化學科普：微量元素分析的三大利器
「微量元素分析」（Trace Elemental Analysis）是個看似陌生的字眼，實際上卻處處維護着安全的日常生活。微量元素分析可以解析樣本所含有的元素種類與元素含量。目前，這項分析技巧被廣泛應用於臨牀醫學、環境監控、生物製藥、食物安全、精密工業、地質環境等領域。
常見的分析方法爲：原子吸收光譜法（AAS）、感應耦合電漿發射光譜法（ICP-OES）以及感應耦合電漿質譜法（ICP-MS）。
原子吸收光譜法（AAS）
原子吸收光譜法（Atomic Absorption Spectrometry ，簡稱AAS）是一種分析樣本元素種類及元素濃度的分析法。經過樣品前置處理，將樣本藉由火焰原子化器或石墨爐（Graphite Furnace）化成氣態的基態原子。經由元素之中空陰極燈管（Hollow Cathode Lamp）將樣本吸收光線，由單光器（Monochromator）篩選出測定波長，測量出樣本所含相關元素及元素濃度。
原子吸收光譜法的原理爲何？光譜法的基礎爲比爾-朗伯定律（Beer-Lambert Law）。當帶有特定元素的光線穿過樣本時，部分光線會被相關元素吸收。由此，我們可以透過比較原有光線強度及穿過樣本後光線強度，計算出吸收度，測量出樣本中相關元素含量。原子吸收光譜法又分爲火焰式和石墨式。火焰式具有經濟效益，適合包含樣品分析物液體或溶解樣品，可耐受極高濃度分析(% ~ ppm)。而石墨式是一種高度穩健的技術，能夠分析少量的液體樣品，其靈敏度比火焰式佳，能夠檢測 ppb ~ ppt 範圍微量元素。
相比起其他分析方法（如重量分析法），原子吸收光譜法的精準度較高，設置成本容易。唯一不足是，原子吸收光譜法單次僅能測定一種元素，較爲耗費時間。
感應耦合電漿光學發射光譜法（ICP-OES）
ICP-OES工作原理，樣本經由蠕動泵引入，並以霧化器霧化成氣溶膠。氣溶膠將被注入電漿中，至高溫感應耦合電漿（Plasma）加熱、激化、氣化成爲原子或離子，繼而遊離化，經分光系統定性與定量。
與ICP-MS不同的是其偵測方法。相比起ICP-MS透過離子的質譜進行偵測，在ICP-OES中，被激化的原子及離子會在極短的時間回到基態。過程中，離子的多餘能量將釋出特定的光譜；離子含量越濃，其釋出的光也就越強。透過比較已知成分的光譜線及強度，就能檢測出元素的種類及含量。
相對於其他類型的偵測方法（如上面提及過的AAS），ICP-OES能穩定測試出多種元素。其靈敏度雖然不及ICP-MS，但仍能檢測出十億分（ppb, parts per billion）級別的元素。相對地，ICP-OES設置要求信價比最高。
感應耦合電漿質譜法（ICP-MS）
感應耦合電漿質譜儀是微量元素分析的重要儀器，廣泛應用於材料、土壤與環境、食品、藥品、生物醫學、化學及工業產品分析等研究領域。ICP-MS是透過分析經過電感耦合後離子，從而得出相關元素在分析物中的含量。經前置處理—如溶解，消化成液體—樣本先經由蠕動泵引入，並以霧化器霧化。樣本霧化成爲氣溶膠（Aerosol）後，將會連同氬氣等載流氣體，注入最高可達10,000K高溫的感應耦合電漿（Plasma），並將分析物離子化，繼而遊離化，經四極柱系統定性與定量。
離子通過取樣錐（Sample Cone）後抵達真空區，會膨脹，繼而形成超音速噴射（Supersonic Jet）進入截取錐（Skimmer Cone）及真空系統。在真空系統中，離子透鏡（Ion Lens）會剔除雜質，以傳送離子束進入質譜儀。ICP-MS分析儀大多數會使用四極式質量分析儀（Quadrupole Mass Analyzer），偵測特定質荷比（m/z）的離子，並轉換成電子脈衝，按照脈衝的大小分析出樣本中離子的濃度，檢測出元素的種類及含量。
感應耦合電漿質譜法需要的樣本量少，而且靈敏度高，可以檢出低至兆分級（ppt, parts per trillion）的元素。最爲吸引的是，這項方法能檢測出同位素及多項元素，有助節省檢測時間。不過，感應耦合電漿質譜的設置環境及維護成本較高。
綜合上述，我們該如何選擇使用哪一種利器來解決需求？我們可以從幾方面考慮。若檢測報告需符合獨立機關的檢測標準，那我們就應該選擇符合檢測基準的分析方式。除此之外，化驗室的檢測及研究方向及化驗室的成本限制及環境限制（如ICP-MS儀器需要無塵處理）與樣本的濃度、數量及所需時間，也可能會改變選擇。