殷春前

（安徽省宣城市标准计量所，安徽宣城 242000）

微波消解是一种样品前处理技术。微波消解法是一种在密闭容器中进行微波加热反应的方法。在高温消解下，样品的表层和内部在高分子的运动下溶解和反应，使样品快速溶解，其优点主要是反应速度快、消耗试剂少、节能环保和制样控制更容易自动化。利用微波加热的穿透性和激活反应能力，将试剂和样品密封在一个容器中，在轻工行业的食品、纺织、塑料、造纸、日化等检验检测领域得到了广泛的应用。目前，我国尚未对微波消解仪制订统一的计量技术规范，GB/T 26814－2011《微波消解装置》中对微波消解装置（为和生产厂家的叫法一致，以下称“微波消解仪”）温度计量特性提出了一定的要求，但不同厂家在生产过程中对微波消解仪的计量特性要求是有一定差异的，如何评价微波消解仪具有的计量特性如温度、压力、时间等参数已成为亟待解决的问题[1]。为今后更好地规范微波消解仪的计量校准工作，全面客观地评价微波消解仪的计量特性，必须具体深入研究微波消解仪校准方法，为其使用提供计量技术支撑，满足用户对溶解不同样品的计量特性需求。

1 微波消解仪工作原理

常规消解法一般采用电热板加热的方式来实现消解，利用热传导及对流实现能量传递，这种方法加热效率低、危险性高、消耗试剂量大，且容易在消解过程中挥发损失部分重金属元素，有害微量元素如As、B、Cr、Hg、Sb、Se、Pb 等。

微波消解的特点是利用微波与介质的相互作用特性，在密闭容器内部，实现微波快速加热，并在高温高压下保持较高的消解温度，进而提高消解效率，达到高效制样的目的。使用微波消解仪进行样品消解时，反应容器即微波消解罐直接被微波穿透且不被微波加热，微波直接作用于样品和试剂混合物，在微波的作用下样品中的极性分子之间发生转动、摩擦，分子总能量及反应温度增加，从而提高加热速率，缩短样品制备时间，使不能被传统方法消化的样品得以完全消化。同时，使用密闭容器就会减少损失，获得低的空白值。在使用过程中，没有试剂损耗，不需要反复添加，可以减少试剂用量，降低环境污染，减少酸雾对实验室空气和操作人员的危害。

微波消解过程温度的准确性会直接影响到微波消解的效率和结果准确性。由于微波消解仪的消解过程是在全密闭的消解罐中完成的，需要对其密闭消解罐内的温度进行校准。

2 微波消解仪温度校准方法

2.1 测量标准的选取

测量标准的选取重点从三个方面考虑，一是测量标准的安全性，测量标准应不吸收微波且能够在微波消解仪频率（2450±40）MHz 的微波空间内正常工作；二是测量标准的适用性，微波消解仪为高温高压密闭装置，在使用过程中始终处于密封状态，采用常规有线测温设备是无法测量消解罐工作时的真实温度，测量标准应为无线温度数据记录器，具有自动采集被测温度信号、数据存储、记录等功能，能够在微波消解仪正常使用状态下对微波消解罐内的介质温度进行测量。三是测量标准的准确性，综合考虑微波消解仪的常用温度及现有测量标准的技术能力，所选择的测量标准计量特性应满足：

（1）测温范围：（0～170）℃；分辨力：优于0.1℃；

（2）温度数据记录器的不确定度：U≤0.2℃（k=2）[2]。

因此，本文选择了符合上述要求的计量芯的无线微波消解仪专用校准装置对微波消解仪进行温度校准。

温度数据记录器应定期进行量值溯源，对校准证书能否满足要求，需根据预期使用要求进行确认[3]。

2.2 计量特性的确定

温度是微波消解仪需要控制的关键参数，关乎着微波消解仪的使用安全、测量准确及设备耗材的使用寿命。控温不准可能出现罐内温度异常、压力过大，导致爆罐危害。温度如果过低则可能会导致过程中的消解不充分，影响后续测量结果的准确可靠。温度作为关键参数进行校准，确保温度示值的准确可靠，可保证微波消解的实际效果。

