VOC與環境荷爾蒙分析 (GC/MS) 對水質的要求

揮發性有機化合物 (Volatile Organic Carbon, VOC) 與內分泌干擾物質 (環境荷爾蒙) 經常來自於工業製造流程的排水。由於這些成份對生物體具有毒性,且影響久遠,所以必 須根據廢水排放標準與環境標準來進行嚴格的管理。由於這些物質在極低濃度就會對人體 產生毒性,因此對相關樣品的檢測靈敏度要求在ppt 等級,甚至更嚴格。

1) 適合 VOC 和環境荷爾蒙分析的超純水的精製

GC/MS 與 LC/MS 經常用於 VOC 和環境荷爾蒙分析,超純水在其中一般被作為樣品 稀釋與空白溶液來使用。有機物因紫外線照射而產生氧化分解作用,然後使用吸附力強、 純度高的活性碳來加以去除 (圖 1)。超純水系統使用了許多高分子材料,這些材料均是經 過低溶出物實驗篩選過的。

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輸血袋與醫療用輸液軟管經常以聚氯乙烯 (PVC) 作為材質,當與脂溶性的化學試劑 接觸時,就可能會造成環境荷爾蒙酞酸酯 (Phthalic Ester) 的溶出,因此,必需對此成份 予以監測。其相關實驗方法記載於「日本醫藥安全法1017002號中 :」「(7) 純化水應使 用 Millipore 公司水純化系統產水」。這是因為,若使用裝有紫外燈與活性碳純化管柱的 水純化系統,就能夠不受到環境影響而獲得水質優良的超純水。此外,由於VOC 的分析 極易受到實驗操作環境的污染,關於超純水的取水方式也要非常小心。

2) 使用市售瓶裝水時的注意事項

VOC 分析雖可使用瓶裝水作為空白溶液,但由於所使用的寶特瓶 (PET) 具透氣性, 若存放於實驗室,即使不開封也可能受到污染。為此,我們將瓶裝水存放於每週使用一 純水水質對於化學分析結果的影響 (下) 02 默克純水報 – H2O 教室 第一期 次二氯甲烷的實驗室 (環境 A: 42 ppb),分析 1 個月後瓶裝水中的二氯甲烷含量,分析結果可 見:的確有些樣品遭到污染 (表 2)。也就是說,若使用瓶裝水作為空白溶液,應注意保存時是 否會受到環境的污染。

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微量元素分析 (ICP、ICP-MS) 對水質的要求

ICP、ICP-MS 幾乎可以有效的分析所有元素,因此被廣泛的使用於半導體產業、核子工業 領域,以及環境樣品的元素分析。尤其是ICP-MS,由於可以進行極微量的元素分析,所以使用 的超純水中的元素含量必須控制在極低的背景濃度。

1) 適合微量元素分析的超純水的精製

超純水系統的純化方法中,用來去除離子的是離子交換樹脂,因此維持樹脂的交換能力是 很重要的。離子交換樹脂除了會因為官能基飽和造成去除能力降低外,樹脂表面也會發生有機 物與微生物的附著,所以在離子交換樹脂的前期處理程式中,最好能使用紫外燈來氧化分解有 機物質,以防止樹脂被污染 (圖 2)。此外,為了及早發覺樹脂的劣化,可以在前段的離子交換 樹脂後裝上電阻率檢測儀,以檢測水質的變化。這種超純水系統的組合,對水中所含元素的檢 測靈敏儀度可達 ppt 等級。

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在影響 ICP-MS 分析實驗的諸多因素中,最主要的是容器的清潔度以及材料本身的化學溶 出 (extraction) 這兩個因素。我們進行超微量無機離子分析時,必需使用高純度且金屬離子溶 出低的容器。關於其它的技術問題,如噴霧器產生氣泡現象,以及 K、Ca 等離子的檢測訊號 會受到 Ar 的影響等,可使用能夠去除水中溶解氣體的技術來解決。

2) 純水品質對微量元素分析 (ICP, ICP-MS) 分析的影響2

純水雖然不會使用於分析的階段,但樣品製備、空白及標準樣品的準備,皆需高品質的超 純水。因此,選擇的水需至少符合以下兩點基本特性:

  • 避免會影響欲分析金屬之物質的干擾
  • 使儀器於最佳分析狀態運作,例如: 減少 ICP-MS 的污染
  • 因實驗用水於整個分析過程早期即被使用,水中可能有的污染可能會被帶到後續的分析, 甚至影響分析的過程及結果。因此,用水的品質是非常重要的。

3) 影響純水品質因素的探討2

  • 不含微量元素的的純水

任何水中的微量金屬元素皆有可能影響分析的過程。除了比電阻值 18.2 MΩ.cm 的基本要求 外,亦應注意在整個水純化過程,不會有離子的釋出。方法可以包括使用離子交換樹脂防止 離子的釋出,或一終端過濾器用以吸附微量的金屬。水純化管路及閥門的精選亦會避免高純 度純水被汙染的可能性。

