微波輔助萃取技術(shù)原理（課堂PPT）

1、1庚詢 王飛 駱明川 鄺允 李言 滕旭、黃蓉、王倩、林帥2 王飛 駱明川 庚詢 鄺允 李言3微波萃取的機理微波萃取的機理 微波輔助萃取又稱微波萃?。∕icrowave assisted extraction-MAE)，是微波和傳統(tǒng)的溶劑萃取法相結(jié)合后形成的一種新的萃取方法。 微波萃取是利用微波能來提高萃取速率的一種最新發(fā)展起來的技術(shù)。4基本原理基本原理 利用微波能來提高萃取率的一種最新發(fā)展起來的新技術(shù)。它的原理是在微波場中，吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對差的萃取劑中5微波微波

2、萃取的機理微波微波萃取的機理 微波微波 微波通常是指頻率為310831011Hz(波長1m到1mm)的電磁波。 微波具有波動性、高頻性、熱特性和非熱特性四大基本特性。 微波加熱能夠透射到生物組織內(nèi)部使偶極分子和蛋白質(zhì)的極性側(cè)鏈以極高的頻率振蕩，引起分子的電磁振蕩等作用，增加分子的運動，導(dǎo)致熱量的產(chǎn)生。6微波熱效應(yīng)微波熱效應(yīng) 微波對生物體的熱效應(yīng)是指由微波引起的生物組織或系統(tǒng)受熱而對生物體產(chǎn)生的生理影響熱效應(yīng)主要是生物體內(nèi)有極分子在微波高頻電場的作用下反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動而摩擦生熱7非熱效應(yīng) 微波的非熱效應(yīng)是指除熱效應(yīng)以外的其他效應(yīng)，如電效應(yīng)、磁效應(yīng)及化學(xué)效應(yīng)等8微波萃取的機理 2 加熱方式 常規(guī)加

3、熱：由外部熱源通過熱輻射由表及里的傳導(dǎo)方式加熱。 微波加熱：材料在電磁場中由介質(zhì)吸收引起的內(nèi)部整體加熱。9微波萃取的機理 3 能量轉(zhuǎn)換 微波加熱意味著將微波電磁能轉(zhuǎn)變成熱能微波電磁能轉(zhuǎn)變成熱能，其能量是通過空間或介質(zhì)以電磁波的形式來傳遞的，對物質(zhì)的加熱過程與物質(zhì)內(nèi)部分子的極化有著密切的關(guān)系。10微波萃取的機理 4 介電分子極化 根據(jù)參加極化的微觀粒子種類，介電分子極化大約可分成4種介電極化： 電子極化，即原子核周圍電子的重新排布； 原子極化，即分子內(nèi)原子的重新排布； 轉(zhuǎn)向極化(取向極化)，即分子永久偶極的重新取向； 界面極化，即自由電荷的重新排布。11微波萃取的機理 微波電磁場的弛豫時間為10

4、-910-12 S 前兩種極化要快的多(弛豫時間在10-151O-16 S和10-1210-13 S之間)，所以不會產(chǎn)生介電加熱。 后兩種極化的弛豫時間剛好與微波的頻率吻合后兩種極化的弛豫時間剛好與微波的頻率吻合，故可以產(chǎn)生介電加熱，即可通過微觀粒子的這種極化過程，將微波能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?2微波萃取的機理 5 物質(zhì)材料分類 物質(zhì)吸收微波能的程度可用介質(zhì)損耗角正切tg來描述。 tg=介電常數(shù)/介電損耗因子 物質(zhì)吸收微波能的能力隨tg增大而增加。13 介質(zhì)損耗角又稱介電相位角。反映電介質(zhì)在交變電場作用下，電位移與電場強度的位相差。在交變電場作用下，根據(jù)電場頻率、介質(zhì)種類的不同，其介電行為可能產(chǎn)生兩種

