108 地方特考三等 衛生檢驗 分析化學(包括儀器分析) 考古題詳解

核心觀念

本題考查氣相層析（GC）與液相層析（LC）的適用差異，以及液相層析依分離機制的分類。層析法利用樣品中各成分在固定相與流動相之間的分配、吸附或其他作用力差異，使成分以不同速率移動而達到分離。

解題方法

比較 GC 與 LC 時，先看樣品能否在不分解的情況下汽化，再看其揮發性、熱穩定性及極性。GC 以氣體為流動相，適合可汽化且熱穩定的物質；LC 以液體為流動相，能處理不易汽化、熱敏感或分子量較大的物質。接著依分析物與固定相的主要作用方式，說明 LC 的分離類型。

液相層析的運用優勢

1. 適用範圍廣：不必先將樣品汽化，因此適合低揮發性、熱不穩定、易分解或分子量較大的化合物，例如蛋白質、多肽、核酸及藥物。
2. 可分析極性與離子性物質：可藉由調整流動相的溶劑組成、酸鹼值及離子強度，控制分析物的保留與分離。
3. 分離條件彈性大：可選用不同固定相與流動相，並採等度或梯度洗脫，以因應成分複雜、極性範圍廣的樣品。
4. 便於與其他技術聯用：高效液相層析常與紫外光、螢光或質譜檢測器聯用，適合定性與定量分析。

液相層析的分類

依分析物與固定相之間主要的作用機制，可分為下列類型：

核心觀念

這題考查 ICP-MS 如何把常壓、高溫的感應耦合電漿離子源，連接到高真空的質量分析器。兩者的操作環境差異很大，因此不能直接相通；串聯介面的工作，是在維持真空的同時，從電漿中抽取代表性的離子束，送入質譜分析區。

ICP 約在大氣壓下運作，而質量分析器通常需要高真空，以減少離子與氣體分子的碰撞，確保離子能穩定傳輸並依質荷比 $m/z$ 分離。串聯介面主要由取樣錐（sampler cone）、截取錐（skimmer cone）、分級抽氣系統及離子透鏡等構成。

串聯時的困難性

1. 壓力落差大 ICP 在常壓下產生離子，質量分析器則須在高真空下工作。若直接連通，大量氬氣會進入分析器，破壞真空；因此必須以小孔取樣，並分階段降低壓力、持續抽氣。

2. 必須兼顧抽氣與離子傳輸效率 錐孔太大，進入真空室的氣體負荷增加；錐孔太小，離子傳輸量又會下降。介面設計必須在維持真空與提高離子訊號之間取得平衡。

3. 電漿中的離子束密度高 大量離子通過介面與離子透鏡時，離子間的庫侖排斥會造成空間電荷效應，使離子束散開，降低傳輸效率，並可能使不同質量的離子受到不同程度的影響，造成基質效應或訊號偏差。

4. 須避免中性粒子與光子造成干擾 進入質譜分析器的理想成分是待測離子。中性原子、未解離粒子及電漿光子若隨之進入，可能造成背景訊號或干擾，因此需配合介面幾何配置與離子光學元件加以排除或降低影響。

5. 錐體可能受沉積與腐蝕影響 樣品基質、鹽類或未完全汽化的粒子可能沉積在錐孔附近，改變孔徑與離子取樣狀態；錐體受熱或受腐蝕也會影響訊號穩定性。

串聯介面之原理

1. 取樣錐抽取電漿 取樣錐面向 ICP，其中央小孔讓電漿中的氣體與離子進入第一級真空區。由於孔徑有限，只有一部分電漿被抽取，同時降低進入真空系統的氣體量。

核心觀念

質譜儀的解析度是儀器區分質荷比（$m/z$）相近之離子的能力。解析度愈高，愈能將質譜圖上相鄰、質荷比差異很小的離子峰分開。解析度是儀器性能指標，不等同於質量準確度；質量準確度描述測得質量與真實質量的接近程度。

解題方法：以峰寬量化解析度

常用的量化方式是以某一離子峰的質荷比除以該峰的寬度：

其中 $m$ 為峰的位置（質荷比），$\Delta m$ 為該峰在指定峰高位置量得的寬度。常見標示方式有：

• 半高寬（FWHM）解析度：在峰高一半處量測 $\Delta m$。
• 谷峰定義（10% valley）：若兩個等高峰相鄰，量測其間谷底降至峰高 10% 時，兩峰平均質荷比除以兩峰質荷比差。此定義常用於描述兩峰是否達到一定程度的分離。

