原 子 吸 收 與 發 射 光 譜 法 1 引 言 原 子 光 譜 主 導 食 品 中 營 養 性 礦 物 元 素 和 有 毒 物 質 數 據 資 料 庫 的 發 展 60~70 年 代 原 子 吸 收 光 譜 儀, 可 準 確 測 定 生 物 樣 品 中 微 量 礦 物 質 70 年 代 後 期, 感 應 耦 合 電 漿 發 射 光 譜 儀 日 漸 普 及,(( 電 漿 作 為 原 子 發 射 光 譜 的 激 發 光 源 ) ) 在 理 論 上, 幾 乎 所 有 週 期 表 中 的 元 素, 都 可 用 原 子 吸 收 或 原 子 發 射 光 譜 法 測 定 2 1
AAS: 原 子 吸 收 光 譜 AES: 原 子 發 射 光 譜 ICP: 感 應 耦 合 電 漿 3 基 本 原 理 AA 測 定 良 好 分 離 氣 態 原 子 吸 收 的 輻 射 量 原 子 發 射 光 譜 法 : 因 受 熱 或 其 他 方 式 激 發 的 原 子 發 射 的 輻 射 量 原 子 光 譜 由 不 連 續 的 光 譜 線 組 成, 每 個 元 素 都 有 其 特 徵 光 譜 4 2
一 原 子 的 能 量 躍 遷 當 基 態 原 子 ( 或 離 子 ) 吸 收 光 源 的 能 量 時, 就 產 生 原 子 吸 收 光 譜, 當 激 發 態 原 子 回 到 基 態 並 放 出 能 量 時, 就 產 生 原 子 放 射 光 譜 由 於 原 子 中 電 子 的 允 許 能 階 是 固 定 的, 所 以 原 子 吸 收 與 發 射 不 連 續 波 長 的 光 吸 收 光 的 頻 率 正 比 於 與 兩 個 能 階 之 間 躍 遷 所 對 應 的 能 量 改 變 值 5 發 射 光 譜 發 生 在 各 種 激 發 態 電 子 降 至 包 括 基 態 的 低 能 階 過 程 中, 但 又 不 僅 僅 限 於 基 態 因 此, 發 射 光 譜 具 有 比 吸 收 光 譜 更 複 雜 的 譜 線 當 從 基 態 躍 遷 或 回 到 基 態 時 就 稱 為 共 振 躍 遷, 其 產 生 的 光 譜 線 就 稱 為 共 振 線 6 3
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二 原 子 化 過 程 原 子 光 譜 要 求 待 測 元 素 的 原 子 以 原 子 態 存 在 原 子 化 過 程 包 括 把 粒 子 分 成 單 獨 的 分 子 ( 氣 化 ) 打 碎 分 子 變 成 原 子, 過 程 中 利 用 火 焰 或 電 漿 高 溫 來 完 成 9 待 測 成 分 的 溶 液 以 良 好 的 霧 化 狀 態 導 入 火 焰 或 電 漿 中 時, 溶 劑 迅 速 蒸 發, 剩 下 的 待 測 成 分 固 態 粒 子 氣 化 並 分 解 成 吸 收 輻 射 的 原 子 ( 原 子 吸 收 ) 或 變 成 激 發 態 原 子 而 發 射 光 譜 ( 原 子 發 射 ) 5
11 原 子 吸 收 光 譜 法 (AAS) 原 子 吸 收 光 譜 法 是 一 種 氣 態 自 由 原 子 吸 收 紫 外 或 可 見 光 的 分 析 方 法 原 子 吸 收 光 譜 往 往 採 用 兩 種 類 型 的 原 子 化 : 火 焰 原 子 化 電 熱 石 墨 爐 原 子 化 12 6
一 火 焰 原 子 吸 收 光 譜 法 的 原 理 噴 霧 - 燃 燒 器 系 統 把 樣 品 溶 液 ( 通 常 是 水 溶 液 ) 轉 化 為 原 子 化 蒸 氣 樣 品 溶 液 被 霧 化 ( 分 散 ) 成 小 液 滴, 與 燃 氣 和 氧 化 劑 相 混 合, 火 焰 中 燃 燒 化 合 物 在 高 溫 分 解 時, 在 火 焰 的 最 高 溫 度 處 就 產 生 了 原 子 和 離 子 13 原 子 化 和 電 離 效 率 隨 溫 度 上 升 而 增 加, 須 選 擇 最 大 原 子 化, 但 是 最 小 電 離 條 件 最 常 用 的 氧 化 劑 - 燃 氣 組 合 是 空 氣 - 乙 炔 和 氧 化 亞 氮 - 乙 炔 在 實 際 操 作 過 程 中 要 盡 量 參 考 儀 器 操 作 說 明 書 或 文 獻 所 推 薦 的 火 焰 類 型 14 7
選 擇 的 光 源 以 使 其 發 射 的 光 包 含 了 待 測 元 素 的 原 子 光 譜 中 最 強 的 一 根 發 射 譜 線 以 待 測 元 素 為 陰 極 的 燈, 燈 所 發 射 的 光 就 是 該 元 素 的 發 射 光 譜 單 色 器 分 離, 以 至 於 只 有 非 常 窄 的 光 ( 譜 ) 帶 的 光 能 夠 到 達 檢 測 器 15 通 常 情 況 下, 只 選 用 最 強 的 一 根 光 譜 線, 如 鈉 元 素 的 單 色 器 設 置 以 通 過 波 長 為 589 nm 的 光 樣 品 的 吸 收 光 量 可 由 比 爾 定 律, 吸 光 度 正 比 於 火 焰 中 的 原 子 濃 度 16 8
二 電 熱 原 子 吸 收 光 譜 法 ( 石 墨 爐 AAS) 的 原 理 電 熱 原 子 吸 收 光 譜 法 除 了 原 子 化 過 程, 其 他 都 與 火 焰 原 子 吸 收 光 譜 法 相 同 電 熱 原 子 化 包 括 把 樣 品 加 熱 到 2,000~3,000 o C 溫 度 產 生 氣 化 和 原 子 化, 放 一 個 樣 品 管 或 杯 狀 器 件 在 儀 器 光 路 上, 以 至 於 能 夠 測 定 加 熱 的 樣 品 表 面 正 上 方 的 位 置 上 的 吸 光 度 17 電 熱 原 子 化 的 優 點 是 它 只 需 用 比 火 焰 法 更 少 的 樣 品 量 而 檢 測 限 更 低 缺 點 是 增 加 了 電 熱 爐 的 費 用, 樣 品 容 許 量 很 低, 操 作 複 雜, 而 精 確 度 更 低 9
三 原 子 吸 收 光 譜 的 儀 器 原 子 吸 收 光 譜 儀 通 常 由 以 下 幾 個 部 件 構 成 : (1) 光 源 通 常 為 空 心 陰 極 燈 (2) 原 子 化 器 通 常 為 霧 化 - 燃 燒 系 統 或 電 熱 爐 (3) 單 色 器 通 常 為 紫 外 可 見 光 柵 單 色 器 (4) 檢 測 器 通 常 為 光 電 倍 增 管 (5) 讀 數 輸 出 裝 置 模 擬 或 數 字 式 19 1. 光 源 原 子 吸 收 光 譜 儀 的 光 源 採 用 空 心 陰 極 燈 空 心 陰 極 燈 是 由 一 個 內 充 氬 氣 或 氮 氣 的 空 心 玻 璃 管 一 個 鎢 絲 陽 極 和 一 個 由 待 測 元 素 的 金 屬 製 成 的 陰 極 所 組 成 當 電 極 之 間 施 加 電 壓 時, 燈 就 發 射 陰 極 金 屬 的 特 徵 譜 線 20 10
到 達 單 色 器 的 光 有 兩 種 來 源, 一 種 是 空 心 陰 極 燈 發 出 的 衰 減 光 束, 另 一 種 是 火 焰 中 激 發 態 原 子 產 生 的 衰 減 光 束 可 藉 由 在 光 源 與 火 焰 之 間 放 置 一 個 垂 直 於 光 路 的 分 光 器 來 甄 別 這 兩 種 不 同 的 衰 減 光 束 21 2. 原 子 化 器 原 子 吸 收 光 譜 法 中 採 用 的 原 子 化 器 包 括 火 焰 電 熱 汞 的 冷 蒸 氣 技 術 和 氫 化 物 發 生 器 火 焰 原 子 化 器 則 由 霧 化 器 和 燃 燒 器 組 成 22 11
