裝置是一種非常實用和有效的方法。 · 隨著檢測標準的不斷提高，要求檢測的元素含量越來越低，為了獲得足夠的檢測靈敏度，對于許多農業樣品（如：食用油的 As 、 Cd ），我們必須增加取樣量（如： 3 -10g ），而前面談到的密閉微波消解所能承受的最大消解量只能在 1g 左右（純有機物）。一種“開放式”的微波消解技術就能滿足大取樣量的要求，最新的微波消解技術把高壓密閉消解和開放式消解相結合，通過增加開放式消解轉子和自動酸回收及添加裝置即可實現在同一臺微波消解儀上完成高壓密閉消解和大取樣量的開放式消解。 開放式消解的應用示例：稱樣 5g 木頭樣品，加 8ml 96% 的 H 2 SO 4 ，在消解過程中分序自動添加 20 ml 65% 的 HNO 3 和 20 ml 30% 的 H 2 O 2 ：程序控溫 90°C – 180°C ，消解時間為 35 分鐘， 5 分鐘的趕酸 / 濃縮。 二．微波灰化技術在農業中的應用 灰化是農業領域元素和灰份檢測中另一常用的樣品前處理方法，傳統的灰化裝置采用電加熱的馬弗爐，灰化時間需要幾個小時，甚至一整天，同時由于馬弗爐控溫精度較差，沒有排風送氧技術，灰化效果和重復性也不易控制。微波灰化技術是利用微波所產生的高效熱能結合排風送氧的方法，使灰化時間由傳統的“小時”變為“分鐘”來幾記時，同時由于微波灰化具有很高的控溫精度（ ± 2 °C ）和非常潔凈的 灰化 環境，因此微波 灰化在農業領域有著廣闊的應用前景。 微波灰化的應用示例： 樣品 灰化溫度 °C 微波灰化 時間（min） 傳統灰化 時間（min）
寵物食品 575 20 90
面粉 900 30 360
干蛋黃 925 25 240
臘腸 600 60 360
貓糧 575 15 300
奶粉 650 20 240
三．微波萃取技術在農業中的應用 自 1986 年 Ganzler 等人發表了第一篇《 微波萃取 ---- 色譜分析中新的樣品準備方法》的文章 以來，微波萃取法由于萃取時間短（約 5-20 分鐘）、選擇性好、回收率高、試劑用量少、污染低、可用水作萃取劑的優點以及萃取條件可自動精密控制等而得到了快速的發展，微波萃取已有標準方法 EPA3546 、 ASTM D 5765-95 、 ASTM D 6010-96 ，微波萃取法已逐步成為一個分析樣品制備的常規方法。糧食、蔬菜、水果、茶葉、咖啡豆、中藥、化妝品和乳制品是日常生活中的必需品，這些商品的品質和有害物質檢驗，樣品數量多，要求快速測定，這是微波萃取技術最常應用的領域。 微波萃取技術在農業中的應用示例： · US EPA 3546 方法：從土壤、粘土、沉淀物、淤泥和固體廢物中萃取不溶于水或輕微水溶性的有機化合物 · ASTM D 5765-95 方法：使用密閉微波加熱萃取罐，從土壤和沉積物中萃取全部碳氫石油化合物 · ASTM D 6010-96 方法：使用密閉微波加熱萃取罐，從土壤基體中萃取有機化合物 · 從沉淀物、淤泥中萃取碳氫多核芳香烴（ PAHs ） · 從土壤中萃取含氯殺蟲劑，比如六氯苯、林丹、艾氏劑（也叫氯甲橋萘，愛耳德林）、狄氏劑（也叫氧橋氯甲橋萘）、異狄氏劑、 op’-DDT 和 pp’-DDT · 蔬菜中萃取 12 種農殘（艾氏劑、α - 六六六，β - 六六六、 4, 4’ -DDT ，狄氏劑，硫丹 I 、硫丹 II 、異狄氏劑、七氯、環氧七氯、七氯苯、七氯環戊二烯） · 從土壤、沙地中萃取除草劑 · 從土壤、粘土、沙地、海洋沉積物和腐殖質中萃取氯聯苯基化合物 (PCBs) · 從土壤、沙地中萃取殺蟲劑 Pesticides (Lindane and Aldrin) · 從碳灰中萃取雙氧化合物（ Dioxine ） · 從黃豆、面粉、大豆種子、油菜籽中萃取全脂肪 · 從棕櫚纖維中萃取全油 近幾年，微波萃取在設備研究、應用開發等方面又有可喜的進展，例如： Milestone 公司的 WERTE 系統實現了無需樣品轉移完成萃取 + 過濾 + 蒸發 / 濃縮的整個萃取過程，從而進一步提高的萃取的自動化和效率。 Milestone 公司最新推出的 DryDIST 無溶劑微波萃取系統（ SFME ），實現了對天然產物中有效成分（香精油）的“綠色”萃取，變傳統的水蒸餾法（ HD ）的數小時為 SFME 數分鐘，而且產率得到很大。 芳香植物 無溶劑微波萃取（ SFME ） 水蒸餾法萃取（ HD ） SFME/HD
時間（分鐘） 產率（ % ） 時間（分鐘） 產率（ % ） 比率（ % ）
Rosmarinus offcinalis 12 0.286 180 0.167 171
Metha crispa 12 0.72 180 0.044 164
Thymus vulgaris 12 0.273 180 0.168 162
Ocimum basilicum 12 0.010 180 0.008 125
