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高考申論題 107年 [環境檢驗] 儀器分析

第 二 題

📖 題組:
骨骼是由蛋白質膠原及無機氫氧基磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2所組成。由石墨爐原子吸收光譜術(graphite furnace atomic absorption spectroscopy,GF-AAS)所測量出的考古人類骨骼中的鉛含量,可透露出遠古時期人類的習俗與其經濟狀況。
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (二)

試問 GF-AAS 實驗中的溫度對時間之變化歷程(temperature profile)為何?試解釋各不同加熱階段的目的。(10 分)

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看到 GF-AAS(石墨爐原子吸收光譜術),應立刻聯想到其核心機制為『電熱式原子化』,必須依賴階梯式的溫度程式(Temperature Program)來處理樣品。作答時需按時間順序精確列出四大階段:乾燥、灰化(熱解)、原子化與清除,並從物理化學的角度(如溶劑蒸發、有機物熱分解、鍵結斷裂與基態原子形成)詳細解釋各階段的溫度設定原則與目的。

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【破題】 石墨爐原子吸收光譜術(GF-AAS)採用電熱原子化器,其核心在於透過精確的階梯式溫度-時間變化歷程(Temperature Profile),將樣品中的基質逐步去除,最終使待測物發生熱解離,產生可吸收特徵波長光子的基態自由原子。 【論述】

小題 (一)

試解釋為何在以 GF-AAS 分析骨骼樣品中的鉛元素時,可添加三價的鑭離子 La+3,以抑制基材干擾(matrix interference)?(5 分)

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面對 AAS 的干擾問題,考生應先拆解『骨骼基材』的成分特性(富含磷酸鹽),並聯想『化學干擾』的發生機制。接著帶入化學平衡與競爭反應的觀念,將 La³⁺ 定位為『釋放劑』,說明其如何透過更強的化學親和力搶奪干擾陰離子,從而提升待測物鉛的原子化效率。

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【破題】 在石墨爐原子吸收光譜術(GF-AAS)中,添加鑭離子(La³⁺)主要是作為「釋放劑(releasing agent)」,以消除骨骼基質中大量磷酸鹽對待測物鉛(Pb)造成的「化學干擾」。 【論述】

小題 (三)

配有 Zeeman 裝置(Zeeman device)的 GF-AAS 儀器,其目的在於背景校正。試以示意圖說明如何利用 Zeeman effect 校正背景吸收?(10 分)

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看到「Zeeman效應背景校正」,應立刻聯想到其物理本質:外加磁場導致原子能階分裂(分裂為具偏極性的 π 與 σ 分量)。解題時須對比「目標原子吸收(會受磁場分裂與偏極片影響)」與「寬頻背景吸收(不受磁場影響)」,並清楚說明儀器如何利用旋轉偏極片交替測量「總吸收」與「背景吸收」進行相減。

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【破題】 Zeeman 背景校正技術的核心在於利用外加強磁場使氣態原子的電子能階產生分裂(塞曼效應),結合偏極片技術,精準區分「微觀原子的特定波長吸收」與「宏觀基質的寬頻背景吸收」,進而消除 GF-AAS 中嚴重的背景干擾。 【論述】

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