例如，某峰位於 $m/z=500.0$，其半高寬為 $0.5$，則：

核心觀念

偵測極限（detection limit, DL）是指在指定的分析程序與統計判定標準下，能與空白訊號區別，並以預定的信心水準判定樣品中待測物存在的最低含量。它不是只由儀器規格決定，而是同時受「空白訊號的變異」與「方法對待測物的響應能力」影響。

對線性校正曲線，可用下式表示偵測極限的基本關係：

其中，$s_{\mathrm{blank}}$ 為空白訊號的標準差，$m$ 為校正曲線斜率，代表方法靈敏度；$k$ 為依統計判定標準選定的倍數，常見簡化估算使用 $k=3$，亦有方法採用約 $3.3$。因此，空白變異越大，偵測極限越高；校正斜率越大，偵測極限越低。

解題方法

本題宜分成兩條主線回答：先說明統計判定如何形成偵測極限，再沿著分析流程整理會改變空白變異或方法靈敏度的因素。

1. 統計判定與測量精密度 空白訊號的平均值界定背景位置，空白標準差反映背景起伏。當空白變異增加，待測物訊號須更高才能與背景可靠區分，偵測極限便上升。重複測量、增加空白測定次數，可使標準差估計較穩定；在適當條件下，平均值的標準誤會隨測定次數增加而降低。

2. 分析方法的靈敏度 校正曲線斜率 $m$ 越大，同一濃度造成的訊號變化越明顯，較容易從背景中辨認。反應效率、儀器靈敏度、訊號擷取條件與校正範圍都會影響斜率及其適用性。若校正曲線在低濃度區不呈線性，不能直接以高濃度區斜率推算低濃度偵測極限。

3. 分析程序整體流程 應檢視取樣、保存、前處理、分析與訊號判讀各階段，因為流程中的污染、待測物損失及基質效應都會改變最終結果。以整個程序處理空白樣品所得的變異，通常比只測儀器空白更能反映方法偵測極限。

影響偵測極限的可能因素

一、取樣與樣品保存

• 樣品不均勻、取樣量不足或取樣位置不具代表性，會增加樣品間變異。
• 容器、採樣器具或保存劑帶入待測物，會抬高空白背景。
• 保存期間發生揮發、分解、吸附或形態轉變，會使待測物回收率下降。
• 取樣與保存條件不一致，也會增加結果散布。

二、前處理與污染控制

核心觀念

固相微萃取（SPME）是將樣品中的分析物分配至一層薄的萃取相，再將富集的分析物送入儀器分析的樣品前處理技術。常見裝置是在細石英纖維外覆固定相，纖維可伸出於針頭外進行萃取，完成後縮回針頭內，移入氣相層析儀（GC）進樣口熱脫附；液相層析（LC）則可採溶劑脫附或相容的介面。

SPME 通常不使用大量有機溶劑，操作簡便，能將萃取與濃縮合併；但纖維容量有限，且結果受樣品與萃取相間的分配平衡及操作條件影響。

操作原理與解題方法

SPME 的核心是分析物在樣品相與纖維萃取相之間的分配。萃取可採兩種模式：

• 直接浸入式（DI-SPME）：纖維直接浸入液態樣品，適合分析物能接觸纖維且基質不易污染纖維的樣品。
• 頂空式（HS-SPME）：纖維置於樣品上方的氣相頂空，分析物先由樣品進入頂空，再被纖維吸附或吸收；常用於揮發性、半揮發性分析物，也可減少非揮發性基質對纖維的干擾。

萃取一段時間後，分析物在樣品與纖維間達到或接近平衡。理想平衡條件下，纖維所萃取的分析物量可用下式表示：

其中，$n_f$ 為纖維中的分析物量，$K_{fs}$ 為纖維相與樣品相間的分配係數，$V_f$ 與 $V_s$ 分別為纖維相與樣品體積，$C_0$ 為樣品中分析物的初始濃度。此式顯示，萃取量受到分配親和力、纖維與樣品體積，以及樣品初始濃度控制。

定量時可採平衡萃取，待系統達平衡後取樣分析；也可採非平衡的固定時間萃取，但須嚴格控制萃取時間與其他條件，並以標準品或校正曲線建立定量關係。萃取完成後，將纖維移入分析儀器，透過熱脫附或溶劑脫附，使分析物進入儀器進行分離與偵測。

執行時的重要因素

1. 纖維塗層種類與厚度：應依分析物的極性、揮發性及分子大小選擇塗層。非極性塗層較適合非極性分析物；極性或混合型塗層可提高相應分析物的親和力。