طیف سنجی فلورسانس در شناسایی نیتروژن آمونیاکی در آب

آبان ۸, ۱۴۰۱
مریم اردکانی - کارشناس ارشد فوتونیک
بدون نظرات

این مقاله را با اهمیت شناسایی عناصر داخل آب شروع می‌کنیم. با این عناصر آشنا می‌شویم و به بررسی خلاصه آثاری که این عناصر روی بدن انسان‌ها می‌گذارند، می‌پردازیم. پس از آن کمی به موضوع خودمان نزدیک‌تر می‌شویم. با اهمیت شناسایی نیتروژن آمونیاکی در آب آشنا می‌شویم. با هم بررسی می‌کنیم که روش‌های اپتیکی برای این شناسایی چیست. در انتها نیز طیف سنجی فلورسانس در این شناسایی را بررسی می‌کنیم. با ما تا انتهای این مقاله همراه باشید.

اهمیت شناسایی عناصر داخل آب

فلزات، متالوئیدها و رادیونوکلئیدها عناصر کمیابی هستند که به طور طبیعی در پوسته زمین وجود دارند. بسیاری از این عناصر کمیاب در صورتی که مقدار بسیار کمی داشته باشند، برای سلامتی همه موجودات ضروری هستند. اما بعضی از این عناصر می‌توانند سمی باشند و یا این که باعث سرطان شوند. حتی در برخی از مواقع ممکن است که منجر به تجمع زیستی شوند.
عناصر کمیاب فلزاتی مانند سرب، آهن، آرسنیک و رادیونوکلئیدها مانند رادیوم و رادون است. عناصر کمیاب در نهرها، رودخانه‌ها و آب های زیرزمینی کشور وجود دارند. هوازدگی سنگ، فرسایش خاک و انحلال نمک های محلول در آب نمونه هایی از منابع طبیعی عناصر کمیاب هستند. علاوه بر منابع طبیعی، برخی از فعالیت‌های انسانی نیز کمک می‌کنند تا این عناصر کمیاب وارد چرخه محیط زیست شوند. فعالیت‌های مانند استخراج معادن، صنعتی شدن فعالیت‌ها و واکنش‌های هسته‌ای تنها قسمتی از این فعالیت‌ها محسوب می‌شوند. تمایل عناصر کمیاب در این است که در رسوبات متمرکز شوند. اما آن‌ها تا حدی می‌توانند در آب حل شوند و برای سلامت انسان و آبزیان خطرآفرین باشند.
برخی از فلزات سنگین مانند آهن و روی در غلظت‌های پایین به عنوان مواد مغذی ضروری هستند اما در غلظت‌های بالا سمی هستند. سایر فلزات سنگین غیرضروری مانند کادمیوم، جیوه و سرب، حتی در غلظت‌های نسبتا کم هم سمی هستند. از نقطه نظر کیفیت آب، آرسنیک شاید متالوئیدی است که بیشترین نگرانی را دارد.
فلزات موجود در آب مورد استفاده برای آشامیدن و در رسوبات می‌توانند برای سلامت انسان و آبزیان خطرناک باشند. معیارهای غلظت مختلفی ایجاد شده است که نشان می‌دهد غلظت‌های بالاتر از آن فلز یک فاکتور نگران کننده برای سلامتی است.

نام آلاینده	عضو درگیر در بدن انسان
روی، سرب، مس، کادمیوم	کبد، کلیه، سیستم عصبی مرکزی
سرب، روی، کلسیوم، منیزیوم، جیوه	سرطان زایی
جیوه تک ظرفیتی، آهن سه ظرفیتی	اسهال و استفراغ، اختلالات متابولیسمی
ویروس، باکتری، فسفرهای ارگانیک،کودها، مواد شوینده	کبد، کلیه، سیستم عصبی
آرسنیک، کلروفرم، تتراکلرومتان، اکسید مس	کلیه، سیستم عصبی مرکزی
اکسیژن نامحلول، مواد معدنی ارگانیک مختلف	بدون آسیب آشکار

جدول ۱: نام آلاینده‌ها و تاثیر آن‌ها روی بدن انسان

اهمیت شناسایی آمونیاک در آب

نیتروژن آمونیاکی (آمونیاک یا آمونیوم) به طور گسترده‌ای در آب‌های طبیعی وجود دارد و به همین دلیل است که می‌تواند به طور قابل توجهی بر گیاهان و جانوران آبزی تاثیر بگذارد. این ماده هم چنین نقش بسیار مهمی در تولید و سلامت انسان و همچنین ثبات اکوسیستم دارد.

