با استفاده از روش‌های تجزیه‌ی کلاسیک و نوین می‌توان نسبت به تجزیه‌ی نمونه‌های جمع‌آوری شده از محیط‌ کار و محیط‌زیست اقدام کرد. از روش‌های کلاسیک تجزیه و تحلیل نمونه‌های شیمیایی می‌توان به روش‌های حجم سنجی و وزن سنجی و از روش‌های نوین تجزیه و تحلیل نمونه‌های شیمیایی می‌توان به طیف بینی، الکترومتری و کروماتوگرافی اشاره کرد.

در گذشته برخی از روش‌هایی که برای تجزیه و تحلیل نمونه‌های شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گرفت، در نوع خود دقیق و هوشمند بودند. حال با پیدایش روش‌های نوین، روش‌های کلاسیک کاربرد خود را از دست داده‌اند و این روند به طور مداوم در حال تکمیل است. از تجهیزاتی که در گذشته به میزان قابل توجهی در این راستا استفاده می‌شد اما در حال حاضر کاربرد چندانی ندارد، می‌توان به ترازوی آزمایشگاهی اشاره کرد.

لازم به ذکر است که روش‌های نوین تجزیه‌ی دستگاهی از قبیل رنگ سنجی و طیف سنجی بر در شاخه‌ی شیمی تر قرار می‌گیرند. از روش‌های گوناگون کروماتوگرافی استفاده می‌شود تا اجزای متعدد مخلوط‌های پیچیده شناسایی شود و مورد جداسازی واقع شود. ابتدا کروماتوگرافی کاغذی و لایه نازک در دهه‌ی ۱۹۵۰ میلادی و سپس کروماتوگرافی گازی و کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا در سال ۱۹۶۰ میلادی توسعه پیدا کردند.

در روش‌های پیشین کروماتوگرافی، بنیان جداسازی بر تقسیم اجزای آنالیت در فاز گازی با افزایش تدریجی دما بود؛ اما در روش‌های جدید کروماتوگرافی، این معیار جای خود را به حلالیت در فاز ساکن مایع یا جامد داده‌است.

از دیگر دلایلی که باعث تبدیل شدن روش‌های کلاسیک به روش‌های نوین شد، می‌توان به کاهش حدود مجاز مواجهه‌ی شغلی توصیه شده، افزایش تعداد آلاینده‌های هوای محیط کار و افزایش نیاز به روش‌های تجزیه و تحلیل دقیق که بتواند نمونه‌های پیچیده و ترکیبات نامعلوم با غلظت پایین را شناسایی کند اشاره کرد.

انواع روش‌های کروماتوگرافی در جدول ذیل آمده است:

 

انواع روش‌های کروماتوگرافی
Partition Chromatography	Adsorption Chromatography
Liquid-Liquid Columns Chromatography (LLC)	Liquid-Solid Column Chromatography (LSC)
Paper Chromatography (PC)	Paper Chromatography (PC)
Thin – Layer Chromatography (TLC)	Thin-Layer Chromatography (TLC)
Foam Chromatography (FC)	Gas-Solid Chromatography (GSC)
Emulsion Chromatography (EC)	Packed Columns
Gas – Liquid Chromatography (GLC)	Open Tubular Columns
Packed Columns Open Tubular Columns (OTC)	Ion Exchange
	Liquid-Solid Chromatography (LSC) –        Ion Chromatography
Size Exclusion Chromatography (SEC)	Paper Chromatography (PC)
Gel Filtration (GFC) Gel Permeation Chromatography Molecular Sieves	Thin – Layer Chromatography (TLC)

 

با مطالعه‌ی اطلاعات درج شده در جدول زیر می‌توانید روند توسعه یافتن تجهیزات تجزیه دستگاهی را مشاهده فرمایید:

