地特四等申論題
110年
[環境檢驗] 儀器分析概要
第 一 題
📖 題組：
為了漁獲保鮮，漁船有冷凍裝置。去年底，南部某船渠內泊靠維修的漁船因冷凍管線破裂，導致發生氨氣外洩。空氣中的氣體污染物通常可以經由質譜法迅速測得。 (一)敘述質譜法的偵測原理。（4 分） (二)以「一個方框內書寫質譜儀之一個主要組件名稱」的方式，呈現出質譜儀之主體結構的示意圖。在該示意圖中，⑴不同組件的方框須依樣品成分粒子在質譜儀內飛行的先後次序呈現，且在組件方框之間以箭號標示出該次序；⑵以一個虛線方框標示出那些組件須維持在真空系統中。（4 分） (三)繪出電子撞擊法之離子源的構造圖（須清楚標示組成結構），並利用該圖，以氨為例，說明電子撞擊法的運作。（5 分） (四)⑴質譜中，x 軸坐標的標籤為何？⑵寫出在氨之電子撞擊法的質譜圖中，出現相對強度最高之兩個訊號的位置。⑶在電子撞擊法的質譜圖中，分子式為 CwHxNyOx 的分子，其（M+1）/M 的估計值為（1.08w + 0.02x + 0.37y）/100。試估計氨的（M+1）/M 之值。⑷根據⑵所寫出之氨的兩個相對強度最高的訊號位置，若欲以質譜儀隨時偵測監控氨氣的外洩，該偵測最好鎖定在這兩個位置中的那一個？解釋之。（7 分）
為了漁獲保鮮，漁船有冷凍裝置。去年底，南部某船渠內泊靠維修的漁船因冷凍管線破裂，導致發生氨氣外洩。空氣中的氣體污染物通常可以經由質譜法迅速測得。 (一)敘述質譜法的偵測原理。（4 分） (二)以「一個方框內書寫質譜儀之一個主要組件名稱」的方式，呈現出質譜儀之主體結構的示意圖。在該示意圖中，⑴不同組件的方框須依樣品成分粒子在質譜儀內飛行的先後次序呈現，且在組件方框之間以箭號標示出該次序；⑵以一個虛線方框標示出那些組件須維持在真空系統中。（4 分） (三)繪出電子撞擊法之離子源的構造圖（須清楚標示組成結構），並利用該圖，以氨為例，說明電子撞擊法的運作。（5 分） (四)⑴質譜中，x 軸坐標的標籤為何？⑵寫出在氨之電子撞擊法的質譜圖中，出現相對強度最高之兩個訊號的位置。⑶在電子撞擊法的質譜圖中，分子式為 CwHxNyOx 的分子，其（M+1）/M 的估計值為（1.08w + 0.02x + 0.37y）/100。試估計氨的（M+1）/M 之值。⑷根據⑵所寫出之氨的兩個相對強度最高的訊號位置，若欲以質譜儀隨時偵測監控氨氣的外洩，該偵測最好鎖定在這兩個位置中的那一個？解釋之。（7 分）
📝 此題為申論題，共 4 小題
小題 (一)
敘述質譜法的偵測原理。（4 分）
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本題測驗質譜法(Mass Spectrometry)的最基礎原理。拿分關鍵在於必須明確點出『氣化』、『離子化』、『依荷質比(m/z)分離』與『偵測記錄』四大核心步驟，並強調分離的物理依據是質量與電荷的比值。
小題 (二)
以「一個方框內書寫質譜儀之一個主要組件名稱」的方式，呈現出質譜儀之主體結構的示意圖。在該示意圖中，⑴不同組件的方框須依樣品成分粒子在質譜儀內飛行的先後次序呈現，且在組件方框之間以箭號標示出該次序；⑵以一個虛線方框標示出那些組件須維持在真空系統中。（4 分）
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本題測驗質譜儀(Mass Spectrometer)的基本五大構造與真空需求。解題時依序寫出「樣品導入系統 → 離子源 → 質量分析器 → 偵測器 → 數據處理系統」，並思考離子在飛行過程中為避免與空氣分子碰撞，必須將「離子源、質量分析器、偵測器」包覆於高真空系統（虛線框）中。
小題 (三)
繪出電子撞擊法之離子源的構造圖（須清楚標示組成結構），並利用該圖，以氨為例，說明電子撞擊法的運作。（5 分）
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思考這題時，首先回想電子撞擊法（EI）離子源的物理構造，重點在於「電子束如何產生與行進」以及「樣品氣體在哪裡與電子交會」。作答時應清晰描述構造圖的核心組件（燈絲、陽極、斥力極與加速透鏡），並寫出氨分子（NH₃）受高能電子撞擊後，失去電子形成分子離子（NH₃⁺•）的化學反應式及離子引出機制。
小題 (四)
⑴質譜中，x 軸坐標的標籤為何？⑵寫出在氨之電子撞擊法的質譜圖中，出現相對強度最高之兩個訊號的位置。⑶在電子撞擊法的質譜圖中，分子式為 CwHxNyOx 的分子，其（M+1）/M 的估計值為（1.08w + 0.02x + 0.37y）/100。試估計氨的（M+1）/M 之值。⑷根據⑵所寫出之氨的兩個相對強度最高的訊號位置，若欲以質譜儀隨時偵測監控氨氣的外洩，該偵測最好鎖定在這兩個位置中的那一個？解釋之。（7 分）
思路引導 VIP
看到此題，首先聯想質譜圖的基礎概念（x軸為質荷比）。接著由氨分子（NH3，分子量17）在電子撞擊(EI)下易失去單個氫原子（斷裂N-H鍵）的特性，推知最高訊號峰為17與16。計算題直接將各元素原子個數代入所供的同位素貢獻公式即可。最後的判斷題屬於實務應用，解題關鍵在於考量「空氣背景成分」：大氣中含有約21%的氧氣（O2），其碎片離子 O+ 質量數為 16，會造成極大背景干擾；而 m/z = 17 僅有水氣產生的 OH+ 碎片干擾，故選 17 的訊雜比較佳。