考古題詳解_97年公務人員高等考試一級暨二級考試試題_ 衛生技術_ 儀器分析－AlbertYang的甘苦滋味

一、在氣相層析法（gas chromatography）中，常用的偵測器有火焰離子化偵測器（flame ionization detector）和電子捕捉偵測器（electron-capture detector）。

(一) 請說明火焰離子化偵測器的原理及適用的分析物種類。

(二) 請說明電子捕捉偵測器的原理及適用的分析物種類。

解：

1. 火焰離子化偵測器flame ionization detector，FID

利用氫氣與空氣之燃燒並游離自層析管住流出之分析物，產生的離子被帶入收集器，吸附而產生微小的電流訊號(配合放大器），裝置圖如下；其優點為靈敏度高、較廣的線性範圍，缺點係對樣品具破壞性、較熱傳導偵側器昂貴，對有機物皆可檢出，惟對H₂O、CO₂、SO₂、NO_x不靈敏。

碳氫化物在火焰中的游離，產生的離子數目與在火焰中碳原子被還原的數目成比例；但若含羰基(carbonyl group）、醇(alcohol group）、鹵素(halogen）及胺(amine group）的官能基者因不易被還原，於FID產生離子訊號較少，沒有一般FID對碳氫化物靈敏。

2. 電子捕捉偵測器原理Electron capture detector，ECD

電子捕捉偵側器係為氣相層析上具靈敏度且為一選擇性很強的偵測器，原理為偵測器內放射性同位素(如⁶³Ni）所釋放出來的β粒子會與層析管柱中的載流氣體(carrier gas，具低游離能）碰撞產生低能量的熱電子(thermal electron），反應方程式如下：

β^- + carrier gas → ne^- + 正離子 + 自由基 + β'^- (較低能量）

熱電子經由偵測器內陽極的收集而產生一穩態電流，若任何易捕捉熱電子之物質(電負度大的物種如鹵素）隨載流氣體自管柱進入偵測器內則會造成穩態電流的減弱，而可作為此類物質的定量測定。

ECD其感應具有選擇性，對於含鹵素、過氧化物(peroxides）、對苯二酮(quinones）及硝基(nitro group，─NO₂）等陰電性官能基有很高的靈敏度；對於胺、醇及烴類等化合物不靈敏。ECD重點應用為環境中的多氯聯苯(polychlorinated biphenyls，PCBs）、有機氯農藥與飲用水中的三鹵甲烷含量等的測定。

Electron_Capture_Detector_(1).JPG

二、傅立葉轉換紅外光譜儀常用於測定化合物的官能基。

(一) 請說明傅立葉轉換紅外光譜儀（FT-IR）的優點。

(二) 使用FT-IR 時，請描述二種固體樣品的製備方法。

解：

1. FT-IR優點：

(1) 賈氏(或生產力）優點Jacquinot (or throughput） advantage

一般而言，在色散式光譜儀(或稱單光器，monochromator）中，入射光分光後聚焦在狹縫上，雖然狹縫越小鑑別率越佳，但因通過狹縫的能量受到限制，也使得偵測到的訊號非常的弱。因FT-IR其分光元件係使用干涉儀，並未使用狹縫與光柵，所以輻射到達偵測器的功率比例遠較使用單光器分光者大，故可以得到相當好的訊雜比(signal-to-noise ratio，S/N）而增加偵測靈敏度。

(2) Connes優點

因使用極穩定的He-Ne雷射來測定干涉儀中固定鏡與移動鏡的光程差，因此可以得到非常穩定且精確的干涉光譜，所得的波數準確度可達0.001cm^-1以上。

(3) Fellgett (or multiplex，多重性）優點

與傳統分光光譜法不同的是，在不需掃描的情況下，偵測器所有解析元素可同時取得FT-IR光譜所有頻率的輻射，故可在短時間內取得多張干涉譜，加以累計後平均，使訊雜比增加而增加偵測靈敏度。

(4) 迷光(stray light）優點

因FT技術使用干涉儀作為分光元件，移動鏡移動掃描的同時針對訊號加以調頻(modulation），而抑制迷光的影響。

2. 固體樣品的製備方法：

對大多數的有機化合物，都會在中紅外線範圍內存在許多吸收峰，所以若是要找到一“空白”(沒有在此範圍有吸收）的溶劑，通常是不可能的，因此需將欲分析物固體直接分散在基質中，以便觀察其紅外線光譜。一般而言，固態樣品需研磨至其顆粒粒徑小於所用輻射其範圍之波長，以避免光散射的影響。

(1) 粒狀物(pelleting）：

一般鹼金屬鹵化物鹽類具有冷流性質，若有足夠的壓力施加在其粉末時，其能呈現透明的玻璃狀，是故固態樣品與溴化鉀(KBr；截止波長約為400cm^-1，係指400cm^-1低於有吸收現象）或碘化銫(CsI；截止波長約為200cm^-1，係指200cm^-1低於有吸收現象）粒狀物使用研缽與杵或球型研磨機均勻混和後，倒入鑄模中，放入打片機以10,000 ~ 15,000的壓力，對混合物施壓，使之成一透明碟片(鹽片），若是能於真空下打片效果更佳。值得注意因為鹽片吸收水份的關係，而在3450 cm^-1與1640 cm^-1出現有吸收譜帶。