四．微波蛋白質水解技術在農業中的應用 蛋白質水解的質量決定氨基酸分析的結果，傳統的使用方法是 1950 年由 Stein 和 Moore 創建的，需要用 6 mol HCl 在 110 °C 下處理 24 小時或更長時間。該方法不僅費時費力，而且難于控制轉換過程中的污染和水解環境，以至于無法得到精確的結果。 微波水解技術不但水解時間短（數分鐘），而且是在惰性厭氧的環境下，精密控制水解的溫度，不存在 氨基酸氧化降解問題， 從而保證精確的結果和高的重復性。 Milestone 公司的 Ethos MHP 微波 蛋白質 水解系統一次可同時處理 8 個樣品，樣品可在 HPLC 自動進樣器瓶中進行，不需要樣品的轉移，無任何污辱。 微波蛋白質水解應用示例： 牛白蛋白 牛肉 奶粉
氨基酸 傳統方法 24 hours 微波方法 5min, 170 °C 傳統方法 24 hours 微波方法 7min, 170 °C 傳統方法 24 hours 微波方法 10min, 160 °C
Lys 11.13 11.58 8.8 8.91 7.82 7.95
His 3.34 3.39 3.7 3.5 2.38 2.49
Arg 4.82 4.9 6.36 6.07 3.05 3
Asp 9.21 9.51 9.57 9.74 7.17 7.25
Thr 4.93 3.86 4.44 4.19 4.18 3.77
Ser 3.47 2.24 4.13 4.22 5.28 4.62
Glu 15.72 16.23 15.87 17.37 20.96 21.84
Pro 4.04 4.41 4.57 4.67 9.39 9.61
Gly 1.57 1.67 6.14 5.86 1.78 1.77
Ala 5.28 6.1 6.34 6.25 2.92 2.98
Val 5.24 5.58 4.99 4.24 5.3 5.74
Met 0.72 0.98 2.43 2.83 2.6 2.17
Ile 2.28 2.27 4.6 3.87 5.19 4.46
Leu 10.67 11 8.09 8.19 9.34 9.38
Tyr 4.47 4.29 3.35 3.21 4.49 3.23
Phe 5.72 6.09 3.92 3.88 4.52 3.97
目前，微波化學技術已廣泛應用于地質、冶金、生物、食品醫藥等領域的分析測試，取得了很好的效果。 國際和國內先進的分析實驗室基本上都已經淘汰了傳統處理方法，而采用微波 制樣 作為 新的處理技術。這一 20 世紀 70 年代末迅速崛起的技術改變了傳統的制樣模式，促使樣品置備發生了質的飛躍，使樣品前處理領域煥然一新。可以說，微波化學技術是近 20 年來樣品前處理方面最令人振奮的發展成果。附錄： Milestone 微波化學應用報告 Milestone 在微波消解 ， 微波萃取 ， 微波合成 ， 微波灰化等微波化學各個領域均有大量應用報告 ， 鑒于篇幅所限 ， 僅列出微波消解部分應用報告目錄。 第一分冊：農業、食品、飼料、環保、臨床及其它領域 序號 樣品 應用領域 轉子類型
1 Tobacco leaves煙葉 農業 中壓
2 Wheat小麥 農業 中壓
3 Fertilizer肥料 農業 高壓
4 Lichen苔蘚 農業 中壓
5 Barley大麥 農業 中壓
6 Hop蛇麻草 農業 中壓
7 Grass草 農業 中壓
8 Grape leaves葡萄葉 農業 中壓
9 Dried graminacee干草 農業 中壓
10 Cereals谷類 農業 中壓
11 Spinaches菠菜 農業 中壓
12 Tomatoes番茄 農業 中壓
13 Pine leaves松樹葉 農業 中壓
14 General pourpose牛奶、咖啡、奶油、肉、茶葉、沙拉 農業 中壓
15 Dried plant tissue干植物組織 農業 中壓
16 Ground vegetables蔬菜 農業 中壓
17 Maize玉米 農業 中壓
18 Hay干草 農業 中壓
19 Calcium alginate藻酸鈣 食品/飼料 高壓
20 Corn starch玉米淀粉 食品/飼料 高壓
21 Agarose瓊脂糖 食品/飼料 高壓
22 Raw sugar粗糖 食品/飼料 高壓
23 Fresh liver新鮮肝臟 食品/飼料 高壓
24 Fresh kidney新鮮腎臟 食品/飼料 高壓
25 Margarine人造黃油 食品/飼料 高壓
26 Baby food嬰兒食品 食品/飼料 高壓
27 Sunflower seeds葵花子 食品/飼料 高壓
28 Cocoa powder可可粉 食品/飼料 高壓
29 Chocolate巧克力 食品/飼料 高壓
30 Pet food寵物食品 食品/飼料 高壓
31 Casein干酪素 食品/飼料 高壓
32 Milk powder奶粉 食品/飼料 高壓
33 Salami意大利臘腸 食品/飼料 高壓
34 Ham火腿 食品/飼料 高壓
35 Feed for fish魚飼料 食品/飼料 高壓
36 Noodles面條 食品/飼料 高壓
37 Tinned beef罐頭牛肉 食品/飼料 高壓
38 Tinned pork罐頭豬肉 食品/飼料 高壓
