化学科普:微量元素分析的三大利器

  微量元素分析(Trace Elemental Analysis)是个看似陌生的字眼,实际上却处处维护着安全的日常生活。微量元素分析可以解析样本所含有的元素种类与元素含量。目前,这项分析技巧被广泛应用于临床医学、环境监控、生物制药、食物安全、精密工业、地质环境等领域。

  常见的分析方法为:原子吸收光谱法(AAS)、感应耦合电浆发射光谱法(ICP-OES)以及感应耦合电浆质谱法(ICP-MS)。

  原子吸收光谱法(AAS)

  原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectrometry ,简称AAS)是一种分析样本元素种类及元素浓度的分析法。经过样品前置处理,将样本藉由火焰原子化器或石墨炉(Graphite Furnace)化成气态的基态原子。经由元素之中空阴极灯管(Hollow Cathode Lamp)将样本吸收光线,由单光器(Monochromator)筛选出测定波长,测量出样本所含相关元素及元素浓度。

  原子吸收光谱法的原理为何?光谱法的基础为比尔-朗伯定律(Beer-Lambert Law)。当带有特定元素的光线穿过样本时,部分光线会被相关元素吸收。由此,我们可以透过比较原有光线强度及穿过样本后光线强度,计算出吸收度,测量出样本中相关元素含量。原子吸收光谱法又分为火焰式和石墨式。火焰式具有经济效益,适合包含样品分析物液体或溶解样品,可耐受极高浓度分析(% ~ ppm)。而石墨式是一种高度稳健的技术,能够分析少量的液体样品,其灵敏度比火焰式佳,能够检测ppb ~ ppt 范围微量元素。

  相比起其他分析方法(如重量分析法),原子吸收光谱法的精准度较高,设置成本容易。唯一不足是,原子吸收光谱法单次仅能测定一种元素,较为耗费时间。

  ICP-OES工作原理,样本经由蠕动泵引入,并以雾​​化器雾化成气溶胶。气溶胶将被注入电浆中,至高温感应耦合电浆(Plasma)加热、激化、气化成为原子或离子,继而游离化,经分光系统定性与定量。

  与ICP-MS不同的是其侦测方法。相比起ICP-MS透过离子的质谱进行侦测,在ICP-OES中,被激化的原子及离子会在极短的时间回到基态。过程中,离子的多余能量将释出特定的光谱;离子含量越浓,其释出的光也就越强。透过比较已知成分的光谱线及强度,就能检测出元素的种类及含量。

  相对于其他类型的侦测方法(如上面提及过的AAS),ICP-OES能稳定测试出多种元素。其灵敏度虽然不及ICP-MS,但仍能检测出十亿分(ppb, parts per billion)级别的元素。相对地,ICP-OES设置要求信价比最高。

  感应耦合电浆质谱法(ICP-MS)

  感应耦合电浆质谱仪是微量元素分析的重要仪器,广泛应用于材料、土壤与环境、食品、药品、生物医学、化学及工业产品分析等研究领域。ICP-MS是透过分析经过电感耦合后离子,从而得出相关元素在分析物中的含量。经前置处理—如溶解,消化成液体—样本先经由蠕动泵引入,并以雾​​化器雾化。样本雾化成为气溶胶(Aerosol)后,将会连同氩气等载流气体,注入最高可达10,000K高温的感应耦合电浆(Plasma),并将分析物离子化,继而游离化,经四极柱系统定性与定量。

  离子通过取样锥(Sample Cone)后抵达真空区,会膨胀,继而形成超音速喷射(Supersonic Jet)进入截取锥(Skimmer Cone)及真空系统。在真空系统中,离子透镜(Ion Lens)会剔除杂质,以传送离子束进入质谱仪。ICP-MS分析仪大多数会使用四极式质量分析仪(Quadrupole Mass Analyzer),侦测特定质荷比(m/z)的离子,并转换成电子脉冲,按照脉冲的大小分析出样本中离子的浓度,检测出元素的种类及含量。

  感应耦合电浆质谱法需要的样本量少,而且灵敏度高,可以检出低至兆分级(ppt, parts per trillion)的元素。最为吸引的是,这项方法能检测出同位素及多项元素,有助节省检测时间。不过,感应耦合电浆质谱的设置环境及维护成本较高。

  结语

  综合上述,我们该如何选择使用哪一种利器来解决需求?我们可以从几方面考虑。若检测报告需符合独立机关的检测标准,那我们就应该选择符合检测基准的分析方式。除此之外,化验室的检测及研究方向及化验室的成本限制及环境限制(如ICP-MS仪器需要无尘处理)与样本的浓度、数量及所需时间,也可能会改变选择。

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