الكيمياء التحليلية

تقنيات التحليل الآلي


يختص هذا الموضوع بالتحدث عن طرق التحليل الآلي الحديثة التي تعددت كثيراًوتطورت لتلبي حاجات التطور التقني والعلمي في العقود الأخيرة لهذا القرن لما تتميز به هذه الطريقة من سرعة عالية وحساسية كبيرة.
حيث يمكننا التحدث عن بعض الطرق الآلية المستخدمة في التحليل الغذائي بشكل مبسط ومفيد.
وطرق التحليل الآلي متنوعة وكثيرة ولكن من الطرق الأكثر أستخداماً نذكر:
1- الكروماتوغراغيا.
2- التحليل الطيفي: كالأشعة المرئية وفوق البنفسجية والامتصاص الذري ومطيافية اللهب.
الكروماتوغرافيا:
يعتمد مبدأ هذه الطريقة على وجود طور ثابت وآخر متحرك,يمر الطور السائل (أو المتحرك)في جميع العمليات الكروماتوغرافية عبر الطور الثابت فيحدث خلال ذلك امتزاز لمكونات المزيج المراد فصله ,ثم نزع .فإذا كانت مكونات المزيج ذات معدل امتزاز متباين على الطور الثابت ,فإن مكونات هذا المزيج ستنجرف بسرعات مختلفة وذلك تبعاً لقوة التأثيرات المتبادلة بين المكّون من جهة والطور الثابت والمتحرك من جهة أخرى,أي يخرج أولاً المكون الأقل امتزازاًثم المكّون الثاني وهكذا....حيث يقوم الطور الصلب بنزع المادة الممتزة وترحيلها من الطور الصلب.
تتضمن التقنيات الكروماتوغرافيا المستخدمة بصورة شائعة الأنواع التالية:
- كوماتوغرافيا العمود.
- كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة.
- الكروماتوغرافيا الورقية.
- الكروماتوغرافيا الغازية أو الكروماتوغرافيا الغازية السائلة(G.L.C)
وهنا ننفرد بالتحدث عن الكروماتوغرافيا الغازية نظراً لأنها الأكثر إستخداماً في التحليل:
تستخدم تقنية الكروماتوغرافيا الغازية لفصل المركبات الطيارة بواسطة تيار غازي يمر خلال الطور الثابت ,عندما يكون الطور الثابت صلباً فإننا عندئذ نتكلم عن الكوماتوغرافيا غاز-صلب(G.S.C)يعتمد هذا النوع من الكروماتوغرافيا على خواص الإمتزاز لمواد حشو العمود المستخدمة لفصل العينات وبشكل خاص الغازات .إن مواد حشو العمود الشائعة الاستعمال هي السيليكا جل,المناخل الجزيئية والفحم وإذا كان الطور الثابت سائلاً, فإننا عندئذ نتكلم عن كروماتوغرافيا غاز-سائل(G.L.C)تنتشر المادة السائلة كطبقة رقيقة على مادة صلبة خاملة ويعتمد مبدأ الفصل على توزيع العينة ضمن وخارج الطبقة السائلة. إن مجال الأطوار السائلة الواسع وتحملها لدرجات الحرارة التي قد تصل إلى 400 درجة مئوية يجعل G.L.C أكثر أهمية وأكثر إنتشاراً.لقد أستخدمت هذه التقنية في تحليل الغازات والسوائل والمواد الصلبة.
أما مزايا الكروماتوغرافيا الغازية فهي:
1- السرعة :زمن التحليل العادي فيG.L.Cيستغرق دقائق.
2- الفصل أو التفريق:حيث أمكن فصل مزيج من المركبات التي درجات غليانها متقاربة جداً.
3-التحليل الكيفي:من خلال القمة التي يرسمها المسجل حيث يكون لكل مادة قمة مميزة معروفة مسبقاً ضمن جداول أو زمن إستبقاء وهوالزمن المستغرق من بدء الحقن إلى الزمن الذي تصل فيه القمة إلى نهايتها العظمةوذلك عند ثبات درجة الحرارة.
4- التحليل الكمي:تكون المسافة الناتجة لكل قمة متناسبة مع التركيز,فلذلك يمكن إستخدام مساحة القمة في تعيين تركيز كل مركب على حدة.
5- الحساسية:من خلال الكاشف المستخدم الذي يشير إلى وجود المركبات ويقيس مقادير هذه المركبات المارة خلال العمود.
6- البساطة.
بعض القواعد الواجب إتباعها في جهاز الكروماتوغرافيا الغازية:
أولاً بالنسبة لغاز الحمل: يجب أن يكون معدل تدغق الغاز ثابتاً عند درجة حرارة معينة وإن الغازات الشائعة الإستخدام هي: الهيدروجين,الهيليوم,النتروجين ويجب أن يتمتع غاز الحمل باصفات التالية: 1- خامل لتجنب التأثير المتبادل مع العينة أو المذيب.
