什麼是重金屬
重金屬多指密度大於 5 g/cm3 之金屬元素，其化性穩定，難以被分解，可在食物鏈與環境中累積於食品、藥品、土壤、水，甚至是人體中，透過食品檢驗重金屬檢測可得知樣品中重金屬含量，以進行後續的風險評估及為健康把關。依據食品藥物管理署於2019年1月1日公告執行之「食品中污染物質及毒素衛生標準」，列入食品中重金屬之限量的項目包含：總砷 (Total Arsenic)及無機砷 (Inorganic Arsenic)、鉛 (Lead)、鎘 (Cadmium)、汞 (Mercury) 及甲基汞 (Methylmercury)、錫 (Tin)、銅 (Copper)、銻 (Antimony)。
常見的重金屬檢測分析方法
重金屬的檢測分析，需先將樣品消化成小分子後，再利用高度精密儀器進行金屬元素分析。根據衛生福利部食品藥物管理署 (TFDA，部授食字第1031901169號) 及環境檢驗所 (NIEA M103.02C) 公告之重金屬檢驗方法總則，內容中建議金屬檢測方法包含：
- 火焰式原子吸收光譜法 (Flame Atomic Absorption Spectrophotometry，FAAS)
適用於鉛、鎘、銅、銻、錫、鋅之檢驗。 - 石墨爐式原子吸收光譜法 (Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry，GFAAS)
適用於鉛、鎘、銅、銻、砷、錫、鋅之檢驗。 - 感應耦合電漿放射光譜法 (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry，ICP-AES)
適用於鉛、鎘、銅、銻、砷、汞、錫、鋅之檢驗。 - 感應耦合電漿質譜法 (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS)
適用於鉛、鎘、銅、銻、砷、汞、錫、鋅之檢驗。
上述方法的選用，應考慮基質與儀器原理，並搭配適當的前處理方式，才能得到合理且可信的數據。
更詳細之檢驗內容可以參閱參考資料內連結。
重金屬檢測分析的前處理方法
重金屬檢測的前處理即為消化(消解)。透過於消化過程中，加酸 (氧化劑) 及加熱處理破壞樣品基質，僅留下目標分析物，達到均質化及預濃縮的效果。
然而，消化的處理時間相當耗時，且過程中需加強酸加熱，所產生之腐蝕性蒸氣，也容易造成人員危害或設備損壞。此外，因長時間加熱，容易造成元素散失，影響實驗數據及結果；但若為避免元素散失，縮短加熱時間，則可能造成消化不完全，也會對實驗結果造成影響。
重金屬消化可分為乾式灰化法(Drying Ashing)及濕式消解法 (Wet Digestion)。可依照樣品性質、實驗室需求選擇適當之前處理方式。
一、 乾式灰化法是將樣品放入 550°C ~660°C 的灰化爐中加熱灰化，去除有機物質後，以酸性溶液回溶，最後以儀器分析，適用於鉛、鎘、銅、鋅之檢驗。
二、 濕式消解法又分為密閉容器消化法及開放容器消化法
▸密閉容器消化法
此消化法通常以微波消化裝置進行，因此又稱微波輔助酸消化法 (Microwave Acid Digestion)，適用於鉛、鎘、銅、銻、砷、汞、錫、鋅之檢驗。
密閉容器消化法流程▸
將固態樣品放置於可密閉的微波消化瓶組中，加入強酸後，放置於微波消化器中以微波方式對固態樣品進行高溫高壓消解。
微波消化爐之限制
• 必須使用專用的波消化瓶組做為消化容器，僅能容納固定的樣品量
• 微波消化是於高溫高壓下進行消化，因此過程中有可能發生爆管的情形，不但危險且增加耗材花費
• 可視性低，無法隨時查看樣品狀態，需待消化程序結束及機台冷卻洩壓後才可查看樣品消化的情況
• 大部分以掃描消化管的方式控制溫度，操作限制多
• 樣品瓶須放置對稱，且基質差異不能太大，否則可能會造成消化不完全，也有機會造成因少數樣品溫度過高，導致機器停止而中斷消化程序的狀況。
• 專用的消化瓶組難以清洗，但若清洗不完全，容易造成交叉污染，影響實驗數據。
▸開放容器消化法
又稱 酸消化法 (Acid Digestion)，適用於鉛、鎘、銅、銻、砷、錫、鋅之檢驗，通常以加熱板或加熱爐輔助進行。
開放容器消化法所常用之加熱裝置包含陶瓷加熱板、鋁合金加熱板與石墨加熱板。其中由於石墨加熱板加熱均勻度及溫度精度皆較高，且樣品處理量大，使得石墨加熱板成為重金屬分析及微量元素分析實驗中的首選。
石墨加熱板是以石墨製成的加熱平台，可處理大量樣品，不受容器外型影響，可選用 PTFE、硼矽玻璃材質做為容器，也可以使用專為消化設計的拋棄式 PP 材質容器，可使用石墨塊做為石墨爐搭配試管使用。
