第四章 樣品收集和分析
4.2 樣品收集和分析之裝置與設備
室內來源的有機逸散物之改變是非常廣泛的，包括：逸散強度，
逸散出來的化合物種類和數量。為了完整描述有機物的逸散特性，樣 品的收集 分析系統必須是能定量收集的，且能分析揮發性、非揮發 性、極性和非極性化合物。小試驗室之取樣和分析技巧或方法的發展 必須考慮被評估的特定來源之逸散特性，樣品收集和分析系統的設計 和操作必須是適合於所取樣的有機化合物（和其濃度）。如此的系統 一般是包含：取樣裝置（例如：注射筒和幫浦）、樣品收集器（例如：
注射筒、Adsorbentmedia、Evacuated Canisters)和分析有機逸散物 的儀器(例如：氣相層析儀[GC])。本段的剩餘部分將提供有關於小試 驗室的取樣和分析有機逸散物的討論，但不包括特殊系統之技巧細 節。
可為相同的樣品做比較，介於試驗室和 Manifold 之間的混合室 可用來加入添加物，或使試驗室空氣與內部標準氣體混合。假如 是使用注射筒取樣，則需要在取樣口加裝墊片(Septum)。取樣系 統由惰性材質（例如：玻璃、不鏽鋼）製成，也應保持與試驗室 相同的溫度，其排出物應用導管導入通風櫥中，以確保測試材料 所逸散出來的任何危險化學物品已與實驗環境隔開來了。
1.1 樣品可被吸入氣密式注射筒(Gas Tight Syringe)、GC 的取樣 環境、空罐子或使用取樣幫浦抽入含 Sorbent 的注射筒中。
氣密式注射筒和密閉環(Closed-Loop)時常使用在當試驗室 的濃度高而樣品的體積必須小到避免超過分析儀器的負荷 時 ， 較 大 體 積 的 樣 品 則 是 利 用 取 樣 幫 浦 抽 入 Sorbent Cartridge。流率可藉由電子質量流率控制器，或其他儀器來 控制。取樣的流率應是規律的，以避免造成試驗室系統內流 動的不穩定。一般而言，取樣流率必須限制在＜50%的試驗室 流率。閥和真空表必須併入系統中，已確保在樣品在抽出時 系統的完整。全部的系統可與有程式的電子計時器連接，讓 它可以在沒人時做樣品的收集。
2. 樣品收集 media－假如樣品是藉由注射筒或密閉環取樣器收集，
就可直接注入 GC，或其他分析儀器中。用取樣袋（例如：Teldar）
或容器（例如：玻璃、不鏽鋼製成的）取樣時，可允許較大的樣 品。對許多測試室內材料的小試驗室之評估而言，當感興趣的化 合物之濃度低時，則需要使用較大體積的樣品，和利用適合的吸 附劑去收集。許多 sorbent 材料可被單獨或一起使用，包括：活 性 碳 (Practice 3686) 、 玻 璃 珠 、 Ambersorb 、 Tenax (Polyphenylene Oxide)、石墨化的碳、和 XAD-2。Sorbent(或 Sorbent 的結合)的選用是依據欲收集的化合物而定。譬如說，
串聯活性碳和 Tenax 的 sorbent，允許對沸點低於 200℃的化合 物之取樣。XAD-2 樹脂可用來收集被認為是半揮發性，或非揮發 性的化合物（例如：沸點高於 180℃）。假如使用 Sorbent 收集 時，實驗室內應準備適合的儲存器皿，不透氣玻璃管或化學惰性 袋都是適合使用的。樣品應該被存放在-20℃的冷凍庫中。如果 可能的話，Sorbent 樣品應該在被收集的 48 小時內被脫附和分 析。
2.1 當 Sorbent 被用在樣品收集時，脫附和濃縮是必要的。例如：
熱脫附裝置可被用來做熱脫附 Sorbent Cartridge，將蒸汽注
中；也可使用溶劑萃取和液體注射筒注射到 GC。其他濃縮的方 法也是有用的，包括：Cryotrapping。
2. 自動分析系統－本自動化分析系統裝置主要包含 5 個部份即為：
