EP8-真金不怕火煉？金屬的價值取決在它的純度－金屬檢測與應用

大家好 我是工研院材料與化工研究所 技術經理胡潔筆 今天要為大家介紹的是 金屬檢測與應用 生活中常聽到 真金不怕火焰 這句話本來是用來指 某個人意志堅強 經得起考驗 但實際上 要知道你買的首飾 是不是真的黃金 黃金到底存不存 在銀樓還真的會用火燒 來快速判斷 實際上 黃金並不是真的可以耐火 當溫度達到黃金的熔點 1063度 真正的黃金也會融化 也才能加工成 我們在銀樓 或是好市多所看到的 9999純金金條 所以說 真金不怕火焰 這句話告訴我們 分辨黃金真偽的一種簡易方法 根據黃金的高化學穩定性 讓它在火燒或熔融的過程中 不會被空氣中的氧氣 氧化變色 甚至在過火冷卻後 也依舊金光閃閃 相反的 純度較低的黃金或K金 正因為會有不同金屬 乳銀或銅 在空氣加熱後 就會因為氧化而變色 比如深層黑色的氧化銅 所以許多銀樓或珠寶店 辨別黃金的真偽 就是基於這一個原理 K金為何要用K 你是否曾經在黃金製品上 看到K24或K18的刻印 前面的K 其實是Carrol的簡稱 K-A-R-A-T 而所謂K24的記號 就表示該製品 所用的黃金純度 目前市面上所流通的黃金製品 規格主要以K24、K22、K18、K14 或K10這五種居多 而我們常看到的 9999純金金條 指的就是K24 純度達99.99%以上 你會好奇嗎 K金後面的數字 到底代表什麼意思呢 其實它是以24分率作為標示 也就是說 定義純度100%的金等於K24 也就是說每增加K1 純金含量即增加4.17% 所以如果是K18 純金含量就是75%的意思 雖然火燒或熔爐 可以快速粗略判斷黃金的純度 但並無法精確以及量化 它究竟是99.90% 還是99.99%呢 你可千萬不要小看 黃金純度這幾位小數點 因為現在黃金溢錢3.75克 可相當於7000元新臺幣呢 為了快速知道黃金純度 以及求得分析數值 可以使用測定簡單且非破壞性的 X射線螢光光譜儀 X-ray fluorescence SRF進行分析 SRF的原理是透過高能量X-ray撞擊材料 使材料的原子內層軌跡 電子被激發而產生一個空洞 外層電子填補內層空缺的電子位置 因為能階之間的能量差 而放射出具有不同能量或波長特性的X-ray 最後再藉由偵測器檢測 來轉為對應的元素光譜檢測結果 因為SRF具有分析速度快 非破壞性、不損害樣品 樣品適用種類廣 可以應用於固態、液態、粉體等優點 所以常常被應用於 金屬、土壤、藝術品、食物檢測等 也是目前業界常應用於 黃金手勢分析中常見的方法之一 然而當材料表面有鍍層 而且厚度超過一定厚度時 比如100μm 由於X-ray無法穿透 所以此時使用SRF 就可能會產生純度誤判的結果 比如黃金鍍在銀上面 使用SRF常規檢測 會以為純度很好 可能達到K24金 就是99.99% 但金前面所提到的火燒或熔融 就會產生氧化變色 其實純度並不達標準的風險 為了要克服金屬材料 純度檢測的問題 最為直接的方法就是 將材料以合適的酸液 比如三鹽酸、益硝酸的網水 搭配進行加熱、溶解 將黃金飾品或是材料溶解後 再將溶液導入感應偶合電漿質譜儀 Inductively-Coupled Plasma-Multi-Phason SCOBY ICP-MS進行分析 ICP-MS是目前常用於微量 金屬元素或金屬不純物的檢測技術 具有快速、高準確度、高靈敏度 且能夠同時分析、測量多種金屬元素含量 檢測靈敏度可達PPT-10億分之一水準 可適用於高純度黃金或其他金屬元素的檢測 相較於液像成析質譜儀 Liquid Chromatography-Mars Spectroscopy-LC-MS 或氣象成析質譜儀 Gas Chromatography-Mars Spectroscopy-GC-MS 用來測量分子或化合物是不太一樣的唷 我們常聽到的LC-MS或GC-MS 主要差異其實在於樣品的適用種類不同 LC-MS常應用於液態樣品的分析 如上一集所提到的 再生水中微量有機汙染物的檢測 而GC-MS則應用於氣態樣品的分析 比如材料經過加熱所釋放出的氣體 或是我們平常所噴的香水 都會適用於GC-MS 質譜儀在分析過程中 需要透過不同的離子化方法 將樣品轉換成帶電荷的離子 在藉助電廠或磁場的幫助下 依據離子的質量與電荷間的比值 Mass-to-Charge Ratio 也就是我們常稱的Moverly不同來進行分離 LC-MS常見搭配的遊離源 為電噴灑遊離閥 Electro-Spray Ionization-ESI 而GC-MS則常搭配電子撞擊遊離閥 Electro-Effect Ionization-EI 酸溶後的液態樣品經由乳豆幫浦 帶經霧化氣 霧化形成氣溶膠 之後再透過氧氣Argon 所產生的電漿Plasma 將氣溶膠中的樣品轉換為離子後 再透過儀器介面導入質譜儀進行分析 ICP-MS與感應偶合電漿 光學放射光譜儀 Inductivity Carbon Plasma