微波

   微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無(wú)線(xiàn)電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱(chēng)，即波長(cháng)在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統稱(chēng)。微波頻率比一般的無(wú)線(xiàn)電波頻率高，通常也稱(chēng)為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會(huì )吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類(lèi)東西，則會(huì )反射微波。

從電子學(xué)和物理學(xué)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的如下重要特點(diǎn)：

微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線(xiàn)、遠紅外線(xiàn)等波長(cháng)更長(cháng)，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時(shí)，由于微波能與介質(zhì)發(fā)生一定的相互作用，以微波頻率2450兆赫茲，使介質(zhì)的分子每秒產(chǎn)生24億五千萬(wàn)次的震動(dòng)，介質(zhì)的分子間互相產(chǎn)生摩擦，引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內部、外部幾乎同時(shí)加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規加熱中的熱傳導時(shí)間，且在條件為介質(zhì)損耗因數與介質(zhì)溫度呈負相關(guān)關(guān)系時(shí)，物料內外加熱均勻一致。

物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數來(lái)決定。介質(zhì)損耗因數大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強，相反，介質(zhì)損耗因數小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數存在差異，微波加熱就表現出選擇性加熱的特點(diǎn)。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數較大，其介質(zhì)損耗因數也很大，對微波具有強吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來(lái)說(shuō)，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。

微波對介質(zhì)材料是瞬時(shí)加熱升溫，升溫速度快。另一方面，微波的輸出功率隨時(shí)可調，介質(zhì)溫升可無(wú)惰性的隨之改變，不存在“余熱”現象，極有利于自動(dòng)控制和連續化生產(chǎn)的需要。

微波波長(cháng)很短，比地球上的一般物體（如飛機，艦船，汽車(chē)建筑物等）尺寸相對要小得多，或在同一量級上。使得微波的特點(diǎn)與幾何光學(xué)相似，即所謂的似光性。因此使用微波工作，能使電路元件尺寸減??；使系統更加緊湊；可以制成體積小，波束窄方向性很強，增益很高的天線(xiàn)系統，接受來(lái)自地面或空間各種物體反射回來(lái)的微弱信號，從而確定物體方位和距離，分析目標特征。

由于微波波長(cháng)與物體（實(shí)驗室中無(wú)線(xiàn)設備）的尺寸有相同的量級，使得微波的特點(diǎn)又與聲波相似，即所謂的似聲性。例如微波波導類(lèi)似于聲學(xué)中的傳聲筒；喇叭天線(xiàn)和縫隙天線(xiàn)類(lèi)似與聲學(xué)喇叭，蕭與笛；微波諧振腔類(lèi)似于聲學(xué)共鳴腔。

微波的量子能量還不夠大，不足與改變物質(zhì)分子的內部結構或破壞分子之間的鍵（部分物質(zhì)除外：如微波可對廢棄橡膠進(jìn)行再生，就是通過(guò)微波改變廢棄橡膠的分子鍵）。再有物理學(xué)之道，分子原子核在外加電磁場(chǎng)的周期力作用下所呈現的許多共振現象都發(fā)生在微波范圍，因而微波為探索物質(zhì)的內部結構和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用這一特性，還可以制作許多微波器件。

由于微波頻率很高，所以在不大的相對帶寬下，其可用的頻帶很寬，可達數百甚至上千兆赫茲。這是低頻無(wú)線(xiàn)電波無(wú)法比擬的。這意味著(zhù)微波的信息容量大，所以現代多路通信系統，包括衛星通信系統，幾乎無(wú)例外都是工作在微波波段。另外，微波信號還可以提供相位信息，極化信息，多普勒頻率信息。這在目標檢測，遙感目標特征分析等應用中十分重要。

微波能通常由直流電或50Hz交流電通過(guò)一特殊的器件來(lái)獲得?？梢援a(chǎn)生微波的器件有許多種，但主要分為兩大類(lèi)：半導體器件和電真空器件。電真空器件是利用電子在真空中運動(dòng)來(lái)完成能量變換的器件，或稱(chēng)之為電子管。在電真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管、多腔速調管、微波三、四極管、行波管等。在目前微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)應用中使用的主要是磁控管及速調管。

微波對生物體的熱效應是指由微波引起的生物組織或系統受熱而對生物體產(chǎn)生的生理影響．熱效應主要是生物體內有極分子在微波高頻電場(chǎng)的作用下反復快速取向轉動(dòng)而摩擦生熱；體內離子在微波作用下振動(dòng)也會(huì )將振動(dòng)能量轉化為熱量；一般分子也會(huì )吸收微波能量后使熱運動(dòng)能量增加．如果生物體組織吸收的微波能量較少，它可借助自身的熱調節系統通過(guò)血循環(huán)將吸收的微波能量(熱量)散發(fā)至全身或體外．如果微波功率很強，生物組織吸收的微波能量多于生物體所能散發(fā)的能量，則引起該部位體溫升高．局部組織溫度升高將產(chǎn)生一系列生理反應，如使局部血管擴張，并通過(guò)熱調節系統使血循環(huán)加速，組織代謝增強，白細胞吞噬作用增強，促進(jìn)病理產(chǎn)物的吸收和消散等．