控制電腦、氣動閥門組、冷凍前濃縮器、電子溫度控制器及控制軟 體等。本系統可對空氣中揮發性有機物質進行定性與定量分析。（如 圖 4-3）
閥門控制器
氣動閥門組 電子溫度控制器
前濃縮捕捉管
控制 電腦
GC-FID 採樣罐/大氣樣品進樣口
圖 4-3 自動化分析系統 3.1 氣動閥門組
本次自動化裝置所需要的閥門分別是六向閥(6-Port)，四向閥 (4-Port)，三向閥(3-Port)及單向閥等，實驗中則必須仰賴這些閥 門執行進樣，除氧，樣品導入以及清除管件的步驟，這些閥門需要 靠一個閥門轉向器(Air Actuator)控制才能使每個閥門之轉向。而
每個閥門又依靠一個四向電磁閥(4-way Solenoid)，提供高壓氣體 (80psi)驅動轉向器進而轉動多向或單向閥。由 GC 或電腦輸出一個 110VAC 或 24VDC 的電壓訊號，驅動器內部線圈作用而轉動，進而驅 動閥門轉向器。
實驗中各閥門依時間序列的轉向可執行各種步驟，如圖 4-4。
而此時間序列則需要由電腦設定的時間參數(Time Event)來決定。
(a) Purge ; Cooling Trapper
(b) Stabilize Flow
(c) Start Trapping
(d) Trapping End; Back Flush
(e) Desorption
(f) Start Injection
(g) Injection End ; By Passing Start
圖 4-4 閥門之運作及其執行之工作
在閥門運作之程式中，首先如圖 4-4（a）所示，我們先將單向 閥關閉，再利用幫浦的連續抽引，去清除管線中上一次濃縮捕捉後的 殘餘氣體，並且使 Trapper 降溫至設定的低溫。其次是如圖 4-4（b）
Gas），再利用幫浦之連續抽引，達到管線中流速的穩定，便開始進行 濃縮捕捉，閥門運作如圖 4-4（c）所示。當濃縮捕捉進行完畢時，
此時氣體樣品已被吸附在 Trapper 中，於是我們再度關閉單向閥，藉 由幫浦的連續抽引，將存在於管線中未被吸附之殘餘氣體樣品抽離管 線中，其閥門運作如圖 4-4（d）所示。接著除了持續關閉單向閥外，
我們也讓四向閥進行轉向，以使 Trapper 獨立升溫至熱脫附溫度，即 開始對先前吸附在 Trapper 內吸附劑上的氣體樣品進行熱脫附，此時 閥門之運作如圖 4-4（e）所示。待開始進行達到熱脫附溫度後，我 們持續關閉單向閥，並使六向閥及四向閥轉向，讓載流氣體（Carrier Gas）將熱脫附出來的氣體樣品帶入 GC 中作分析，如圖 4-4（f）所 示。最後，我們轉回六向閥，依然關閉單向閥，藉由幫浦之抽引來清 淨管線，以待下一次的濃縮捕捉實驗，因此此時之閥門運作如圖 4-4
（g）所示。以上閥門所有的運作皆是由電腦軟體以及我們所書寫的 程式所控制，因此，我們可以根據欲捕捉濃縮之氣體樣品特性來設定 當中的動作時間，所以它可以進行連續式採樣；但需注意的是：仍需 在必要時更改其溫度設定值，以符合我們所欲濃縮捕捉之氣體樣品，
才能夠完整的將待測氣體樣品捕捉住，以進行分析。
3.2 前濃縮捕捉器 3.2.1 先前之設計
為了縮小濃縮吸附的體積與加熱脫附的速度，並且讓層析的解 析度得以提高，我們進而改變了冷凍捕捉管的形態與便利的改裝方 式，在成本與分析結果都能面面俱到的情況，使儀器的靈敏度提高。
捕捉器包含了液態氮筒，冷凍夾倉，Ｕ型的捕捉器，以及可指 示液態氮筒內壓力的壓力計，和安全閥，等等（如圖 4-5）。
主要的設計特點是將有充填了玻璃珠及珠璃棉等隋性物質的Ｕ 型捕捉器（為 1/8"內部塗覆 Silica 的不鏽鋼管）部份置入冷凍夾 倉中，上面並接上由電子控制器而來的導線，作為加熱捕捉管之用。