有 三 種 類 型 的 火 焰 (1) 化 學 計 量 火 焰 : 由 化 學 計 量 理 想 配 比 的 氧 化 劑 和 燃 氣 所 產 生 的, 燃 氣 完 全 燃 燒 而 且 氧 化 劑 被 完 全 消 耗 掉 (2) 氧 化 性 火 焰 : 由 貧 燃 混 合 物 產 生, 是 一 種 溫 度 非 常 高 的 火 焰, 具 有 清 晰 的 藍 色 外 觀 (3) 還 原 性 火 焰 : 由 富 燃 混 合 物 產 生, 火 燄 溫 度 相 對 較 低 並 具 有 黃 色 外 觀 23 電 熱 原 子 化 器 是 一 個 與 外 加 電 能 相 連 的 典 型 圓 柱 型 石 墨 管, 常 稱 為 石 墨 爐 樣 品 用 微 量 注 射 器 通 過 管 上 的 小 孔 注 射 至 管 中 ( 樣 品 體 積 通 常 為 0.5~10 L) 整 個 系 統 用 惰 性 氣 體 充 溢 以 防 石 墨 管 燃 燒, 並 排 除 樣 品 室 中 空 氣, 電 加 熱 石 墨 管 溫 度 的 逐 步 增 高, 首 先 揮 發 樣 品 溶 劑, 然 後 灰 化 樣 品, 最 後 溫 度 迅 速 提 高 到 2,000~3,000 o C 以 迅 速 器 化 和 原 子 化 樣 品 12
汞 的 分 析 冷 蒸 汽 技 術 僅 適 用 於 汞, 因 為 汞 是 能 在 常 溫 下 成 氣 態, 並 能 以 自 由 原 子 激 發 的 為 一 元 素 樣 品 中 汞 的 化 合 物 被 強 還 原 劑 作 用 還 原 成 單 體 汞, 空 氣 或 氬 氣 流 把 單 體 汞 帶 進 吸 收 池, 最 後 用 與 火 焰 或 電 熱 離 子 化 相 同 的 方 法 來 測 定 汞 的 原 子 吸 收, 方 法 具 有 很 高 的 靈 敏 度 25 砷 的 分 析 在 氫 化 物 發 生 技 術 中, 由 於 樣 品 與 氫 硼 鈉 反 應 產 生 揮 發 性 的 氫 化 物, 然 後 氫 化 物 被 導 入 吸 收 池 中 加 熱 分 解 成 了 自 由 原 子 然 而 這 項 技 術 只 限 於 測 定 少 數 能 生 成 揮 發 性 氫 化 物 的 元 素, 包 括 As Pb Sn Bi Sb Te Ge 和 Se 與 汞 的 冷 蒸 氣 技 術 一 樣, 由 於 樣 品 的 損 失 小, 所 以 靈 敏 度 高 26 13
3. 單 色 器 單 色 器 可 把 我 們 要 測 定 的 共 振 線 與 火 焰 石 墨 爐 和 燈 所 發 出 的 光 的 其 他 部 分 區 分 開 來 所 需 波 長 的 光 進 入 檢 測 器, 一 般 採 用 光 柵 型 單 色 器 4. 檢 測 器 / 讀 數 輸 出 裝 置 檢 測 器 是 一 個 光 電 倍 增 管 (PMT), 它 能 把 照 射 在 其 上 之 光 能 轉 變 為 電 子 訊 號, 訊 號 被 處 理 成 數 字 讀 數 輸 出 27 原 子 發 射 光 譜 法 (AES) 原 子 發 射 光 譜 儀 的 光 源 是 樣 品 中 激 發 態 原 子 或 離 子 本 身 發 射 光 譜 中 給 樣 品 足 夠 的 熱 能 以 激 發 原 子 躍 遷 到 高 能 階 當 激 發 態 電 子 降 至 低 能 階 時 就 會 產 生 光 發 射 28 14
激 發 的 能 量 可 由 包 括 加 熱 ( 通 常 由 火 焰 產 生 ) 光 ( 由 激 光 產 生 ) 電 ( 電 弧 放 電 或 火 花 放 電 ) 或 無 線 電 波 ( 感 應 耦 合 電 漿 ) 食 品 分 析 最 常 用 的 原 子 發 射 光 譜 法 : 火 焰 發 射 光 譜 法 和 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 法 29 一 火 焰 發 射 光 譜 法 原 理 火 焰 發 射 光 譜 儀 採 用 霧 化 器 - 燃 燒 器 系 統 來 原 子 化 和 激 發 樣 品 可 以 是 一 台 分 光 光 度 儀 ( 單 光 器 ), 也 可 以 是 一 台 光 電 儀 ( 濾 光 片 ) 激 發 態 相 對 較 低 的 元 素 如 Na K Ca, 火 焰 發 射 光 譜 法 是 非 常 適 用 的 30 15
二 感 應 耦 合 電 漿 發 射 光 譜 法 (ICP-AES) 原 理 感 應 耦 合 電 漿 發 射 光 譜 法 用 電 漿 作 為 原 子 化 - 激 發 源 電 漿 為 包 含 顯 著 濃 度 的 陽 離 子 和 電 子 的 氣 態 混 合 物 電 漿 的 溫 度 非 常 高 (8,000~10,000 K), 導 致 原 子 化 效 率 非 常 高, 可 能 是 由 於 氬 氣 電 離 產 生 了 高 濃 度 的 電 子, 所 以 並 沒 有 產 生 原 子 的 過 剩 電 離 的 問 題 三 火 焰 發 射 光 譜 儀 火 焰 發 射 光 譜 儀 由 下 列 組 件 構 成 (1) 原 子 化 - 激 發 源 : 使 用 霧 化 - 層 流 燃 燒 器 (2) 單 色 器 或 濾 光 鏡 : 單 色 器 的 儀 器 由 於 可 在 紫 外 - 可 見 光 譜 中 任 意 選 擇 波 長, 故 機 動 性 強 鹼 金 和 鹼 土 屬 常 規 分 析 的 儀 器 往 往 只 用 干 涉 濾 光 片 來 分 離 所 需 的 發 射 器 在 發 射 光 譜 儀 器 中, 火 焰 就 是 光 源, 不 需 要 空 心 陰 極 燈 和 輸 光 器 32 16
四 感 應 耦 合 電 漿 發 射 光 譜 儀 (ICP-AES) 有 三 種 基 本 的 類 型 : 同 步 PMT 分 光 儀, 接 續 式 PMT 分 光 儀 電 荷 流 入 裝 置 (CID) 分 光 儀 PMT 分 光 儀 用 光 電 倍 增 管 作 檢 測 器 CID 分 光 儀 用 電 荷 注 入 裝 置 作 檢 射 器 33 都 能 測 定 同 一 樣 品 中 的 幾 個 元 素 同 步 PMT 分 光 儀 可 同 時 測 定 幾 個 元 素, 而 接 續 式 PMT 分 光 儀 能 快 速 地 連 續 測 定 元 素 CID 分 光 儀 也 能 同 時 測 定 幾 個 元 素, 但 它 不 能 像 PMT 檢 測 器 一 樣 測 定 大 量 的 元 素 34 17
感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 儀 由 如 下 組 建 構 成 (1) 氬 氣 電 漿 火 焰 (2) 單 色 器 或 多 色 儀 (3) 檢 測 器 接 續 式 PMT 分 光 儀 只 一 個 光 電 倍 增 管, 同 步 PMT 分 光 儀 同 時 採 用 多 個 光 電 倍 增 管 CID 分 光 儀 用 一 個 電 荷 注 入 式 檢 測 器 (4) 電 腦 數 據 收 集 和 處 理 35 36 18
1. 氬 電 漿 火 焰 感 應 耦 合 電 漿 火 焰 線 圈 如 圖 28.11 所 示, 它 由 三 個 同 軸 石 英 管 組 成 泰 斯 拉 (Tesla) 放 電 管 產 生 的 火 花 電 離 氬 氣 產 生 火 焰, 氬 離 子 和 電 子 產 生 震 盪 磁 場 離 子 和 電 子 與 氬 原 子 碰 撞, 產 熱 電 離 亞 離 子, 達 6000 10000 o K 高 溫 一 束 氬 氣 ( 或 氮 氣 ) 氣 流 沿 著 外 層 石 英 管 內 壁 直 接 相 切 而 上, 冷 卻 石 英 管 並 與 管 中 心 的 電 漿 分 離 37 最 裡 層 的 石 英 管 作 為 樣 品 注 入 孔, 樣 品 由 最 內 層 的 石 英 管 吸 入 並 產 生 噴 霧, 注 入 電 漿 的 底 部 極 高 的 溫 度 和 電 漿 內 部 的 氬 氣 環 境 造 成 缺 氧, 防 止 了 氧 化 物 的 產 生 電 漿 相 對 均 勻 的 溫 度 和 相 對 較 長 的 滯 留 時 間 有 良 好 的 線 性 關 係 38 19
39 2. 單 色 器 多 色 儀 和 中 階 梯 光 柵 接 續 式 PMT 儀 : 在 整 個 波 長 範 圍 內 掃 描 的 單 色 器, 樣 品 的 幾 個 元 素 可 在 一 次 吸 入 過 程 中 完 成 測 定 同 步 PMT 儀 : 能 同 時 監 測 幾 個 波 長, 能 預 先 設 定 分 離 幾 束 光 聚 焦 在 多 色 儀 上 優 點 是 快 速 並 非 常 精 確, 但 儀 器 價 格 昂 貴 40 20