5、情況。對于理想介質(zhì)電位移與電場強度在時間上沒有相位差，此時極化強度與交變電場同相位，交流電流剛好超前電壓/2。對于實際介質(zhì)而言，電位移與電場強度存在位相差。此時介質(zhì)電容器交流電流超前電壓的相角小于/2。由此，介質(zhì)損耗角等于/2與介質(zhì)電容器交流電流超差電壓的相角之差。14微波萃取的機理 根據(jù)對微波的吸收程度，可將物質(zhì)材料分成導(dǎo)體、絕緣體和介質(zhì)。 導(dǎo)體主要為金屬，如鐵、鋁等，微波不能進(jìn)入導(dǎo)體，只能在其表面反射； 絕緣體是指可透過微波而對微波吸收很少的材料，如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等； 介質(zhì)可吸收微波，吸收程度可用tg表示15微波萃取的分析 微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)微波輻射過程是高頻電磁

6、波穿透萃取介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。由于吸收了微波能，細(xì)胞內(nèi)部的溫度將迅由于吸收了微波能，細(xì)胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過細(xì)胞速上升，從而使細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過細(xì)胞壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細(xì)胞破裂，壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細(xì)胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進(jìn)一步的過度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進(jìn)一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。濾和分離，即可獲得所需的萃取物。16 微波所產(chǎn)生的電磁場可加速被萃取組分的微波所產(chǎn)生的電磁場可加速被萃取組分的分子由固

7、體內(nèi)部向固液界面擴散的速率。分子由固體內(nèi)部向固液界面擴散的速率。例如，以水作溶劑時，在微波場的作用下，例如，以水作溶劑時，在微波場的作用下，水分子由高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這水分子由高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這是一種高能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。此時水分子是一種高能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。此時水分子或者汽化以加強萃取組分的驅(qū)動力，或者或者汽化以加強萃取組分的驅(qū)動力，或者釋放出自身多余的能量回到基態(tài)，所釋放釋放出自身多余的能量回到基態(tài)，所釋放出的能量將傳遞給其他物質(zhì)的分子，以加出的能量將傳遞給其他物質(zhì)的分子，以加速其熱運動，從而縮短萃取組分的分子由速其熱運動，從而縮短萃取組分的分子由固體內(nèi)部擴散至固液界面的時間

8、，結(jié)果使固體內(nèi)部擴散至固液界面的時間，結(jié)果使萃取速率提高數(shù)倍，并能降低萃取溫度，萃取速率提高數(shù)倍，并能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質(zhì)量最大限度地保證萃取物的質(zhì)量。17 由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動的頻率相關(guān)連，因此由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動的頻率相關(guān)連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動而引起分微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動而引起分子運動的非離子化輻射能，當(dāng)它作用于分子時，子運動的非離子化輻射能，當(dāng)它作用于分子時，可促進(jìn)分子的轉(zhuǎn)動運動，若分子具有一定的極性，可促進(jìn)分子的轉(zhuǎn)動運動，若分子具有一定的極性，即可在微波場的作用下產(chǎn)生瞬時極化，并以即可在微波場的作用下產(chǎn)生瞬時極化，并以245億

9、次億次s的速度作極性變換運動，從而產(chǎn)生的速度作極性變換運動，從而產(chǎn)生鍵的振動、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速鍵的振動、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的熱能，促使細(xì)胞破裂，使細(xì)胞液溢出生成大量的熱能，促使細(xì)胞破裂，使細(xì)胞液溢出并擴散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力并擴散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力的差異可使基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的的差異可使基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到具有較小介電常數(shù)、微體或體系中分離，進(jìn)入到具有較小介電常數(shù)、微波吸收能力相對較差的萃取溶劑