  • 顆粒

為避免噴霧器的破壞,顆粒必須去除。金屬以可能依附在顆粒上而影響分析。水質純化出水 口放置一 0.1 μm 的濾膜,可阻止水純化過程顆粒的釋放。

  • 有機物的降低

大量的有機物質會吸附於噴霧器的內壁,使致必須經常清洗。另外,有些金屬會與有機物複 合,例如鉑、汞、錫、鈀等,會與有機物分子某一部分形成共價鍵結。為確保這些元素於水 中含量降到最低,上述鍵結必須打斷,並將金屬予以去除。光氧化作用即可用來降解有機物, 釋放於水中的金屬分子隨即可被離子交換樹脂去除。另外,活性碳亦可吸附有機物並減少水 中總有機物的含量。

  • 細菌

將水中細菌的含量降至最低亦很重要。細菌可以釋出離子,另細菌本身亦可被視為一種顆粒 。因此,它們亦可能干擾欲分析的離子,且破壞噴霧器的功能。水純化過程中有許多方式可 以控制定降低細菌的含量。取水點上設置 254 nm 波長殺菌紫外燈及終端過濾器,即是其中 一個很有效的方法。

4) 如何選擇適當的超純水系統做為 ICP-MS 的分析應用? 有幾個因素需要考量 :  2

  • 分析方法
  • 您實驗室分析方法所需用水量
  • 分析方法的偵測極限 (detection limits)
  • 實驗室的條件
  • 純水系統需做確效與否
  • 您實驗室純水系統的供水來源
  • 實驗室日常所需純水及超純水用量
  • 實驗室可擺放純水機台的空間
  • 線上即時監控系統: 確保純水品質保持在正常規格範圍內
  • 您實驗室中有多少其他亦倚賴超純水的分析或應用實驗?
  • 您實驗室分析或應用實驗將來可能的擴展或升級

ICP-MS 分析實驗的困難排除 (trouble shooting)

超純水系統的檢查重點

  • 是否使用 RO 水、蒸餾水或是離子交換樹脂水作為進水? 據報告指出,若使用這些水作為 進水,短時間內就會因離子負荷過重,使超純水純化管柱的壽命縮短而水質變差。
  • 超純水系統的取樣口與分析儀器是否設置於無塵室或無塵操作臺? 這些是能夠把污染控制 在最小範圍的實驗環境。
  • 超純水系統的耗材是否有定期更換?
  • 超純水系統是否已長時期停止使用? 長時間不用水時也應保持超純水系統中的水能進行內 部循環及定期排水,以保持水質。長時期停用後重新使用前,應將所有耗材一起更換。
  • 自來水中的硼含量是否過高? 硼是一種即使是超純水系統也很難去除的元素,如果自水中 的硼含量超過 500 ppb,一般非專業的純水系統的產水就很容易有硼含量過高的情形。
  • 更換新的耗材之後,請按照正確的操作程序開始,以確保新耗材能充分發揮性能。

取水時的檢查重點

  • 取用超純水前是否將初期純水充分的排放過? 因為超純水系統經過數小時停止取水後,會 從取水口外部發生逆向污染,滯留在取水口的水也會使管線成份溶出,使水質無法達到要 求。所以取水初期至少應排放一公升的水量,進行超微量分析時排水量應該更多。
  • 取水時是否讓超純水穩定的進入純水容器? 取水時若製造太多的氣泡,會導致空氣中的污 染物質混入水中。
  • 取水後是否立即使用或進行分析檢測?

ICP-MS 的檢查重點

  • 分析儀器是否經合適的調整 (微調) 而運作? K、Ca、Fe 等元素由於容易受到 Ar 離子的影 響,因此分析時需要微調。此外,一般認為較不易因微調而產生敏感變化的B 分析,經過 程度上的微調後其背景值甚至可以產生10 倍左右的變化。關於系統微調,
  • 請向分析儀器生 產廠商詢問。 噴霧器 (Nebulizer) 的運作是否正常? 進行易受 Ar 離子影響的元素分析時,靈敏度會因為 噴霧的狀態不同而改變。
  • 進入分析儀器的管路是否使用易有溶出物的材質? 輸入系統若是使用蠕動泵,就可能經由 管路造成污染。
  • 是否使用自動取樣器? 自動取樣器也是一個造成污染的來源。

對分析時所使用容器的檢查重點

  • 所使用試劑的純度,屬於超微量分析級嗎? 試劑開瓶後是否存放於不受污染的環境中?
  • 取水容器的材質是超純淨材質 (PFA、PTFE) 嗎? 容器是否進行了充分的酸洗?
  • 容器在保存時是否裝滿了高純度的酸溶液? 容器內壁的離子溶出程度是否保持在最低範圍?
  • 用於稀釋的吸管 (tip) 是否足夠清潔?
  1. 資料來源: 超純水及其實驗室應用,Merck Millipore,P. 52-55
  2.  資料來源: http://www.millipore.com/lab_water

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