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微波化學通訊-分析海洋生物體硒含量(RD-115)/增進化學反應的熱效能
一、以小體積瓶微波消化法結合石墨爐原子吸光儀分析海洋生物體硒含量(RD-115)
Low Volume Microwave Digestion for the Determination of Selenium in Marine Biological Tissues by Graphite Furnace Atomic Absorption Spectroscopy
M. Deaker and W. Maher ; Faculty of Applied Science University of Canberra PO Box1 Belconnen ACT2616, Australia
本文簡介：
硒為人體所必須元素，人體含硒量約 14~21mg 為正常值，如含量太低容易導致疾病發生。它主要分布於虹膜、視網膜、肝、胰、腎等器官，也可以透過胎盤進入胎兒體內。人體如攝取硒過量恐會引發中毒，嚴重時甚至會導致死亡。
在海洋環境中硒會以無機與有機金屬兩種形式存在，欲分析生物體內的硒量，傳統濕式消化是將樣品加入一些硝酸、硫酸、過氯酸、氫氟酸與過氧化氫，並以電熱加熱於常壓低溫下分解，需耗費較長的時間。由於硒於常壓分解中，如遇較高溫劇烈的氧化容易形成易揮發性的化合物導致回收率偏低。現今採用密閉式微波消化分解樣品，不但快速省時，更可避免待測金屬逸失，有效提高硒的回收率。
小體積瓶微波消化操作：
精秤生物樣品(<0.1g,乾燥重)置於 7mL PFA 瓶，於加入 1mL 硝酸並加蓋後用扭力板手逐一旋緊。將每二個已旋緊的 7mL PFA 瓶放入一個底部含 10mL D.I. water與鐵弗龍瓶墊(spacer)的 120mL PFA 瓶中並鎖好，裝載於微波爐腔(CEM MDS-81 型)轉盤上準備進行消化。第一段與第二段加熱程式分別固定為(600W,2min ; 0W,2min) ,第三段則改變功率(150W,300W,450W)與加熱不同時間(15,30,45,60min),如此可得到最佳分析結果的消化條件。同一批次中另加入三組標準生物樣品(SRM)，作為實驗設定條件改變結果的監測。當消化完成並冷卻開瓶後，將完成液體倒入事先已洗淨的 PE 瓶中，並以 D.I. water 定量至 5mL 等待後續的分析。
結果與討論：
以微波消化魚肉標準品(IAEA MA-A-2)為例(certified value 1.7 +/-0.3µg Se/g)，如採取多段並於首段以全功率加熱，例如(600W,2min; 0W,2min; 300W,20min)或(300W,20min; 0W,2min; 600W,2min)可得較佳回收率分別為( 1.79 +/-0.2 µg Se/g)與(1.44 +/-0.12 µg Se/g)。該樣品若採用單段全功率微波加熱，例如(600W,2min)所得回收率較不完全，為(1.36 +/-0.59 µg Se/g)。如採多段加熱並於末段減少時間至 1min，以(300W,20min; 0W,2min; 600W,1min)則回收率明顯降低至(1.06 +/-0.26 µg Se/g)。當設定全功率微波加熱時間須控制在 2min 以內，否則 7ml PFA 瓶容易破出導致樣品損失。由 Table1 採微波消化方法分析牡蠣、狗鯊、龍蝦等海洋生物標準品硒濃度的結果顯示，所有樣品的分析結果皆在認可的標準值以內(95%)。而由 Table2 以添加幾種不同硒化合物標準液進行微波消化的分析結果顯示，除了添加三甲基硒化碘(TMSe+I-)的樣品分析結果回收率較差外，其餘添加的硒化合物,如亞硒酸鹽、硒酸鹽、硒氨酸等標準液的生物樣品，其分析回收率皆在實驗的誤差範圍內。
結語：
小體積瓶的微波消化方法非常適合被用於下列幾種特定需求下的分析條件: (1)當分析樣品的量很少，且於大體積消化瓶中消化後其待測金屬容易損失; (2)當須檢測的樣品數目很多; (3)待測金屬具高揮發特性，且容易於開放瓶加熱中損失。
