環境、食物、地質都離不開它 三大利器助你分析微量元素

圖、文/Thermo Fisher提供

「微量元素分析」(Trace Elemental Analysis)是個看似陌生字眼,實際上卻與日常生活息息相關。微量元素分析主要用於對樣本所含有的元素進行定性定量分析。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。

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

原子吸收光譜法(AAS)

原子吸收光譜法(Atomic Absorption Spectrometry ,簡稱AAS)主要用於分析樣本元素種類及元素濃度樣品經過前置處理,藉由火焰原子化器或石墨爐(Graphite Furnace)化成氣態基態原子;再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。

原子吸收光譜的基礎爲比爾-朗伯定律(Beer-Lambert Law)。當樣本被帶有特定元素的光線穿過時,相關元素會吸收部分光線。由此,通過比較原有光線強度及穿過樣本後光線強度,我們可以計算出吸收度以及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。火焰式適合包含樣品分析物液體或溶解樣品,可承受極高濃度分析(%~ppm),比較具有經濟效益;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。而利用原子光譜原理測定元素種類及濃度的儀器被稱爲原子吸收光譜儀

原子吸收光譜法相較於其他分析方法的優點精準度高,設置成本低;但不足是單次僅能測定一種元素,較爲耗費時間

感應耦合電漿質譜法(ICP-MS)

ICP-MS透過分析經過電感耦合後的離子,從而得出相關元素在分析物中的含量。樣本經前置處理—如溶解,消化成液體—先經由蠕動泵引入,並以霧化器霧化。接着,樣本霧化成爲氣溶膠(Aerosol),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,檢測出混合物中元素的種類及含量。

感應耦合電漿光學發射光譜法(ICP-OES)

ICP-OES工作原理是:樣本經由蠕動泵引入,並以霧化器霧化成氣溶膠;將氣溶膠注入電漿中,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,然後經分光系統定性與定量。

ICP-OES 是兩種不同的元素分析方法,最大的差別是各自的偵測方法。ICP-MS透過離子的質譜進行偵測,而在ICP-OES中,被激化的原子及離子會在極短的時間回到基態。在後者的過程中,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能在單次檢測中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設置要求性價比最高。

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。