La dirección del flujo de calor se realizan en sentido inverso al del proceso tradicional, ya que las microondas son absorbidas por el contenido dentro del vaso, la energía es se convierte en calor, y la temperatura del contenido sube. El calor es trasmitido del reactivo y de la mezcla con el solvente a las paredes del vaso y disipado a través de conducción a la atmósfera que lo rodea. Para sacar ventaja de esta tecnología, se le han agregado mecanismos de control de temperatura a los primeros sistemas comerciales de digestión acelerada por microondas para utilizar completamente el encendido y apagado de la aplicación de energía.

Desarrollo de vasos

En los últimos veinte años, los viales de digestión acelerada por  microondas evolucionaron de simples vasos capaces de soportar pequeñas presiones internas a los sistemas actuales para alta temperatura y alta presión. Fabricado en materiales transparentes a las microondas o compuestos químicamente inertes, y diseñados para ser livianos e increíblemente fuertes, estos materiales permiten a la energía de las microondas concentrarse en la mezcla de reactivo y brindan mejor control sobre la reacción. Las capacidad de resistencia a la presión y temperatura se han incrementado de las limitaciones comerciales originales de 160ºC y 120 psi a los vasos avanzados de hoy en día capaces de realizar una digestión controlada a 240 ºC y 800 psi. Aunque pueden utilizarse altas temperaturas, los límites de presión todavía existen. Estos límites se deben  a la naturaleza de los fluoropolímeros  utilizados para el vaso interno y las superficies húmedas de los viales de presión.

Materiales como el teflón, que es extremadamente inerte químicamente hablando, posee una fuerza mecánica muy limitada.  Por tal motivo se debe evitar el uso de este tipo de materiales a temperaturas elevadas cercanas al punto de flujo del polímetro. El uso de compuestos plásticos livianos permite a los materiales inertes humedecidos ser reforzados utilizando otros componentes.

Desarrollo de la Metodología

El equipamiento inicial se enfocaba en disoluciones oxidables simples de materiales orgánicos y procedimientos de extracción para suelos y sedimentos. Las mejoras en las capacidades de temperatura y presión aumentaron la calidad de la disolución dentro de muestras que contienen altas cantidades de carbón, como ser muestras de plantas y de tejidos. Durante el proceso de digestión de muestras de compuestos orgánicos se forman gases insolubles como el CO2. Estos gases combinados con la presión del vapor del solvente y del reactivo a la temperatura alcanzada producen la presión total dentro del vaso. Como el flujo de calor de un vasode digestión por microondas se revierte con respecto al de uno de transmisión por resistencia, la presión total generada debido a disolución por microondas son significativamente más bajas a la misma temperatura que otros sistemas de calor. Esto significa que se pueden digerir más cantidad de muestra a mayores temperaturas y menor presión de lo que normalmente se esperaría. No obstante las limitaciones de la presión máxima de trabajo del vaso aún restringe el tamaño de muestra que puede ser usado para alcanzar la temperatura de disolución y la máxima temperatura que puede ser alcanzada debido a la presión del vapor resultante de los reactivos.

Los avances en la tecnología llevaron al desarrollo de sistemas donde se pueden llegar a temperaturas de 200ºC con 0,5 g de materia orgánica. Esta progresión llevó al desarrollo de métodos de digestión inorgánica a altas temperaturas, donde la gran mayoría de la presión total es la presión de vapor del reactivo. La aplicación de microondas a tales tipos de muestras revolucionó el análisis de este tipo de matrices. Anteriormente, este tipo de muestras comúnmente se preparaban con técnicas de fusión, lo que resultaba en una matriz salina que solía significar problemas en el análsis instrumental posterior. 

El poder de oxidación de minerales ácidos comunes, como el ácido nítrico, se incrementa significativamente a temperaturas de 80-100ºC sobre su punto de ebullición atmosférico. Para materiales orgánicos, la destrucción del carbono en sistemas de digestión acelerados por microondas puede realizarse solamente con ácido nítrico.  Para lograr la misma  eficiencia de digestión por métodos tradicionales se requiere el uso de oxidantes de alta temperatura tales como el ácido sulfúrico o el acido perclórico. Finalmente, luego del enfriamiento las muestras mineralizadas en sistemas acelerados por microondas son preparadas para el análisis mediante una dilución en una matriz de baja viscosidad.  La mezcla resultante presenta así  pocos  efectos de matriz.