توسعه تدریجی تجهیزات تجزیه دستگاهی
سال	دستگاه
۱۸۷۰	نخستین ترازوی آزمایشگاهی با اهرم آلومینیومی توسط Florenz Sartorius
۱۹۳۵	اختراع نخستین pH متر تجاری توسط Amold O.Bekman
۱۹۴۱	نخستین دستگاه طیف سنجی UV-VIS مدل DU توسط Amold O.Bekman
۱۹۴۴	نخستین دستگاه طیف سنجی IR تجاری مدل ۱۲ توسط Perkin-Elmer
۱۹۵۴	ساخت دستگاه طیف بینی مدل (Spectonic 20) توسط شرکت Baush and Lomb که هنوز هم استفاده می‌شود.
۱۹۵۵	نخستین دستگاه GC توسط شرکت Burrell مدل Kromo-Tog، شرکت پرکین المر (مدل ۱۵۴) و شرکت Podbielniak مدل (Chromagraphette)
۱۹۵۶	نخستین دستگاه اسپکتروفلوئورومتر توسط Robert Bowman
۱۹۵۶	عرضه نخستین دستگاه تجاری GC-MS مبتنی بر زمان پرواز مدل ۱۰۱-۱۲ توسط شرکت Bemdix
۱۹۶۳	عرضه نخستین دستگاه موفق تجاری جذب اتمی مدل ۳۰۳ توسط شرکت Perkin-Elmer
۱۹۶۳	عرضه نخستین دستگاه تجاری NMR توسط شرکت آلمانی Bruker
۱۹۶۵	نخستین دستگاه HPLC توسط Csaba Horvath در دانشگاه Yale
۱۹۶۹	نخستین دستگاه طیف سنجی FTIR مدل FTS-14 توسط Digilab
۱۹۷۰	عرضه نخستین دستگاه جذب اتمی کوره گرافیتی تجاری توسط شرکت Perkin-Elmer
۱۹۷۴	عرضه نخستین نمونه تجاری از دستگاه طیف بینی نشری پلاسمای جفت شده القایی ICP
۱۹۷۷	عرضه نخستین نمونه تجاری LC-MS توسط Finnigan (نام فعلی: Thermo Finnigan)
۱۹۸۳	عرضه نخستین نمونه تجاری طیف بینی نشر اتمی پلاسمای جفت شده القایی (ICP-MS) مدل (Elan 250)

 

طیف بینی (اسپکتروفتومتری)

تابش الکترومغناطیس، تابش عرضی با الگوی حرکت سینوسی است؛ یعنی جهت جابجایی موج عمود بر جهت انتشار آن است. دوره‌ی تابش، زمانی است که یک نوسان به طور کامل در آن انجام شود. فرکانس، تعداد نوسان‌ها در یک ثانیه است. طول موج به فاصله‌ی خطی میان بیشینه‌ها و کمینه‌ها است.

در صورتی که فرکانس را در طول موج ضرب کنید، می‌توانید سرعت نشر موج را به دست آورید.

بازه‌ی طیف الکترومغناطیسی شامل محدوده‌ی بسیار بزرگی از انرژی‌ها و طول موج ها است. این طیف شامل فرکانس‌های بسیار پایین مانند امواج رادیویی تا مقدارهای بسیار بالا مانند امواج فرابنفش، اشعه‌ی ایکس و اشعه‌ی گاما است.

طیف بینی جذبی

در فرآیندهای مرتبط با طیف بینی، جذب باعث تضعیف فرکانس‌های خاصی از تابش الکترومغناطیسی می‌شود. این کار به واسطه‌ی حضور یک گونه‌ی شیمیایی در یک محیط شفاف انجام می‌شود. بر اساس نظریه‌ی کوانتومی، هر ذره‌ی بنیادی (اتم، یون، مولکول) مجموعه‌ای منحصر به فرد از حالت‌های انرژی دارد؛ که پایین ترین آن حالت پایه است.

اغلب ذرات بنیادی در دمای اتاق در حالت پایه هستند. هنگامی که یک فوتون تابش از نزدیک یک ذره‌ی بنیادی عبور می‌کند. جذب در صورتی محتمل است که مقدار انرژی فوتون دقیقا معادل با تفاوت مقدار انرژی میان حالت پایه و یکی از حالت‌های برانگیخته شده‌ی ذره باشد. تحت این شرایط، انرژی فوتون به ذره‌ی بنیادی منتقل شده و آن را به حالت با انرژی بالاتر یا برانگیخته تبدیل می‌کند که این پدیده همراه با ایجاد طیف‌های جذبی مولکولی یا اتمی است.