CID 儀 : 結 合 稜 鏡 和 繞 射 光 柵 電 漿 發 射 光 先 通 過 稜 鏡, 再 通 過 繞 射 光 柵 產 生 聚 焦 於 CID 檢 測 器 的 二 維 光 譜 3. 檢 測 器 光 電 倍 增 管 檢 測 器 性 能 良 好, 一 次 只 測 定 一 個 特 定 波 長 電 荷 注 入 (CID) 的 檢 測 器 : 優 點 是 一 個 樣 品 可 同 時 被 多 個 檢 測 元 件 測 定 41 原 子 吸 收 與 發 射 光 譜 法 的 應 用 一 用 途 樣 品 在 分 析 前 先 灰 化, 破 壞 食 品 中 的 有 機 物, 並 溶 於 適 當 的 溶 劑 ( 常 為 水 或 稀 鹽 酸 ) 灰 化 是 準 確 度 的 關 鍵, 有 些 元 素 可 能 在 灰 化 溫 度 下 揮 發 濕 式 消 化 法 揮 發 問 題 較 少, 但 消 化 試 劑 可 能 含 有 待 測 成 分, 必 須 作 空 白 試 驗 42 21
防 止 干 擾 的 發 生 : 例 如, 植 物 油 藉 由 丙 酮 乙 醇 等 有 機 溶 劑 溶 解, 溶 液 直 接 吸 入 火 焰 原 子 吸 收 儀 牛 乳 用 三 氯 乙 酸 沉 澱 蛋 白 質, 上 清 液 直 接 進 行 分 析, 缺 點 是 樣 品 在 處 理 過 程 中 被 稀 釋 濃 度 太 低 之 樣 品, 採 用 石 墨 爐 原 子 化, 把 油 樣 的 一 部 分 直 接 注 入 石 墨 爐 原 子 化 器 43 二 實 驗 條 件 1. 試 劑 2. 必 須 用 高 純 度 的 化 學 試 劑 和 高 純 水 製 備 樣 品 和 標 準 溶 液 試 劑 只 可 用 試 藥 級, 水 則 必 須 通 過 蒸 餾 去 離 子 或 這 種 兩 方 法 的 合 用 來 純 化 在 分 析 過 程 中 必 須 作 試 劑 空 白 測 定 44 22
2. 標 準 品 標 準 品 必 須 包 含 以 溶 液 形 式 存 在 的 已 知 濃 度 的 待 測 金 屬 成 分 有 必 要 經 常 用 標 準 品 測 定 對 照 標 準 品 的 製 備 必 須 非 常 仔 細 3. 實 驗 器 具 用 於 製 備 和 儲 存 的 器 具 都 必 須 清 潔 乾 淨 並 不 含 相 關 的 元 素 玻 璃 極 易 吸 附 金 屬 離 子, 最 好 用 塑 料 容 器, 實 驗 器 具 必 須 先 用 清 洗 劑 洗 淨, 再 用 蒸 餾 水 或 去 離 子 水 仔 細 漂 洗, 然 後 浸 在 酸 液 中 ( 常 用 1N HCl), 最 後 再 用 蒸 餾 水 或 去 離 子 水 漂 洗 乾 淨 45 三 原 子 吸 收 分 析 法 概 述 先 參 考 操 作 說 明 書 : 儀 器 操 作 程 序 及 各 種 元 素 的 標 準 條 件 表 ( 所 需 的 波 長 狹 縫 寬 度 干 擾 及 防 止 措 施 火 焰 特 性 線 性 範 圍 以 及 製 備 標 準 品 的 要 求 ) 一 定 要 重 視 廠 商 所 提 出 的 安 全 防 護 警 告, 乙 炔 是 一 種 易 爆 氣 體, 一 定 要 小 心 注 意 防 止 危 險 和 毀 滅 性 的 爆 炸 46 23
1. 火 焰 原 子 吸 收 儀 的 操 作 (1) 把 燈 電 流 控 制 按 鈕 指 向 關 的 位 置 (2) 在 燈 座 上 安 裝 所 需 的 中 空 陰 極 燈 (3) 打 開 主 機 開 關, 打 開 燈 開 關, 調 整 燈 電 流 至 燈 標 示 所 示 的 電 流 (4) 選 擇 所 需 的 狹 縫 寬 度 和 波 長, 讓 光 束 對 準 光 源 系 統 (5) 點 燃 火 焰 並 調 節 氧 化 劑 和 燃 氣 流 速 比 例 (6) 吸 入 蒸 餾 水, 對 背 景 吸 收 和 儀 器 調 零 (7) 吸 入 標 準 溶 液 和 樣 品 溶 液 (8) 吸 入 蒸 餾 水 清 洗 (9) 關 閉 儀 器 47 2. 校 正 比 爾 定 律, 吸 光 度 正 比 於 溶 液 濃 度, 然 而 當 濃 度 超 過 一 定 水 平 後, 吸 光 度 與 濃 度 的 比 值 不 成 線 性 ( 圖 28.13) 48 24
(1) 標 準 品 的 選 擇 線 性 範 圍 內 操 作, 以 吸 光 度 對 標 準 品 濃 度 作 圖 標 準 品 濃 度 必 須 高 於 大 多 數 濃 縮 樣 品 標 準 品 的 濃 度 必 須 超 出 大 多 數 樣 品 的 濃 度 (2) 靈 敏 度 檢 驗 用 已 知 濃 度 的 標 準 品 來 檢 查 儀 器 的 輸 出 值 儀 器 的 操 作 說 明 書 應 規 定 每 個 元 素 的 特 徵 濃 度 值 如 果 測 得 吸 光 度 值 明 顯 偏 離 這 個 值 就 必 須 對 火 焰 特 性 燈 進 行 適 當 的 調 整 49 四 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 法 概 述 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 儀 採 用 電 腦 控 制 條 件 一 旦 方 法 確 定 後, 儀 器 操 作 可 高 度 自 動 化 50 25
干 擾 與 其 他 分 析 技 術 相 比, 原 子 光 譜 技 術 不 需 要 在 實 驗 室 進 行 分 離 就 能 測 定 各 種 元 素 可 能 產 生 的 干 擾 有 兩 大 原 因 : 1: 測 定 時 僅 用 一 條 窄 的 原 子 譜 線 2: 未 知 樣 品 的 定 量, 僅 藉 由 與 已 知 濃 度 標 準 品 對 照 而 得 基 質 影 響 常 需 用 相 同 基 質 的 標 準 品 來 克 服 51 一 原 子 吸 收 光 譜 法 中 的 干 擾 1. 光 學 干 擾 (1) 光 源 的 吸 收 其 他 元 素 也 會 在 所 用 光 帶 的 波 長 處 吸 收 此 干 擾 很 少 發 生, 但 在 測 定 鋅 時 鐵 會 干 擾 鋅 的 發 射 譜 線 在 213.856 nm 處, 鐵 的 發 射 譜 線 在 213.859 nm 處, 兩 者 會 發 生 重 疊 在 測 定 鋅 時, 可 以 選 擇 不 同 的 發 射 譜 線 或 將 單 色 器 的 窄 縫 調 得 更 細 些 52 26
(2) 光 源 的 背 景 吸 收 不 完 全 原 子 化 中 產 生 的 微 粒 可 能 會 使 光 產 生 散 射, 削 弱 了 到 達 檢 射 器 的 光 量 可 藉 由 提 高 火 焰 溫 度 以 確 保 樣 品 完 全 原 子 化 的 方 法 來 解 決 53 2. 非 光 學 干 擾 (1) 進 料 干 擾 當 樣 品 溶 液 中 的 某 些 物 質 影 響 了 吸 入 霧 化 或 進 料 至 火 焰 的 速 率 時, 就 會 產 生 石 墨 爐 較 少, 火 焰 原 子 吸 收 法 常 造 成 大 誤 差 樣 品 溶 液 的 黏 度 表 面 張 力 蒸 氣 壓 密 度 等 因 素 影 響 樣 品 傳 遞 至 火 焰 的 速 率, 酸 濃 度 有 機 溶 劑 和 不 溶 性 固 體 都 會 影 響 待 測 成 分 的 吸 光 度 可 藉 由 使 樣 品 與 標 準 品 在 物 理 性 質 上 盡 可 能 接 近 的 方 法 來 克 服 54 27
(2) 溶 質 揮 發 干 擾 當 干 擾 物 與 待 測 元 素 生 成 低 揮 發 性 的 化 合 物 時 會 產 生 溶 質 揮 發 干 擾 元 素 在 火 焰 中 未 能 原 子 化 而 產 生 錯 誤 的 偏 低 結 果 樣 品 中 磷 酸 鹽 的 存 在 而 使 鈣 的 吸 光 度 降 低 55 克 服 這 類 干 擾 措 施 : 添 加 另 一 種 元 素 如 鑭 ( 氧 化 鑭 ) 至 樣 品 或 參 考 物 中 與 待 測 成 分 相 競 爭 產 生 化 合 物, 從 而 減 少 或 消 除 干 擾 用 更 高 的 高 溫 火 焰, 如 用 氧 化 亞 氮 - 乙 炔 取 代 空 氣 - 乙 炔 火 焰 添 加 掩 蔽 劑 如 EDTA, 它 能 將 待 測 成 分 相 結 合 以 防 止 它 和 干 擾 物 反 應 56 28
