微波萃取,超声波辅助萃取技术的工作原理是什么

超声波提取的工作原理   在中药提取中，超声波循环提取已被广泛应用。超声波提取是利用超声波的空化效应增加溶剂穿透力，提高药物溶出速度和溶出次数，从而增加物质成分的扩散，缩短提取时间，加速提取过程。   　　超声波能产生机械效应、空化效应及热效应，当超声波发生器产生高于20kHz的超音频电信号，通过浸入式换能器转成同频率的机械震荡而传播到提取液介质中，并以超音频纵波的形式在提取液中疏密相间地向前辐射，使提取液震荡产生出许多的微小气泡并随即爆破，这种被称作：“空化”的效应连续不断地作用于溶质，形成对物料表面的细微局部的撞击，使物料迅速击碎、分解。 　　在超声波的空化、粉碎的特殊作用下，细胞在溶媒中瞬间产生的空化泡崩溃而破裂，使溶媒渗透到细胞内部，从而使细胞中的成分溶于溶剂之中。在超声波振动的作用下，促进了成分向溶媒中溶解，提高了有效成分的提出率，从而达到提取有效成分的目的.

1. 微波是波长为0.1-100cm (即频率为1011-108Hz)的一种电磁波，具有波粒二象性。人们对微波的利用是在通讯技术中作为一种运载信息的工具或者它本身被作为一种信息，而微波协助萃取是把微波作为一种与物质相互作用的能源来使用。微波作为能源，还可用于食物的烹饪，物料的烘干，促进化学反应。目前，用作能源的微波，其频率是2450MHz。
微波协助萃取是在传统的有机溶剂萃取基础上发展起来的一种新型萃取技术。它有如下特点：快速，只需几分钟；节省能源；降低环境污染；是又一种萃取方法，具有萃取选择性
；可避免样品的许多成分被分解；操作方便；提取回收率高。


2. 方法原理:

作为一种电磁波，微波具有吸收性、穿透性、反射性，即：它可为极性物如水等选择性吸收，从而被加热，而不为玻璃、陶瓷等非极性物吸收，具穿透性。金属要反射微波。
分子对微波具有选择性吸收，极性分子可吸收微波能，然后弛豫，以热能形式释放能量，或者说由于极性分子的两偶极在微波的较低频电磁场中将有时间欲与外电场达成一致而振荡，但微波频率要比分子转动频率快，迫使分子在转动时太快速取向而通过碰撞、磨擦放能生热。分子对不同频率的微波吸收能力不同。将水与含有金属离子的水溶液相比，用微波辐射，后者温升更高。这可用微波的传导机理解释：溶液中的离子在交变电场作用下迁移，由于不断碰撞产生热能。水要吸收微波，加上盐的作用，盐水吸收微波后温升更高。从实验看，相比于一般的热源，微波有使被加热物温度升高快的优点，象加热用的容器：玻璃、塑料不会升温，而内盛的含水物升温快，表面无孔的物体（如鸡蛋）在加热前，必须划开表皮后，再放入微波炉中加热，否则表面无孔的物体受热膨胀，会爆裂。用塑料带装含水物体，用微波辐照加热时，须敞口，否则含水物体加热后，气体膨胀出现炸裂现象。这些事实表明微波加热是“内加热”。用电炉加热则是利用了空气的对流，玻璃器皿的热传导作用，这种加热方式能量损失大。
微波被物质选择性吸收的程度，可用物质的介质损耗角正切Tanδ来描述:
tanδ= ε’’/ ε’
式中, ε’’为物质的介电损失因子，ε’为物质的介电常数。实验表明：丙酮和乙醇的介电常数相同，但是它们的微波介电损失因子不同，乙醇表现出温度升高较丙酮高得多。

3. 操作注意事项

我国对高功率微波设备规定，出厂时距设备外壳5cm处漏能不能超过1mw/cm2。微波泄漏要损害人体。但低于10mw/cm2的功率密度不会超过动物体温调节的代偿能力而导致明显的体温升高。
微波协助萃取,如下操作事项须注意:
a) 保持炉门和门框清洁，不要在门和门框之间夹带抹布或纸张的情况下使炉子启动工作，以免造成微波泄漏。
b)不要疏忽，随意启动微波炉，以免空载运行损害仪器。
c)微波炉内不得使用金属容器，否则会减弱加热效果，甚至引起炉内放电或损坏磁控管。
d)进出排气孔要保持畅通，以免炉子过热，引起热保护装置动作，关闭炉子。微波加热的时间不宜过长，要多加观察，防止过热起火，尤其是对易燃的溶剂。
e)万一炉内起火，请勿打开炉门，应立即切断电源，即可自然熄灭。
f)如果炉子跌落，引起门铰链或外壳损坏，应立即修理，否则可能引起微波过量外泄。
g)勿将普通的水银温度计放入炉中测定温度，以免引起打火或损坏。