هنگامی که مولکول‌ها با تابش اشعه‌ی فرابنفش، مرئی و مادون قرمز برانگیخته شوند، متحمل سه نوع انتقال کوانتیده می‌شوند. در ارتباط با تابش فرابنفش و مرئی، برانگیختگی شامل انتقال یک الکترون با انرژی پایین، واقع در اوربیتال مولکولی یا اتمی به اندازه‌ی یک اوربیتال با انرژی بالاتر است. آن چنان که پیش‌تر ذکر شد، انرژی فوتون می‌بایست دقیقا معادل تفاوت انرژی میان اوربیتال باشد. انتقال الکترون بین دو اوربیتال را جهش الکترونی و فرآیند جذب را جذب الکترونی گویند.

شرکت مادکو با بیش از ۱۰ سال سابقه در انجام پروژه‌های ارگونومی و با برخورداری از متخصصان مجرب در این حوزه، آماده است تا پروژه‌های مربوطه را برای صنایع و سازمان‌های گوناگون انجام دهد. به منظور انجام پروژه‌های مربوطه به صفحه‌ی اختصاصی در سایت مادکو مراجعه فرمایید.

 

طیف بینی نشری

طول عمر گونه‌ی برانگیخته کوتاه است و اتم یا مولکول برانگیخته در مدت کوتاهی توسط سازوکارهای آسایش غیرتابشی و فوتولومینانس، انرژی اضافی خود را آزاد کرده و به حالت پایه برخواهدگشت. آسایش غیر تابشی یا گرمایی بین پایین ترین تراز انرژی یک حالت الکترونی برانگیخته و تراز ارتعاشی پایین‌تر رخ می‌دهد.

انرژی اضافی به شکل گرما به سایر اتم‌ها و یا مولکول‌ها انتقال پیدا می‌کند. انرژی گرمایی تولید شده در این شیوه به اندازه‌ای کم است که قابل اندازه‌گیری و آشفتگی در نمونه‌ی مورد بررسی نیست. این روش، مبنای طیف بینی جذبی است.

تعداد مولکول‌هایی که بر اثر فرآیندهای تابشی به حالت پایه می‌رسند، نسبتا کم است؛ چرا که فوتولومینانس به ویژگی‌های ساختاری نیاز دارد که از سرعت فرآیندهای تابشی گرمایی بکاهد و سرعت فرآیندهای آسایش لومینانسی را زیاد کند.

میست‌های روغنی، روغن‌های برش‌کاری با آب صابون، روغن اتومبیل، روغن‌های هیدرولیک و … که دارای حلقه‌های آروماتیک و یا پیوندهای دوگانه‌ی کنژوکه گسترده هستند، غالبا به روش طیف بینی فلورسانسی تعیین مقدار می‌شوند.

فوتولومینانس به دو شکل فلوئورسانس و فسفرسانس انجام می‌شود که طیف نشری حاصل مبنای تعیین تحریک که همان جذب فوتون است، مشابه هم هستند؛ ولی در فلوئورسانس، انتقال الکترونی مسئول ایجاد فوتولومینانس است که عمر کوتاهی در حد ^۳-۱۰ تا ^۸-۱۰ دارد.

این در حالی است که نشر فسفرسانس ناشی از تغییر اسپین الکترون است که باعث می‌شود زمان تابش طولانی شود و تا چند ثانیه ادامه پیدا کند. فوتولومینانسی که طول موج جذب و نشر آن یکی باشد، فلوئورسانس رزونانسی نامیده می‌شود.

طیف بینی مرئی – فرابنفش

طیف بینی فرابنفش – مرئی ناشی از تحریک یا برانگیختگی الکترونی در لایه‌های خارجی است که مطابق با انتقال در اوربیتال‌های مولکولی و الکترون‌های تنها یا غیر پیوندی هستند؛ به گونه‌ای که طیف بینی فرابنفش برای شناسایی ترکیبات مزدوج و سامانه‌هایی که تمایل به جذب شدید دارند، مفید است. انتقال‌های الکترونی در پیوند سیگما نیازمند انرژی‌هایی هستند که فراتر از محدوده‌ی انرژی این ناحیه هستند.

