NIELSEN'S FOOD ANALYSIS · CHAPTER 9

原子光譜分析

Atomic Absorption · Emission · ICP-MS

食品分析　·　3 小時課程　·　含 6 個互動小遊戲
AAS · AES · 火焰 / 石墨爐 · ICP-OES · ICP-MS · 礦物元素

空心陰極燈氬電漿 10000Kppt 偵測同位素礦物分析

先想一想

食物燒成灰之後，
怎麼知道裡面有多少鈣、鐵、鉛？

灰分(Ch16)只告訴你「總礦物量」。
要分出單一元素的含量，得靠每個元素獨一無二的「光指紋」——原子光譜法。

營養礦物 Ca·Fe·Zn毒性重金屬 Pb·Cd·As·Hg 產地溯源品質與標示

9.1 介紹

兩種互補的原子光譜：吸收與發射

⬇️

原子吸收 AAS

自由中性原子吸收元素專屬波長的光；測吸收量。需要外部光源(空心陰極燈)。

⬆️

原子發射 AES

受激發的原子落回基態時放出專屬波長的光；測發射量。光源就是原子本身。

共同關鍵：每個元素的吸收/發射譜線都獨一無二，所以即使在複雜食品基質中，也能專一辨識特定元素。

9.1 元素的指紋

為什麼能「認出」每個元素

不同元素的電子能階不同 → 吸收/發射的波長組合各異，如同條碼般可逐一辨識。

示意圖（譜線位置與顏色為示意，非實際波長）；課本 Fig 9.1 為 Ba、Y、Cu、Na、Sr 的實拍發射光譜。

9.1 為什麼重要

原子光譜在食品上的四個任務

🥛

營養礦物

定量 Ca、Fe、Zn、K、Mg…——營養標示與品質的核心

☠️

毒性重金屬

Pb、Cd、As、Hg 常需 ppb–ppt 級偵測，攸關食安

🌍

產地溯源

以元素/同位素指紋追蹤食品的地理來源

🏷️

規格與品質

強化食品(如鐵強化麵粉)是否達標、是否摻假

9.1 核心概念

原子化：把樣品變成自由原子

食品中元素多以化合物存在，必須先變成自由中性原子才能做原子光譜
溶液 → 去溶劑 → 汽化 → 原子化(自由原子)
原子吸收測原子不測離子；溫度過高造成游離反而是干擾

能量來源決定溫度：火焰、石墨爐(電熱)、氬電漿。溫度越高，原子化越完全(但也更易游離)。

9.1 原子化溫度

不同原子化方式的溫度

資料：Table 9.1 的近似原子化溫度範圍（柱＝範圍上下限）：火焰 2000–3400 K、電熱(石墨爐) 1500–3300 K、感應耦合氬電漿 6000–7000 K。電漿溫度遠高於火焰，原子化更完全、化學干擾更少。

小遊戲 ①吸收 vs 發射：分特徵0 / 8

把 8 個敘述分到「原子吸收 AAS」或「原子發射 AES」。

9.2 原子吸收光譜 AAS

Alan Walsh 1952：用吸收定量

原理：氣態自由中性原子吸收 UV-Vis(200–800 nm)的專屬波長
吸光度由比爾定律與原子濃度成正比 → 配標準曲線定量
火焰式一次只能測一個元素，且每元素要換一支燈
測不到磷(P)等非金屬(吸收落在真空紫外，需真空)

兩種原子化：火焰原子化(穩定易用) 與電熱(石墨爐)原子化(偵測極限更低、樣品更少)。雖被 ICP 取代於商業，仍是大學教學主力。

9.2.1 / 9.2.2 原子化

火焰 vs 石墨爐

🔥

火焰原子化

樣品霧化進火焰(空氣-乙炔/笑氣-乙炔)；穩定、易用，但靈敏度較低、樣品停留短

🧯

石墨爐(電熱)

