超微量分析之污染控制.doc

超微量元素分析之污染控制背景當量濃度（Background equivalent concentration, BEC）是以當量濃度表示之背景訊號，並提供一種良好量化”雜訊”的方法，其已經廣泛應用於半導體業及超純化學工業之分析，且認為是評估ICP-MS系統效能較為精確之指標。BEC的來源最主要來自空氣污染、試劑污染及實驗器皿的污染及人員污染，本研究針對這四大污染來源進行探討，瞭解其對待測物之影響範圍及影響程度。關鍵字：BEC、感應耦合電漿質譜儀、超微量分析、重金屬一、前言感應耦合電漿質譜儀（ICP-MS）為超微量元素分析常用之檢測儀器，此技術可提供實驗室一相對簡單及具成本效益之方法，來定量濃度低至ppt 甚至sub-ppt 等級之元素。然而對許多元素，欲達到如此低濃度之定量會有許多障礙，例如微量的背景”雜訊”（noise）即會造成影響。對於”雜訊”的度量，背景當量濃度（Background equivalent concentration, BEC）是一種有用的方式。簡而言之，BEC是以當量濃度表示之背景訊號，並提供一種良好量化”雜訊”的方法，其已經廣泛應用於半導體業及超純化學工業之分析，且認為是評估ICP-MS系統效能較為精確之指標1。在檢測時，背景雜訊會影響到偵測極限（Limit of detection, LOD），例如在吵雜的環境中，無法聽到耳語而必須要提高音量才能彼此溝通，這情形就如同高的背景雜訊造成較差的偵測極限，相反地，在一個安靜的環境中，如針落地等如此小的聲音都可以聽到，這相當於有很低的偵測極限。有關BEC與LOD的關係必須從LOD的定義開始，依據國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）的定義，偵測極限為在已知之可信度內，可測得之分析物的最小濃度（CL）或質量值（qL），此種極限值是由最小可偵測之分析訊號XL求得，此最小可偵測訊號等於空白訊號之平均值Xbl加上k倍之空白訊號的標準偏差值2，亦即 XLXbl + k sbl （1）其中k值的選擇是根據所希望的信賴水準，IUPAC建議k=3，其信賴水準約98%。在ICP-MS中，Xbl為空白分析之平均訊號（cps），典型的ICP-MS檢量線可以下式表示XAXbl + m CA （2）其中 XA為待測物在濃度CA時之訊號（cps），m為檢量線斜率。因此，在ICP-MS中，XL亦能以下式表示XLXbl + m CL （3）從公式（1）及（3），CL濃度可以下式計算CL3 sbl/m （4）BEC可由未經背景校正之檢量線求得，示意圖如圖一所示，可依下列公式計算BEC = Xbl / m （5）因此，可測得之分析物的最小濃度（CL）亦可改由BEC及空白溶液之相對標準偏差百分比表示CL3 RSDblank BEC/100 （6）其中RSDblank100 sbl/Xbl從上式中可以清楚瞭解 LOD 及 BEC 之關係，這兩個參數即是判斷 ICP-MS 性能非常重要之指標。會導致高BEC的原因包括隨機背景（Random background）、記憶效應、聚合離子干擾及污染，其中影響程度最大為來自酸、試劑、樣品製備所用容器及環境大氣之污染3，因非常微量的污染即會提高BEC，進而降低待測物之偵測極限。本研究即在探討如何控制污染，進而提升超微量重金屬檢測分析之精密度與準確度。二、研究方法（）儀器材料ICP-MS：Aagilent 7500ce ICP-MS（Agilent Technologies, Tokyo, Japan），霧化器為MicroMist glass concentric型式，儀器設置於Class 1000等級之無塵室中，儀器調機（表一）至中質量感度感度大於 80 million cps/ppm，CeO+/Ce+ 小於 1.5% 及Ce2+/Ce+小於 3.0%，各元素所使用質量數、ORS模式及積分時間如表二所示。