انتقال الکترونی با کمترین انرژی، بین بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده و پایین‌ترین اوربیتال مولکولی خالی در حالت پایه انجام می‌شود. با جذب تابش فرابنفش یک الکترون از بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده به پایین ترین اوربیتال مولکولی خالی منتقل شده و حالت برانگیخته ایجاد می‌شود. هر چه قدر تفاوت انرژی میان اوربیتال‌ها کمتر باشد، نیاز به فوتونی با انرژی کمتر (فرکانس کمتر و طول موج بزرگ‌تر) است.

 

طیف بینی اتمی

پدیده‌ی جذب تابش الکترومغناطیس توسط اتم از اوایل قرن ۱۹ میلادی هنگامی که فراون بوفر در طیف خورشید تعدادی خطوط تیره مشاهده کرد، در مطالعات فیزیکی کاربرد پیدا کرد. مولر نخستین بار از این روش به منظور تعیین مقدار جیوه استفاده کرد.

در طیف بینی مولکولی، تابش‌های با انرژی پایین مادون قرمز، مرئی و یا فرابنفش سبب ایجاد حالت‌های برانگیختگی چرخشی، ارتعاشی و یا برانگیختگی الکترونی بوده و هنگامی که انرژی توسط اتم‌ها جذب می‌شود یا انتشار پیدا می‌کند، خطوط طیفی مجزایی ایجاد می‌شود که اساس روش‌های طیف بینی اتمی است.

به این دلیل که انرژی لازم برای ایجاد انتقال‌های الکترونی برای هر عنصر منحصر به فرد است، خطوط جذب اتمی بسیار باریک و به پهنای ۰٫۰۲ تا ۰٫۰۵ آنگستروم بوده و روش‌های تجزیه‌ای بر پایه‌ی این نوع جذب بسیار اختصاصی هستند.

از آن‌جا که قانون بیر تنها برای تابش‌های تک فام کاربرد دارد و تک فام سازی که قادر به تولید نوار تابشی به پهنای بیشینه‌ی یک خط جذب اتمی (آنگستروم) باشد وجود ندارد، تبعیت خوبی از قانون بیر مشاهده نمی‌شود.

از منظر نظری، هر ماده نور را در طول موجی که جذب می‌کند منتشر می‌کند. از این رو نور قابل جذب برای اتم‌های یک عنصر توسط اتم‌های آزاد همان عنصر در حالت برانگیخته منتشر می‌شود. والش بر این اساس منبع تابشی که فقط قادر به انتشار یک طول موج نشری ویژه باشد را پیشنهاد کرد.

به عنوان مثال اگر خط جذب ۵۸۹۰ آنگستروم سدیم برای اندازه‌گیری این عنصر انتخاب شود، یک لامپ بخار سدیم می‌تواند به عنوان منبع تابش به کار رود. در این شرایط نیاز به تک فام سازی است که تنها توانایی جداسازی یک خط نشری مناسب را برای اندازه‌گیری خط جذبی داشته‌باشد. در این حالت تابش استفاده شده به لحاظ طول موجی آن قدر محدود است که امکان اندازه‌گیری‌های جذبی را در طول موج جذبی بهینه با حساسیت بیشتر و تبعیت بهتر از قانون بیر فراهم می‌کند.

در سال ۱۹۵۵ والش با پیشنهاد استفاده از لامپ‌های کاتدی به منظور تولید پرتو تابشی اختصاصی و استفاده از شعله برای تولید اتم‌های منفرد، این روش را عمومیت بخشید و در سه دهه‌ی بعد، طیف بینی اتمی به یکی از مهم‌ترین روش‌ها به منظور تعیین مقدار بیش از ۷۰ عنصر تبدیل شد.