微波的非熱效應是指除熱效應以外的其他效應，如電效應、磁效應及化學(xué)效應等．在微波電磁場(chǎng)的作用下，生物體內的一些分子將會(huì )產(chǎn)生變形和振動(dòng)，使細胞膜功能受到影響，使細胞膜內外液體的電狀況發(fā)生變化，引起生物作用的改變，進(jìn)而可影響中樞神經(jīng)系統等．微波干擾生物電(如心電、腦電、肌電、神經(jīng)傳導電位、細胞活動(dòng)膜電位等)的節律，會(huì )導致心臟活動(dòng)、腦神經(jīng)活動(dòng)及內分泌活動(dòng)等一系列障礙．對微波的非熱效應，人們還了解的不很多．當生物體受強功率微波照射時(shí)，熱效應是主要的(一般認為，功率密度在在10mW/cm2者多產(chǎn)生微熱效應．且頻率越高產(chǎn)生熱效應的閾強度越低)；長(cháng)期的低功率密度(1 m W/cm2 以下)微波輻射主要引起非熱效應．

微波是頻率在300兆赫到300千兆赫的電波，被加熱介質(zhì)物料中的水分子是極性分子。它在快速變化的高頻電磁場(chǎng)（微波）作用下，其極性取向將隨著(zhù)外電場(chǎng)的變化而變化。造成水分子的自旋運動(dòng)的效應，此時(shí)微波場(chǎng)的場(chǎng)能轉化為介質(zhì)內的熱能，使物料溫度升高，產(chǎn)生熱化等一系列物化過(guò)程而達到微波加熱干燥的目的。

微波殺菌是利用了電磁場(chǎng)的熱效應和生物效應的共同作用的結果。微波對細菌的熱效應是使蛋白質(zhì)變化，使細菌失去營(yíng)養，繁殖和生存的條件而死亡。微波對細菌的生物效應是微波電場(chǎng)改變細胞膜斷面的電位分布，影響細胞膜周?chē)娮雍碗x子濃度，從而改變細胞膜的通透性能，細菌因此營(yíng)養不良，不能正常新陳代謝，細胞結構功能紊亂，生長(cháng)發(fā)育受到抑制而死亡。此外，微波能使細菌正常生長(cháng)和穩定遺傳繁殖的核酸[RNA]和脫氧核糖核酸[DNA]，是由若干氫鍵松弛，斷裂和重組，從而誘發(fā)遺傳基因突變，或染色體畸變甚至斷裂。

利用微波能來(lái)提高萃取率的一種最新發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。它的原理是在微波場(chǎng)中，吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區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)入到介電常數較小、微波吸收能力相對差的萃取劑中；微波萃取具有設備簡(jiǎn)單、適用范圍廣、萃取效率高、重現性好、節省時(shí)間、節省試劑、污染小等特點(diǎn)。目前，除主要用于環(huán)境樣品預處理外，還用于生化、食品、工業(yè)分析和天然產(chǎn)物提取等領(lǐng)域。在國內，微波萃取技術(shù)用于中草藥提取這方面的研究報道還比較少。

微波萃取的機理可從以下3個(gè)方面來(lái)分析：

①微波輻射過(guò)程是高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)到達物料內部的微管束和腺胞系統的過(guò)程。由于吸收了微波能，細胞內部的溫度將迅速上升，從而使細胞內部的壓力超過(guò)細胞壁膨脹所能承受的能力，結果細胞破裂，其內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(guò)進(jìn)一步的過(guò)濾和分離，即可獲得所需的萃取物。

②微波所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可加速被萃取組分的分子由固體內部向固液界面擴散的速率。例如，以水作溶劑時(shí)，在微波場(chǎng)的作用下，水分子由高速轉動(dòng)狀態(tài)轉變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這是一種高能量的不穩定狀態(tài)。此時(shí)水分子或者汽化以加強萃取組分的驅動(dòng)力，或者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，以加速其熱運動(dòng)，從而縮短萃取組分的分子由固體內部擴散至固液界面的時(shí)間，結果使萃取速率提高數倍，并能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質(zhì)量。

③由于微波的頻率與分子轉動(dòng)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動(dòng)而引起分子運動(dòng)的非離子化輻射能，當它作用于分子時(shí)，可促進(jìn)分子的轉動(dòng)運動(dòng)，若分子具有一定的極性，即可在微波場(chǎng)的作用下產(chǎn)生瞬時(shí)極化，并以24．5億次/s的速度作極性變換運動(dòng)，從而產(chǎn)生鍵的振動(dòng)、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的熱能，促使細胞破裂，使細胞液溢出并擴散至溶劑中。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)從基體或體系中分離，進(jìn)入到具有較小介電常數、微波吸收能力相對較差的萃取溶劑中。