参考JJF 1101-2019《环境试验设备温度、湿度参数校准规范》和JJF 1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》等相关计量技术规范，微波消解仪温度校准项目确定为温度偏差、温度均匀度、温度波动度[4]。采用JJF 1101-2019《环境试验设备温度、湿度参数校准规范》中规定的定义，温度偏差分上偏差、下偏差，GB/T 26814－2011《微波消解装置》虽未对偏差进行划分，但因为上偏差和下偏差的值都在允许范围内，才表明消解的都很充分彻底[5]。

微波消解仪的计量特性如表1 所示。

表1 微波消解仪的计量特性

2.3 校准方法的实施

2.3.1 测量点的数量与位置

微波消解仪校准测量点的数量与位置分布，要满足对称、均匀这两个条件[6]。对于接触式微波消解仪，其自带控温传感器的消解罐为主控罐，该罐需布置测量点。对于非接触式微波消解仪，常采用红外控温方式，无需确定主控罐。测量点数量不低于4 个，且一般不少于微波消解仪消解罐最大数量的1/8，例如：一个40 罐的微波消解仪，测量点数量应不低于5 个，可根据客户需求适当增加测量点数量。测量点的位置应均匀分布于微波消解仪工作舱内的转盘上。常见24 罐的微波消解仪，其测量点布置方式如图1 所示。

图1 24 罐微波消解仪测量点布置图

2.3.2 校准过程

首先，根据仪器操作手册的规定，设置微波消解程序和无线温度数据记录器参数，如数据记录间隔、启动模式、停止方式等。在本次试验中，数据记录间隔为10 s，采样时间为3 h，大于微波消解仪运行时间。其次，设置微波消解仪程序，本次试验对微波消解仪150℃温度进行测试，设置程序为升温时间3 min，消解温度150℃，保温时间7 min，最大功率15 W，微波消解仪通过PID 控温自动调节功率。按照上文布点要求，取4 个微波消解罐，加入等量测量介质，然后将无线温度数据记录器启动后放入微波消解罐中，保证无线温度数据记录器的测温探针浸没于微波消解罐内介质中，将消解罐密封，并按照微波消解仪操作要求放入微波消解仪内，启动微波消解程序。无线温度数据记录器将记录微波消解仪全过程的温度数据。待微波消解仪运行完成并降温至可开门后，取出微波消解罐及无线温度数据记录器，读取全部温度数据并进行数据处理。

实际校准过程中，需注意以下三点：一是如客户有校准点的要求，往往会根据客户的要求来选择校准温度点[7]。如客户无校准点的要求，通常选择150℃作为常用温度测量点进行校准；二是校准点达到稳定状态后的数据作为校准数据处理，根据GB/T 26814－2011《微波消解装置》，一般选取达到设定温度后1 min 后的数据作为校准数据处理，如无特殊要求，进行一次校准即可；三是无线温度数据记录器放置于消解罐内时，要在消解罐内加入与微波消解仪正常工作时所需溶剂等量的纯水。

2.4 校准数据处理

2.4.1 温度偏差

温度偏差是指被校测量设备在稳定状态下，测量点测得的最高温度、最低温度与标称值（仪器设备的设定值）之差，按式（1）和式（2）计算：

式（1）和式（2）中：Δtmax-温度上偏差，℃；Δtmin-温度下偏差，℃；tmax-各测量点规定时间内测量的最高温度，℃；tmin-各测量点规定时间内测量的最低温度，℃；ts-微波消解仪标称（设定）温度，℃。