39 Lyophilized meat凍肉 食品/飼料 高壓
40 Tuna fish in oil油浸金槍魚 食品/飼料 高壓
41 Vegetable oil植物油 食品/飼料 高壓
42 Oyster tissue牡蠣組織 食品/飼料 高壓
43 Bovine milk牛奶 食品/飼料 高壓
44 Dried fish魚干 食品/飼料 高壓
45 Sheep milk羊奶 食品/飼料 高壓
46 Soybean大豆 食品/飼料 高壓
47 Cheese ashes奶酪灰 食品/飼料 高壓
48 Mushroom蘑菇 食品/飼料 高壓
49 Municipal waste都市垃圾 環境保護 中壓
50 Municipal sludge都市淤泥 環境保護 中壓
51 Ashes of polluted soil受污染的土壤灰燼 環境保護 高壓
52 Dried biological sludge干生物血泥 環境保護 高壓
53 Wastewater廢水 環境保護 中壓
54 Raw waste未處理的廢物 環境保護 中壓
55 Mud with 25% organics含25%有機物的泥漿 環境保護 中壓
56 Urban dust城市灰塵 環境保護 高壓
57 BCS 300 Soil 環境保護 中壓
58 Siliceous soil with organics含有機物的硅土 環境保護 中壓
59 Sea sediment海底沉積物 環境保護 高壓
60 Green algae綠色藻類 環境保護 高壓
61 Urban wastewater城市廢水 環境保護 高壓
62 Industrial wastewater工業廢水 環境保護 高壓
63 Plastic filter塑料濾膜 環境保護 高壓
64 EPA 3051 環境保護 高壓
65 Sludge with 7% oil含7%油的淤泥 環境保護 高壓
66 Soils土壤 環境保護 中壓
67 BCR CRM 146 Sewage sludge(I)BCR CRM 146下水道淤泥（I） 環境保護 高壓
68 BCR CRM 146 Sewage sludge(II)BCR CRM 146下水道淤泥（II） 環境保護 高壓
69 PET waste季戊四醇廢料 環境保護 高壓
70 River sediment江河沉積物 環境保護 高壓
71 Sand dust with sludge 泥沙 環境保護 高壓
72 Saw dust with sludge帶泥塵土 環境保護 高壓
73 Saw dust鋸屑 環境保護 高壓
74 Saw dust with oil帶油鋸屑 環境保護 高壓
75 Soil土壤 環境保護 中壓
76 Wastewater(II)廢水（II） 環境保護 中壓
77 Hair頭發 醫藥 中壓
78 Dimethylagoxine二甲胺 醫藥 中壓
79 Blood血液 醫藥 高壓
80 Animal tissue動物組織 醫藥 高壓
81 Magnesium stearate硬脂酸鎂 醫藥 高壓
82 Tetracycline四環素 醫藥 高壓
83 Red colour for tablets制片劑用紅顏料 醫藥 中壓
84 Gliceril stearate硬脂酸甘油酯 醫藥 高壓
85 Fine cellulose細纖維素 醫藥 中壓
86 Suppository栓劑 醫藥 高壓
87 Methylviolet B甲基紫B 醫藥 高壓
88 Waxoline orange 醫藥 高壓
89 Pectin果膠 醫藥 中壓
90 Mannitol甘露醇 醫藥 中壓
91 Lyophilized orange凍干橘 醫藥 中壓
92 Lactose乳糖 醫藥 中壓
93 Icing saccharose冰糖 醫藥 中壓
94 Granular saccharose粒狀蔗糖 醫藥 中壓
95 Cosmetic component化妝品 醫藥 高壓
96 Urine尿液 醫藥 高壓
97 NBS 1577b Bovine liverNBS 1577b牛肝 醫藥 高壓
98 Nico II spiked nicotinic acid NICOⅡ強化煙酸 醫藥 蛋白質水解
99 Kodak gelatine/Ascorbic acid柯達膠片/抗壞血酸 醫藥 蛋白質水解
100 NIST SRM 1567a wheat flourNIST SRM1567a小麥粉 醫藥 蛋白質水解
101 NIST SRM 1568 Rice flourNIST SRM1568大米粉 醫藥 蛋白質水解
102 PD-01 Improved revicon 醫藥 高壓
103 01-CFX-PC Revicon 醫藥 高壓
104 Composite material合成材料 聚合物 中壓
105 Polytene powder聚乙烯粉末 聚合物 中壓
106 Abrasive wheel磨損的車輪 聚合物 高壓
107 Wool羊毛 聚合物 中壓
…… …… …… ……