化学科普：微量元素分析的三大利器
「微量元素分析」（Trace Elemental Analysis）是个看似陌生的字眼，实际上却处处维护着安全的日常生活。微量元素分析可以解析样本所含有的元素种类与元素含量。目前，这项分析技巧被广泛应用于临床医学、环境监控、生物制药、食物安全、精密工业、地质环境等领域。
常见的分析方法为：原子吸收光谱法（AAS）、感应耦合电浆发射光谱法（ICP-OES）以及感应耦合电浆质谱法（ICP-MS）。
原子吸收光谱法（AAS）
原子吸收光谱法（Atomic Absorption Spectrometry ，简称AAS）是一种分析样本元素种类及元素浓度的分析法。经过样品前置处理，将样本借由火焰原子化器或石墨炉（Graphite Furnace）化成气态的基态原子。经由元素之中空阴极灯管（Hollow Cathode Lamp）将样本吸收光线，由单光器（Monochromator）筛选出测定波长，测量出样本所含相关元素及元素浓度。
原子吸收光谱法的原理为何？光谱法的基础为比尔-朗伯定律（Beer-Lambert Law）。当带有特定元素的光线穿过样本时，部分光线会被相关元素吸收。由此，我们可以透过比较原有光线强度及穿过样本后光线强度，计算出吸收度，测量出样本中相关元素含量。原子吸收光谱法又分为火焰式和石墨式。火焰式具有经济效益，适合包含样品分析物液体或溶解样品，可耐受极高浓度分析(% ~ ppm)。而石墨式是一种高度稳健的技术，能够分析少量的液体样品，其灵敏度比火焰式佳，能够检测 ppb ~ ppt 范围微量元素。
相比起其他分析方法（如重量分析法），原子吸收光谱法的精准度较高，设置成本容易。唯一不足是，原子吸收光谱法单次仅能测定一种元素，较为耗费时间。
感应耦合电浆光学发射光谱法（ICP-OES）
ICP-OES工作原理，样本经由蠕动泵引入，并以雾化器雾化成气溶胶。气溶胶将被注入电浆中，至高温感应耦合电浆（Plasma）加热、激化、气化成为原子或离子，继而游离化，经分光系统定性与定量。
与ICP-MS不同的是其侦测方法。相比起ICP-MS透过离子的质谱进行侦测，在ICP-OES中，被激化的原子及离子会在极短的时间回到基态。过程中，离子的多余能量将释出特定的光谱；离子含量越浓，其释出的光也就越强。透过比较已知成分的光谱线及强度，就能检测出元素的种类及含量。
相对于其他类型的侦测方法（如上面提及过的AAS），ICP-OES能稳定测试出多种元素。其灵敏度虽然不及ICP-MS，但仍能检测出十亿分（ppb, parts per billion）级别的元素。相对地，ICP-OES设置要求信价比最高。
感应耦合电浆质谱法（ICP-MS）
感应耦合电浆质谱仪是微量元素分析的重要仪器，广泛应用于材料、土壤与环境、食品、药品、生物医学、化学及工业产品分析等研究领域。ICP-MS是透过分析经过电感耦合后离子，从而得出相关元素在分析物中的含量。经前置处理—如溶解，消化成液体—样本先经由蠕动泵引入，并以雾化器雾化。样本雾化成为气溶胶（Aerosol）后，将会连同氩气等载流气体，注入最高可达10,000K高温的感应耦合电浆（Plasma），并将分析物离子化，继而游离化，经四极柱系统定性与定量。
离子通过取样锥（Sample Cone）后抵达真空区，会膨胀，继而形成超音速喷射（Supersonic Jet）进入截取锥（Skimmer Cone）及真空系统。在真空系统中，离子透镜（Ion Lens）会剔除杂质，以传送离子束进入质谱仪。ICP-MS分析仪大多数会使用四极式质量分析仪（Quadrupole Mass Analyzer），侦测特定质荷比（m/z）的离子，并转换成电子脉冲，按照脉冲的大小分析出样本中离子的浓度，检测出元素的种类及含量。
感应耦合电浆质谱法需要的样本量少，而且灵敏度高，可以检出低至兆分级（ppt, parts per trillion）的元素。最为吸引的是，这项方法能检测出同位素及多项元素，有助节省检测时间。不过，感应耦合电浆质谱的设置环境及维护成本较高。
综合上述，我们该如何选择使用哪一种利器来解决需求？我们可以从几方面考虑。若检测报告需符合独立机关的检测标准，那我们就应该选择符合检测基准的分析方式。除此之外，化验室的检测及研究方向及化验室的成本限制及环境限制（如ICP-MS仪器需要无尘处理）与样本的浓度、数量及所需时间，也可能会改变选择。