樣品(0.5–100 µL)注入石墨管，分階段加熱→蒸乾→灰化→2000–3000 K 原子化

✅

石墨爐優點

偵測極限更低、所需樣品更少

⚠️

石墨爐代價

設備貴、通量低、基質干擾大、精密度較差

9.2.3 儀器

原子吸收光譜儀的五大組件

① 光源 HCL/EDL② 原子化器③ 單色器 200–800 nm④ 偵測器 PMT⑤ 讀出裝置

9.2.3.1 光源

空心陰極燈 HCL：元素專屬的光

陰極由待測元素製成，通電後放出該元素的專屬譜線
所以每種元素需要一支對應的燈(約 60 種元素有商用 HCL)
斬光器把燈光調變成交流訊號，扣掉火焰自身的連續發射
揮發性元素(As、Hg、Cd)可用無電極放電燈 EDL

小遊戲 ②AAS 原理即時測驗0 / 5

9.2.3.2 原子化器細節

火焰類型與兩種增敏技術

🔵

氧化焰

貧燃(過氧)、最熱、藍色清晰

🟡

還原焰

富燃(過燃料)、較冷、黃色

⚪

化學計量焰

燃料與助燃恰好完全燃燒

💧

冷蒸氣法 (Hg)

汞可在室溫以自由原子存在；用 SnCl₂ 還原成元素汞，直接送入吸收池——汞分析首選

🫧

氫化物生成法

As、Pb、Sn、Sb、Se… 生成揮發性氫化物後導入，靈敏度大增

9.2.4 安全

乙炔是爆炸性氣體

💥

為什麼危險

空氣-乙炔、笑氣-乙炔是最常用燃料；乙炔可爆，需良好通風

🚫

鐵律

火焰 AAS 運轉中絕不可無人看管；排氣口應在燃燒頭正上方

操作前務必詳閱儀器商 SOP；避免未燃燃料堆積與有毒煙霧。

9.2.5 干擾

兩大類：光譜性與非光譜性

🌈

光譜性干擾

其他元素/分子在待測波長附近吸收或放光。例：Zn 213.856 nm 與 Fe 213.859 nm 重疊；鹼土氧化物背景吸收。用氘燈、Zeeman 校正

⚗️

非光譜性干擾

影響原子化效率或游離。含輸送、溶質汽化(高 Al、P 壓低鹼土金屬)、化學(難熔氧化物、焦磷酸鈣)、游離干擾

實例：牛奶測鈣時，磷酸鹽與鈣生成焦磷酸鈣壓低訊號→加鑭(La)當釋放劑；鹼金屬易游離→加 K/Cs 當游離抑制劑。

小遊戲 ③干擾分類：光譜 vs 非光譜0 / 6

把 6 種干擾現象分到「光譜性干擾」或「非光譜性干擾」。

9.3 原子發射 AES / ICP-OES

氬電漿：又熱又穩的多元素利器

AES 不需外部光源——被激發的原子本身發光(火焰光度計即屬此類)
ICP-OES：氬電漿由 RF 線圈感應加熱，溫度可達 ~10000 K，分析激發 6000–7000 K
低氧環境→氧化物少、化學干擾少；可同時測多元素(可達 70 種)
線性範圍寬達 6 個數量級

小遊戲 ④原子化流程排序— / 6

用 ▲▼ 把樣品「從溶液到離子」的 6 個階段排成正確順序。

9.5 ICP-MS

不測光，改測離子的質荷比

Houk 等(1980)：把氬電漿當成離子源接上質譜儀
依離子的質荷比 m/z 分離、計數——偵測極限可達 ppt
能分辨同位素(同元素不同質量)，可做產地溯源
取樣錐 + 截取錐 + 離子透鏡把離子導入四極桿

三技術的定位：
AAS 便宜、單元素、教學；
ICP-OES 多元素、高通量、商業例行；
ICP-MS 超痕量、同位素、最佳偵測極限(也最貴)。

9.5.2 ICP-MS 干擾

同質量重疊：多原子干擾

多原子離子	m/z	受干擾的元素
³⁸Ar¹H⁺	39	³⁹K⁺ (鉀)
³⁵Cl¹⁶O⁺	51	⁵¹V⁺ (釩)
⁴⁰Ar¹²C⁺	52	⁵²Cr⁺ (鉻)
³⁸Ar¹⁶O¹H⁺	55	⁵⁵Mn⁺ (錳)
⁴⁰Ar¹⁶O⁺	56	⁵⁶Fe⁺ (鐵)
⁴⁰Ar³⁵Cl⁺	75	⁷⁵As⁺ (砷)
⁴⁰Ar⁴⁰Ar⁺	80	⁸⁰Se⁺ (硒)