(3) 離 子 化 干 擾 火 焰 中 待 測 成 分 的 離 子 化 可 能 造 成 較 大 的 干 擾 原 子 的 離 子 化 呈 平 衡 態 在 空 氣 - 乙 炔 火 焰 中, 因 為 溫 度 不 高, 通 常 不 會 因 溫 度 升 高 而 增 加 離 子 化 程 度 當 容 易 電 離 的 元 素 如 鉀 存 在 時, 會 增 加 火 焰 中 電 子 濃 度, 而 使 上 述 平 衡 向 左 移 動 為 減 少 離 子 化 而 加 入 的 試 劑 就 稱 為 離 子 化 抑 制 劑 57 二 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 (ICP-AES) 的 干 擾 ICP-AES 產 生 的 干 擾 問 題 比 原 子 吸 收 法 少 光 學 干 擾 通 常 都 存 在 如 某 高 濃 度 離 子 樣 品 可 能 造 成 某 些 波 長 下, 背 景 發 射 增 加 ( 或 漂 移 ), 這 將 造 成 測 定 值 偏 大 解 決 : 待 測 物 發 射 線 前 後 進 行 發 射 量 測 定, 從 待 測 成 分 的 發 射 量 中 扣 除 或 選 用 鎢 作 為 發 射 譜 線, 背 景 區 域 不 會 發 生 漂 移 58 29
原 子 吸 收 光 譜 法 (AAS) 與 感 應 耦 合 電 漿 發 射 光 譜 法 (ICPAES) 的 比 較 前 處 理 都 是 先 灰 化, 再 溶 於 水 溶 性 溶 劑 ( 常 用 稀 酸 ), 用 AAS 法 和 ICP-AES 法 測 定 非 常 快 速 原 子 吸 收 光 譜 法 的 優 點 是 技 術 比 較 成 熟 適 用 面 非 常 廣 ICP-AES 能 在 一 次 樣 品 吸 入 過 程 中, 同 時 測 定 樣 品 中 幾 個 元 素 的 含 量, 此 點 比 AAS 法 有 明 顯 的 速 度 優 越 性 59 ICP-AES 分 析 難 熔 性 化 合 物 中 的 元 素 優 於 AAS 難 熔 性 化 合 物 是 指 在 高 溫 下 穩 定, 而 在 AAS 的 火 焰 中 不 能 完 全 原 子 化 的 化 合 物 大 多 數 難 熔 性 化 合 物 能 在 電 漿 爐 完 全 原 子 化 60 30
檢 測 極 限 : 在 一 定 的 信 賴 度 水 平 下, 有 別 於 背 景 的 元 素 的 最 低 濃 度 Skoog 對 檢 測 極 限 作 出 如 下 定 義 : 61 檢 測 極 限 是 背 景 訊 號 的 標 準 偏 差 和 校 正 曲 線 斜 率 的 函 數 背 景 訊 號 的 標 準 偏 差 越 小, 校 正 曲 線 越 斜, 檢 測 極 限 越 低 因 此 檢 測 極 限 決 定 了 方 法 的 靈 敏 度 ( 斜 率 m 的 函 數 ) 和 精 確 度 檢 測 極 限 隨 樣 品 基 質 儀 器 穩 定 性 等 因 素 而 變 化 檢 測 極 限 只 相 差 兩 至 三 倍 可 能 沒 什 麼 意 義, 但 如 差 異 放 大 至 數 量 級 則 有 實 際 意 義 的 62 31
63 總 結 原 子 光 譜 法 是 測 定 食 品 中 微 量 元 素 的 有 效 工 具 原 子 吸 收 光 譜 法 測 定 氣 態 原 子 吸 收 的 輻 射 量 空 心 陰 極 管 為 光 源, 樣 品 以 火 焰 或 石 墨 爐 原 子 化 原 子 發 射 光 譜 法 測 定 由 熱 或 其 他 途 徑 激 發 的 原 子 發 射 光 量, 火 焰 或 電 漿 既 可 用 來 原 子 化, 又 可 用 作 激 發 光 源 ICP-AES 的 靈 敏 度 高, 干 擾 少, 能 同 步 分 析 64 32
重 金 屬 污 染 檢 驗 礦 物 質 元 素 需 要 量 多 者 (100 mg/day) 有 鈉 鉀 鈣 鎂 等 巨 量 元 素, 其 次 則 有 鐵 銅 鋅 鈷 錳 鉬 等 微 量 元 素 重 金 屬 係 指 密 度 比 重 大 於 5 克 / 立 方 公 分 之 金 屬, 包 括 鉛 銅 鎘 汞 鋅 錫 銻 等, 砷 是 準 金 屬 物 質, 由 於 其 毒 性 較 強, 故 亦 受 到 重 視 金 屬 污 染 物 質 的 特 性 是 當 金 屬 進 入 環 境 中, 就 永 久 存 在 於 環 境 中 而 不 被 分 解 存 在 於 環 境 中 之 金 屬 會 經 由 各 種 途 徑 進 入 人 體, 水 中 的 金 屬 可 藉 由 飲 用 水 而 直 接 被 攝 取, 亦 可 經 由 水 中 生 物 之 吸 收 蓄 積, 再 以 食 物 型 態 被 攝 取 ; 土 壤 中 的 金 屬 可 經 由 植 物 吸 收 後 再 經 牧 草 蔬 菜 榖 物 等 直 接 或 經 禽 畜 類 間 接 進 入 人 體 大 氣 中 的 金 屬 則 多 經 呼 吸 道 進 入 體 內, 另 外 亦 可 能 間 接 的 污 染 食 品 後 再 經 口 進 入 人 體 33
食 品 中 重 金 屬 限 量 標 準 為 維 護 消 費 者 食 的 安 全, 行 政 院 衛 生 署 針 對 蛋 類 食 米 包 裝 飲 用 水 及 盛 裝 飲 用 水 植 物 可 食 性 根 牛 羊 豬 及 家 禽 可 食 性 內 臟 等 各 類 食 品, 訂 定 有 重 金 屬 ( 包 括 鉛 銅 鎘 砷 汞 鋅 錫 銻 甲 基 汞 及 總 重 金 屬 ) 限 量 標 準 ( 如 表 5-3) 34
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採 樣 採 樣 及 前 處 理 採 樣 器 具 及 容 器 須 以 清 潔 劑 洗 淨 後, 浸 於 硝 酸 : 水 (1:1,v/v) 溶 液 放 置 過 夜, 取 出 後 將 附 著 之 硝 酸 溶 液 以 水 清 洗, 再 以 去 離 子 水 潤 洗 後, 乾 燥 備 用 採 集 之 檢 體 表 面 若 有 異 物 ( 砂 石 或 灰 塵 ), 則 應 先 將 其 去 除 或 清 洗 後, 自 然 風 乾 後 備 用 另 外, 由 於 空 氣 之 作 用 會 促 進 金 屬 ( 錫 ) 之 溶 出, 因 此 如 為 罐 頭 食 品 則 開 罐 後 須 立 即 移 至 適 當 容 器 中 保 存 前 處 理 常 用 之 消 化 前 處 理 方 法 有 乾 式 消 化 法 (dry digestioni method) 濕 式 消 化 法 (wet digestion method) 微 波 消 化 法 (microwave digestion method) 硫 酸 - 硝 酸 還 流 法 等 在 製 備 檢 液 的 同 時, 應 用 水 等 代 替 試 樣 進 行 相 同 於 檢 液 製 備 的 操 作, 作 為 空 白 試 驗 溶 液 36
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檢 測 方 法 常 見 之 重 金 屬 檢 測 分 析 的 方 法 有 1. 火 焰 式 原 子 吸 收 光 譜 法 (flame atomic absorption spectrometry;flaa) 2. 石 墨 爐 式 原 子 吸 收 光 譜 法 (graphite furnace atomic absorption spectrometry;gfaa) 3. 氫 化 式 原 子 吸 收 光 譜 法 (hydride-generation atomic absorption spectrometry;hgaa) 39