2- قادر على إنقاص الإنتشار الغازي للحد الأدنى. 3- سهل المنال ونقي. 4- قليل التكاليف.5- مناسب للكاشف المستخدم. وإن أبسط طريقة لقياس معدل تدفق الغاز هو إستخدام فقاعة صابون مقياس التدفق وساعة إيقاف.
بالنسبة لإدخال العينة:يجب أن تدخل العينة إلى العمود دفعة واحدةوإن أسهل طرقة لإدخال العينات الصلبة هي على شكل محلول في مذيب لا يؤثر على العينة المراد تحليلها ويتم إدخال العينات السائلة والغازية بواسطة إبرة حقن.ويجب أن يتمتع المذيب بالصفات التالية: 1- يجب أن تبدي العينات عوامل توزع مختلفة. 2- يجب أن تكون العينات ذات درجات ذوبانية مقبولة في المذيب. 3- يجب أن يكون الضغط البخاري للمذيب عند درجة حرارة التشغيل شبه معدومة.
وبالنسبة لدرجة الحرارة:
1-درجة حرارة غرفة الحقن:يجب أن تكون عالية لدرجة أنها تستطيع تبخير العينة بشكل سريع.
2-درجة حرارة العمود يجب أن تكون مرتفعة بشكل كافي
3-درجةحرارة الكاشف المستخدم :يمكن أن يقال أن كل من الكاشف والتوصيلات بين مخرج العمود والكاشف يجب أن يكون ساخناًبشكل كاف حتى يمنع تكثف العينة أو الطور السائل.
التحليل الطيفي:
تعتبر مطيافية ما فوق البنفسجي والمرئي ومطيافية تحت الأحمر والطنين النووي المغناطيسي ومطيافية الكتلة من أهم التقنيات التي يستخدمها الكيميائي العضوي بصورة روتينية من أجل التحليل البنيوي والتحليل الكمي أو لدراسة تفاعل كيميائي ما ,إذ تقدم الدراسة المطيافية بشكل سريع معلومات جيدة لا تعطيها أية مجموعة من التفاعلات والاختبارات الكيميائية.
تعتمد الطرق الطيفية في التحليل على دراسة وقياس التأثير المتبادل بين المادة(الذرات,الجزيئات,الشوارد)والإشعاع الكهرومغناطيسي ويتجلى التأثير المتبادل من خلال :
آ-إمتصاص الإشعاعإضعاف شدة الإشعاع ضمن العينة)ومثال عنها من الطرق الطيفية: -مطيافية الأشعة المرئية وفوق البنفسجيةUV/VIS
-مطيافية الإمتصاص الذريةAAS
ب-إصدار الإشعاعتصدر العينة المهيجة الإشعاع الكهرومغناطيسي)ومثال عنها من الطرق الطيفية: مطيافية الإصدار المرئية.
ج-انحراف الإشعاع(إنعراج أشعة Xعلىالبلورات)
1-مطيافية الأشعة المرئية وفوق البنفسجية:UV/VIS -UVS
أو بما يعرف بمطيافية المتصاص الجزيئية بواسطة جهازspectrophotometre وتعتمد طريقة التحليل بطيف الإمتصاص على قياس شدة الضوء الممتص من قبل محلول ما عند طول موجة محدد حيث أن ذرات المادة المتعرضة للإشعاع تتهيج ممتصة جزء من الطاقة وبالتالي الفرق بين الطاقة الواردة على المادة والطاقة النافذة منها يحدد بالطاقة الممتصة وعندها يمكننا من خلال تقنية الإمتصاص الجزيئية تحليل العينة الغذائية تحليلاً كيفياً وكمياً
يعتمد التحليل الكيفي من خلال هذه التقنية على إيجاد طول الموجة الأعظمي فلكل مادة ولكل عنصرطول موجة أعظمي مميز.
أما التحليل الكمي فيكون من خلال السلسلة العيارية:وذلك من خلال تحضير عينات للمادة المراد تحليلها وتكون معلومة التركيز ومتباينة التركيز ثم قياس شدة إمتصاصها من خلال جهازspectrophotometreومن ثم رسم النحني العياري العبر عن العلاقة بين الإمتصاص والتركيزومن ثم من خلال تراكيز مجهولة وقياس شدة إمتصاصها وإسقاطها على المنحني العياري يمكن معرفة قيمة تراكيز العينات المراد تحليلها ومع الإنتباه إلى إلغاء الأشارات التحليلية العائدة للشوارد الأخرى غير الشاردة المحللة عن طريق محلول البلانك أو المحلول الصفري.