نیتروژن آمونیاکی یک آنالیت مهم در صنایع کشاورزی، بیوتکنولوژی و بالینی است که شامل آمونیاک (NH_۳) و یون‌های آزاد آمونیوم (⁺NH_۴) است که ترکیب آن در درجه اول به pH آب بستگی دارد. به این صورت که در pH کمتر از ۸.۷۵، یون‌های آمونیوم به شکل غالب هستند. اما در pH بالاتر از ۹.۷۵، نیتروژن آمونیاکی عمدتا به شکل NH_۳ وجود دارد. آمونیاک و نمک‌های آن به راحتی در آب حل می‌شوند و می توانند خورنده و خطرناک باشند. اما باید بدانید که غلظت بالای آمونیاک می‌تواند به طور قابل توجهی بر محیط زیست تاثیر بگذارد. منظور از غلظت‌های بالا در این جا، غلظت‌های بیشتر از ۰.۵ مولار است. در محیط های طبیعی، آمونیوم فرم غالب است. در این محیط‌ها آمونیاک کمتر از یک چهارم آمونیوم است.

مطالعه مقاله اسپکتروفتومتری در آنالیز آب و کاربردهای زیست محیطی

درست است که غلظت آمونیاک از آمونیوم کمتر است، اما همان مقدار کم هم بسیار مضر است و باید به دقت مورد مطالعه قرار گیرد. خوب است بدانید که مقدار سمی بودن نیتروژن آمونیاک در آب به طور عمده‌ای از آمونیاک محلول ناشی می‌شود. غلظت‌های بالاتر آمونیوم و آمونیاک باعث رشد سریع جلبک‌ها و پلانکتون‌ها می‌شود که می‌تواند به کل اکو سیستم آبی آسیب برساند. از طرف دیگر کاهش متعاقب جمعیت جلبک‌ها باعث افزایش مقدار مواد آلی محلول شده و تنفس میکروبی را تقویت می‌کند. در نتیجه این امر، میزان اکسیژن محلول کاهش پیدا می‌کند. این آب‌های بدون اکسیژن حساسیت ماهیان دریایی و بی‌مهرگان را افزایش می‌دهد. قطعا می‌دانید که علاوه بر همه این‌ها، آمونیاک و نمک‌های آن برای انسان، ماهی و سخت پوستان سمی است و تاثیر نامتناسبی بر موجودات آبزی می‌گذارد. از ضررهای دیگر آمونیاک می‌توان به این اشاره کرد که آمونیاک در طول رشد و نوزادی ماهی‌ها و لاروهای بی‌مهرگان بسیار مضر است و تجمع آن در خون می‌تواند منجر به انقراض کل جمعیت شود. بسیاری از اکو سیستم‌ها و شیلات مهم در سراسر جهان از این نظر مورد تهدید قرار می‌گیرند.

آمونیاک می‌تواند تحت شرایط خاصی به نیتریت و نیترات تبدیل شود که هر دو اثراتی سمی دارند. از طرف دیگر نیتروژن آمونیاکی از لحاظ اکولوژی محیطی مهم است.

تا به این جای کار با اهمیت بیان مسئله آشنا شده‌ایم. با هم به این نتیجه رسیدیم که بررسی و شناسایی میزان نیتروژن آمونیاکی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. پس از این مقدمه به سراغ این موضوع می‌رویم که برای این شناسایی چه روش‌هایی متداول است و سپس به معرفی روش شناسایی نیتروژن آمونیاکی در آب با استفاده از فلورسانس می‌رویم.

شناسایی آمونیاک بر مبنای روش‌های اپتیکی

یکی از این روش‌های شناسایی با استفاده از نور است. روش‌های تشخیص در شناسایی نوری بر اساس خواص نوری مواد مختلف است. معمولا شناسایی نیتروژن آمونیاکی در آب با استفاده از این روش‌ها شامل روش اسپکتروفتومتری IPB، فلورسانس، شناسایی با فیبر نوری و … است. اکثر این تکنیک‌ها نیاز به reagent یا همان معرف دارند.

طیف سنجی فلورسانس در شناسایی آمونیاک

شما می‌توانید تا حدودی با طیف سنجی فلورسانس در مقاله انواع روش های طیف سنجی آشنا شوید. برای شناسایی فلورسانس آمونیاک، نیتروژن آمونیاکی را می توان با o-phthalaldehyde (OPA) و سولفیت سدیم در یک محیط قلیایی واکنش داد تا یک ترکیب فلورسنت ایجاد کند (شکل ۲). پس از آن ترکیبی که در اثر این واکنش تشکیل می‌شود با جذب انرژی خارجی، یک نور با طول موج و شدت خاصی از خود منتشر می‌کند. این شدت با غلظت ماده یک رابطه مستقیم دارد. این روش به دلیل حساسیت بالا برای شناسایی نیتروژن محبوب است و یکی از روش‌های اصلی در بسیاری از مطالعات است.

**شکل ۲: مکانیزم تشخیص آمونیاک بر مبنای OPA sulfite**

جدول ۲ یک بررسی کلی از تحقیقات انجام شده در سال‌های اخیر را نشان می‌دهد. بهینه سازی این معرف‌ها یکی از رایج‌ترین مسیرها برای دستیابی بهتر به محدودیت‌های شناسایی است.