樣品瓶：使用 PFA 材質，浸泡於 10 % 硝酸溶液中（至少隔夜以上），並於使用前以試劑水加以清洗乾淨。（二）試劑試劑水：採用Millipore Milli-Q Element 純水製造系統。濃硝酸：使用J.T.Baker ultra pure等級濃硝酸。濃鹽酸：使用J.T.Baker ultra pure等級濃鹽酸。多元素儲備標準溶液：使用Agilent 公司生產之多元素混合標準溶液。內標準儲備溶液：10 ppm（Li, Sc, Ge, Y, In, Tb, Bi），購自Agilent 公司。（三）方法為了提升重金屬微量分析之精密度與準確度，首要之務即是要控制分析空白，亦即BEC值，而BEC值最大來源為外界污染，其中包括了空氣污染、試劑及容器污染及人員污染，本研究針對這四大污染來源進行探討，瞭解其對待測物之影響範圍及影響程度。三、結果與討論（一）空氣污染對微量分析之影響空氣污染是由於樣品於採樣或前處理時暴露於未過濾空氣的結果。污染物最主要的來源為樣品採開放式消化時排煙櫃之鏽蝕，另外的來源可能來自包括天花板、剝蝕油漆、地毯或鞋子污物等所產生之實驗室灰塵，此外亦有可能由戶外或經由空調系統鏽蝕的風管導入。控制此類污染最有效的方式為建造無塵室，所謂無塵室是一個為了對空間內空氣中的微粒做控制，所建造的特殊封閉性建築，無塵室種類分為兩種，第一種為垂直層流型無塵室，亦稱為單一流向型無塵室，通常用於Class 1 Class 100等級之無塵室設計，第二種為亂流型無塵室，氣流循環是以回風柱方式循環，故會在室內產生亂流，其製程及人員所產生的粒子就會在室內打轉，必須要以潔淨度高的空氣來予以稀釋，並將室內潔淨度控制在某一等級以下，通常用於Class 1000 Class 100,000等級之無塵室設計。本所為進行超微量元素分析，特別建置潔淨等級1000之無塵室，並於無塵室中設置HEPA過濾、Class 100之潔淨化學工作平台，實驗人員進出無塵室皆須遵守無塵室使用規範，如穿戴無塵衣、手套，不能化妝，進入無塵室前30分鐘不得吸煙，並盡可能維持無塵室及潔淨工作平台之整潔。為瞭解本所無塵室之效能，分別於無塵室潔淨工作平台（潔淨等級100）、無塵室儀器區（潔淨等級1000）及無塵室外一般實驗桌上，放置以超純硝酸所配製 1% 硝酸（未加蓋約250 mL），並於無塵室潔淨工作平台放置加蓋約 250 mL 之1% 稀硝酸作為對照，靜置48小時後，以ICP-MS上機求得 BEC 值，所得結果如表三所示。結果顯示，大氣環境對Mg、Ca、Fe、Zn的影響最大，無塵室外一般實驗桌之樣品BEC值提高至50 120 ng/L，對於Al、Ni、Cu、Pb則略有影響，無塵室外一般實驗桌之樣品BEC值有些雖仍在個位數ng/L濃度範圍內，但這樣的污染程度對ppt level檢測之準確度已會造成影響。無塵室的建造及維護費用較為昂貴，較為實用的方式是使用層流排煙櫃（Laminar flow hood）（圖二），層流排煙櫃有兩種形式（水平式及垂直式），這些設備將空氣經 HEPA 過濾，故可以提供乾淨之區域供樣品處理、分析或試劑儲存。水平式排煙櫃適用於容器或設備清洗後之乾燥，在分析過程中保護在自動進樣器中之樣品及標準溶液之製備，惟此種型式之排煙櫃無法使用於儲存或操作毒性或有害物質，因所有煙霧都會吹向操作人員，此時必須使用垂直式排煙櫃，所產生之有毒或有害煙霧可以藉由排氣設備排出。除了使用無塵室及層流排煙櫃，空氣污染之控制亦可藉由適當實驗室規劃，以減少空氣懸浮微粒的產生、轉移與沈積。規劃實驗室時，樣品前處理及儀器分析區域應與一般實驗室區隔，且設置於人員進出不頻繁的區域，儀器不要設置在窗邊或走廊邊，實驗室出風口可加裝過濾器或使用可攜式HEPA系統，此外，實驗室盡量減少不必要之隔間、家具或設備，避免積蓄灰塵，所有金屬材質製品以塑膠材質取代或以epoxy塗料塗佈，地板、實驗桌及設備應定期以試劑水，並以沒有棉絮之擦拭布擦拭，以避免大氣懸浮微粒之累積。