مع الإنتباه أيضاً إلى مجال الطيف المستخدم والذي يعتمدعلى المادة المستخدمة والمذيب المستخدم لهذه المادة فهناك نوعان للطيف:
إشعاع مرئيVISمجال عمله من 350-800 نانو متر ويستخدم بشكل رئيسي في التحليل الكمي للشوارد اللاعضوية
وإشعاع غير مرئي UVومجال عمله ضمن طول موجة بين200-350 نانو متر وستخدم لتحليل أغلب المركبات العضوية المحتوية على بعض المعقدات وعدداً من المركبات اللعضوية وخاصة بعض الشوارد المعدنيةوالنادرة منها
تستخدم هذه الطرق عموماًفي تقدير تراكيز في مجال PPMأي جزء من مليون بدقة تتراوح بين 0.5-5%
تقنية الامتصاص الذري:
طريقةAAS هي طريقة تحليلية عنصرية كمية يحلل فيها كل عنصر على حدة لوحده وهكذا تحلل العناصر الواحد تلو الآخر .يستخدم في هذه الطريقة منبع ضوئي لكل عنصر وعند الانتقال لتحليل عنصر آخر يجب تغيير طول الموجة المعمول بها وبالتالي تغيير المنبع الضوئي أيضاًوأحياناًيجب تغيير البارامترات الأخرى لتكون مناسبة للتحليل
تركيب مطياف الامتصاص الذريatom absorption spectrometry: AAS
1-منبع ضوئي مناسب.
2-وحدة تحويل المادة المدروسة إلى ذرات (وحدة التذرير)حيث تتبخر المادة (المادة السائلة أو الصلبة)ثم تتحول المادة إلى الشكل الذري.
3-مرشح الضوء(موشور أو شبكة)يجزأ الضوء في هذه الوحدة إلى أقسامه المختلفة ليؤخذ منه الإشعاع ذو طول الموجة المناسب .
4-مستقبل:يسقط الإشعاع على هذه الوحدةوالتي تقوم بقياس الشدة الضوئية له بعد امتصاص جزأمنه ضمن العينة.
5-خلية كهرضوئية:مهمتها تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية تظهر على شكل إشارة كهربائية تتناسب شدتها طرداً مع شدة الإشعاع الواصل إليها.
وبالنسبة لوحدة التذرير فلها تقنيات عديدة من بينها :
1-تقنية الشعلة:
ترذذ العينة السائلة بهذه التقنية ضمن الشعلة إذ تتحول إلى الشكل الذري وينشأ من ذلك عصابة إمتصاص للمادة تتعلق شدتها بتركيز المادة ويتعلق زمن هذه العصابة بزمن دفع المحلول إلى حجرة التذرير.
ومن أهم الشعلات المستخدمة:
1- الشعلة الناتجة عن أكسدة الأستيلين بالهواء
2- الشعلة الناتجة عن تفاعل الأستيلين مع النتروز (N2O)
يمكن العمل بواسطة هذه التقنية عند تراكيز منخفضة للعنصر أقل من 0.1 PPM وتقدم تقنية الشعلة نتائج دقيقة ضمن مجال عملها
ملاحظة:يجب الإنتباه إلى طيف اللهب بدون وجود العنصر وذلك منعاً لأي من التداخلات الطيفية التي قد تحدث أثناء التحليل
2-تقنية الفرن الغرافيتي :تتم بواسطة أنبوب مصنوع مصنوع من الغرافيت طوله حوالي 28mmوقطره6mm وبتطبيق جهد 8 فولط و 400 آمبير تتولد في الأنبوب الغرافيتي حرارة بحدود 3000 كلفن ويعمل بجو من الأرغون كي لا تحترق الأنبوبة الغرافيتيةويدفع محلول العينة السائلة بواسطة إبرة حقن شعرية إلى الأنبوبة الغرافيتية وبالتسخين المجزأ يتحرر العنصر المدروس من المواد المرافقة وأخيراً يحوّل العنصر إلى ذرات وبشكل مشابه يمكن تحليل العينات الصلبة وبالنتيجة تظهر إشارة طيفية تتناسب مساحتها طرداً مع كتلة العنصر المدروس ضمن العينة وبالنتيجة نحسب تركيز العنصر المدروس ضمن العينة السائلة من معرفة الكتلة بواحدة الحجم من العنصر.
تكون هذه التقنية أدق من مطيافية الشعلة بحوالي ألف مرة ونقيس بها بواحدة ppdأي الميكرو غرام في الليتر.
3-تقنية الهيدريدات:
حيث تشكل بعض العناصر مثل الأنتموان ,الزرنيخ, البزموت ,السيلين, الزئبق والقصدير مركبات غازية هيدريدية بتفاعلها مع الهيدروجين ويمكن الإفادة من هذه التقنية من تحليل هذه العناصر وغيرها من العناصر التي لها أكثر من تكافؤ كيماوي يواسطة AAS ويمكن إجراء التفاعل في إناء تحكم حيث تتحول هذه المركبات إلى الحالة الغازية ةمن ثم تنفصل عن المحلول الحاوي على مركبات أخرى ,وبعد ذلك تذرر في خلية من الكوارتز.
