重金屬檢驗 — 消化樣品需考慮那些條件？

2020-12-23

在上一篇「重金屬檢驗分析前處理的方法有哪些？」中我們可知道，微波輔助酸消化法（Microwave Acid Digestion，通常簡稱「微波消化」）能在短時間內完成樣品的酸消化反應，不但節省時間也節省實驗室人力，能保留揮發性元素、使樣品不受污染，得到高再現性的反應結果，為重金屬檢驗分析前處理的理想方法。那麼，以微波輔助酸消化法消化樣品時應該注意哪些事項、需考慮哪些條件呢？本篇文章將為您詳細介紹進行微波消化實驗時，您該注意的事。例如考慮樣品的特性與重量、如何選擇酸試劑、如何設定微波消化系統的參數，將於下列一一說明，讓您能輕鬆成為微波消化達人！

樣品的特性與重量

在進行微波消化實驗之前，首先應考慮的是樣品的種類與特性，我們必須清楚了解樣品是否會在消化過程中產生劇烈的反應。高油脂含量的食品、塑膠／聚合物、含油廢棄物等，此類型的樣品在加入酸試劑、以微波加熱之後，會劇烈反應並產生大量的氣體，使消化反應瓶中的壓力變大，一但升壓速度過快，便可能觸發微波系統的安全機制，讓實驗停止。既然如此，遇到會產生劇烈反應的樣品該怎麼辦呢？為了讓微波消化過程順利地進行，我們可以使用預消化或多段升溫的方式來處理塑膠/聚合物及高油脂含量的樣品。

預消化

將酸試劑與樣品加進消化反應瓶後，放在抽風櫃內不蓋上瓶蓋，讓產生的氣體自然地由瓶內排出，也可以放在水浴或熱板加熱30分鐘以上，避免樣品在微波消化的高溫下產生劇烈的反應。

多段升溫

藉由不同溫度的組合，讓樣品由低溫緩緩分段升溫至高溫，可避免樣品的反應速度過快而讓壓力過快升高，通常在進行多段升溫時，會建議把升溫階段由常用的單段升溫增加到3段升溫，例如下表1：

階段	升溫時間 (min)	目標溫度 (min)	恆溫時間 (min)
1	15	120	5
2	10	150	5
3	15	200	15

除了樣品的種類與特性之外，進行消化反應的樣品量也是一項重要的參數。樣品量越多，反應中所產生的氣體量也越多，下圖1為不同重量的花生油在反應中所產生的壓力，可見樣品克數越大，產生的壓力越大。CEM提供較高耐壓、可調壓的微波消化瓶組，搭配微孔通道進行自動調壓再密閉，能調節消化時所產生之CO₂或NOx氣體，且不造成樣品漏失、無交叉污染、確保待測物回收率。

圖1：不同重量花生油於消化反應中所產生的壓力

隨著微波消化裝置與瓶組設計的進步，把不同類型的樣品於同一批次進行微波消化的願望，現在可以經由先進的微波消化瓶組實現了。美國CEM公司提供了性能更佳的消化瓶組 — Xpress與iPrep瓶組，加上科安公司三十多年的經驗的參數建議，實驗細節請見中重金屬檢驗分析－不同重量、多種類型的樣品也能一次解決。

酸試劑的選擇

硝酸為最常見的消化試劑之一，通常加入10 mL的試劑即可進行一次微波消化實驗，但依據樣品類型的不同，可選擇不同試劑的搭配來進行微波消化，以下為在微波消化中可能使用到消化試劑：

濃硝酸（65~70%）
為強氧化試劑，安全性較高，作用後產生 NO₂等氣體，常用於有機物的消化，但會與Sn、Sb、W形成不可溶氫氧化物，須其他試劑輔助。
濃鹽酸（37%）
單獨使用時，對有機物的消化能力較弱，多與硝酸混合，視樣品特性混合成王水或逆王水，此外，亦具有安定微量離子的能力，如：Ag、 Al、Be、 Ba、 Cr、 Fe、 V、 Mg、 Sb ，且可溶解碳酸鹽、磷酸鹽等弱酸鹽類。
濃硫酸（98%）
常用於碳化難分解的有機物，但高濃度的SO₄^2- 會與 Pb²⁺反應沉澱，且其黏性高需加水稀釋，否則易影響霧化效果；操作 ICP-MS時，易干擾 Zn、V、Ti的分析。
過氧化氫（30%）
加少量H₂O₂（約1 mL )對動植物組織除色效果好，建議當需二次消化有機物時再加入少量H₂O₂效果較好。
氫氟酸 (49%)
可分解含矽與含鈦成份的樣品，但遇 Ba²⁺、 Ca²⁺ 、Mg²⁺、Al³⁺ …等離子，易生成白色沉澱，加入4%硼酸加熱取代後，可使這些白色沉澱完全溶解。

微波消化常用的試劑中，包含了數種強酸試劑，因此在進行微波消化實驗之前，應先了解這些試劑可能帶來的危險性，做好自身安全的保護。下表2列出微波消化可能使用的酸試劑，以及他們可能帶來的危險性：

酸種類	危險性
過氯酸	在高溫環境下為極強的氧化劑，濃過氯酸可迅速分解有機物，反應過程通常相當劇烈，故有產生爆炸之虞。一般酸試劑在微波消化的高溫高壓條件下已可達到很好的消化效果，故不建議也不需要使用到過氯酸。
硫酸	具強烈脫水性，能與生物組織中的碳水化合物發生脫水反應並釋出大量熱能
氫氟酸	具腐蝕性，進入人體的氟離子可能與鈣、鎂離子結合，導致血鈣過低、血鎂過低和血鉀過高，進而影響神經和心臟血管系統
王水	具強腐蝕性，刺激性亞硝醯氯氣體

微波消化系統的參數設定

在決定了樣品重量與酸試劑的種類之後，要如何選擇合適的微波消化參數呢？以下列出了進行微波消化實驗時參數設定的基本原則：

微波消化溫度

樣品類型	適合溫度
天然物、動植物	140°C ～180°C
難分解的有機物，如油脂、塑膠	200°C或更高
難溶無機物	200°C或更高

微波消化功率
微波功率的設定與反應瓶的數量有關，瓶數越多，設定的功率則需越大，如此一來才能提供足夠能量讓每支反應瓶內達到設定的目標溫度。若不清楚該設定多少功率，MARS6密閉式微波消化器亦內建「One Touch一鍵消化」模式，根據樣品類型、數量自動調整微波消化參數，幫助您輕鬆上手微波消化實驗！
單段與多段升溫之應用
一般（80%多數樣品）採單段加熱即可，但活性樣品（如油脂）及取樣量較大（0.5g以上）的有機物，可採多段升溫方式，分段將樣品消化但不產生過於劇烈的反應，能提供和緩且安全的微波加熱。
微波消化瓶組的選擇
不同類型的消化瓶組因材質的不同，而有不同的耐溫與耐壓能力，使用者可依據實驗的需求，選擇適合的消化瓶組。