電子產品開發過程中不可或缺的物質分析與測定評估（下）：針對有機物質的氣相層析質譜儀、液相層析質譜儀
我們在上篇已經解說金屬檢測與離子性物質檢測的方法，本篇則對有機物的檢測進行說明。通常有機物質檢測用使用分析的儀器包括 FTIR、Raman、GCMS、TOF-SIMS、以及 LCMS 等。當樣品濃度較高或是進行物件表面分析時，一般常會先建議使用 FTIR 或是 Raman；除具有簡單、便宜及快速的優點外，並且也可以提供其他檢測儀器所無法提供的官能基（functional group）相關資訊，並且藉由資料庫比對後，提出可能的定性資訊。唯樣品成分較複雜或濃度較低時，還是會需要藉助靈敏度較佳的質譜系統。而二次離子質譜儀 TOF-SIMS 主要則可提供空間解析度和高質量解析度的數據，可直接應用於材料或成品表面的分析檢測。
一、氣相層析質譜儀（GCMS）
在傳統的 GCMS 檢測中，針對固態或粉體樣品，選用適當溶劑溶解樣品後，再以注射針抽取樣品，接著打入 GCMS 進行定性或定量檢測。主要可針對於具揮發性、非極性小分子有機物進行分析（MW<550），樣品通常需有一定的熱穩定度，否則有可能會在測得訊號中發現樣品有裂解而使得訊號有分岔、分裂的現象。面對未知物檢測時，難以確定選用的溶劑是否可對樣品產生良好且完全地溶解之效果，因此多半會選用極性、非極性，以及兩者混合的溶劑進行測試，增加實驗的完整度，卻也會增加實驗所需時間與費用。此外，由於所使用的溶劑成份通常也會在層析圖譜中形成——很明顯的溶劑峰（solvent peak），若溶質本身具有與溶劑相近的成份時，該分析結果容易在滯留時間/流洗時間（Retention time/elution time）受到干擾。以圖 1 為例，對於水果的果皮與漿料樣品，於上機檢測前先以 THF 進行 50 倍稀釋後，圖譜中分別列出兩樣品與 THF 背景訊號的結果；在 THF 背景訊號中可看出在 4-7 分鐘處有明顯的訊號峰，並可對應到兩樣品的圖譜中，雖然在兩樣品圖譜前後仍存在有可辨別的訊號，得到部分成分資訊；但在 4-7 分鐘處的訊號，則有可能會因埋在巨大的背景訊號中而造成誤判。
▲圖 1：GCMS 中 THF 溶劑峰的影響。（a）THF 溶劑空白；（b）果皮樣品；（c）漿液樣品。
另一個做法：利用有機物揮發特性
目前另一個常使用的變通做法，則是基於有機物受熱後具揮發的特性，以直接加熱或 IR 燈供熱的方式，對樣品提供熱能，使其中的有機物因形成氣態形式物質，揮發、氣化、裂解、脫附，離開樣品，再藉由惰性氣體將所生成的釋氣（Outgassing）導入 GCMS 進行分析。對於較低濃度或揮發速率較慢的待測物，可以在線上（in-line）以吸附劑（adsorbent）或是液態氮對待測物進行補集、濃縮後，再予以測定。所施加的脱附溫度，除可考量客戶實際問題發生時的溫度，對應實際製程或反應的溫度條件來做設定外，也可簡單基於多數有機物在接近 300 度 C 便會產生揮發、脫附成釋氣物質，而將脱附溫度設定在 250-300 度 C 的範圍。通常較低的脱附溫度，考量反應速率的緣故，會適度加長樣品收集時間；較高溫度可增加脫附速率和縮短樣品收集時間，但 300-350 以上的溫度已開始有機會使有機物產生裂解，也無法在較高的溫度進行實驗。部分有 GC-MS 設備的實驗室，甚至可自行架設前端的熱脫附系統，藉由對樣品施加 300-450 度 C 的溫度裝置與補集裝置與 GCMS 的串聯，來達到與市售熱脫附氣相層析質譜儀（Thermal desorption gas chromatography mass spectrometry, TD-GC-MS）相近似的功能。
