化學科普:微量元素分析的三大利器

化學科普:微量元素分析的三大利器。(圖/業者提供)

微量元素分析」(Trace Elemental Analysis)是個看似陌生字眼,實際上卻處處維護着安全的日常生活。微量元素分析可以解析樣本所含有的元素種類與元素含量。目前,這項分析技巧被廣泛應用於臨牀醫學、環境監控生物製藥、食物安全、精密工業、地質環境等領域

常見的分析方法爲:原子吸收光譜法(AAS)、感應耦合電漿發射光譜法(ICP-OES)以及感應耦合電漿質譜法(ICP-MS)。

原子吸收光譜法(AAS)

原子吸收光譜法(Atomic Absorption Spectrometry ,簡稱AAS)是一種分析樣本元素種類及元素濃度分析法。經過樣品前置處理,將樣本藉由火焰原子化器或石墨爐(Graphite Furnace)化成氣態基態原子。經由元素之中空陰極燈管(Hollow Cathode Lamp)將樣本吸收光線,由單光器(Monochromator)篩選出測定波長測量出樣本所含相關元素及元素濃度。

原子吸收光譜法的原理爲何?光譜法的基礎爲比爾-朗伯定律(Beer-Lambert Law)。當帶有特定元素的光線穿過樣本時,部分光線會被相關元素吸收。由此,我們可以透過比較原有光線強度及穿過樣本後光線強度,計算出吸收度,測量出樣本中相關元素含量。原子吸收光譜法又分爲火焰式和石墨式。火焰式具有經濟效益,適合包含樣品分析物液體或溶解樣品,可耐受極高濃度分析(% ~ ppm)。而石墨式是一種高度穩健的技術,能夠分析少量的液體樣品,其靈敏度比火焰式佳,能夠檢測 ppb ~ ppt 範圍微量元素。

相比起其他分析方法(如重量分析法),原子吸收光譜法的精準度較高,設置成本容易。唯一不足是,原子吸收光譜法單次僅能測定一種元素,較爲耗費時間

感應耦合電漿光學發射光譜法(ICP-OES)

ICP-OES工作原理,樣本經由蠕動泵引入,並以霧化器霧化成氣溶膠。氣溶膠將被注入電漿中,至高溫感應耦合電漿(Plasma)加熱、激化、氣化成爲原子或離子,繼而遊離化,經分光系統定性定量

與ICP-MS不同的是其偵測方法。相比起ICP-MS透過離子的質譜進行偵測,在ICP-OES中,被激化的原子及離子會在極短的時間回到基態。過程中,離子的多餘能量將釋出特定的光譜;離子含量越濃,其釋出的光也就越強。透過比較已知成分的光譜線及強度,就能檢測出元素的種類及含量。

相對於其他類型的偵測方法(如上面提及過的AAS),ICP-OES能穩定測試出多種元素。其靈敏度雖然不及ICP-MS,但仍能檢測出十億分(ppb, parts per billion)級別的元素。相對地,ICP-OES設置要求信價比最高。

感應耦合電漿質譜法(ICP-MS)

感應耦合電漿質譜儀是微量元素分析的重要儀器,廣泛應用於材料、土壤與環境、食品、藥品生物醫學、化學及工業產品分析等研究領域。ICP-MS是透過分析經過電感耦合後離子,從而得出相關元素在分析物中的含量。經前置處理—如溶解,消化成液體—樣本先經由蠕動泵引入,並以霧化器霧化。樣本霧化成爲氣溶膠(Aerosol)後,將會連同氬氣等載流氣體,注入最高可達10,000K高溫的感應耦合電漿(Plasma),並將分析物離子化,繼而遊離化,經四極柱系統定性與定量。

離子通過取樣錐(Sample Cone)後抵達真空區,會膨脹,繼而形成超音速噴射(Supersonic Jet)進入截取錐(Skimmer Cone)及真空系統。在真空系統中,離子透鏡(Ion Lens)會剔除雜質,以傳送離子束進入質譜儀。ICP-MS分析儀大多數會使用四極式質量分析儀(Quadrupole Mass Analyzer),偵測特定質荷比(m/z)的離子,並轉換成電子脈衝,按照脈衝的大小分析出樣本中離子的濃度,檢測出元素的種類及含量。

感應耦合電漿質譜法需要的樣本量少,而且靈敏度高,可以檢出低至兆分級(ppt, parts per trillion)的元素。最爲吸引的是,這項方法能檢測出同位素及多項元素,有助節省檢測時間。不過,感應耦合電漿質譜的設置環境及維護成本較高。

結語

綜合上述,我們該如何選擇使用哪一種利器來解決需求?我們可以從幾方面考慮。若檢測報告需符合獨立機關的檢測標準,那我們就應該選擇符合檢測基準的分析方式。除此之外,化驗室的檢測及研究方向及化驗室的成本限制及環境限制(如ICP-MS儀器需要無塵處理)與樣本的濃度、數量及所需時間,也可能會改變選擇。