حساسیت روش‌های طیف بینی اتمی در گستره‌ی ppm تا ppb قرار داشته و از مزایای آن‌ها می‌توان به سرعت، راحتی، گزینش پذیری بالا و قیمت دستگاهی متوسط اشاره کرد.

 

طیف بینی نشر اتمی پلاسمای جفت شده‌ی القایی (ICP)

در ارتباط با برخی از عناصر، دمای شعله و یا کوره قادر به تولید نمونه‌ی اتمی نیست و نیاز به منبع قوی تری مانند پلاسما به منظور تولید نمونه‌ی اتمی است. پلاسما گاز داغی است که جزئی از آن یونیزه و دارای غلظت بالایی از الکترون‌ها و یون‌های مثبت است. پلاسما رسانای الکتریکی است ولی مخلوط آن خنثی است.

پلاسمای آرگون که در کارهای تجزیه‌ای کاربرد گسترده‌ای دارد، مخلوطی از آرگون، یون آرگون و الکترون است.

طیف بینی پلاسمای جفت شده‌ی القایی، از نوع طیف بینی نشری و روش‌ اتم سازی آن از طریق پلاسما است. به این ترتیب امکان سنجش هم‌زمان تقریبا تمامی عناصر جدول تناوبی فراهم می‌شود. به طور کلی سه نوع پلاسما با نام‌های پلاسمای جفت شده‌ی القایی (ICP)، پلاسمای جریان مستقیم (DCP) و پلاسمای القا شده با ریز موج (MIP) در کارهای تجزیه‌ای استفاده می‌شود.

پلاسمای جفت شده‌ی القایی بر اثر در هم آمیختگی انرژی امواج رادیویی با توان بالا با یک گاز بی اثر مناسب که معمولا آرگون است ایجاد می‌شود.

 

 

کروماتوگرافی گازی

کرماتوگرافی گازی یکی از انواع کروماتوگرافی ستونی است که برای مواد گازی، فرار و نیمه فرار توصیه می‌شود. در این روش ابتدا مخلوط نمونه تبخیر شده و سپس توسط گاز حامل بی‌اثر به ستون کروماتوگرافی هدایت و اجزای سازنده مخلوط بر اساس ضرایب تقسیم مختلف بین فاز متحرک گازی و فاز ثابت مایع یا جامد از یکدیگر تفکیک می‌شوند. کروماتوگرافی گازی بر اساس فاز ساکن در دو گروه قابل بررسی است.

کروماتوگرافی گاز – جامد (GSC) که فاز ساکن آن گونه‌های آلی متصل شده به سطح یک جامد هستند و کروماتوگرافی گاز – مایع (GLC) که فاز ساکن آن، مایع جذب شده یا تثبیت شده بر سطح بستر متخلخل یا دیواره‌ی ستون است.

فاز ساکن در کروماتوگرافی فاز – جامد سطح نسبتا بزرگی دارد که جذب سطحی گونه‌های آنالیت در آن انجام می‌شود. جداسازی در فاز ساکن که معمولا از آلومینا (Al₂O₃) و یا پلیمرهای متخلخل است. بر اساس تفاوت در موقعیت تعادل‌های جذب سطحی بین اجزای سازنده‌ی گازی نمونه و سطح جامد فاز ساکن انجام می‌شود.

به واسطه‌ی ماهیت جذب غیر خطی و نیمه دائمی اجزای نمونه بر سطح فاز ساکن، کاربرد کروماتوگرافی گاز جامد محدود به جداسازی برخی از گونه‌های گازی با وزن مولکولی پایین نظیر کربن مونواکسید، سولفید هیدروژن، کربن دی سولفید، اکسیژن، نیتروژن و گازهای نجیب است. ترکیبات قطبی‌تر به طور نیمه دائم بر سطح بستر باقی مانده و مانع از کاربرد این روش برای جداسازی این ترکیبات می‌شود.

کروماتوگرافی گاز مایع یکی از مهم‌ترین و کاربردی ترین روش‌های تجزیه‌ دستگاهی به منظور جداسازی و تعیین اجزای سازنده‌ی یک مخلوط شیمیایی پیچیده محسوب می‌شود. در این روش، فاز ساکن مایعی است که به روش جذب سطحی یا پیوند شیمیایی بر روی سطح تکیه گاه جامد تثبیت شده‌است.