4. 冷 蒸 氣 原 子 吸 收 光 譜 法 (cold-vapor atomic absorption spectrometry;cvaa) 5. 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 法 (inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry ;ICP-AES) 6. 感 應 耦 合 電 漿 質 譜 儀 法 (inductively coupled plama-mass mass spectrometry;icp-ms) 7. 分 析 六 價 鉻 的 分 光 光 度 法 (spectrophometry) 40
感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 法 原 理 將 樣 品 溶 液 藉 由 取 樣 管 經 由 霧 化 器 霧 化 後, 於 混 合 腔 與 氣 體 混 合 後, 形 成 氣 膠 (aerosol) 藉 由 載 送 氣 流 輸 送 至 電 漿 焰 炬, 經 由 無 線 電 波 (radio-frequency) 感 應 耦 合 電 漿 的 加 熱, 經 去 溶 劑 分 解 原 子 化 / 離 子 化 及 激 發 等 反 應, 將 各 待 測 元 素 激 發 由 各 激 發 原 子 或 離 子 所 發 射 出 的 特 定 發 射 光 譜 線, 經 由 光 柵 (grating) 分 光, 分 解 出 各 特 定 波 長 的 發 射 譜 線 41
各 譜 線 的 強 度, 再 由 光 檢 器 (photosensitive devices) 予 以 偵 測, 即 可 進 行 元 素 之 定 性 及 定 量 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 法 依 其 觀 測 位 置 之 不 同 而 分 為 側 向 (radial/side-on) 或 軸 向 (axial/end-on) 觀 測 ; 及 依 其 檢 測 方 式 之 不 同 分 為 同 時 式 (simultaneous) 或 連 續 式 (sequential) 裝 置 器 具 及 材 料 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 儀 : 量 測 之 波 長 範 圍 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 儀 : 量 測 之 波 長 範 圍 必 須 涵 蓋 190~800 nm 加 熱 板 烘 箱 pyrex 材 質 容 量 瓶 試 管 試 管 漏 斗 42
試 劑 硝 酸 採 用 重 金 屬 超 微 量 級 混 和 標 準 原 液 (1,000 μg/ml) 採 用 感 應 耦 合 電 漿 分 析 級 去 離 子 水 ( 電 阻 係 數 可 達 18 mω-cm 以 上 ) 標 準 溶 液 之 調 製» 1% 硝 酸 溶 液 : 量 取 硝 酸 15 ml, 緩 緩 加 入 去 離 子 水 500 ml 中, 再 加 去 離 子 水 使 成 1,000 ml» 混 和 標 準 溶 液 : 精 確 量 取 混 和 標 準 原 液 10 ml, 以 1% 硝 酸 溶 液 定 容 至 100 ml, 作 為 標 準 原 液 使 用 時 再 以 1% 硝 酸 溶 液 稀 釋 至 0.5~10 mg/l, 供 作 標 準 溶 液 43
檢 液 之 調 製» 取 檢 體 約 100 g 均 質 後, 取 約 5g, 精 確 稱 定, 置 於 坩 堝 中 於 加 熱 板 上 先 以 低 溫 乾 燥, 再 以 高 溫 碳 化 後, 移 入 灰 化 爐 中» 先 以 200 加 熱 2 小 時, 再 升 溫 至 450, 加 熱 8 小 時, 冷 卻 後 取 出 若 未 完 全 灰 化, 則 加 入 硝 酸 1 ml 溼 潤, 乾 燥 後 繼 續 灰 化, 反 覆 操 作 至 灰 化 完 全» 冷 卻 至 室 溫, 取 出 坩 堝, 以 6 M 鹽 酸 溶 液 5 ml 溶 解, 再 置 於 加 熱 板 蒸 乾» 加 入 0.1 M 硝 酸 溶 液 15 ml, 加 蓋 靜 置 1~2 小 時, 移 入 25 ml 容 量 瓶 中, 以 去 離 子 水 洗 滌 坩 堝 蓋 及 坩 堝 內 壁 二 次, 洗 液 併 入 容 量 瓶 中, 加 去 離 子 水 定 容, 供 作 檢 液» 另 取 一 坩 堝, 置 於 加 熱 板 上, 先 以 低 溫 乾 燥, 以 下 步 驟 同 檢 液 之 操 作, 供 作 空 白 檢 液 44
標 準 曲 線 之 製 作» 取 混 和 標 準 溶 液 10mL 及 內 部 標 準 溶 液 1mL 混 合 均 勻, 注 入 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 儀 中, 於 特 定 波 長 處 參 照 下 列 條 件 進 行 分 析, 就 其 發 射 強 度 與 對 應 之 重 金 屬 濃 度 (mg/l), 製 作 標 準 曲 線 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 儀 測 定 條 件 :» 感 應 耦 合 電 漿 無 線 電 頻 功 率 :1,100 W» 電 漿 氬 氣 流 速 :15 L/min» 輔 助 氬 氣 流 速 :1.0 L/min» 霧 化 氬 氣 流 速 :0.75 L/min 計 算 含 量» 精 確 量 取 檢 液 10 ml 及 內 部 標 準 溶 液 1 ml 混 合 均 勻, 注 入 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 儀 中, 於 特 定 波 長 檢 測, 並 依 下 列 計 算 式 可 求 出 檢 體 中 重 金 屬 之 含 量 (ppm) 建 議 使 用 的 波 長 和 儀 器 偵 測 極 限 可 見 表 5-9 45
注 意 事 項 利 用 本 方 法 進 行 複 雜 樣 品 基 質 的 檢 測 時, 應 特 別 注 意 檢 測 過 程 中 是 否 發 生 加 成 性 干 擾 (additive interferences) 及 相 乘 性 干 擾 (multiplicative interference), 分 析 人 員 應 於 分 析 樣 品 前, 利 用 各 項 干 擾 確 認 方 法, 事 先 確 認 是 否 有 發 生 干 擾 效 應, 並 針 對 所 遭 遇 的 干 擾 問 題, 研 擬 一 適 當 的 修 正 對 策, 以 求 得 正 確 的 檢 測 結 果 46
食 品 中 砷 含 量 之 檢 驗 當 大 量 服 下 無 機 砷, 則 腸 胃 道 會 出 現 如 噁 心 嘔 吐 腹 部 絞 痛 腹 瀉 或 血 便 等 急 性 症 狀, 甚 至 會 有 死 亡 之 危 險 若 無 立 即 之 致 死 危 害, 則 所 蓄 積 之 毒 性 亦 會 導 致 神 經 系 統 心 血 管 腸 胃 道 泌 尿 道 生 殖 造 血 及 皮 膚 等 系 統 之 損 害 另 外, 無 機 砷 亦 會 經 由 血 液 通 過 胎 盤, 造 成 畸 胎 或 胎 兒 死 亡 長 時 間 低 濃 度 的 暴 露 會 引 起 各 種 慢 性 危 害 效 應 的 產 生, 如 皮 下 的 微 血 管 叢 擴 張 皮 膚 出 現 紅 斑, 接 著 出 現 色 素 過 度 沈 澱 表 皮 角 化 症 嚴 重 脫 屑, 以 及 脫 落 性 皮 膚 炎 等 色 素 過 度 沈 澱 可 在 眼 瞼 頸 部 太 陽 穴 乳 頭 和 鼠 蹊 部 明 顯 看 見, 而 皮 膚 炎 和 角 化 症 最 常 發 生 在 手 掌 和 腳 掌 部 位 砷 為 人 類 確 定 的 致 癌 物 質, 會 導 致 皮 膚 癌 及 肺 癌 47