وتعمل تقنية الإمتصاص الذري على تحليل المعادن وأنصاف المعادن
تقنية الإصدار المرئية :
أو ما يعرف بمطيافية اللهب وتعتمد هذه الطريقة على إمرار محلول يحتوي على مركب للعنصر المدروس علىلهب حيث يتبخر المذيب أو يحترق أما جزيئات المركب الصلبة المختلفة فتنصهر وتتفكك بدورها إلى ذرات حرّة .تثار هذه الذرات بحرارة اللهب وتتحول إلى الحالة المهيجة غير المستقرة ثم لا تلبث هذه الذرات المهيجة أن تفقد الطاقة التي إمتصتها على شكل إشعاع كهرطيسي يتألف الإشعاع المنبعث من خطوط طيفية مركبة ذات أطوال موجة مختلفة ولكن لكل عنصر يوجد خط أو خطان مهمان مميزان يدعيان بالخطوط المميزة ولها دور مهم في التحليل فهي تميز العنصر لذا تستخدم في التحليل الكيفي .
كما ويمكن إستخدام هذه التقنية في التحليل الكمي حيث أن الشدة الضوئية للخطوط المميزة تتناسب طرداًمع تركيز العينة لذا تحضر سلسلة من المحاليل العيارية للعنصر وتقاس الشدات الضوئية لها ويرسم منحني للشدة الضوئية بدلالة التركيز وعلى هذا المنحني يتم تحديد تركيز العنصر في عينة مجهولة بعد قياس الشدة الضوئية له .وطبعاً بعد إلغاء تأثير الشوارد الأخرى المرافقة للشاردة المراد تحليلها من الجهاز وعن طريق تحضير المحلول الصفري الذي يحوي جميع الشوارد ماعدا الشاردة المحللة.
عند إجراء التحليل للمواد الصلبة يفترض حلّها مسبقاً في مذيب مناسب وذلك للوصول إلى محلول من العينة تتم إذابة المواد اللاعضوية في حمض مناسب أما المواد العضوية فتحل في مذيب عضوي ويمكن زيادة حساسية التحليل للمحاليل المائية بجعل المحلول النهائي حاوياً على 80% من مذيب عضوي مناسب.
ينتج اللهب غالباً من مزج غازين أحدهماغاز الوقود وغالباً ما يكون الأستيلين أو الهيدروجين و الآخر غاز الأكسدة ويتألف عادة من الأوكسجين وأول أوكسيد النتروجينN2O
يمتاز الأستيلين عموماً بخواص مميزة فدرجة إحتراقه عالية ويسمح بتذرير جيد ويقلل من إحتمال حدوث تفاعلات كيميائية أثناء التذرير والإثارة.وعادة يفضل اللهب الناتج عن إستخدام الأستيلين وغاز N2Oعند قياس الإنبعاث الذري لأغلب الشوارد المعدنية باستثناء شوارد القلويات والحديد والتي يستخدم فيها الأستيلين والهواء حيث يفضل هنا درجة حرارة أقل منعاً لاحتمال التشرد وفي العناصر القلوية يستخدم أحياناً البروبان بدلاً من الأستيلين إذ ينتج درجة إحتراق أقل.
كما ويجب ضبط الظروف المناسبة للتحليل مثل معدل جريان غازات اللهب ومحلول العينة ونوع الغازات (غاز الوقود وغاز الأكسدة)وذلك لتحديد درجة حرارة الله وكذلك تحديد طول الموجة المناسب للعنصر المحلل وهنا يجب تنفيذ التعليمات الرافقة مع الجهاز وغالباً ما توضح الظروف الثلى لاستثمار الجهاز.
يمكن بطريقة مطيافيةالشعلة تحديد تراكيز من العناصر تصل إلى 1-10 وبقة بين 2-5% تبقى هذه الحساسية كافية غالباًفي المحاليل المحللة.ومبدئياًيمكن تحليل أغلب العناصر بهذه الطريقة ولكن تختلف حساسية التحليل ودقته من عنصر إلى آخر وعملياًتناسب هذه الطريقة في تحليل العناصرالقلوية بشكل جيد وبدقة أقل يمكن تحليل العناصر القلوية الترابية مثل الكالسيوم والمغنزيوم.
بالإضافة إلى هذه التقنيات توجد طريقة شائعة ومهمة في التحليل وهي التحليل الكهربائي ولكنها تحتاج لتفصيل أكبر وبإذن الله سأتحدث عنها في مواضيعي القادمة...

م. عالية عدي