前言
ICP-OES (感應耦合電漿原子放射光譜儀)、AA (原子吸收光譜儀)和XRF光譜儀 (X-ray Fluorescence Spectrometer, X射線螢光光譜儀)是微量元素分析中常見的技術，但樣品通常無法直接使用前述設備進行分析，而是必須透過適當的前處理方式，才能降低或消除基質干擾，並提高樣品均質性與代表性。
以ICP-OES或AA為例，最常使用的樣品前處理方式是微波消化法(Microwave Digestion Method)；XRF光譜儀則必須研磨樣品，再將樣品粉末壓成片，這稱為壓片製備法(Pressed Pellet Method，又稱粉末壓片法)。但這兩種前處理方式雖常見且廣用，仍有使用上的限制與挑戰。
微波消化法是ICP-OES和AA最主要的前處理方式，能夠處理絕大多數的樣品型態，但對於一些特殊材料，如耐火磚、碳化矽、鉻鐵礦、藍寶石、鐵氟龍、石墨、碳黑等，這些材料在強酸中難以完全溶解，或其溶解速度極為緩慢。
- 壓片製備法
XRF光譜儀最被廣泛應用的前處理方式，但壓片中的物質粒徑與礦物組成往往不均勻，進而造成分析誤差，這兩種誤差來源分別被稱為粒度效應(Particle size Effect)與礦物效應(Mineralogical Effect)，是壓片製備法最大的挑戰。
是否存在一種整合的前處理方式能夠同時克服這些問題呢？這便是今天要探討的核心技術：熔融法(fusion)。
熔融法技術(Fusion)
熔融法是一種將樣品溶解在熔化的助熔劑(Fluxes)中的技術，讓樣品轉化為更容易進行分析的化合物。其中最常用於溶解氧化物樣品的方法是硼酸鹽熔融技術(Borate fusion)或鹼熔技術(Alkali fusion)。
助熔劑在高溫下會熔化成為一種溶劑，可有效溶解樣品氧化物，成為熔體(melt)，再通過澆鑄(casting)與冷卻，可以得到質地均一的玻璃熔片(glass beads)，相較於純粹壓片所製造出來的樣品，可得到更加穩定均一的XRF分析結果；或是將熔體直接倒入含有稀硝酸或鹽酸的燒杯中溶解，便能得到能夠直接以AA或ICP-OES光譜儀分析的樣品。
圖2：融熔樣品澆鑄成熔片
熔融法操作步驟
一般而言，熔融法的步驟可以簡單分為秤量與熔融兩個步驟。
1. 秤量(weight)：
秤量樣品與助溶劑(依樣品類型以特定的比例混和助溶劑)，以及其他的助劑(additives)如氧化劑(oxidizers)與脫模劑(releasing agent)，於適合的坩鍋(例如:鉑金坩鍋、鋯坩堝、玻璃碳坩堝等)當中混和。
表一：常見的助熔劑與樣本的混和比例
| 助熔劑 | 樣本:助熔劑比例 | 融點(°C ) |
|---|---|---|
| 偏硼酸鋰 | 1:2-10 | 845 |
| 四硼酸鋰 | 1:2-10 | 930 |
| 過氧化鈉 | 1:5-15 | 480(分解) |
| 碳酸鈉 | 1:1-20 | 851 |
2. 熔製(fusion)：
將混和好樣品、助熔劑與助劑的坩堝放置於熔融製備機中進行操作，其步驟包括預熱、氧化、熔融、搖擺混和、澆鑄成形與冷卻，或是注入含有稀酸的燒杯中。
圖3：熔融法的基本步驟與分析應用
現今熔融製備機已普遍具備自動化功能，能夠全自動完成上述的熔製步驟，一批次同時進行1~8組玻璃熔片或是溶液樣品(每小時最多可製作48個樣品)，更具備模組化設計，使得玻璃熔片模具或ICP/AA專用燒杯能夠快速組裝轉換。
圖4：自動化的熔融製備機，左圖為玻璃熔片的模組，右圖為製備ICP/AA溶液的模組
應用的材料與產業
熔融法在各領域的材料分析已經十分純熟，以下是常見的使用領域：
1. 能源產業:
鋰電池的生產製造，分析正極或負極材料的原料與成品組成，例如磷酸鋰鐵與石墨等。
2. 建築材料類：
水泥、石灰、碳酸鹽、陶瓷、玻璃、礦渣、耐火材料，主要應用於建築和建材生產。
3. 地質和採礦類：
二氧化矽、矽酸鹽、黏土、礦石，在地質研究和採礦業中有關鍵用途，用於分析礦床成分、地質構造等。
4. 化學材料類：
硫化物、氟化物，在化工和材料科學中扮演重要角色，可能用於製備特殊材料或進行催化反應。
5. 金屬冶金類：
鋁土礦、氧化鋁、鋼、純金屬、鐵合金、非鐵合金，應用於金屬鋼鐵等冶金工業。
6. 化工和材料科學類：
催化劑、聚合物、顏料，在化工和材料科學領域廣泛應用。
7. 製藥類：
在製藥工業中使用，用於製備和測定藥物，確保其質量和純度。
結論
整體來說，在XRF樣品製備方面上，相較於傳統的壓片製備方法，熔融法更能夠消除誤差，提供高度準確度和可重複的分析結果。此外，鉻鐵礦、藍寶石、鐵氟龍等微波消化法難以處理的特殊材料，也能製備成ICP/AA可分析的溶液，實現了對兩種不同分析設備的支援，分析的濃度範圍覆蓋ppm-%等水準，滿足廣泛的產業應用需求。自動化的製備設備進一步提高了效率，最高每小時可製備48個待測樣品，為微量元素分析提供了更為靈活、高效且可靠的解決方案。
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參考文獻
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