原 理 氫 化 式 原 子 吸 收 光 譜 法 利 用 選 擇 性 的 化 學 還 原 反 應, 將 樣 品 溶 液 中 的 特 定 元 素 ( 砷 或 硒 ) 還 原 成 氫 化 物 而 予 分 離, 再 導 入 石 英 管 中, 以 火 焰 式 原 子 吸 收 光 譜 儀 檢 測 試 劑 硝 酸 硫 酸 辛 醇 過 氯 酸 草 酸 銨 氧 化 鎂 硝 酸 鎂 鹽 酸 氫 氣 化 鈉 硼 氫 化 鈉 (sodium borohydride) 均 採 用 試 藥 特 級 ( 氫 化 式 原 子 吸 收 光 譜 法 氫 化 式 原 子 螢 光 光 譜 法 ) 裝 置 器 具 及 材 料 原 子 吸 收 光 譜 儀 (t (atomic absorption spectrophotometer): 具 有 波 長 193.7 nm, 並 附 有 砷 之 中 空 陰 極 射 線 管 或 無 電 極 放 射 燈 管 適 當 之 背 景 校 正 裝 置 砷 氫 化 裝 置 (hydride generator) 灰 化 爐 分 解 裝 置 500 ml 分 解 瓶 (Kjeldah1 flask) 瓷 製 坩 堝 並 附 蓋 48
標 準 溶 液 之 調 製 標 準 溶 液 : 精 確 量 取 適 量 原 子 吸 光 分 析 用 砷 標 準 原 液, 其 濃 度 為 1,000 mg/l, 以 4 N 鹽 酸 溶 液 稀 釋 至 0.1 mg/l 供 作 標 準 溶 液, 使 用 前 再 調 製 硼 氫 化 鈉 溶 液 : 取 氫 氣 化 鈉 1g 溶 於 水 50 ml 後, 稱 取 硼 氫 化 鈉 1 g 溶 解 後 加 水 使 成 100 ml, 使 用 前 再 調 製 97 硫 酸 - 硝 酸 分 解 方 法 : 精 確 稱 取 檢 體 5~20 g, 飲 料 類 量 取 100~300 ml, 置 於 分 解 瓶 中, 若 為 脫 水 乾 燥 檢 體 時 需 加 水 使 其 水 分 含 量 達 75% 以 上, 加 硝 酸 10~40 ml, 輕 輕 搖 勻, 放 置 過 夜 徐 徐 加 熱 至 激 烈 反 應 停 止 後, 冷 卻, 加 硫 酸 5~20 ml, 再 徐 徐 加 熱, 操 作 時 若 激 烈 發 泡, 則 加 入 辛 醇 2~3 滴 98 49
檢 液 之 調 製 硫 酸 - 硝 酸 分 解 方 法 : 精 確 稱 取 檢 體 5~20g, 飲 料 類 量 取 100~300 ml, 置 於 分 解 瓶 中, 若 為 脫 水 乾 燥 檢 體 時 需 加 水 使 其 水 分 含 量 達 75% 以 上, 加 硝 酸 10~40 ml, 輕 輕 搖 勻, 放 置 過 夜 徐 徐 加 熱 至 激 烈 反 應 停 止 後, 冷 卻, 加 硫 酸 5~20 ml, 再 徐 徐 加 熱, 操 作 時 若 激 烈 發 泡, 則 加 入 辛 醇 2~3 滴 99 當 分 解 液 變 為 暗 色 時, 以 每 次 加 入 硝 酸 2~3 ml 至 發 生 白 煙 且 其 分 解 液 呈 淡 黃 色 或 無 色 為 止 ( 若 分 解 液 不 呈 淡 黃 色 或 無 色 時, 應 加 過 氯 酸 l ml 及 硝 酸 2~3 ml, 繼 續 加 熱 至 分 解 完 全 為 止 ) 冷 卻, 加 水 30~50 ml 及 飽 和 草 酸 銨 溶 液 10~25 ml, 再 加 熱 至 白 煙 出 現, 冷 卻, 以 6 N 鹽 酸 定 容 成 4N 鹽 酸 溶 液 供 作 檢 液 100 50
氧 化 鎂 灰 化 方 法 : 精 確 稱 取 固 狀 檢 體 5 g 液 狀 檢 體 25~50 50 g 置 於 坩 堝 內, 加 入 少 量 氧 化 鎂 使 其 呈 鹼 性 後, 再 加 入 50% 硝 酸 鎂 溶 液 5ml 均 勻 潤 濕, 加 熱 乾 燥 後 移 入 灰 化 爐 中, 以 500 灰 化 ( 若 灰 化 不 完 全, 可 再 滴 加 50% 硝 酸 鎂 溶 液 潤 濕 乾 燥 並 灰 化 ) 俟 灰 化 完 全 後, 冷 卻, 加 入 硫 酸 lml 再 行 加 熱 至 發 生 白 煙, 冷 卻 後 加 5 N 鹽 酸 溶 液 10 ml 加 熱 溶 解 後, 移 入 容 量 瓶 中, 並 以 每 次 5ml 之 5N 鹽 酸 溶 液 沈 滌 坩 堝 蓋 及 坩 堝 內 壁 二 次, 洗 液 併 入 25 ml 容 量 瓶 中, 以 水 定 容 供 作 檢 液 101 檢 量 線 之 製 作 和 含 量 計 算 精 確 分 別 量 取 標 準 溶 液 0 1.0 2.0 4.0 及 6.0 ml 置 於 分 解 瓶 或 坩 堝 中, 以 下 依 上 述 方 法 同 樣 操 作, 取 全 量 於 波 長 193.7 nm 測 定 其 吸 光 度, 就 所 得 吸 光 度 與 其 含 量 (μg) 繪 製 檢 量 線 含 量 計 算 精 確 量 取 檢 液 VmL( 含 砷 量 約 0.4 μg) 置 於 砷 蒸 氣 發 生 瓶 內, 先 加 入 4 N 鹽 酸 溶 液 使 定 容 再 加 入 硼 氫 化 鈉 溶 液 2 ml, 攪 拌 1 分 鐘 後, 開 啟 三 向 活 栓 以 氮 氣 將 砷 吹 入 原 子 吸 收 光 譜 儀 中, 並 利 用 氫 氣 火 焰, 於 波 長 193.7 nm 處 測 定 其 吸 光 度, 並 依 檢 量 線 求 出 檢 體 中 之 含 砷 量, 其 計 算 式 如 下 : 102 51
注 意 事 項 在 下 列 情 況 易 有 嚴 重 的 干 擾 問 題 :(1) 有 銅 銀 汞 等 易 還 原 的 金 屬 存 在 時 ;(2) 有 大 於 200 mg/l 之 高 濃 度 過 渡 元 素 存 在 時 ; 及 (3) 樣 品 消 化 液 中 有 氧 化 劑 ( 氮 氧 化 物 ) 存 在 時 104 52
食 品 中 汞 含 量 之 檢 驗 汞 又 稱 水 銀, 是 地 球 表 面 中 自 然 存 在 的 唯 一 液 態 重 金 屬 元 素, 自 然 界 中 存 在 之 汞 依 其 型 態 可 分 為 元 素 汞 無 機 汞 及 有 機 汞 三 類 日 常 生 活 中 常 使 用 之 溫 度 計 及 血 壓 計 中 填 充 之 液 體 即 為 元 素 汞, 日 光 燈 及 水 銀 燈 中 也 填 充 汞 化 合 物 來 增 加 其 亮 度 ; 填 補 牙 齒 所 用 的 補 粉 及 中 藥 用 來 安 神 鎮 靜 的 硃 砂, 則 是 無 機 汞 ; 而 經 由 飲 食 吸 收 主 要 為 有 機 汞, 特 別 是 甲 基 汞 汞 化 合 物 對 人 體 健 康 之 影 響 取 決 於 其 質 與 量, 元 素 汞 經 口 攝 取 亦 不 吸 收, 毒 性 極 弱, 但 其 揮 發 性 強, 極 易 由 呼 吸 道 吸 入 而 於 肺 部 被 吸 收 被 吸 收 之 汞 大 部 分 與 血 漿 蛋 白 結 合 而 轉 移 至 組 織 中, 特 別 於 腎 臟 中 最 易 蓄 積 有 機 汞 為 脂 溶 性, 其 攝 取 後 有 95% 以 上 可 被 腸 道 吸 收, 其 極 易 通 過 血 腦 障 壁, 引 起 中 樞 神 經 系 統 障 礙, 其 對 胎 盤 之 通 透 性 亦 強, 極 易 從 母 體 轉 移 至 胎 兒 而 產 生 嚴 重 之 影 響 53
主 要 的 症 狀 有 視 力 障 礙 無 力 動 作 無 法 協 調 感 覺 及 聽 力 喪 失 關 節 痛, 智 能 低 下 及 不 自 主 抖 動 嚴 重 的 病 患 常 全 身 麻 痺 而 死 亡, 中 毒 孕 婦 所 產 下 的 胎 兒 常 是 畸 形 且 智 能 不 足 慢 性 中 毒 症 狀 有 牙 齦 炎 口 腔 炎 頭 痛 肌 無 力 失 眠 手 指 震 顫 腎 功 能 障 礙 等, 大 量 攝 取 會 引 起 消 化 道 損 害, 導 致 強 烈 腹 痛 吐 血 腹 瀉 等, 並 伴 有 腎 功 能 障 礙 而 引 起 尿 毒 症, 最 終 更 會 死 亡 1958 年 在 日 本 水 灣, 及 1965 年 於 日 本 新 瀉 縣 阿 賀 野 河 流 域 皆 發 生 過 汞 污 染 事 件 當 地 居 民 由 於 長 期 食 用 附 近 海 灣 受 到 甲 基 汞 污 染 之 魚 貝 類, 造 成 腦 神 經 損 害, 稱 之 為 水 症 (minamata disease) 至 2008 年 7 月 止, 熊 本 縣 居 民 經 確 認 為 水 症 之 患 者 有 1,778 人, 已 死 亡 者 1,336 人, 尚 待 確 認 者 有 1,778 人 ; 水 市 經 確 認 之 患 者 有 963 人, 已 死 亡 者 703 人, 尚 待 確 認 者 有 3,740 人 ; 54