Table 9.2（全 7 例）：氬與酸中元素結合成多原子離子，質量恰與待測元素相同。

同質異位素干擾：⁵⁸Fe 與 ⁵⁸Ni 重疊→改選 ⁵⁶Fe、⁶⁰Ni
雙電荷干擾：¹³⁸Ba²⁺ 出現在 m/z 69，干擾 ⁶⁹Ga
多原子干擾：如 ⁴⁰Ar¹⁶O⁺ 干擾 ⁵⁶Fe⁺
對策：碰撞/反應池(CRC)、高解析磁場式 ICP-MS

小遊戲 ⑤決策挑戰：選對技術0 / 5

9.6 方法比較

一張表選技術（點欄位排序）

技術 ⇅	偵測力 ⇅	多元素 ⇅	工作範圍(數量級) ⇅	成本 ⇅	同位素 ⇅

多元素、工作範圍、成本、同位素取自 Table 9.3（工作範圍取範圍中點：火焰 3–4、石墨爐 ~2、ICP-OES 6–7、ICP-MS 9–10）。偵測力 ★ 為依 Table 9.3 文字描述的相對評等（示意，非課本數值）。

9.6 工作範圍

四技術的線性工作範圍

資料：Table 9.3 近似線性工作範圍（柱高＝範圍中點）：火焰 AAS 3–4、石墨爐 AAS ~2、ICP-OES 6–7、ICP-MS 9–10 個數量級。ICP-MS 最寬，石墨爐 AAS 最窄。

9.6 偵測極限

差距可達百萬倍

🪙

鉛 Pb (µg/L)

火焰AAS 15 → 石墨爐 0.05 → ICP-OES 1.3 → ICP-MS 0.00001

🔬

鎘 Cd (µg/L)

火焰AAS 0.8 → 石墨爐 0.002 → ICP-OES 0.1 → ICP-MS 0.00009

整合自 Table 9.4。測超痕量毒性重金屬時，ICP-MS 的偵測極限比火焰 AAS 好上數個數量級——這正是它最大的價值。

9.4 應用與實務

從樣品到可靠數字

多數食品須先灰化(乾式/濕式)破壞有機物，再溶於稀酸(連回 Ch16)
液態油品可直接溶於有機溶劑後吸入火焰，免灰化
定量靠標準品做校正曲線；以標準參考物質(SRM)查核準確度

痕量分析的紀律：
用高純度試劑與去離子水；每批帶試劑空白；玻璃器皿酸洗(1 N HCl 浸泡)再以去離子水沖洗。

小遊戲 ⑥計算闖關：標準曲線回推未作答

鐵的標準曲線為 A = 0.1006 × C + 0.0005(C 單位 mg/L)。某強化麵粉消化液的校正吸光度 A = 0.270。求鐵濃度 C。

mg/L

重點整理

今天的五個關鍵

AAS 測吸收、AES 測發射；每元素譜線獨一無二
AAS 需元素專屬 HCL，火焰式一次一元素
原子化序：溶液→去溶劑→汽化→原子化→(過熱)游離

ICP-OES 氬電漿、多元素、寬線性、高通量
ICP-MS 測 m/z、ppt 偵測、可分同位素(最貴)

自我檢核

今天結束，你應該會…

✓說明 AAS 與 AES 的差別(吸收 vs 發射)
✓解釋空心陰極燈為何要用待測元素、為何一元素一支燈
✓依序說出原子化的各階段，並指出哪一步測訊號
✓比較火焰與石墨爐原子化的優缺點
✓區分光譜性與非光譜性干擾，並各舉一例
✓說明 ICP-OES 與 ICP-MS 的原理與各自定位
✓依需求(預算/元素數/偵測極限/同位素)選對技術
✓用標準曲線從吸光度回推元素濃度

點一下打勾——確認自己真的會了。

下一步 · NEXT

把原子光譜
用起來

📌 課後練習：Study Questions、Practice Problems(鐵強化麵粉、嬰兒配方 Ca/K/Na)
🔜 銜接章節：灰分前處理 (Ch16)、礦物質分析 (Ch21)、質譜 (Ch11)
🧪 思考：你的樣品要測哪些元素？需要多痕量？要不要同位素？該選 AAS、ICP-OES 還是 ICP-MS？