سرعت حرکت آنالیت از درون ستون تابع نسبت توزیع آنالیت بین فاز گاز و فاز مایع تثبیت شده بر روی تکیه گاه جامد است. بر خلاف کروماتوگرافی مایع، در این روش، بر هم کنش میان فاز متحرک و آنالیت نیست و سرعت حرکت آنالیت وابسته به ماهیت شیمیایی فاز ساکن و تا حد زیادی مستقل از ماهیت شیمیایی فاز متحرک است.

از اجزای دستگاه کروماتوگرافی گازی می‌توان به کپسول گاز حامل، محل تزریق، ستون، آون و آشکارساز اشاره کرد.

شرکت مادکو در زمینه‌ی سنجش آلاینده‌های هوای محیط کار نیز مشغول انجام فعالیت است. به منظور کسب اطلاعات بیشتر می‌توانید صفحه‌ی اختصاصی مادکو را در این خصوص دنبال فرمایید.

کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا (HPLC)

ایجاد جریان در کروماتوگرافی مایع با ستون‌های پر شده، به فشار بالایی نیاز دارد. فشار کاری دستگاه‌های اولیه در حدود ۳۵ بار بود؛ از این رو، این فرآیند را کروماتوگرافی مایع با فشار بالا می‌نامند. دستگاه‌های HPLC که پس از دهه‌ی ۱۹۷۰ میلادی ساخته شدند، در فشار ۴۰۰ بار کار می‌کردند که عملکرد دستگاه را به طرز محسوسی افزایش داد و نام روش از کروماتوگرافی مایع تحت فشار، به کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا تغییر پیدا کرد.

کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا یکی از قوی‌ترین ابزارها در شیمی تجزیه است که توانایی جداسازی و تعیین کمی و کیفی تمامی اجزایی را که می‌توانند در حلال حل شوند را در غلظت‌های کمتر از (ppt) دارا است.

در میان انواع روش‌های جداسازی، HPLC به دلیل حساسیت بالا، انجام سریع اندازه‌گیری‌های کمی، توانایی جداسازی گونه‌های غیرفرار یا ناپایدار در شرایط گرمایی بیشترین توسعه را داشته‌است.

پیشرفت‌های قابل توجه در شکل دستگاه و فناوری ستون در اوایل سال ۲۰۰۴ منجر به افزایش فوق العاده در قدرت تمایز، سرعت و حساسیت کروماتوگرافی مایع شد. ستون‌های پر شده با ذرات ۱٫۷ میکرون و طراحی دستگاه با قابلیت تامین فشار ۱۰۰۰ بار منجر به توسعه‌ی فناوری مدرن کروماتوگرافی مایع با عملکرد فوق العاده (UPLC) شد.

برخلاف روش‌های کروماتوگرافی گازی که تنها قادر به تجزیه‌ی نمونه‌های گازی فرار و نیمه فرار هستند، تجزیه و تحلیل مواد نیمه فرار و غیر فرار توسط HPLC و تجزیه و تحلیل گونه‌های یونی به روش یون کروماتوگرافی که یکی از اشکال HPLC است انجام می‌شود.

از اشکال HPLC می‌توان به شیوه‌ی لایه نازک، کاغذی و ستونی اشاره کرد. در تمامی موارد، ابتدا نمونه در مایع حل می‌شود و سپس جداسازی صورت می‌گیرد.

 

گردآوری محتوا:

علی اکبر ایمانی

 

منابع:

نمونه برداری از هوا و روش‌های تجزیه دستگاهی – دکتر احمد نیک پی – نشر فن آوران.

روش‌های نمونه برداری و تجزیه‌ی آلاینده‌های هوا – دکتر عبدالرحمان بهرامی – نشر فن آوران.

روش‌ها و وسایل نمونه برداری از آلاینده‌های هوای محیط کار – دکتر علیرضا چوبینه – نشر فن آوران.