10、中。波吸收能力相對較差的萃取溶劑中。18微波萃取的特點 加熱迅速加熱迅速 選擇性加熱選擇性加熱 體積加熱體積加熱 高效節(jié)能高效節(jié)能 易于控制易于控制 安全環(huán)保安全環(huán)保19微波萃取的特點 1 加熱迅速 微波能穿透到物料內(nèi)部，使物料表里同時產(chǎn)生熱能，其加熱均勻性好，且加熱迅速。20微波萃取的特點 2 選擇性加熱 微波加熱具有選擇性，可通過選擇適當(dāng)?shù)娜軇﹣硖岣咻腿⌒剩云谶_(dá)到最佳的萃取效果。21微波萃取的特點 3 體積加熱 微波加熱是一個內(nèi)部整體加熱過程，它將熱量直接作用于介質(zhì)分子，使整個物料同時被加熱，此即所謂的”體積加熱”過程。22微波萃取的特點 4 高效節(jié)能 由于微波獨特的加熱機理，除少量傳

11、輸損耗外，幾乎沒有其它損耗，故熱效率高。23微波萃取的特點 5 易于控制 控制微波功率即可實現(xiàn)立即加熱和終止，而應(yīng)用人機界面和PLC可實現(xiàn)工藝過程的自動化控制。24微波萃取的特點 6 安全環(huán)保 整個過程無有害氣體排放，不產(chǎn)生余熱和粉塵污染。25與其它萃取方法的對比 傳統(tǒng)的索氏萃取、攪拌萃取和超聲波萃取等方法費時、費試劑、效率低、重現(xiàn)性差，而且所用試劑通常有毒，易對環(huán)境和操作人員造成危害。 超臨界萃取雖然具有節(jié)省試劑、無污染等優(yōu)點，但是回收率較差；為了獲得超臨界條件，設(shè)備的一次性投資大，運行成本高，而且難于萃取強極性和大分子質(zhì)量的物質(zhì)。26微波萃取的優(yōu)點 微波萃取則克服了上述方法的缺點，具有設(shè)備

12、簡單、適用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好、節(jié)省時間、節(jié)省試劑、污染小等特點。27微波萃取設(shè)備 微波萃取體系根據(jù)萃取罐的類型可分為兩大類:密閉型微波萃取體系開罐式萃取體系根據(jù)微波作用于萃取體系(樣品) 的方式可分為:發(fā)散式微波萃取體系聚焦式微波萃取體系。李核，李攻科，張展霞，微波輔助萃取技術(shù)的進(jìn)展，分析化學(xué)，20032003，10（31）：1261-126828密閉式微波萃取體系A(chǔ)kiko Tannabe , Shiperu Suzuki. Anal . Chem. , 1999 , 1999 , 48 (10) :939944這類微波萃取體系是由一個磁控管、一個爐腔、監(jiān)視壓力和溫度的監(jiān)視裝置及一

13、些電子器件所組成。其中在爐腔中有可容放12 個密閉萃取罐的旋轉(zhuǎn)盤,其結(jié)構(gòu)如上圖所示。該體系有自動調(diào)節(jié)溫度、壓力的裝置,可實現(xiàn)溫2壓可控萃取。該體系的優(yōu)點是:待分析成分不易損失,壓力可控。當(dāng)壓力增大時,溶劑的沸點也相應(yīng)增高,這樣有利于待分析成分從基體中萃取出來。該類型商品化的儀器有:CEM公司生產(chǎn)的MES1000和MDS2000及上海申科的MK-1 型微波爐等29開罐式聚焦微波萃取系統(tǒng)該體系與密閉微波萃取系統(tǒng)基本相似,只是其微波是通過一波導(dǎo)管將其聚焦在萃取體系上,其萃取罐是與大氣連通的,即在大氣壓下進(jìn)行萃取(壓力恒定) ,所以只能實現(xiàn)溫度控制。該系統(tǒng)將微波與索氏抽提結(jié)合起來,既采用了微波加熱的優(yōu)