（二）試劑污染對微量分析之影響酸與試劑水是實驗過程中用量最大的兩種試劑，亦是重金屬污染之重要來源，表四為本所無塵室內使用之市售超純級硝酸與無塵室外一般實驗使用之GR級硝酸中重金屬之出廠確認值比較，由表可知GR級硝酸中Ca、Al、Fe、Zn含量達 sub-ppb 至 ppb level，其餘元素濃度亦較超純級硝酸高12次級數，一般ICP-MS檢量線空白溶液為為 1% (v/v)的硝酸溶液，若使用GR級硝酸配製，光是空白溶液就有個位數ppt至數十ppt待測物濃度存在，此對 ppt level 之微量分析而言即會造成誤差。為進一步瞭解本所無塵室內所使用之超純硝酸及超純水與無塵室外一般實驗室所使用之純水及GR級硝酸，在一般使用條件下（無塵室內超純水使用Milliport 超純水製造系統製造，出水口以Teflon 管直接拉至無塵室潔淨工作平台內，而超純硝酸直接以秤重或先倒出後取用，不直接以分注器或移液管伸入超純硝酸中；無塵室外純水使用逆滲透陰陽離子交換樹脂製造並儲存於20 L PP材質貯桶備用，GR級硝酸以分注器取用），對檢量線BEC值之影響，分別搭配製備1 %稀硝酸溶液，並以其配製檢量線求得BEC值，結果如表五所示，在以純水與超純硝酸搭配測試中可以顯示無塵室內外所使用試劑水水質差異，無塵室外純水中Ca污染較為嚴重，Mg、Al、Zn之BEC值提高至20 50 ppt，而Fe、Ni、Cu及Pb之BEC則略受影響。在以超純水與GR級硝酸搭配測試中可以瞭解所用硝酸之差異，結果顯示GR級硝酸中Ca、Mg、Al及Ba的污染非常嚴重，達到ppb至sub-ppb等級，Cr、Fe的污染約100 ppt。而在以純水與GR級硝酸搭配測試中，可瞭解無塵室內外兩種系統所製備之檢量線差異，結果顯示在無塵室外所製備之檢量線，Mg、Al、Ca、Cr、Fe、Zn及Ba無法達到ppt level之檢側目地。以上的測試結果，不僅是無塵室內外所使用試劑等級之差異，亦包含了試劑儲存環境及使用方式對試劑所造成之污染，對於超微量分析而言，這些細節都是必須要注意的。（三）實驗器皿污染對微量分析之影響實驗器皿也是污染的常見來源，這些包含於採樣、保存及前處理時盛裝樣品之容器，亦包含樣品前處理時裝酸或試劑之器皿。當選擇樣品容器時，容器材質是非常重要的，實驗器皿常使用之材質有硼矽玻璃（Borosilicate glass）、石英（Quartz）及高分子聚合物（Polymer）。硼矽玻璃為實驗器皿最常使用的材質，能抵抗大部分的酸，但不適用於 HF 或熱磷酸，亦不能貯存鹼性溶液，因其含高濃度的微量元素（表六），且可能吸附欲待測元素不適用於微量分析；石英材質對酸鹼的耐受性與硼矽玻璃相似，其有兩種型式，第一種為不透光石英，因含高濃度重金屬，不能使用於微量分析，第二種型式為透明石英，又可細分為Type I IV四種，Type I、II為天然石英，Typt III、IV屬合成石英，合成石英重金屬含量較天然石英少，合成石英中在重金屬含量方面，Type III與Type IV差不多（表六），惟 Type IV 含較大量 Cl- ，故在微量分析時，應盡可能使用 Type III 石英；高分子聚合物因對酸或鹼有較大的耐受性，且微量金屬含量較低，一般較常使用於超微量分析，常用的材質有高密度或低密度聚乙稀（HDPE or LDPE）、聚丙烯（PP）及含氟聚合物等3,4。HDPE及LDPE可抵抗濃鹽酸及氫氟酸，但會被稀硝酸及王水氧化，長時間保存於稀硝酸中會使材質變黃，LDPE 最高耐受溫度約 80，而 HDPE 之最高耐受溫度約 110 ；PP對濃鹽酸的耐受性較差，對稀硝酸及王水的耐受性與 PE相似，材質較PE堅硬，最高耐受溫度達 135，一般適用於開放式消化用之消化瓶；含氟聚合物較為昂貴，但重金屬含量較PE及PP低（表七），有較佳的化學耐受性，只會被熔融的鹼金屬或在高溫下受氟化有機物破壞，在微量元素分析中較為常用的有 PTFE、PFA 及 FEP。