鹿 兒 島 縣 經 確 認 之 患 者 有 490 人, 已 死 亡 者 320 人, 尚 待 確 認 者 有 2,379 人, 總 計 經 確 認 之 患 者 有 2,268 人, 已 死 亡 者 1,656 人, 尚 待 確 認 者 有 6,119 人 伊 拉 克 於 1971~1972 年 亦 發 生 因 誤 食 以 烷 基 汞 殺 黴 處 理 之 小 麥 種 子 所 製 成 之 麵 包, 造 成 6,590 人 中 毒,459 人 死 亡, 其 死 亡 率 高 達 7% 之 不 幸 事 件, 其 中 孕 婦 之 死 亡 率 更 高 達 45% 由 這 兩 起 意 外 中 毒 事 件 而 導 致 神 經 損 害 及 死 亡 人 數 之 多, 可 見 汞 對 人 體 危 害 之 鉅 冷 蒸 氣 原 子 吸 收 光 譜 法 原 理 利 用 選 擇 性 的 化 學 還 原 反 應, 只 將 樣 品 消 化 液 中 的 汞 還 原 成 汞 蒸 氣, 導 入 石 英 管 中, 以 原 子 吸 收 光 譜 儀 檢 測 由 於 本 法 不 需 加 熱, 故 又 稱 為 冷 蒸 氣 法 裝 置 器 具 及 材 料 改 良 式 粟 氏 脂 肪 抽 出 器 (modified soxhlet extra ctor) 原 子 吸 收 光 譜 儀 : 具 有 波 長 253.7 nm, 並 附 有 汞 之 中 空 陰 極 射 線 管 者 汞 蒸 氣 發 生 裝 置 55
試 劑 之 調 製 硝 酸 硫 酸 尿 素 高 錳 酸 鉀 過 氧 化 氫 氯 化 鈉 硫 酸 胺 (hydroxylamine sulfate) 氯 化 亞 錫 均 使 用 試 藥 特 級 汞 還 原 液 : 徐 徐 將 硫 酸 50 ml 加 入 水 300 ml 中, 冷 卻 至 室 溫, 再 加 入 氯 化 鈉 15 g 硫 酸 胺 5 g 及 氯 化 亞 錫 25 g 溶 解 後, 加 水 至 體 積 為 500 ml, 使 用 前 再 調 製 標 準 溶 液 : 精 確 量 取 適 量 原 子 吸 光 分 析 用 標 準 原 液, 其 濃 度 為 1,000 mg/l, 以 3 N 鹽 釀 溶 液 稀 釋 至 0.1 mg/l, 供 作 標 準 溶 液, 使 用 前 再 調 製 111 檢 液 之 調 製 一 般 檢 體 : 精 確 稱 取 檢 體 5~10 g 於 分 解 燒 瓶 中, 加 入 水 10 ml 及 硝 酸 20 ml, 充 分 混 合 放 置 適 當 時 間 後 徐 徐 加 入 硫 酸 20 ml, 套 入 分 解 裝 置, 徐 徐 加 熱 直 至 分 解 液 呈 淡 黃 色 澄 清 ; 若 分 解 液 不 呈 淡 黃 色 澄 清 時, 冷 卻 後 接 續 加 入 硝 酸 5 ml 並 加 熱, 反 覆 操 作 至 分 解 液 呈 淡 黃 色 澄 清, 冷 卻 後 加 入 水 50 ml 10% 尿 素 溶 液 10 ml, 加 熱 沸 騰 10 分 鐘, 冷 卻 後 加 入 高 錳 酸 鉀 1 g, 振 搖 混 合 10 分 鐘 56
若 紫 紅 色 消 失 時, 繼 績 加 入 高 錳 酸 鉀 1 g, 振 搖 混 合 10 分 鐘, 反 覆 操 作 至 紫 紅 色 不 消 失 後 加 熱 20 分 鐘, 若 分 解 液 之 紫 紅 色 消 失 時, 再 冷 卻 加 入 高 錳 酸 鉀 1g, 反 覆 操 作 至 紫 紅 色 不 消 失 為 止 冷 卻 後 小 心 滴 加 10% 過 氧 化 氫 溶 液 至 紫 紅 色 消 失 時, 以 硫 酸 溶 液 (1 100) 20 ml 洗 滌 裝 置 內 部 及 玻 璃 接 合 部 分, 洗 液 併 入 原 分 解 燒 瓶 內, 定 容 後 供 作 檢 液 113 肉 類 魚 類 等 檢 體 : 精 確 稱 取 檢 體 5~10 g 置 分 解 燒 瓶 中, 加 入 硝 酸 20 ml 旋 轉 分 解 燒 瓶 至 氣 泡 不 再 產 生 後, 套 入 分 解 裝 置 中, 靜 置 1 小 時, 加 入 水 25 ml 後 徐 徐 加 熱 至 不 再 發 泡 為 止, 冷 卻 後 並 徐 徐 加 入 硫 酸 20 ml, 依 照 一 般 檢 體 調 製 步 驟 消 化 供 作 檢 液 114 57
檢 量 線 之 製 作 精 確 量 取 汞 標 準 溶 液 0 1.0 2.0 4.0 8.0 ml 分 別 加 水 至 10 ml 後, 置 於 汞 蒸 氣 發 生 瓶, 加 汞 還 原 溶 液 10 ml, 利 用 一 般 無 焰 原 子 吸 光 分 光 光 度 法, 以 波 長 253.7 nm 測 定 吸 光 度, 就 所 得 吸 光 度 與 其 含 量 (μg) 繪 製 檢 量 線 含 量 計 算 精 確 量 取 檢 液 及 空 白 試 驗 對 照 液 Vml( 含 汞 量 約 0.6 μg 以 下 ) 置 於 汞 蒸 氣 發 生 瓶, 加 汞 還 原 溶 液 10 ml, 利 用 一 般 無 焰 原 子 吸 光 分 光 光 度 法, 以 波 長 253.7 nm 測 定 吸 光 度, 並 依 檢 量 線 求 出 檢 體 中 之 含 汞 量, 其 計 算 式 如 下 : 58
總 重 金 屬 檢 查 法 本 法 係 檢 查 檢 體 中 含 有 遇 硫 離 子 即 可 顯 色 之 重 金 屬 限 量 之 用, 以 百 萬 分 中 含 鉛 之 量 表 示 之 其 限 量 可 由 檢 品 溶 液 與 標 準 鉛 溶 液 作 對 照 試 驗 以 測 得 之 原 理 利 用 重 金 屬 與 硫 離 子 會 形 成 有 顏 色 硫 化 合 物 之 原 理, 可 用 以 分 析 有 色 物 質 固 定 油 揮 發 性 油 及 生 成 重 金 屬 硫 化 物 時 之 沈 澱 作 用 受 到 干 擾 之 物 質 裝 置 器 具 及 材 料 坩 堝 加 熱 板 灰 化 爐 鈉 氏 比 色 管 石 蕊 試 紙 試 劑 硫 酸 硝 酸 稀 醋 酸 : 取 冰 醋 酸 6 ml, 加 去 離 子 水 稀 釋 至 100 ml 稀 鹽 酸 : 取 鹽 酸 50 ml, 加 去 離 子 水 稀 釋 至 100 ml 氯 試 液 : 取 氨 水 40 ml, 加 去 離 子 水 使 成 100 ml 59
硫 化 氫 試 液 : 取 硫 化 鈉 5g, 加 水 10 ml 及 甘 油 30 ml 溶 解, 避 光 儲 存, 配 製 後 3 個 月 內 使 用 硝 酸 鉛 溶 液 : 取 硝 酸 鉛 159.8 mg 溶 於 稀 硝 酸 100 ml 中, 加 水 稀 釋 至 1,000 ml 此 溶 液 配 製 及 儲 藏 所 使 用 之 玻 璃 容 器, 不 得 含 有 可 溶 性 鉛 鹽 標 準 鉛 溶 液 : 精 確 量 取 硝 酸 鉛 溶 液 10 ml, 加 水 稀 釋 至 100 ml 即 得 本 溶 液 每 ml 含 鉛 0.01 mg, 必 須 於 使 用 前 配 製 之 若 取 此 溶 液 0.1 ml 製 成 對 照 溶 液, 然 後 與 檢 品 1 g 所 製 備 成 之 檢 液 作 對 照 試 驗 如 二 者 所 現 之 顏 色 深 淺 相 同, 則 檢 品 所 含 重 金 屬 之 量 相 當 於 檢 品 每 百 萬 分 中 含 鉛 一 分, 即 為 1 ppm 對 照 溶 液 : 精 確 量 取 一 定 量 之 對 照 溶 液 ( 其 所 含 鉛 量, 應 與 檢 品 規 定 之 重 金 屬 限 量 相 當 ) 置 50 ml 納 氏 管 中, 加 水 稀 釋 至 25 ml, 加 稀 醋 酸 試 液 調 整 其 ph 值 3.0~4.0 之 間, 加 水 稀 釋 至 40 ml, 混 合 均 勻 60