4. 影响微波协助萃取的因素

除了溶剂，一些被萃取物本身能吸收微波，故选用同样的溶剂，有微波辐照的提取和传统的提取，其提取选择性是不同的（即提出液所含成分不同）。实际应用中，微波协助萃取所用溶剂待实际考察。
微波在样品中的传播有反射性，故待提取样品的形状、粒度要影响对微波的吸收，加热效果。
微波进入样品后，能量被逐渐吸收，场强和功率要衰减，其衰减程度可用半功率穿透深度D1/2（功率减弱到表面处功率的一半时对应的距离）描述，
D1/2=3λ0 / (8.686π tanδ)
（式中，λ0为所用电磁波的波长， 为被辐射物的相对介电常数，Tanδ为损耗角正切）
Tanδ愈大，则D1/2愈小，故对于易吸收微波的被萃取物样品，用量不能太大，否则因半功率穿透深度小，中间的部分没有受到微波辐射，中间的部分是通过传统方式受热的。
由于存在微波功率衰减的问题，微波协助萃取时，微波功率选择得恰当亦很重要。选大了，浪费功率；选小了，样品加热不够，内部靠传统方式受热。
总之，要注意靠实验选择上述这些条件。

5. 结语

目前微波协助萃取主要是用在提取有效成分的工作中，微波也可以用于样品的消化。如果用酸提取金属离子不成功（或共存的有机物对测定有干扰），对样品消化处理，破坏有机物，释放天然结合的金属离子则是必须。微波消化具有高效能，实用方便。
随着微波萃取技术的研究与发展，微波萃取在很多行业都有广泛的应用。到目前为止，已见报导的微波萃取技术主要应用于分析土壤分析、食品化学、农药提取、中药提取、环境化学，以及矿物冶炼等方面。由于微波萃取具有快速高效分离及选择性加热的特点，微波萃取逐渐由一种分析方法向生产制备发展。

在超声波的空化、粉碎的特殊作用下，细胞在溶媒中瞬间产生的空化泡崩溃而破裂，使溶媒渗透到细胞内部，从而使细胞中的成分溶于溶剂之中。在超声波振动的作用下，促进了成分向溶媒中溶解，提高了有效成分的提出率，从而达到提取有效成分的目的.


微波萃取的基本原理是微波直接与被分离物作用，即微波能直接作用于样品基体内。当它作用于分子时，促进了分子的转动运动，分子若此时具有一定的极性，便在微波作用下瞬时极化，当频率为2450 MHz时，分子就以24．5亿次／s的速度做极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子之间的相互摩擦、碰撞，促进分子活性部分(极性部分)更好地接触和反应，时而迅速生成大量的热能，引起温度升高。由于不同物质的介电常数不同，从而吸收微波能的程度也各不相同，产生的热能及传递到周围环境的热能也是各不相同的，在微波场作用下，基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分由于吸收微波能力的不同差异被选择性地加热，这样可以从基体或体系中分离出被萃物。微波能量是通过极性分子的偶极旋转和离子传导两种作用直接传递到物质上，导致分子整体快速转向及定向排列，从而产生撕裂和相又摩擦而发热。而传统的加热方式中，因实际操作需要，容器壁大多由热的不良导体制成，热由器壁传导到溶液内部需要时间；相反，微波加热是一个内部加热过程，它不同于普通的外部加热方式将热量由外向内传递，而是同时直接作用于内部和外部的介质分子，是整个物料同时被加热，从而保证了能量的快速传导和充分利用。