(2) 膏狀物(mull）：

當固體不溶於紅外線透明的溶液中或不適合以KBr製備成鹽片時，常將分析物與礦物油或氟取代烴類油膏研磨混合，形成將樣品分散的膏狀物，夾於兩片平滑的鹽片進行量測。

(3) 其他：

反射方法(Diffuse reflectance、Attenuated total reflectance）或光聲技術(photoacoustic）。

三、以原子吸收光譜法分析血液樣品中鐵（Fe）的含量時，發現當樣品中含有大量的硫酸根離子（sulfate ion），鐵的吸收訊號會下降。

(一) 請解釋造成鐵吸收訊號下降的原因。為了克服硫酸根離子的干擾，請提出三種可能解決的方法。

(二) 分析血液樣品中鐵的含量，以標準添加法（standard addition method）定量。取20 μL未知血液樣品（unknown）於量瓶中，稀釋至100 μL，測得吸收值（absorbance）為0.428，另取20 μL 未知血液樣品於量瓶中，添加50 μL 濃度為0.03 ppm 的鐵標準溶液後，稀釋至100 μL，所測得吸收值為0.538，請計算未知血液樣品鐵的濃度是多少ppm？

解：

1. 與陰離子形成低揮發性化合物：

因低揮發性化合物會造成原子化效率變差，因而得到偏低的結果。解決方式有：

(1) 提升溫度

(2) 使用釋出劑(releasing agent），釋出劑係為能與干擾物發生作用的陽離子，因此避免干擾物與分析物發生作用。

(3) 使用保護劑(protective agent），保護劑是指與分析物形成安定且易揮發的物種，常用試劑為乙二胺四醋酸(ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA）、8-羥基喹啉(8-hydroxyquinoline，8-HQ）與吡咯烷二硫代氨基甲酸銨(ammonium pyrrolidine dithiocarbamate，APDC）等。

(4) 標準添加法

當樣品溶液基質複雜造成基質干擾時(基質效應），且不易進行基質匹配時，一般的工作曲線(外標準品法或叫校正曲線法）不再適用，此時應採取標準添加法，理想的方式需注意添加的標準溶液(與分析物是同物種）體積與原樣品體積相較應小到可忽略，由於在此方法中，樣品與標準品是在相同的基質中，因此基質效應可以降至最低。

操作步驟：

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然後繪圖求解

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2. 本題假設吸收度 A 與濃度 C 成正比

四、若要測定蛋白質的質量可用大小排除層析法（size-exclusion chromatography）和基質輔助雷射脫附游離質譜法（matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry）。

(一) 請描述如何使用大小排除層析法測定蛋白質的質量。

(二) 請說明基質輔助雷射脫附游離法的原理。

解：

1. 大小排除層析法

應用於高分子量物種，依樣品的極性分為非極性樣品的膠體穿透層析法(Gel Permeation Chromatography，GPC）及極性樣品的膠體過濾層析法(Gel Filtration Chromatography，GFC）；其所使用的填充物係為均勻的網狀孔洞構造(矽膠或高分子聚合物），欲分析物種於孔洞中的平均停留時間與其有效尺寸有關，當分析物尺寸大於孔洞時，分析物會被排除，而幾乎無滯留現象，但分析物之尺寸小於孔洞時，分析物就可以穿透或滲透進入孔洞，因此達到分離目的。

膠體過濾層析法，動相為溶離緩衝液，靜相為膠體孔隙內的緩衝液，溶質(樣本蛋白質）根據其分子量的大小，決定分佈在這兩相的比例。分子量大的不易進入膠體，隨流動相溶離；分子量小的，則易竄入膠體內的固定相，而被滯流出膠體。分子的形狀、大小均為影響因素，即與其分子半徑有關，與分子量不完全成正比關係；但一般均視蛋白質為球形，故其形狀較無影響力。此外，將蛋白質自胺基酸及低分子量的胜肽中分離出來，稱之為去鹽(desalt）。

2. 基質輔助雷射脫附游離法

基質輔助雷射脫附游離法則由德國的Hillenkamp 教授及日本的Tanaka 先生分別於1988 年提出，此種離子源主要是由雷射光源和金屬樣品盤所構成，將分析樣品和基質（matrix）混合後，將樣品與基質的混和液均勻點至金屬盤之樣品槽中，使其混合物在空氣中自然風乾，待溶劑揮發後，混合液會在金屬盤中形成樣品─基質的共結晶，再以雷射光束照射此固態樣品時，結晶中的基質會吸收雷射光的能量，產生質子並由樣品盤中脫附而出，此過程會同時將分析樣品脫附氣化，產生氣相離子，以進入質量分析器測量其m/z 比值，進而推算其質量。由於基質所扮演的角色有吸收雷射能量及將樣品離子化的功能，因此，選擇基質時除了要配合雷射光源的波長外，還需要考慮樣品的特性。

此方法可以分析分子量數千至數十萬dalton之極性分子，因此在生化分析上相當重要，所得的質譜圖幾乎均為分子離子，碎片相當少，會有二聚體或三聚體的特徵峰出現，且伴隨有+2或+3的多電荷離子特徵峰。