檢 品 溶 液 : 取 檢 品 1.0 g( 如 檢 品 所 含 重 金 屬 之 限 量 超 過 30 ppm 時, 則 取 500 mg) 置 坩 堝 中, 加 適 量 硫 酸 使 檢 品 潤 濕, 用 小 火 熾 灼 至 充 分 碳 化 加 硝 酸 2mL 及 硫 酸 5 滴, 小 心 加 熱 至 不 再 產 生 白 煙, 然 後 於 450~500 熾 灼 灰 化 放 冷, 加 稀 鹽 酸 2 ml, 置 水 浴 上 蒸 乾, 殘 留 物 以 鹽 酸 3 滴 潤 濕, 熱 水 10 ml 加 溫 浸 漬 2 分 鐘, 冷 後, 加 酚 試 液 1 滴, 滴 加 氨 試 液 至 微 呈 紅 色 為 止, 再 加 水 稀 釋 至 25 ml 必 要 時 過 濾, 以 水 10 ml 清 洗, 合 併 濾 液 與 洗 液, 移 入 鈉 式 比 色 管 中, 加 稀 醋 酸 2 ml 及 水 使 成 40 ml, 混 合 均 勻, 供 作 檢 品 溶 液 操 作 步 驟 於 上 述 二 納 氏 管 中, 各 加 入 硫 化 氫 試 液 10 ml 混 勻, 放 置 5 分 鐘 然 後 將 二 管 並 立 於 白 紙 上, 由 管 口 向 下 檢 視 比 較 之, 檢 品 溶 液 之 色 不 得 較 對 照 溶 液 之 色 為 深 若 檢 品 溶 液 之 色 較 對 照 溶 液 之 色 為 深, 表 示 其 所 含 之 總 重 金 屬 含 量 ( 以 鉛 針 ) 大 於 對 照 溶 液 之 鉛 含 量 注 意 事 項 試 劑 配 製 及 儲 藏 所 用 之 玻 璃 容 器, 不 得 含 有 可 溶 性 鉛 鹽 本 法 所 用 之 氨 試 液, 其 所 含 重 金 屬 之 限 量 不 得 超 過 2 ppm 61
食 品 中 甲 基 汞 含 量 之 檢 驗 氣 相 層 析 質 譜 法 原 理 本 檢 驗 方 法 適 用 於 魚 貝 類 (fish and shellfish) 中 甲 基 汞 之 檢 驗 裝 置 器 具 及 材 料 氣 相 層 析 質 譜 儀 微 波 消 化 器 (focused microwave digester): 聚 焦 式, 可 設 定 微 波 輸 出 功 率 層 析 管 柱 :HP-5MS, 內 膜 厚 度 0.25 μm, 內 徑 0.25 mm L?0 cm 或 同 級 品 消 化 瓶 (50 ml, 附 30 cm 冷 凝 管,pyrex 材 質 ) 反 應 瓶 (40 ml,pyrex 材 質, 附 塑 膠 蓋 及 Teflon 墊 片 ) 容 量 瓶 (25 ml 50 ml 100 ml,pyrex 材 質 ) 塑 膠 瓶 (10 ml,pp 材 質 ) 注 射 針 筒 (1mL,PVC 材 質 ) 5mL 玻 璃 注 射 針 筒 62
試 劑 醋 酸 採 用 高 純 度 分 析 級 四 甲 基 氫 氧 化 銨 溶 液 (20% tetramethyl ammonium hydroxide solution, in H 2 O) 四 乙 基 硼 酸 鈉 (sodium tetraethyl borate) 醋 酸 鈉 (sodium acetate) 醋 酸 銅 (copper acetate) 正 庚 烷 均 採 用 化 學 試 藥 特 級 對 照 用 標 準 品 : 氯 化 丙 基 汞 (propyl mercury chloride) 及 氯 化 甲 基 汞 (methyl mercury chloride) 標 準 溶 液 之 調 製 內 部 標 準 溶 液 : 取 氯 化 丙 基 汞 約 100 mg, 精 確 稱 定, 以 乙 醇 溶 解 並 定 容 至 100 ml, 作 為 內 部 標 準 原 液, 使 用 時 再 以 去 離 子 水 稀 釋 至 1 g/ml, 供 作 內 部 標 準 溶 液 標 準 溶 液 : 取 氯 化 甲 基 汞 約 116 mg, 精 確 稱 定, 以 乙 醇 溶 解 並 定 容 至 100 ml, 作 為 標 準 原 液, 使 用 時 再 以 去 離 子 水 稀 釋 至 甲 基 汞 濃 度 為 0.01 0.0505 0.10 0.50 及 1.0 g/ml, 供 作 標 準 溶 液 63
試 劑 之 配 製 衍 生 化 試 劑 : 稱 取 四 乙 基 硼 酸 鈉 1g, 以 2% 氫 氧 化 鉀 溶 液 溶 解 並 定 容 至 100 ml, 以 塑 膠 瓶 分 裝 冷 凍 儲 藏, 使 用 前 再 進 行 解 凍 醋 酸 緩 衝 溶 液 : 稱 取 醋 酸 鈉 82 g, 加 去 離 子 水 700 ml 溶 解 後, 以 醋 酸 調 整 ph 值 至 5.0, 再 加 去 離 子 水 使 成 1,000 ml 醋 酸 銅 溶 液 : 稱 取 醋 酸 銅 0.8 g, 加 去 離 子 水 溶 解, 再 加 去 離 子 水 使 成 100 ml 衍 生 化 標 準 溶 液 之 調 製 : 分 別 取 標 準 溶 液 1mL, 置 於 反 應 瓶 內, 加 內 部 標 準 溶 液 1 ml, 再 加 入 醋 酸 銅 溶 液 1 ml 及 醋 酸 緩 衝 溶 液 5 ml 後, 以 注 射 針 筒 注 入 衍 生 化 試 劑 1 ml, 攪 拌 10 分 鐘 後, 再 以 玻 璃 注 射 針 筒 注 入 正 庚 烷 2 ml, 震 盪 萃 取 10 分 鐘, 以 2,000 rpm 離 心 10 分 鐘 後, 取 上 層 液, 供 作 衍 生 化 標 準 溶 液 64
檢 液 之 調 製 取 檢 體 約 0.5 g, 精 確 稱 定, 加 內 部 標 準 溶 液 1 ml, 再 加 四 甲 基 氫 氧 化 銨 溶 液 5 ml, 接 上 冷 凝 管, 以 微 波 消 化 器 45 W 加 熱 消 化 2.5 分 鐘 接 著 以 醋 酸 中 和, 再 加 入 醋 酸 銅 溶 液 1 ml 及 醋 酸 緩 衝 溶 液 5 ml 後, 以 注 射 針 筒 注 入 衍 生 化 試 劑 1 ml, 攪 拌 10 分 鐘 後, 再 以 玻 璃 注 射 針 筒 注 入 正 庚 烷 2 ml, 震 盪 萃 取 10 分 鐘, 以 2,000 rpm 離 心 10 分 鐘 後, 取 上 層 液, 供 作 檢 液 計 算 含 量 精 確 量 取 檢 液 及 衍 生 化 標 準 溶 液 各 1 L, 注 入 氣 相 層 析 質 譜 儀 中, 參 照 下 列 條 件 進 行 氣 相 層 析 質 譜 分 析, 就 檢 液 與 衍 生 化 標 準 溶 液 所 得 之 波 峰 滯 留 時 間 及 質 譜 圖 比 較 鑑 別 之, 並 依 下 列 計 算 公 式 求 出 檢 體 中 甲 基 汞 之 含 量 (ppm): 65
氣 相 層 析 質 譜 測 定 條 件 層 析 管 溫 度 : 初 溫 :60 溫 度 上 升 速 率 :20 /min 終 溫 :280,10 min 檢 出 器 溫 度 :280 注 入 器 溫 度 :260 注 入 方 式 : 非 分 流 (splitless), 注 射 量 為 1 μl 移 動 相 氣 體 及 流 速 :He,mL/min 離 子 化 電 壓 :70 ev 偵 測 模 式 : 選 擇 性 離 子 偵 測 (selective ion monitoring; SIM) 注 意 事 項 四 甲 基 氫 氧 化 銨 溶 液 採 用 in water", 避 免 酸 鹼 中 和 操 作 時 激 烈 反 應 及 影 響 衍 生 化 反 應 66
Thank you for your attention! Prof. Dr. Shyi-Neng Lou National Ilan University Department of Food Science 133 67