《Analytica Chimica Acta》：Microwave-assisted sample preparation: A review of 50 years of achievements and trends
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微波辅助消解技术历经50年发展，已成为元素分析样本制备的先进方法。当前应用广泛，但绿色、快速、高效的技术改进仍是重点。研究指出该技术覆盖12项可持续发展目标，尤其在健康、水资源、气候行动等领域成效显著。未来将向更环保、智能化的方向发展。
Fábio R.P. Rocha | Joaquim A. Nóbrega
农业核能中心 – 圣保罗大学，Centenário大道303号，13416-000，皮拉西卡巴，圣保罗州，巴西
摘要
背景
微波辅助消化是元素分析样品制备领域的最新技术，已广泛应用于各种样品的处理。这一技术的成熟得益于50年来在概念、技术和应用方面的重大进展。然而，传统方法仍然被广泛使用，这凸显了进一步推广微波辅助消化技术的必要性。
结果
在改进微波辅助消化方法方面仍存在挑战和机遇，尤其是在实现更环保、更快捷、更高效的目标方面。
意义
本文回顾了该技术50年来的关键发展及未来方向，旨在推动该领域的进一步进步。
引言
第二次世界大战期间，当微波技术被开发用于雷达用途时，其快速加热材料的潜力便得到了认可，为微波炉在家庭中的普及奠定了基础。第一台商用微波炉于1950年问世。二十多年后，人们证明了微波技术在化学样品干燥过程中的优势与局限性（例如，将邻苯二甲酸钾标准品的干燥时间从传统方法下的2小时缩短至5分钟）[1]。关于样品分解的开创性研究始于1975年[2]。尽管取得了令人鼓舞的成果，但当时难以预见微波辅助技术对样品处理方式的深远影响。如今，相关研究论文已超过3600篇，相关书籍也有多部[3],[4],[5],[6],[7],[8]，多个领域也建立了官方操作规程[10],[11],[12]，各类公司的微波设备在全球范围内得到普及——据粗估，每年销售约4000台设备，实际使用数量约为3万台[13]。根据我们的经验，微波消化系统的使用寿命约为10至15年。
图1展示了化学领域尤其是分析化学领域中关于微波技术研究的论文数量变化。自2000年以来，每年发表的微波辅助样品制备相关论文数量基本保持稳定（约100篇），目前这类论文占分析化学领域微波应用总数的33%。这些论文在Web of Science数据库中被引用超过11.5万次，与17项可持续发展目标中的6项密切相关：健康与福祉（30.1%）、清洁水与卫生（6.7%）、气候行动（2.2%）、水下生物（1.7%）以及可负担的清洁能源（1.7%）。相关论文发表于至少146种期刊上，其中Talanta（9.7%）、J. Anal. At. Spectrom.（9.2%）、Anal. Chim. Acta（8.7%）、Microchem. J.（6.5%）、Anal. Bioanal. Chem.（4.6%）、Anal. Methods（3.6%）和Anal. Chem.（3.5%）占比最高。作者来自至少94个国家，包括中国（13.4%）、巴西（12.2%）和美国（10.0%），体现了该技术的全球影响力。
通过对比两篇综述文章可以了解微波辅助样品制备技术的发展历程。Smith和Arsenault在1996年的综述[14]中总结了20年来的技术进展，指出：“微波技术已发展到能够彻底改变化学样品制备和合成方法的程度——几乎所有类型的样品都适用微波辅助方法”。专家们一致认为微波技术具有显著的样品处理潜力；1996年马萨诸塞大学（美国阿默斯特）举办的研讨会[15]鼓励参与者尝试使用微波技术处理各种样品（无论有机或无机）。当时的方法通常依赖浓酸甚至强腐蚀性试剂（如高氯酸）。综述作者还指出，“磁控管将电能转化为微波能的效率较低”，但“在某些应用中，微波炉比传统电炉更具经济性”。2017年的综述则展示了新的发展方向，例如能够承受高压高温的封闭容器，使得新的处理方法成为可能。对封闭容器内化学过程的理解加深后，可以使用稀释试剂，绿色化学理念在样品制备中变得尤为重要。据报道，每份样品的能耗可低至0.03千瓦时[16]。最近有文章强调采用更环保的样品制备方法[17]，这一趋势同样适用于微波辅助样品制备技术。
本文总结了微波辅助样品制备技术的关键进展及其在分析化学中的应用范围，确立了其作为元素分析样品制备领域的领先地位。回顾过去50年的发展历程，我们展望未来：我们将走向何方？文章将探讨一些具体应用，但不会进行全面综述。相关内容已在书籍章节[18]及综述文章中详细讨论，这些文章聚焦于使用等离子体技术的样品预处理[16]，以及有机污染物提取[19]、原油处理[20]和乳制品处理[21]等特定应用。
小节摘录
回顾过去：主要贡献
大多数分析方法都需要样品制备，以便将分析物提取出来供仪器检测，同时避免基质效应和复杂基质对仪器的损害。样品制备通常包括分离、预浓缩和纯化步骤，具体策略取决于样品类型（有机或无机）、分析物浓度及分析方法。
展望未来
前文的讨论表明，许多微波辅助样品制备技术的发展源于对更快、更环保方法的追求。这一趋势将持续下去，未来有望实现更多创新。绿色评估指标有助于评估现状并明确改进方向。专门用于评估样品制备流程的AGREEprep指标[93]尤为适用，该指标基于样品制备的十大原则[94]进行评分。
结论与趋势
综上所述，越来越多官方方法推荐使用微波辅助技术，加之绿色化学理念的普及，将有助于推动该技术的广泛应用。正如Kingston在书籍序言中所述[30]：“……样品制备技术现已达到与分析仪器相当的水平，二者结合可实现元素的快速检测和准确定量。”
作者贡献声明
Joaquim A. Nóbrega：撰写与编辑、初稿撰写、数据分析、概念构思。Fábio Rocha：撰写与编辑、初稿撰写、资金筹集、概念构思
未引用参考文献
[58]。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq，项目编号315866/2021-7和307452/2023-9）、圣保罗研究基金会（FAPESP）以及高等教育人员协调委员会（CAPES）的资助，同时感谢Luís C. Martins在图表制作方面的协助。Fábio R. P. Rocha于2000年在圣卡洛斯联邦大学获得化学博士学位，现任职于圣保罗大学农业核能中心（位于圣保罗州皮拉西卡巴）。他的主要研究方向包括样品制备、光谱分析、仪器技术及绿色分析化学。他还担任《Talanta》、《Talanta Open》和《Journal of Analytical Methods in Chemistry》的副主编。