Optical Emission Spectroscopy ICP-OES其實具有一定程度的相似性 我們可以這樣快速區別兩者的差別 ICP-OES使用光譜儀來測量 元素穿過Plasma時所放出的光譜線 而ICP-MS則是直接測量元素 ICP-MS與ICP-OES這兩種技術 都可以快速分析樣品中的多種金屬元素 但ICP-MS的檢測靈敏度比ICP-OES高很多 通常ICP-MS靈敏度可達上述所提到的 PPT兆分之一 甚至更加到PPQ等級千兆分之一 而剛所提到的常規ICP-OES 檢測靈敏度則約為PPB等級十億分之一 因此ICP-MS是用來測量材料中 多種微量金屬元素的更佳選擇 你對2020年引發許多民眾恐慌的 中藥遷中毒事件還有印象嗎 當時臺灣中部地區陸續傳出 中醫診所開立的中藥被檢驗出 含有硃砂或鉛單等禁藥 造成服藥的民眾遷中毒 當年新聞事件中藥中的鉛 到底是怎麼被檢驗的呢 你有注意到上面影片中所提到的嗎 將藥材磨成粉進行溶解 最後由ICP-MS質譜儀分析樣品成分嗎 其實化學微污染檢測就環繞在你我的周邊 臺灣在近40年與半導體產業的發展 讓臺灣在全球半導體市場上 佔有舉足輕重的腳位 近年來隨著半導體製程 進入3奈米以下的世代 製程中的原物料、化學品 以及純水中的元素雜質及有機微污染 都需要進行更謹慎的污染控制與釐清 為了因應國內半導體產業檢測需求 我們實驗室建立對應的化性檢測技術 除了透過本集影片中所提到的 ICP-MS來檢測特用化學品中的 微量金屬元素以及不存物外 也會用到先前影片所介紹的 化學微污染檢測儀器的搭配與整合 如LC-MS 達到通盤性的原物料與化學品的品質把關 如這張圖片呈現 我們協助業者進行 晶圓經過化學機械研磨 Chemical Machine Policy CMP後 侵襲劑的開發以及品質驗證 我們使用LC-MS以及GC-MS 進行晶圓表面的有機污染物分析 使用ICP-MS進行微量金屬以及金屬污染物分析 使用X射線電子能譜 X-Ray Photoelectron Spectroscopy XPS進行晶圓表面分析 透過上述的整合化性檢測能量 我們成功協助業者開發清洗劑 以及驗證X-Prong效果優於清洗劑X 除了可將晶圓表面清洗乾淨 無任何有機污染物殘留外 也不會對晶圓產生破壞 以致有金屬溶出的現象 ICP-MS的應用 不僅僅是在檢測銀龍珠寶店內的黃金首飾以及純度 或是高科技產業中所使用的原物料 微量金屬不純物含量 其實它的應用比你想像的還要更廣 比如接下來想與你分享的 土壤中的養分肥粒快篩檢測 土壤的肥粒影響植物的生長、開花、落果 如這張圖所呈現的 土壤肥粒常用N、P、K、氮、磷、鉀三大元素作為指標來觀察 氮肥 俗稱葉肥 主要功能是協助植物長葉子 磷肥 俗稱花肥或果肥 主要促進植物開花以及結果 鉀肥 俗稱根肥 能使精幹或根強健來增進作物抗病 抗蟲以及抗傷害、風害等 然而人肥不肥可以用眼睛、肉眼來看 土壤太瘦或太肥 要加什麼肥 植物才會長得更好呢? 肥料食用佔農業土壤近九成的溫室氣體排放量 過度施肥導致作物無法吸收 而且過剩肥料累積會造成土壤劣化 影響後續作物生長品質 因此政府推行合理化施肥 農業試驗所透過本集影片中 所提到的ICP-OES 提供國內農民免費的肥力診斷服務 然而每年檢測的樣品數量高達3萬件 且現行的檢測方式繁雜且耗費人力 程序尚需經過 土壤風乾、過篩、秤重、萃取 以及最後的ICP-OES上機檢測 平均需要花上14到30天 才能告訴農民的檢測結果 已經措施最佳的施肥時機 蔬菜都到你家桌上了 實驗室與農業試驗所共同合作 以四大關鍵技術 廣效萃取試劑 氮磷鉀陳設試劑 專利設計陳設盒 以及線上智慧探圖服務 完成土壤養分快速健檢套組的開發 此套組可以針對肥料的三大要素 氮、磷、鉀進行檢測分析 從去土到檢測結果 出爐僅需30分鐘 可減省農民等待的時間成本 並即時掌握土壤肥粒 避免過度施肥 土壤養分快速健檢套組的檢測結果 除了可以用肉眼探圖 更可以搭配線上智慧探圖 及施肥建議系統 土壤肥素報離栽 將陳設結果拍照上傳至雲端 以AI演算法進行影像辨識 匡列色卡後 即可探圖快篩結果的色階 獲得氮、磷、鉀肥粒濃度範圍 線上進行專家作物肥粒資料庫比對後 提供增肥或減肥的建議 讓農民可以即時擬定施肥方針 目前土壤養分快速健檢套組 已成功推廣至花青菜、玉米、蒜頭等作物驗證 推估可節省2到5成的施肥量 若以1公頃的肥料成本年省2000元 估計全臺雜糧作物種植面積7.6萬公頃 來計算一年就可省下高達1.4億元的肥料費用 並降低3成的農業溫室氣體排放N2O 如果未來想要檢測黃金的純度 千萬不要像奧運金牌選手一樣 用牙齒咬來試鏡 請記得用本集影片中所提到的 SRF、ICP-OES、ICP-MS等儀器檢測方法進行量測 你就會發現原來奧運的金牌 是由超過6公克的黃金鍍在春衣上做成的 如果對於材料化纖檢測有任何疑問或建議 歡迎與我們聯繫 最後不要忘了按讚、訂閱、分享 並開啟螢幕右下方的小鈴鐺 謝謝大家