另一方面，可預期極性物質、離子性物質、分子量較大的有機物，例如聚合物或樹脂等，會較不適用上述的方法；含有無機酸、無機鹼之溶液也不適用，因為在高溫下會腐蝕管線與儀器設備中的金屬部件，而溶液中若金屬含量過高者，例如電鍍液，由於會有高溫下金屬可能會沈積於介面金屬錐、管線或毛細管中的顧慮，通常也會被 GCMS 實驗室拒絕接受委測。這類物質雖然可嘗試藉由液－液萃取前處理將待測物萃取到有機相後，再對有機相進行檢測，通常存在於水溶液樣品中的有機物應是屬於較具極性的有機物，在極性互溶的前提下，有機相中的分配係數往往相對較低，故能被萃取到非極性溶劑中的占比有限，極可能呈現未檢出（Not detectable, ND）的結果。部分分子量較高的有機物，例如聚合物或樹脂因交聯後結構較強，且分子量較高，一般條件下也不容易，無法被測得，會需要藉由對樣品施加較高的溫度，使得有機會斷鍵並形成特定結構的碎片，再經由聚合物資料庫的比對後，將可推斷為何種高分子物質。
分析系統：GCMS、TPD、TGA 之介紹
這類由對樣品加熱，並經由質譜儀作為檢測系統的串聯裝置（Hyphenation System），在組件功能略有差異時，可提供不同的待測物資訊，而採用的分析系統為兩大類，包括應用於提供樣品中待測物定性、定量檢測資訊的熱脱附氣相層析質譜儀（Thermal desorption gas chromatography mass spectrometry, TD-GCMS）與熱裂解氣相層析質譜儀（Pyrolysis Gas Chromatography mass spectrometry, Py-GCMS），以及主要可提供隨時間變化，進行熱脱附行為探討的熱脱附質譜儀（Thermal Desorption Spectrometry, TDS）、程溫脫附裝置（Temperature Programmed Desorption System, TPD）、熱重損失質譜系統（Thermal Gravity Mass Spectrometry, TG-MS） 等。圖 2 為其結構簡略示意圖，TD-GCMS 與 Py-GCMS 主要差異在於供熱溫度的不同，分別針對小分子有機添加物鑑別與測定和較大分子的鑑別，且由於 GCMS 引用參數多屬相同或近似，使得 GCMS 在不同實驗室間所得的結果具相當高的可比對性，像是絕大部分使用的 GC 管柱為 DB-5 相關管柱；TPD 可藉由調高現有 GC-MS 管柱溫度，僅作為一 by-pass 用途的連通管，實際實驗針對水氣和氫氣檢測時，仍有可能反覆吸/脱附在 GC 管柱，使得出結果不符預期；串接 TGA 與質譜儀系統的 TG-MS，由於在 TGA 部分可記錄各時間點重損，有可能進行濃度/脱附量的計算，但由於使用一般商業型 TGA 系統，樣品盤多半是在 4 mm 直徑的陶瓷坩鍋，一次可上機樣品量/體積會受到限制；TDS 由於是將樣品置放在真空下，並以 IR 燈對樣品提供熱能，因此會有冗長的檢測時間以及較昂貴的委測費用，但對於上述氫氣和水氣的訊號測定，可能是三者中較為確切的選擇。
▲圖 2：不同的熱供應裝置與質譜串接系統示意圖。
二、液相層析質譜儀（LC-MS）
液相層析質譜儀可以針對溶液中極性小分子或大分子物質進行測定。由於使用的游離源（ion source）相較於感應耦合電漿質譜儀溫和及低溫，故被稱為軟式游離（soft ionization）的系統，且所測得的離子會反應原先於溶液中的荷電狀態。
儀器測定時的參數設定，以及待測物分離時所引用的 LC 分析管柱種類繁多，往往不同實驗室間得出結果明顯差異；有時即便是同一實驗室內不同成員在參數引用不同時，所得結果也會有很大的差異，這些原因導致目前在 LC-MS 儀器設備中，少有隨機的資料庫系統，較常見的是農藥及毒品相關檢測實驗室的資料庫，因此使得單純作為定性分析設備非常困難。