由實驗結果可證實，單獨加硝酸進行微波消化該六種不同的海洋生物標準樣品，確實可有效將幾種存在於生物體內不同的硒化物完全消化並釋放至無機溶液中，繼之以石墨爐原子吸光儀準確分析各海洋生物體內硒的濃度。
二、利用介電物質吸收微波可增溫的特性以增進化學反應的熱效能(RR-05)
Coupled Systems Dielectric/Microwave to Improve Thermal Effects
A.Breccia,A.Fini,G.Feroci,A.M.Grassi,S.Dellonte and R.Mongiorgi , Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy ; Vol.30 No.1,1995
本文簡介：
將介電物質摻入本身不吸收微波的物體後並以微波照射加熱，藉以試驗微波於該物體上增溫的效能。介電物質通常是反應系統中非常重要的成份，因為它經過長時間微波照射後溫度會快速升高，即便此時將它置於 X 光繞射下明顯可知其晶型結構已改變。利用該介電特性可將熱能傳遞至與其混合的物體，含水分的物質可於微波照射下快速加熱升溫產生蒸氣與高壓，使物體重量減少或將有機物破壞分解。
介電物質的升溫比較：
實驗首先用固定功率 650W(MDS81D 型，CEM)照射十種不同的介電物質(5 克)，時間維持 2 分鐘，藉此比較其微波升溫速度的差異。由 Table 2 顯示，Ti-B2 具有最快速微波熱效應，可在 2 分鐘內由室溫提昇至 898℃，其次為 B4C、Ti-C 的 665℃、632℃。微波爐腔會擺一燒杯內含 100ml 水，以吸收爐腔內過多的微波能免於加熱過度，另將氮氣常壓下導入爐腔以防止介電物質可能在微波照射中起劇烈氧化。
蒸氣產生試驗：
實驗二為稱取 20 克 5 種不同的介電物質，盛裝於 Teflon 消化瓶內並加入 10ml的蒸餾水，設定三種不同壓力限值 10、30、80 bar，以全功率微波輸出(650W)，觀察到達設定壓力值所須花費的時間。由 Table 4 顯示，陶瓷纖維加熱至 10、30、80 bar所需時間分別為 30、60、120 秒，與其它介電物質比較可在最短時間內達到同一壓力限值。若單獨只有水吸收微波到達 10、30、80 bar 所需的時間為 90、150、240秒，由此可知水中加入介電物質可增強吸收微波的能力，有效縮短實驗時間。
有機廢棄物高溫分解試驗：
實驗三為利用微波產生高溫將廢棄物分解，分為二段進行。第一段先將 500g 的樣品以 650W 照射 18 分鐘進行乾燥，第二段各加入 500g 的 SiC，繼以微波照射 10分鐘分解有機質。由 Table 5 顯示，利用微波乾燥污泥、果肉、甜菜漿，於加入 SiC後以微波照射十分鐘，其重量損失依序為 68%、66%、72%，最高溫升至 850℃、880℃、800℃，由此可知樣品添加介電物質可快速提升反應溫度。另由 Table 6 顯示，取相同藥品 Algin 進行三種不同的加熱方式，時間皆為 5 分鐘。當以微波單純加熱樣品 5 分鐘後溫度只達 60℃，重量完全沒有損失; 如在樣品中加入介電物質，相同的時間高溫可達 610℃，重量損失達 98%; 如使用傳統的高溫爐加熱其高溫亦可達600℃，但重量損失卻只達 25%。
結果與討論：
本文中多數試驗的物質為 B、N、C、Si 與金屬的二元素化合物，其餘為氧化物。他們被歸類為具共價與多孔隙的的化合物或陶瓷，例如 BN、AlN、SiC、BC 等共價化合物具有相似石墨(六角形)或鑽石(立方體)的晶格，然而 TaC、Mo2C、TiC、WC、ZrC 屬於多隙的碳化物，結構上類似金屬的母元素，可支配晶格孔隙中的碳原子。硼化物亦具有部分類似金屬化物的特性，其分子式為 MeB2(如 WB2,AlB2,TiB2),具平面六角形的排列; 然而化合物如 LaB6 或 SiB6具有立體的結構。上述化合物在不同的溫度變化下皆相當安定。
結論：
將微波能與介電性技術相互結合是非常有發展性的，此意謂著我們可藉由增強微波能的熱效應迅速將熱由介電物質傳遞至鄰近的物體上。運用該技術可創造的利益計有: 加速密閉系統中蒸氣的產生、破壞分解有機廢棄物或大幅減少分析樣品的重量與體積等優點。