重金屬檢驗 — 微波消化方法開發秘訣

2021-11-15

重金屬檢驗 — 微波消化方法開發秘訣

微波可以加速反應完成微波消化的實驗訣竅,我們已經陸續分享了微波的好處、何謂微波消化、實驗的常見溫度與條件、實驗的小技巧等,接下來就要開始更深入的主題了─如何開發微波消化方法─以下是開發微波消化方法的重點與常見問題:

永遠優先考量實驗安全

首先,我們需先確保實驗安全,再來討論方法開發。

微波消化實驗會用到高溫、高壓以及強酸,因此除了基本實驗室安全注意事項外,實驗人員應受過微波消化器操作訓練,並閱讀過微波消化器使用說明書,以了解消化瓶組裝、方法設定邏輯以及反應限制(可見下圖),並在進行任何消化實驗前,參考文獻或物質安全資料表,以確保實驗安全無虞,例如濃硝酸與苯酚混和會生成苦味酸(TNP,一種炸藥),這種樣品便不適合微波消化。

討論到實驗室安全時,我得特別提一下過氯酸。過氯酸是極為強力的氧化試劑,消化實驗中常用來消化難溶物質,例如氧化鉻,但過氯酸與有機物的反應極強,所以不建議用於有機物消化;此外,若過氯酸蒸氣在抽風櫃管道內凝結堆積,形成易爆炸的過氯酸鹽,風險也是相當高,因此只能在具有管道清洗功能的過氯酸專用抽風櫃內操作過氯酸1由於有爆炸風險,通常不建議使用過氯酸進行微波消化實驗。

想測什麼元素?濃度限量是多少?

先決定你有興趣的元素與其濃度限量(可接受的濃度上限),才知道你該挑選何種等級的微波消化系統與分析儀器。以美國藥典USP<232>為例,每日最高攝取量為10克的藥品,其鉛濃度限量為500ppb;若取0.5克的這種藥品做消化,再定量至50毫升,代表鉛濃度會被稀釋100倍,所以鉛濃度限量會從「500ppb」降到「5ppb」。

若分析儀器測不到5ppb的鉛,除了換更靈敏的分析儀器,你只能想辦法提高消化液的鉛濃度,也就是增加取樣量降低定量體積,前者與微波消化瓶組的設計及可承受樣品量上限有關,後者則要注意會不會產生分析上的干擾或基質效應,再不然你就得考慮用濃縮的方式提升消化液中的待測元素濃度。

所以說,想清楚待測元素與濃度限量,不只與方法開發有關,甚至也與儀器的選購有關,買微波消化系統以及分析儀器前一定要想清楚啊!

補充:USP<233>中提到的J值是什麼?

J值是樣品定量後上機的濃度限量,用前述的例子來說,鉛的濃度限量是500ppb,取樣量為0.5克,定量體積為50毫升時,所以消化液的鉛濃度限量會變成5ppb,此時鉛的J值就是5ppb,因此J值的高低會受到待測元素種類、取樣量以及定量體積的影響,並不是定值。

如何挑選加熱條件與反應試劑?

從蔬菜水果到航太特殊合金,消化條件天差地別,該如何挑選起始測試條件?請先做樣品分類,樣品大致上可以分為四種類型:

  • 有機物:

主要由碳、氫、氧等元素構成,像是蔬菜、肉品、飲料與大多數的藥物,都屬於有機物,消化試劑常以硝酸為主,但若樣品中含有一點無機物,則須視情況添加少量鹽酸甚至氫氟酸,例如冬菜可能要混一點點鹽酸才能消化掉;油品與塑膠其實也算有機物,但反應活性較高,所以先不放這邊討論,後面會提到。

至於微波條件,200°C恆溫15分鐘足以消化大多數的有機物,但也不是所有有機物都很好做,通常有苯環的有機物都不易消化,而且環越多越難消化,像是例如人工染料蘇丹澄G,會需要特別高的溫度(250°C硝酸)才能消化至澄清。

此外,有機物消化實驗的升溫時間(從室溫加熱到目標溫度的時間)建議至少20分鐘,因為有機物分解後會產出大量廢氣(CO2、H2O、NOx等),瓶內壓力會很高,所以必須要控制好升溫速率,以免產氣過快而傷到消化瓶。

  • 無機物:

鹽酸通常是無機物消化的主要試劑,但很少單獨使用,需要與硝酸甚至氫氟酸混合使用,像黃金就需要王水(硝酸:鹽酸=1:3)才能完全消化,石灰石則需要硝酸:鹽酸:氫氟=7:1:2的混酸。不同無機物往往需要不同的混酸配方,不存在可以完美消化所有無機物的酸配方。

至於微波條件,一般土壤約175°C恆溫10分鐘便可澄清,但不鏽鋼可能需要200°C恆溫20分鐘,氧化鋯甚至需要270°C以上的超高消化溫度;幸好,無機物的消化通常不會有太多廢氣,消化瓶內的壓力也不會太高,不會讓消化管同時承受極高的溫度與壓力而影響耗材壽命。

  • 高活性樣品:

泛指消化反應中溫度容易暴衝的樣品,最具代表性的就是油品了。

通常純硝酸便足以完全分解油品,但油品開始分解時會快速產出大量廢氣,因此建議設定更緩和的升溫條件,例如分段升溫,以免廢氣產出過快而讓反應瓶受到太大衝擊,這會影響到反應瓶的壽命。

表1、分段升溫範例:
StepsPowerRamp (mins)TempHold
11000101205
21000101505
310001524015

此外,油品還有個常見到的問題:ICP-MS碳增敏問題。若消化液中殘留大量的碳,會增強部分元素的訊號,例如As與Se,導致這些元素的ICP-MS分析數值大增,常見的處理方式有三種:

  1. 將微波消化溫度拉到230°C以上,可避免碳的殘留。
  2. 參考美國FDA建議,於檢量線與消化後的樣品中添加2%IPA,以抵銷碳增敏造成的影響。
  3. 用標準添加法來進行分析。

塑膠也屬於高活性樣品,但實際上大多數塑膠的活性並不特別強,也未必難做,一切都與額外添加的成分有關(添加劑、抗氧化劑等),所以酸配方不只用到硝酸,還可能用到鹽酸、硫酸甚至氫氟酸,但硝酸依然是主要消化試劑;消化溫度需求也很多變,像PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯,寶特瓶原料)需用250°C硝酸才能完全消化,或用硫酸/硝酸進行二次消化;至於反應活性,有時真的會遇到活性超高的塑膠(活性甚至超越油品),但你不可能從外觀判斷塑膠的反應活性高低,如果真的擔心反應太劇烈而大幅縮短消化管壽命,就把塑膠當作油品,用分段升溫來消化吧。

  • 一般微波消化無法處理之樣品:

硝酸、過氧化氫、鹽酸、氫氟酸、氟硼酸、硼酸、硫酸以及磷酸,這些是微波消化領域常見到的消化試劑,幾乎99%的樣品都能以上述的消化液完全分解掉,那消化不掉的樣品呢?例如含氟聚合物(像是鐵氟龍)、石墨、高溫爐渣、碳化矽、耐火磚或鋯礦等物質,不是完全無法消化,就是消化速度極慢或僅有一部分可溶,還有哪些常見的前處理方式呢?

  1. 高溫灰化法:

簡單來說,就是把樣品燒成灰,把這些灰用酸溶解(或微波消化),後續再分析酸液中的微量金屬濃度,對於酸難溶的含氟聚合物(例如鐵氟龍)來說,這是一個十分有效的方式,但高溫灰化法不適用於易揮發的金屬元素,像是Hg與As;此外,待測元素濃度過低時,也不適合使用高溫灰化法,以免灰化坩堝內的金屬不純物影響到分析結果。

CEM Phoenix BLACK高溫灰化系統
  1. 熔融製備法:

將樣品與助熔劑(通常是無機鹽類,例如四硼酸鋰)混和於坩堝中,常見的混和比例是1:5到1:10,再加熱到數百甚至1000°C以上,讓樣品結構被破壞成不同的形式,更容易被酸、鹼或水溶解,這樣的技術就稱為熔融製備法,這個技術也可用於製作XRF可分析的玻璃片,消除樣品中顆粒、礦物質、偏析等造成的影響,同時也可降低樣品元素間的交互作用,提高分析的準確度和精確度。