Digestión inorgánica de baja temperatura

Históricamente, óxido de hafnio y pepitas de cromita eran preparadas según el método de fusión, donde la muestra se calienta con algún material cáustico sólido. Usualmente un hidróxido alcalino, en un crisol de platino resistente química y termicamente a una fuente de calor de temperatura extrema a fin de fusionar los materiales formando un flujo que permita luego una disolución (Figura 1).

Con el desarrollo de vasos de digestión aptos para microondas a alta temperatura y sensores capaces de controlar la reproducibilidad del proceso, muestras minerales mezcladas y pepitas pueden digerirse con ácidos minerales en 20—45 minutos bajo condiciones altamente reproducibles. De todos modos, para obtener la disolución total de estas muestras se deben aplicar consideraciones estequiométricas y el orden en el que los elementos oxidantes y reactivos disolutores son aplicados. Aunque utilizando este procedimiento se puede separar exitosamente una matriz con reactivo, se debe tener cuidado ya que analíticamente los elementos importantes pueden precipitarse a otras formas y solidificarse luego del procedimiento.

Alto contenido de carbón

Una limitación de la técnica de digestión acelerada por microondas siempre fue la limitación en el volumen práctico de muestra en los vasos. Los fabricantes producen vasos de un tamaño óptimo que permite a los distintos componentes que lo componen funcionar efectivamente y soportar altas presiones.  Aún con estas características los vasos no ocupan gran tamaño, por lo que puede caber un número razonable de ellos dentro de la cavidad del sistema permitiendo realizar digestión simultánea de varias muestras.  Dado que la mayoría de vasos de alta presión tienen un volumen aproximado de 100 mL, la masa de muestra de una matriz orgánica dificultosa, como combustibles pesados o polímeros como el polipropileno, está limitado debido a que se generan alrededor de 600-800 psi durante la digestión a las temperaturas normalmente alcanzadas (200-220ºC). Agregar más muestras incrementa de presión al límite que permite el material utilizado en mayoría de los vasos. Además, los materiales rígidos como el cuarzo han demostrado ser problemáticos y fallar catastróficamente, a diferencia de los polímeros no-rígidos.

Las muestras de alto contenido orgánico se benefician de la tecnología de alivio y resellado usada en los primeros diseños comerciales de vasos. No obstante, las verdaderas ventajas de ésta técnica no se notaron hasta el desarrollo de sistemas de alta temperatura con vasos que pueden mantener un límite de presión establecido y eliminar el exceso de gases formados por la digestión. Estos vasos están diseñados para mantener una temperatura de “buena” digestión y aliviar el exceso de gases producidos durante la oxidación. En esencia, el vial elimina el exceso de presión durante la parte exotérmica de la digestión y vuelve a sellar una vez que la evolución del gas se detiene. De todos modos, tal tecnología debe manejarse con cuidado porque algunos fabricantes configuran la presión de ventilado sobre los 500 psi. A esas presiones la fuerza del alivio puede causar la proyección de la muestra y expulsar una porción del contenido del vaso, perdiendo la muestra y analitos de interés. Antes de ventilar, idealmente debajo de los 500 psi, la mayor parte del proceso de digestión debe completarse, formando soluciones de especies iónicas de los analitos de interés, que tienen un estado de oxidación que ninguna otra especie volátil tiene.

Evaporación y Concentración

Con la mejora contínua en los límites de detección alcanzados por el equipamiento analítico y con  la tecnología ICP-MS volviéndose cada vez menos costosa, la preparación de la muestra es un factor limitante para alcanzar límites de detección bajos en muestras reales. Preparar la muestra no solamente consume una significante cantidad de tiempo, sino que también limita potencialmente el alcance de límites del análisis. La preparación de muestras acelerada por microondas se encarga de ambas cuestiones con el desarrollo reciente de accesorios de concentración automatizada.

Hasta hace poco, las limitaciones en la masa de muestra que podía utilizarse restringía los límites de detección que podían obtenerse mediante  digestión acelerada por microondas para muestras de alto contenido orgánico. Preparar una digestión excelente requiere un volumen de reactivo de aproximadamente 10 mL de ácido concentrado en una muestra de ~0,5 g, La tecnología de los vasos, el sistema de alivo y re-sellado ha extendido la masa de muestra a ~1 g, pero no hay que olvidarse de la matriz de reactivo. La disolución que se obtiene en una digestión realizada en un sistema sellado con 10 mL de ácido normalmente finaliza en  un volumen final de 50mL cuya  matriz contiene 20% de ácido. Esto mismo puede influenciar los límites de detención.