**جدول ۲: روش‌های شناسایی نیتروژن آمونیاکی بر مبنای فلورسانس**

معرفی تعدادی reagent

وجود آب فوق خالص می‌تواند مانع استفاده از (MOPA) 4-methoxyphthalaldehyde به عنوان یک معرف فلورسنت شود. ماده ((dimethoxyphthalaldehyde)-4,5) یا (M_۲OPA)، ساختاری شبیه به ساختار مولکولی MOPA دارد. با این تفاوت که میزان حساسیت شناسایی این ماده در مقایسه با MOPA بالاتر است. به عبارتی LOD از µM به nM می‌رسد و سرعت واکنش به شدت افزایش پیدا می‌کند. فلوروفورهای ایده‌آل برای اندازه‌گیری‌های طولانی مدت، موادی باید باشند که ساختارشان در برابر نور فوق العاده پایدار باشد. رنگدانه‌های aza-BODIPY از این دسته از مواد به حساب می‌آیند. ماده دیگری به نام DBBA برای شناسایی ammonia نیز استفاده می‌شود که مزیت‌های آن تکرار پذیری و برگشت پذیری آن است.
کوانتوم دات‌ها (QDs) نسبت به رنگدانه‌هایی که قبلا مورد استفاده قرار می‌گرفتند و یا پروتئین‌های فلورسنت مقاومت photobleaching قوی‌تری دارند. طیف جذبی پهن، طیف نشری باریک و ضریب‌های خاموشی با مولار بالا از دیگر ویژگی‌های این مواد است. پروب‌های کوانتوم دات CdTe/ZnS برای شناسایی ساده و سریع آمونیوم در محلول‌های آبی مورد استفاده قرار می‌گیرد که مطالعات یک ارتباط خطی خوب بین غلظت یون‌های آمونیوم با مقدار نور منتشر شده را نشان می‌دهد. یک نمونه از طیف فلورسانس و رابطه خطی بین شدت و غلظت را می‌توانید در شکل زیر مشاهده کنید.

مطالعه مقاله کنترل کیفیت رنگ نوشابه با رنگ سنج

**شکل ۳: رابطه خطی میان غلظت آمونیوم و تغییرات شدت فلورسانس**

برای شناسایی آمونیاک در نمونه‌های محیطی، مشکلات عمده شامل غلظت طبیعی کم نیتروژن آمونیاک و پیچیدگی ماتریس نمونه می‌شود. برای رهایی از این مشکلات روش‌های دیگری را توسعه داده‌اند که بر مبنای همین روش است. این روش‌های توسعه یافته برای کاربردهای تجاری مناسب‌تر هستند. اگر در این رابطه نیاز به اطلاعات بیشتری دارید، با کارشناسان شرکت تکسان تماس بگیرید.

شناسایی نیتروژن آمونیاکی با یک پروب فلورسانس

نکته‌ای که باید به آن اشاره کنیم این است که در این سیستم‌ها، یکپارچگی حائز اهمیت است. سیستمی که شما از آن استفاده می‌کنید باید به گونه‌ای طراحی شده باشد که بتواند سیگنال‌های ضعیف فلورسانس را هم تشخیص دهد. دانشمندان در این راستا یک سنسور فلورسانس بسیار حساس را برای شناسایی غلظت‌های بسیار کم نیتروژن آمونیاکی در آب‌های طبیعی توسعه داده‌اند. این سیستم با استفاده از یک LED، آشکارساز فتودیود و قرار دادن یک بیم اسپلیتر دیکروئیک کوچک (dichroic beam splitter) در مسیر نوری طراحی شده که در یک مخزن کوچک قرار گرفته است.
این روش نسبت به دیگر روش‌های شناسایی فلورسانس تنها به یک پروب فلورسانس نیاز دارد و دیگر نیازی به HPLC نیست.
به طور کلی شناسایی با فلورسانس به طور گسترده‌ای در بسیاری از روش‌های تشخیصی مورد استفاده قرار می‌گیرد. بهینه سازی معرف‌های مرتبط و اصلاح مواد یا بهبود عملکرد فیلم‌ها، می‌تواند برای افزایش دقت، حساسیت و selectivity شناسایی نیتروژن آمونیاکی مورد استفاده قرار گیرد. هم چنین در این روش حساسیت نسبت به تغییر دما و PH محیط وجود دارد. اما در اثر fluorescence inner filter مقداری بازه شناسایی این روش محدود می‌شود.
سایر روش‌های مبتنی بر فلورسانس ممکن است که میزان تداخل در شناسایی‌ها را کم کنند اما عملکرد شناسایی را دشوار می‌کنند. به طور مثال تکنیک‌های flow پیوسته با تمام مزایایی که دارند، معرف و نمونه‌ها را هدر می‌دهند و برای آنالیزهای in-situ بلند مدت مناسب نیستند. علاوه بر این در روند شناسایی تداخل‌هایی ایجاد می‌کنند که اجتناب ناپذیر است.

جمع بندی

در این مقاله با هم شناسایی آمونیاک بر مبنای روش‌های اپتیکی را بررسی کردیم. پس از آن به این موضوع پرداختیم که طیف سنجی فلورسانس در کجای کار این شناسایی قرار می‌گیرد. با تعدادی reagent در این زمینه آشنا شدیم و در نهایت شناسایی نیتروژن آمونیاکی با یک پروب فلورسانس را به عنوان یک روش بهینه و مناسب معرفی کردیم.