各式質譜儀特點及檢測領域
常聽到的有機質譜包括有單一截四極柱質譜儀（Single Quadrupole Mass Spectrometry, LC-MS）、三截串聯四級柱質譜儀（Triple Quadrupole Mass Spectrometry, LC-MS/MS）、四極桿飛行式質譜儀（Quadrupole-Time of Flight Mass Spectrometry, q-TOF）等，其中 q-TOF 由於具優異的質量解析度，再搭配適當實驗設計、統計軟體應用、線上資料庫比對，像是 MASCOT 可被用以進行待測物結構解析，過去廣泛應用於不同組學（omics）分析中，蛋白質組學 （proteomics）中進行生物大分子或蛋白質的結構解析。而 Tripe-Q 系統多半僅具有單位解析度（Unit Resolution），但在搭配選擇離子模式（Selection Monitoring, SIM）或是多重離子選擇模式（Multipole Reaction Mode, MRM）的使用，可以得到較佳的靈敏度以及對有機小分子進行準確定量的分析需求，故廣泛地被使用於製藥或代謝物檢測相關領域。
目前閎康科技主要具備有的為具高溫氣體輔助的電灑游離介面（Electro-spray ionization, ESI）LC-MS/MS 系統，通常在搭配使用逆相層析分離管柱時（Reverse Phase Chromatography, RP），適合針對極性有機小分子進行檢測。而搭配 LC-MS/MS 的 MS2 掃描模式，則可對樣品進行全質量頻譜（m/z < 4000 ），若是僅進行樣品間差異比對，仍可提供對應的資訊；對於知道待測物特定質量碎片的資訊時，則可試著以前述 SIM 或 MRM 模式進行待測物的定量檢測。
相對於 GCMS 中對於如聚合物或樹脂類大分子物質檢測，是加熱固態樣品後以碎片的分子進行檢測；只能進行溶液進樣檢測的 LC-MS，通常對於大分子的檢測，若是以蛋白質或是核酸或氨基酸分子物質為例的話，對於蛋白質可藉由在適當緩衝液下，氨基酸上的官能基能產生解離而荷有電荷，故同一分子可能會帶有多重的電荷形成多電荷離子（Multiple Charged Ion），再藉由推論不同訊號位置所荷有的電荷數，經由系統上卷積（deconvolution）功能回算可能的分子量。圖 3 為以一質量數約為 6700 Da 的金屬硫蛋白為例，顯示得到的結果會約略等於預估分子量。另一個在分子生物學或生物化學上常用的方法，則是藉由如胰蛋白酶（Trypsin）對蛋白質進行酵素水解，藉以降解原先較大且較長的結構，再由所得的氨基酸碎片回推回其原先可能的氨基酸序列和結構。由於酵素水解和 multiple charge 的資訊判斷皆有相當的難度與其他設備的需求，因此目前多是在生物化學或組學相關實驗室才有提供這類的檢測服務。
▲圖 3：以 LCMS 對金屬硫蛋白的多重電荷離子推估其分子量。
目前因 LCMS 無資料庫可供直接訊號比對，對於有機物的檢測分析會優先建議考量 GCMS 系統。雖然 LCMS 仍可提供樣品中有別於 GCMS 不同的資訊，目前的閎康科技的分析服務範疇仍會局限於：（a）樣品間異同分析或是 OK 件與 NG 件間之比對 （b）可提供標準品或參考品的特定化合物分析檢測（c） 水溶性污染物或異物的殘留檢測分析 （d）樣品無法以 GCMS 進行分析，卻仍希望能有質譜數據供研究討論。
針對所提供樣品的檢測，閎康科技可提供的服務包含：客戶指定儀器系統的檢測分析，以及對於樣品或異物中未知成分的解析探討。
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（首圖來源：Shutterstock；資料來源：閎康科技）