1. 微波是波长为0.1-100cm (即频率为1011-108Hz)的一种电磁波,具有波粒二象性.人们对微波的利用是在通讯技术中作为一种运载信息的工具或者它本身被作为一种信息,而微波协助萃取是把微波作为一种与物质相互作用的能源来使用.微波作为能源,还可用于食物的烹饪,物料的烘干,促进化学反应.目前,用作能源的微波,其频率是2450MHz. 微波协助萃取是在传统的有机溶剂萃取基础上发展起来的一种新型萃取技术.它有如下特点：快速,只需几分钟；节省能源；降低环境污染；是又一种萃取方法,具有萃取选择性；可避免样品的许多成分被分解；操作方便；提取回收率高. 2. 方法原理: 作为一种电磁波,微波具有吸收性、穿透性、反射性,即：它可为极性物如水等选择性吸收,从而被加热,而不为玻璃、陶瓷等非极性物吸收,具穿透性.金属要反射微波. 分子对微波具有选择性吸收,极性分子可吸收微波能,然后弛豫,以热能形式释放能量,或者说由于极性分子的两偶极在微波的较低频电磁场中将有时间欲与外电场达成一致而振荡,但微波频率要比分子转动频率快,迫使分子在转动时太快速取向而通过碰撞、磨擦放能生热.分子对不同频率的微波吸收能力不同.将水与含有金属离子的水溶液相比,用微波辐射,后者温升更高.这可用微波的传导机理解释：溶液中的离子在交变电场作用下迁移,由于不断碰撞产生热能.水要吸收微波,加上盐的作用,盐水吸收微波后温升更高.从实验看,相比于一般的热源,微波有使被加热物温度升高快的优点,象加热用的容器：玻璃、塑料不会升温,而内盛的含水物升温快,表面无孔的物体（如鸡蛋）在加热前,必须划开表皮后,再放入微波炉中加热,否则表面无孔的物体受热膨胀,会爆裂.用塑料带装含水物体,用微波辐照加热时,须敞口,否则含水物体加热后,气体膨胀出现炸裂现象.这些事实表明微波加热是“内加热”.用电炉加热则是利用了空气的对流,玻璃器皿的热传导作用,这种加热方式能量损失大. 微波被物质选择性吸收的程度,可用物质的介质损耗角正切Tanδ来描述: tanδ= ε’’/ ε’ 式中, ε’’为物质的介电损失因子,ε’为物质的介电常数.实验表明：丙酮和乙醇的介电常数相同,但是它们的微波介电损失因子不同,乙醇表现出温度升高较丙酮高得多. 3. 操作注意事项我国对高功率微波设备规定,出厂时距设备外壳5cm处漏能不能超过1mw/cm2.微波泄漏要损害人体.但低于10mw/cm2的功率密度不会超过动物体温调节的代偿能力而导致明显的体温升高. 微波协助萃取,如下操作事项须注意: a) 保持炉门和门框清洁,不要在门和门框之间夹带抹布或纸张的情况下使炉子启动工作,以免造成微波泄漏. b)不要疏忽,随意启动微波炉,以免空载运行损害仪器. c)微波炉内不得使用金属容器,否则会减弱加热效果,甚至引起炉内放电或损坏磁控管. d)进出排气孔要保持畅通,以免炉子过热,引起热保护装置动作,关闭炉子.微波加热的时间不宜过长,要多加观察,防止过热起火,尤其是对易燃的溶剂. e)万一炉内起火,请勿打开炉门,应立即切断电源,即可自然熄灭. f)如果炉子跌落,引起门铰链或外壳损坏,应立即修理,否则可能引起微波过量外泄. g)勿将普通的水银温度计放入炉中测定温度,以免引起打火或损坏. 4. 影响微波协助萃取的因素除了溶剂,一些被萃取物本身能吸收微波,故选用同样的溶剂,有微波辐照的提取和传统的提取,其提取选择性是不同的（即提出液所含成分不同）.实际应用中,微波协助萃取所用溶剂待实际考察. 微波在样品中的传播有反射性,故待提取样品的形状、粒度要影响对微波的吸收,加热效果. 微波进入样品后,能量被逐渐吸收,场强和功率要衰减,其衰减程度可用半功率穿透深度D1/2（功率减弱到表面处功率的一半时对应的距离）描述, D1/2=3λ0 / (8.686π tanδ) （式中,λ0为所用电磁波的波长, 为被辐射物的相对介电常数,Tanδ为损耗角正切） Tanδ愈大,则D1/2愈小,故对于易吸收微波的被萃取物样品,用量不能太大,否则因半功率穿透深度小,中间的部分没有受到微波辐射,中间的部分是通过传统方式受热的. 由于存在微波功率衰减的问题,微波协助萃取时,微波功率选择得恰当亦很重要.选大了,浪费功率；选小了,样品加热不够,内部靠传统方式受热. 总之,要注意靠实验选择上述这些条件. 5. 结语目前微波协助萃取主要是用在提取有效成分的工作中,微波也可以用于样品的消化.如果用酸提取金属离子不成功（或共存的有机物对测定有干扰）,对样品消化处理,破坏有机物,释放天然结合的金属离子则是必须.微波消化具有高效能,实用方便. 随着微波萃取技术的研究与发展,微波萃取在很多行业都有广泛的应用.到目前为止,已见报导的微波萃取技术主要应用于分析土壤分析、食品化学、农药提取、中药提取、环境化学,以及矿物冶炼等方面.由于微波萃取具有快速高效分离及选择性加热的特点,微波萃取逐渐由一种分析方法向生产制备发展.