在微量元素分析中，應使用惰性材質容器，對 ppb 濃度範圍的樣品分析，可使用 PP 或 PE材質，然而，對 ppt 濃度範圍的樣品分析，則應使用 PTFE、FEP 或 PFA材質，其中又以 PFA 材質最好，因其疏水性較其他兩種材質略小，當有髒污時，較易以水溶液清洗乾淨。無論使用何種材質容器，事前的清洗亦非常重要，為探討何種清洗程序可有效去除殘留之重金屬，首先我們使用採樣最常用的HDPE採樣瓶，依照一般清洗程序（即以中性洗劑刷洗，試劑水洗淨後隔夜浸泡 10 硝酸，最後以試劑水沖洗乾淨）清洗後，以 1 超純硝酸充分搖晃35分鐘並靜置兩天後，以ICP-M上機，代入檢量線求其溶出元素濃度，結果如表九所示，結果顯示該批樣品瓶含Ba、Fe、Zn及Pb，經一般程序清洗後，除Zn及Pb外，其餘元素仍有殘留，由此可知一般之清洗程序並無法有效洗淨。表八為超微量分析時，塑膠器皿常用之清洗程序彙整5-7，考量現有實驗室泡酸桶未有加熱設備及兼顧清洗程序之安全性和便利性，我們選擇Trace metal labware cleaning procedures中所述程序進行測試，結果如表九所示，結果顯示該批樣品瓶中含Fe、Cu及Pb，經過清洗程序後，三種元素皆未發現殘留。從以上實驗中可以發現，每一批次所購買之HDPE採樣瓶其重金屬含量不盡相同，使用前必須經過適當的清洗，並測試其重金屬溶出量，以確保樣品於貯存之過程中，不會將樣品瓶之污染導入樣品中。（四）人員污染四、結論與建議背景當量濃度（Background equivalent concentration, BEC）是以當量濃度表示之背景訊號，並提供一種良好量化”雜訊”的方法，其已經廣泛應用於半導體業及超純化學工業之分析，為評估ICP-MS系統效能較為精確之指標。BEC的來源最主要來自空氣污染、試劑污染及實驗器皿的污染，儀器設置地點與樣品處理區域要保持清潔，使用高純度試劑並注意操作方式，避免試劑遭受人為污染，此外與樣品接觸之器皿與器材皆須適當清洗，避免將污染導入樣品，各細節均需注意，才能確保微量分析結果之精密度與準確度。五、參考文獻1. C. Tye, F. Fryer, R. Minett, K. Sakata. Controlling background equivalent concentration in inductively coupled plasma mass spectrometry(ICP-MS) as a means of achieving low quantification limits in real samples. .au/anzsms/Conferences/ANZSMS18/ANZSMS18Abs/TuO/TuO-14.pdf2. X.D. Wang, S. Elliott., 2004. Typical detection limits for the Varian ICP-MS in normal sensitivity mode. Varian Inc. ICP-MS application note No.25.3. ICP-MS Primer. Agilent Technologies, publication 5989-3526EN.4. Dr. Robert Richter, 2003. Clean chemistry: techniques for the modern laboratory. Milestone Inc.5. US EPA Method 1638, 1996. Determination of trace elements in ambient waters by inductively coupled plasma-mass spectrometry. 