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調查局三等申論題 110年 [化學鑑識組] 儀器分析

第 一 題

📖 題組:
關於層析分離
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

以圖示說明 Van Deemter plot(分離板高對流速作圖),填充粒子半徑如何影響作圖曲線?(8 分)

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解題關鍵在於寫出 Van Deemter 數學式(H = A + B/u + Cu),並分析各項與粒子半徑(dp)的關係。需明確指出 dp 減小會同時降低多路徑效應(A項,正比於 dp)與質傳阻力(C項,正比於 dp²),進而在繪圖時呈現曲線整體下移,且高流速區斜率變得平緩的特徵。

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【破題】 Van Deemter plot 是描述層析理論分離板高 ($H$) 與流動相線流速 ($u$) 關係的曲線。方程式為:$H = A + \frac{B}{u} + Cu$。填充粒子的半徑 ($d_p$) 主要透過影響多路徑效應($A$ 項)與質傳阻力($C$ 項)來改變曲線形狀。 【論述】

小題 (二)

超高壓層析管柱使用 1.7μm 填充粒子與 3μm 填充粒子相同長度的管柱,比較兩支管柱可達成之最佳分離板高與相同流速下管柱背壓。(8 分)

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看到此題,應立即聯想到層析理論的兩大核心公式:van Deemter 方程式與管柱壓降公式(Darcy's Law / Kozeny-Carman equation)。先利用最佳分離板高(H)與填充粒子直徑(dp)的一次方成正比關係比較效能;接著利用背壓(ΔP)與粒子直徑平方(dp²)成反比的關係,計算出相同流速下的壓力變化倍數。

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【解題思路】利用 van Deemter 方程式分析最佳分離板高(H)與粒子直徑(dp)的正比關係,並以管柱壓降公式推導背壓(ΔP)與粒子直徑平方的反比關係。 【詳解】 已知:兩支層析管柱長度(L)相同,流速(u)相同,僅填充粒子直徑(dp)分別為 1.7 μm 與 3 μm。

小題 (三)

說明離子對層析(ion pair chromatography)與離子交換層析(ion exchange chromatography)所使用之管柱、工作原理及適用之分析物。(8 分)

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本題測驗兩種處理帶電分析物的層析技術差異。解題時先抓住核心區別:IEC 是「靜止相帶電」,利用靜電引力競爭分離;IPC 是「靜止相不帶電(通常為逆相 C18)」,利用移動相加入的離子對試劑將帶電物包裝成中性分子來分離。依照題目要求的「管柱」、「原理」、「分析物」三個維度分別論述即可穩拿分數。

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【破題】 離子對層析與離子交換層析皆為分離帶電或可解離化合物之有效技術,但兩者在靜止相的選擇與滯留機制上具備根本性的差異。 【論述】

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