另外為了指示液態氮筒內的壓力，在設計中我們均在提筒上加 裝了一個壓力計，以便需要在降溫時將電磁閥打開使提筒內部能有 足夠的壓力將液態氮經由向下的銅管汲取到夾倉中冷卻Ｕ型管達到 -180℃(冷卻溫度)。而在Ｕ型管加熱昇溫時可因熱量傳遞而汽化液 態氮，使筒內的壓力累積而昇高。
同樣的在設計中我們加裝了一只安全閥，其功能是使提筒中壓 力超過安全值(0.5 psi)時，提供自動洩壓的工具，以保護分析儀器 及操作人員。
中的液態氮可連續使用 48 小時以上（視提筒大小而定），並且密封 於提筒中的Ｕ型管可自動冷卻到-30℃以下，大幅減少了液態氮的消 耗，僅管如此由安全閥所排放出的氮氣（＞0.4－0.5 psi）亦可作 為進樣除水管中導出水份之載行氣體。
圖 4-5 有機逸散物捕捉濃縮器
3.2.2 目前採用之前濃縮採樣管
由於上述方法之液態氮消耗量極大，基於經濟與方便性之考 量，我們採取了另一種前濃縮採樣的方式，捨棄液態氮，並更改其溫 度設定值（吸附溫度為 35℃，熱脫附溫度為 250℃）。而主要的設計 特點是將先前的 U 型管改成內部塗覆 Silica 的 1/8"不鏽鋼管，再依 序充填三種不同的吸附劑：Carbotrap、Carboxen 1003、Carboxen 1000，其特性如表 4-5 所示；利用這三種吸附劑對 VOCs 之吸附能力 的不同，將 VOCs 完全吸附住；並於升溫後，利用載流氣體之逆向吹 入而將 VOCs 帶入氣相層析儀（GC）中，其裝置圖如圖 4-6。
表 4-5 充填三種不同的吸附劑
Sorbent Max.Temp.
（℃）
Hydro-p hobic
Approx.Analyte Volatility Range
Temp.and Min.Gas Flow for Desorption Carbotrap >400 Yes n-C4 to n-C20 325℃ and 30 mL/min
Carboxen 1000 1003
400 No bp.-60 to 80 ℃ 325℃ and 30 mL/min
玻璃棉 玻璃珠 Carbotrap Carboxen 1003 Carboxen 1000
Gas Flow：
Desorption：
圖 4-6 改良之前濃縮採樣管
3.3 電子控溫器
此部分含感溫棒，電磁閥及加熱絲等，此控溫器可由控制捕捉 管的溫度，使控溫器進行升降溫的動作，當降溫時電子控溫器會釋 放一股 110 VAC 的電流用以開啟電磁閥，使液態氮冷凍瓶中累積的 氣壓洩放，進而使冷凍捕捉管達到低溫 TL（吸附溫度）的設定值。
當冷凍捕捉管達到 TL之後，控溫器會反饋一信號以關閉電磁閥，如 此反覆的動作可使捕捉管的溫度穩定的維持在 TL，此時空氣樣品可 被冷凍聚焦在捕捉管中，而達到濃縮的目的。
昇溫時同樣由電腦程式使電子控制器關閉電磁閥，並提供約 4V，10A 的電流利用捕捉管本身的電阻使捕捉管的溫度迅速上昇到 所設定的高溫 TH(熱脫附溫度)，同時利用載流氣體將捕捉管中的低 沸點化合物脫附進入層析管柱中進行分析。並利用"By Pass"的動作
將捕捉管中的殘餘高沸點物質清除，並準備作下一次的冷凍濃縮。
另外加熱在進行中仍是以感溫棒隨時感測溫度，使電子控溫器能適 時地釋放電流，使準確地控制捕捉管在 100℃的高溫。
3.4 控制軟體
本自動化分析系統所使用的控制介面括一張 A/D 介面卡，一張 Relay 輸出控制卡，及一套操作軟體等。
(1)介面卡：
此介面卡大小約 155mm×100mm，是用來與電腦進行溝通的管
此介面卡大小約 155mm×100mm，是用來與電腦進行溝通的管