6. M. Gasparon, 1998. Trace metals in water samples: minimizing contamination during sampling and storage. Environmental geology 36 (3-4), 207-214. 7. US EPA region 9 laboratory Richmond, California. SOP#140. Trace metal labware cleaning procedures.表一 Agilent 7500ce ICP-MS 調機參數儀器參數Normal modeHydrogen modeHelium modeRF power1500 W Same Same as H2Sample depth8 mm Same Same as H2Carrier gas0.90 L/min Same Same as H2Makeup gas0.26 L/min Same Same as H2Spray camber temp2 Same Same as H2Extract 13 V Same Same as H2Extract 2-130 V Same Same as H2Omega bias-22 Same Same as H2Omega lens-0.4 Same Same as H2Cell entrance-30 Same Same as H2QP focus2 V-10 V Same as H2Cell exit-40 Same Same as H2Octopole bias-6-18 Same as H2QP bias-3-16 Same as H2Cell gas flow05.0 mL/min H25.0 mL/min He表二 各元素所使用質量數、ORS模式及積分時間分析元素質量數ORS模式積分時間(s)Ca40H20.3Fe56H20.3Se 78H21.5Cr52He1.5Ni60He1.5Cu63He1.5As75He1.5Mg24Norm0.3Al27Norm0.3Mn55Norm0.3Zn66Norm0.3Ag107Norm0.3Cd111Norm0.3Sb121Norm0.3Ba137Norm0.3Pb208Norm0.3表三 無塵室效能測試元素質量數BEC（ng/L）潔淨工作平台內（加蓋）潔淨工作平台內（未加蓋）無塵室儀器區（未加蓋）無塵室外一般實驗桌（未加蓋）Mg242.93.01252Al278.69.91324Ca40333246128Cr54.8Mn58.4Fe5614153672Ni606.4Cu68.0Zn641As751.83.05.15.3Se7810.211.711.310.4Ag103.5Cd10.7Sb10.7Ba131.6Pb206.3註：未添加內標準品表四 超純級硝酸與GR級硝酸中重金屬出廠確認值比較元素Utra-pure級硝酸（ppt）GR級硝酸（ppt）Mg5100Al101000Ca206000Cr10100Mn2100Fe10600Ni10100Cu3100Zn5300As10100Se20100Ag2100Cd1100Sb10100Ba1100Pb1100表五 不同等級的酸及試劑水所配製檢量線之BEC值比較元素質量數BEC（ng/L）超純水超純硝酸純水超純硝酸超純水GR級硝酸純水GR級硝酸Mg242.22424172358Al279.43318121850Ca403823392009080Cr523.04.18490Mn512Fe561420105113Ni600.75.06.48.4Cu612Zn6610522772As73.3Se789.19.22018Ag105.3Cd10.2Sb10.6Ba1370.91.1515552Pb204.0註：未添加內標準品表六 硼矽玻璃及石英中微量元素濃度（g/g）