2.4.2 温度均匀度

温度均匀度是指被校测量设备在稳定状态下，各测量点在规定的时间内消解罐内测得的最高温度与最低温度的差值的算术平均值，按式（3）计算：

式（3）中：

Δtu-温度均匀度，℃；n-测量次数；timax-各校准点在第i次测的最高温度，℃；ti min-各校准点在第i次测的最低温度，℃。

2.4.3 温度波动度

温度波动度是指被校测量设备在稳定状态下，消解罐内各测量点在规定的时间间隔内实测最高温度与最低温度之差的一半。温度波动度具有“±”号，取全部测量点中的变化量最大值作为校准结果，按式（4）计算：

式（4）中：

Δtf-温度波动度，℃；

tj max-测量点j 在n 次测量中的最高温度，℃；

tj min-测量点j 在n 次测量中的最低温度，℃。

2.5 校准结果

以型号为MDS-15 的高通量微波消解仪为例，设定温度150℃，按照对称、均匀的分布方法，放入4 只无线微波消解仪数据记录器，待微波消解工作结束，用专用软件将温度数据读取出来。微波消解仪消解过程温度曲线如图2 所示，校准结果如表2 所示。

表2 微波消解仪温度校准测试数据

图2 微波消解仪消解过程温度曲线图

3 校准时应注意的问题

3.1 测温装置的影响

微波消解仪在实际工作过程中是将样品放入消解罐，在消解罐内密封进行消解，必须采用无线测温设备进行温度校准。测温装置必须能在微波环境条件下正常工作，无线测温探头多采用纳米技术材料用于反射微波，该材料具有耐酸、耐碱、耐各种有机溶剂等性能和特点，几乎不溶于所有的溶剂，能有效保护测温设备，确保校准测量过程安全、准确和可靠，选择适合的标准器是校准工作的关键[8]。

3.2 控温方式的影响

开展微波消解仪温度参数校准时，应首先了解该设备的控温方式。微波消解仪可分为接触式控温和非接触式控温两种。采用接触式时，一般主控罐温度准确，示值误差小，其他消解罐温度与主控罐温度是否一致主要取决于消解罐的使用程度是否一致。非接触式控温一般采用最高温控温方式和平均控温方式。最高控温是采用红外测温仪扫描得到各个消解罐温度，以温度最高的消解罐作为控温罐。采用最高温控温方式检测出来其他罐实际温度低于设备显示温度。平均温控是以扫描（4～10）个消解罐的温度平均值作为控温温度，普遍会存在延迟，导致罐内温度大于设定温度。这是由于微波消解仪控温方式导致的差异，因此在进行微波消解仪温度校准时，应给出消解罐内真实温度，为使用者提供参考。

3.3 规范操作的影响

开展微波消解仪校准工作，必须正确规范操作仪器。首先是检查微波消解仪的接地情况，确保插座安全接地使用；其次在校准过程中，操作人员在温度校准时，应使用相同的溶剂，并使用移液器或量筒加入溶剂，以保证消解罐装入的溶剂种类、溶剂体积和初始温度三者相同，这有助于控制温度和压力。校准操作过程中，设定压力、温度不得超过仪器和校准使用的标准器规定最高值的上限，以免损坏微波消解仪及标准器。校准过程完成后，不能立即打开微波消解仪的消解罐，等待微波消解仪显示温度降至80℃以下，才可以慢慢松开放气螺丝，此项操作建议在通风橱内完成。容器中的气体释放完毕时，松开顶丝，取出校准用标准器。实际操作应注意操作程序，以免造成人员伤害。

4 结束语

本文对微波消解仪温度校准方法进行了研究，根据微波消解仪的工作原理确定计量校准的关键点以及计量特性参数的选定原则。微波消解仪校准需满足微波条件下密封运行的环境条件，明确专用的微波消解校准标准装置特点，正确选择能在微波、密封等条件下稳定的温度测量参考标准，合理布置测量点的数量与位置，是有效实施微波消解仪校准的关键。从测量标准的选取和校准计量特性的确定两个方面给出了微波消解仪的温度校准方法。该校准方法能正确评价仪器的计量性能，为微波消解仪的量值溯源提供技术支持。