14、點,又發(fā)揮了索氏抽提的長處,同時免去了過濾或離心等分離的步驟。但該體系不足之處在于一次處理的樣品數(shù)不能太多。該類商品化的儀器有:Porlabo Soxwave 100Budzinski H , Letellier M, Garrigues , Menach L K. J . Chromatogr. A , 1999 , 1999 , 837 (122) :18720030在線微波萃取系統(tǒng)Cresswell 等在研究測定沉積物中PAHs時首先應(yīng)用了了一種微波在線萃取技術(shù)，該體系在萃取過程中可以不斷的讓新鮮的溶劑進(jìn)入萃取罐,而萃取物可以通過HPLC或GC/MS進(jìn)行實時監(jiān)測Cresswell S L

15、 , Haswell S J . Analyst , 1999 , 1999 , 124 (9) :1361136631微波萃取的影響因素 萃取溶劑 萃取溫度和萃取時間 溶液PH值 試樣中的水分或濕度 基體物質(zhì)駱健美，盧學(xué)英，張敏卿，微波萃取技術(shù)及其應(yīng)用，化工進(jìn)展， 20012001，20(12)：46-4932微波萃取的主要影響因素 1 萃取溶劑 萃取溶劑的選擇對萃取結(jié)果的影響至關(guān)重要。微波萃取中首先要求溶劑必須有一定溶劑必須有一定的極性的極性，以吸收微波能進(jìn)行內(nèi)部加熱；其次，所選溶劑對目標(biāo)萃取物必須具有較強溶劑對目標(biāo)萃取物必須具有較強的溶解能力的溶解能力；此外，還需考慮溶劑的沸點及其對后續(xù)

16、測定的干擾。33微波萃取的主要影響因素 用于微波萃取的溶劑： 有機溶劑：甲醇、丙酮、二氯甲烷、正己烷、苯和甲苯等； 無機試劑：硝酸、鹽酸、氫氟酸等； 混合溶劑：己烷-丙酮、二氯甲烷-甲醇和水-甲苯等。34微波萃取的主要影響因素 例如 正己烷作溶劑，從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)混合溶劑從土壤和沉積物中提取多環(huán)芳烴等有機污染物。35微波萃取的主要影響因素 2 物料中的水分或濕度 物料的含水量對回收率影響也很大。水是極性分子，因此物料中含有水分才能有效含有水分才能有效吸收微波能產(chǎn)生溫度差吸收微波能產(chǎn)生溫度差。若物料不含水分，就要采取物料再濕物料再濕的方法，使其具有

17、足夠的水分。也可選用部分吸收微波能的半透半透明溶劑明溶劑浸漬物料，置于微波場中進(jìn)行輻射加熱的同時發(fā)生萃取作用。36微波萃取的主要影響因素 例如 有研究表明，以異辛烷為萃取劑分離沉積物中的殺蟲劑時，樣品水分為15時微波萃取效率最高。37微波萃取的主要影響因素 3 萃取溫度 在微波密閉容器中，由于內(nèi)部壓力達(dá)到十幾個大氣壓，使得溶劑沸點比常壓下要高。因此，用微微波萃取可以達(dá)到常壓下使用相同溶劑所達(dá)不到的波萃取可以達(dá)到常壓下使用相同溶劑所達(dá)不到的萃取溫度，從而提高萃取效率，但又不至于分解萃取溫度，從而提高萃取效率，但又不至于分解待測萃取物待測萃取物。萃取率隨溫度升高而增大的趨勢僅表現(xiàn)在不太高的溫度范圍內(nèi)，且各物質(zhì)的最佳萃取溫度也不同。38微波萃取的主要影響因素 4 萃取時間 微波萃取時間與被測物樣品量、溶劑體積和加熱功率有關(guān)。一般情況下，萃取時間在1015 min內(nèi)。在萃取過程中，一般加熱12 min即可達(dá)到所要求的萃取溫度。有研究結(jié)果顯示，萃取率隨萃取時間延長而有所提高，但提高幅度不大，可忽略不計。39微波萃取的主要影響因素 5 溶液的pH