Nieka XRF/ICP樣品熔融製備機

消化方法確效

你費了番功夫,終於把樣品消化為澄清液體,表示實驗成功了嗎?那可不一定。

以蜂蜜為例,若把蜂蜜拿去微波消化,會得到淡黃色液體,外觀跟蜂蜜水沒兩樣,若兩者都拿去ICP-MS分析,你會發現分析結果不一致,這是因為蜂蜜中的糖分會干擾分析訊號,讓你錯估濃度,所以你不能只靠肉眼來判斷消化是否完全,液體澄清只能代表樣品已經轉化成均勻的液體,溶解在水中的樣品分子一樣可能干擾分析數據。

有兩種方式可以確認消化方法可信:拿標準參考物質來測試,或是做樣品添加實驗。

  • 標準參考物質:

什麼是標準參考物質?指的是SRM(Standard Reference Materials)或CRM(Certified Reference Materials)。以NIST SRM 3254為例,這是個附有分析報告的綠茶茶葉樣品,當你用自行開發的茶葉消化方法處理此樣品,並得到與分析報告中相同的元素濃度時,代表你開發的消化方法可信。

購買SRM/CRM前,也別忘了仔細閱讀分析報告內容,以免買錯SRM/CRM。以ERM-EC681K為例,因為此樣品中含有酸難溶的氧化鉻,所以用ICP測出來的結果大多不佳,回收率最多也才82%(見下圖)。
圖3:ERM-EC681K report complete ANNEX D,Cr的標準值是100±5 mg/kg
  • 樣品添加實驗:

如果找不到適合的SRM/CRM,可以改作樣品添加實驗來確效消化方法。

將適量的待測金屬元素標準品添加到樣品中,再進行消化與分析,把這組分析結果與沒有添加標準品的樣品進行比對,就可以算出添加回收率,常見的可接受回收率範圍為100±20%。

圖4:添加回收率計算方式2

基質效應

若實驗回收率不佳,卻找不出問題在哪,請確認是不是基質效應造成的影響。基質指的是樣品扣除待測物後剩下的成分,基質對分析結果造成的影響就是基質效應,而最常被實驗人員忽略的基質效應就是酸濃度。下表為Cd、Hg、Pb、Rh在不同濃度的硝酸中,以ICP-MS分析後得到的訊號強度。

表2、不同濃度硝酸對CdHgPbRhICP-MS訊號:
Cd訊號Hg訊號Pb訊號Rh訊號
2%硝酸9503942342289018359203
30%硝酸12193946879439438829584
訊號增加程度128%111%152%231%

從上表可看出,只是酸濃度不同,就大大影響分析訊號強度。在配置ICP-MS檢量線時,通常會以2%(或以下)的硝酸配置檢量線,但微波消化完的樣品往往含有更高濃度的硝酸,一旦你選擇Rh作為內標,因為Rh在濃酸中的訊號會大幅強化(231%),會間接導致其他元素的回收率大幅下降,那要如何解決?最簡單的方式就是增加檢量線的酸濃度,或是降低消化液的酸濃度,總之,讓兩者的酸濃度一致就對了。若你已經這麼做了,卻還是有基質效應的問題,那你可能要考慮使用標準添加法,或是更換內標了。

結論

進行微波消化方法開發時,實驗安全永遠是要優先考量的第一重點,之後則必須考慮待測元素與濃度限量微波消化條件與酸試劑配方消化方法確效以及是否會有基質效應,而這一切都與選購的儀器性能環環相扣。

如果你購買了一台ICP-MS,但卻配了一台性能不佳的微波消化系統,你可能沒辦法把樣品消化至澄清、沒辦法把消化溫度拉高來避免碳增敏、也沒辦法拉高樣品量來分析低濃度的樣品、或耗材設計不佳不耐用,所以在計畫添購儀器時,你應該要完整考量微波消化系統以及後端分析儀器的性能,並尋找專業的廠商,才能讓你更輕鬆找到最好的微波消化條件,在最短時間之內完成方法開發。

如果你還是搞不懂如何進行微波消化方法開發與確效的方式,歡迎來電洽詢 02-2728-2767或 來信與我們聯繫

如果你還是搞不懂如何進行微波消化方法開發與確效的方式,歡迎來電洽詢 02-2728-2767來信與我們聯繫

參考文獻

  1. A Guideline for the Use of Perchloric Acid and Perchloric Acid Fume Hoods, April 2016, Office of the Chief Inspector of Mines
  2. 衛生福利部食品藥物管理署檢驗機構實驗室品質系統基本規範:檢驗機構化學領域檢驗結果之品質管制

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