A través de la introducción de los accesorios de evaporación como el Micro Vap de CEM, los fabricantes buscaron tomar ventaja de la naturaleza única del calentado por microondas para evaporar la matriz rápidamente, pre o post digestión, y permitir una reducción significativa en la matriz reactiva para el análisis subsiguiente. Estos accesorios realizan la digestión sin transferencia, en la línea usada para la disolución, y aplican la energía de las microondas mientras las muestras están en un vacío parcial. El sistema de control permite al instrumental detectar automáticamente el punto de ebullición de la mezcla de reactivos y continuar calentando la solución hasta que la muestra sea evaporada a un volumen ácido muy bajo. Las ventajas de las microondas es que la digestión básicamente se evapora automáticamente a casi o absolutamente seco, sin que quede sustancia en el campo energético de las microondas para absorber energía, y la temperatura baja inmediatamente. Adicionalmente, el operador puede programar una caida de temperatura al final del ciclo de calentamiento. A diferencia de las evaporaciones en placa caliente, la temperatura de los residuos cae a medida que se aproxima a la sequedad. Las microondas realizan la digestión automáticamente sin necesidad de que el operador observe y sin riesgo de pérdida de analitos debido a sobrecalentamiento de los residuos. También es muy rápido, evaporando automáticamente 10-25 mL en 15-20 minutos.  El control atmosférico durante la evaporación puede realizarse utilizando los filtros de entrada de aire HEPA, si así se requiere. Ésta técnica permite el intercambio de ácidos para el análisis, así como también una concentración, bajo volumen de dilución, en una concentración de ácidos más manejablepara análisis ( 2 a 4% de nitrito).

Los avances en la tecnología informática y de sensores de los últimos dos o tres años han mejorado el resultado en consideración a las preparaciones de muestras aceleradas por microonda y alterado dramáticamente la tecnología de las microondas. El diseño de tecnología ayudado por computadora ha permitido vasos diseñados para maximizar fuerza sobre peso y sacó ventaja del desequilibrio encontrado en los sistemas preparativos de presión de microondas. La pérdida de calor de los vasos, mientras que la energía se acumula  la muestra solamente, lo que permite a la presión generada por la muestra estar por debajo de los valores teóricos para digestiones de temperatura elevada. El diseño de vasos para maximizar este concepto específicamente  ha permitido recientemente el desarrollo de un sistema de control y vasos, el Mars Xpress, que puede procesar hasta 40 digestiones presurizadas en una sola tanda a temperaturas mayores de las que permitían los sistemas anteriores, que no podían procesar más de 14 viales de alta presión. Esta tecnología permite mejores digestiones aceleradas por microondas en términos de calidad de la solución analítica para aplicaciones que exigen grandes volumen de muestras a analizar. Los innovadores sensores de control permiten el manejo y la salida continua de la temperatura de cada vaso de digestión. El proceso es controlado por los datos recolectados de la temperatura de cada vaso, que es mucho más representativa que la de la tanda entera, que era como funcionaban los equipos de generaciones anteriores con control de un vaso individual de referencia.

El Futuro de la Digestión por Microondas

El futuro cercano de la tecnología de digestión por microondas depende de más avances técnicos en la facilidad de uso, resultados, y materiales. La combinación de mejoras permitirá avances significativos en esas áreas. Avances en la flexibilidad mejorada permitirán el tratamiento de matrices de diferentes muestras en la misma corrida o tanda, independientemente de las otras en término de reactivos y metodologías, permitiendo al operador una libertad con respecto a las limitaciones actuales de muestras compatibles en tipo y tamaño dentro de una misma tanda. Por lo tanto, un programa a medida proveerá de una solución de análisis óptima e independiente, permitiendo esencialmente tratar cada muestra individual de forma separada. Mejoras en el poder de computación también permitirá mayor control de los procesos, logrando que el instrumento siga los procesos a medida requeridos para las aplicaciones de áreas como los estudios por especie.

La tecnología de los vasos y la mejora en los materiales están permitiendo el desarrollo de recipientes más pequeños, más fuertes y más efectivos, los que incluyen o incorporan medidas para controlar procesos que actualmente están separados y disgregados de la disolución. Este proceso, que comenzó recientemente con la concentración automatizada, continúa desarrollándose y evolucionando para requerir la menor intervención posible por parte del operador en el proceso analítico. La consistencia y el control se están volviendo la premisa de una nueva generación de equipamiento.