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酸消化法流程▸
加熱板輔助酸消化法的流程是取樣加入適當的酸液後以石墨板加熱消解，加熱時容器上方應覆蓋錶玻璃，以避免酸氣及金屬元素逸散，反覆操作此步驟至液體呈現澄清，即為消解完成後，再以適當溶劑回溶。
如有顆粒或沉澱物，則可以 H2O2消解或以過濾、離心和沉澱等物理方法去除顆粒及沉澱物。
最後以溶劑定容，並以儀器進行重金屬元素的分析。
一般過濾與應用
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重金屬檢測常見消化方法：密閉容器消化法 VS 開放容器消化法
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密閉容器消化 |
開放容器加熱 |
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適用容器 |
微波消化專用消化瓶組 (PFA、TFA) |
PP管、硼矽玻璃管、PTFE管 |
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處理樣品量 |
少 |
多 |
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安全性 |
爆管或洩壓 |
高溫 |
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可視性 |
無 |
可 |
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操作限制 |
多 •樣品瓶須擺放對稱 •基質差異不能相差太多 •樣品溫度過高，機台立即停機，中止消化 •結束消化後，須待機台洩壓冷卻後，才可查看樣品狀態 |
少 •某些元素容易逸散，如：汞 |
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交叉污染 |
機率較高 |
機率小 |
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耗材費用 |
多 |
少 |
重金屬檢測中金屬消化常用酸類
一般常見使用的酸類為硝酸 (HNO3)、鹽酸(HCl)、氫氟酸 (HF)、過氧化氫 (H2O2)、過氯酸 (HClO4)、硫酸 (H2SO4) 等，其特點如下表所示。
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酸類 |
特性 |
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硝酸 (HNO3) |
•具強氧化性 •不會形成離子沉澱物 |
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鹽酸(HCl) |
•具強氧化性 •部份元素於鹽酸中較穩定 •過高濃度會使 ICP-MS 產生干擾 •部份元素會產生金屬沉澱物 |
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氫氟酸 (HF) |
•部份金屬的溶解 (如：矽、鈦、鎢、鉑等) •具腐蝕性，易造成儀器損壞，且實驗時應穿著全套防護裝置 |
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過氧化氫 (H2O2) |
•可將 NOx 反應回硝酸，可避免因過多 NOx 造成壓力突升造成爆管或洩壓 •可輔助碳元素轉換為 CO2，增加消化能力 |
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過氯酸 (HClO4) |
•可與無機碳快速反應 •不適用於微波消化爐 |
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硫酸 (H2SO4) |
•樣品碳化 •橡膠硫化 •增加反應溫度 |
參考資料:
1) 食品中污染物質及毒素衛生標準-全國法規資料庫 (moj.gov.tw)
2) 衛生福利部食品藥物管理署 (fda.gov.tw)
3) 環境檢驗所-重金屬檢測方法總則 (NIEA M103.02C) (epa.gov.tw)
