مایکروویو دایجسشن؛ انقلابی در آماده‌سازی نمونه برای تحلیل عنصری

مجموعه: ابزار و ماشین آلات

مایکروویو دایجسشن نمونه‌های جامد را به محلول برای تحلیل عنصری تبدیل می‌کند

مایکروویو دایجسشن: ابزاری ضروری برای هر آزمایشگاه

مایکروویو دایجسشن (Microwave Digestion) یا هاضم نمونه، یک تکنیک شیمیایی پیشرفته است که برای تجزیه نمونه‌های جامد به محلول‌های مناسب جهت تحلیل عنصری کمی به کار می‌رود. این روش، نمونه‌ها را با استفاده از انرژی مایکروویو در ظروف بسته و تحت فشار و دمای بالا، در حضور اسیدهای قوی هضم می‌کند. این فناوری عمدتاً برای آماده‌سازی نمونه‌ها جهت تکنیک‌هایی مانند طیف‌سنجی جرمی پلاسمای جفت‌شده القایی (ICP-MS)، طیف‌سنجی جذب اتمی (AAS) و طیف‌سنجی گسیل اتمی (AES) استفاده می‌شود.

با پیشرفت علم، این روش جایگزین روش‌های سنتی مانند هضم در آون یا خاکستر خشک شده و زمان آماده‌سازی را از ساعت‌ها به دقیقه‌ها کاهش داده است. در این مقاله، به بررسی کامل این فناوری می‌پردازیم.

دستگاه‌های مایکروویو دایجسشن با ظروف PTFE یا کوارتز کار می‌کنند

تاریخچه و توسعه

روش‌های سنتی آماده‌سازی نمونه، مانند حرارت دادن در آون برای حداقل ۲۴ ساعت یا خاکستر خشک در کوره مافل، زمان‌بر و پرخطر بودند. در دهه ۱۹۷۰، با ظهور فناوری مایکروویو، اولین سیستم‌های هضم مایکروویو توسعه یافتند. شرکت‌هایی مانند CEM و Anton Paar پیشگامان این زمینه بودند. Anton Paar با بیش از ۵۰ سال تجربه در آماده‌سازی نمونه، سیستم‌هایی مانند Multiwave را معرفی کرد که ایمنی، کارایی و انعطاف‌پذیری بالایی دارند. امروزه، این فناوری با استانداردهایی مانند روش‌های EPA (سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا) و USP (فارماکوپه ایالات متحده) همخوانی دارد و در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای یافته است.

اصول کار مایکروویو دایجسشن

مایکروویو دایجسشن بر پایه جذب انرژی مایکروویو توسط مولکول‌های قطبی (مانند آب یا اسیدها) عمل می‌کند. این انرژی باعث ارتعاش مولکولی و تولید گرما می‌شود، که دما و فشار داخل ظرف را افزایش می‌دهد. نمونه جامد با اسیدهای قوی مانند نیتریک، هیدروکلریک یا هیدروفلوئوریک ترکیب شده و در ظروف بسته PTFE (تفلون) قرار می‌گیرد. تحت دما (تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد) و فشار (تا ۱۹۹ بار)، ترکیبات آلی به گاز تبدیل شده و عناصر فلزی حل می‌شوند. این فرآیند، سرعت تجزیه حرارتی را افزایش داده و حلالیت عناصر را بهبود می‌بخشد. دستگاه‌ها با برنامه‌ریزی دما و زمان، و نظارت بر فشار و دما از طریق حسگرهای مادون قرمز یا فیبر نوری، کنترل می‌شوند.

مایکروویو دایجسشن دقت و تمیزی بالایی در آماده‌سازی نمونه دارد

اجزای تشکیل‌دهنده دستگاه

دستگاه مایکروویو دایجسشن معمولاً شامل اجزای زیر است:

• بدنه اصلی: محفظه مایکروویو با سیستم ایمنی برای جلوگیری از نشت امواج.

• روتور نگهدارنده: برای قرار دادن چندین وسل (ظرف نمونه) به طور همزمان، مانند تا ۴۱ موقعیت در سیستم‌های پیشرفته.

• وسل‌ها (ظروف نمونه): ساخته‌شده از PTFE-TFM، کوارتز یا شیشه بوروسیلیکات، مقاوم در برابر اسیدها و فشار بالا. در مدل‌های Transform آرورا، از تفلون سخت برای توزیع یکنواخت امواج استفاده می‌شود.

• حسگرهای دما و فشار: برای پایش لحظه‌ای و کنترل ایمنی، همراه با شیر اطمینان برای تخلیه فشار اضافی.

• نرم‌افزار کنترل: برای تنظیم پارامترها، کتابخانه روش‌ها (مانند بیش از ۶۰۰ برنامه در Multiwave) و اتصال به دستگاه‌های خارجی مانند PC یا گوشی هوشمند.

روش کار دستگاه مایکروویو دایجسشن

فرآیند هضم ساده و سریع است:

1. نمونه جامد (تا ۴ گرم) را با اسید قوی در وسل بریزید و درب آن را ببندید.

2. وسل‌ها را در روتور قرار دهید و دستگاه را ببندید.

3. پارامترها (دما، فشار، زمان) را از طریق نرم‌افزار تنظیم کنید.

4. دستگاه انرژی مایکروویو را اعمال کرده و فرآیند را نظارت می‌کند.

5. پس از اتمام، محلول رقیق‌شده برای تحلیل آماده است.

در سیستم‌های Anton Paar مانند Multiwave 7101/7301/7501، از حفره تحت فشار (PDC) برای هضم همزمان نمونه‌های متنوع استفاده می‌شود، با ویژگی‌هایی مانند همزن برای نمونه‌های شناور و تمیزکاری خودکار.

مایکروویو دایجسشن برای عناصر فرار مانند جیوه مناسب است

مزایای مایکروویو دایجسشن

این روش مزایای متعددی نسبت به تکنیک‌های سنتی دارد:

• سرعت بالا: زمان هضم از ۲۴ ساعت به کمتر از یک ساعت کاهش می‌یابد.

• کارایی و تمیزی: کاهش حجم اسید موردنیاز، حذف آلودگی و بازیابی کامل‌تر عناصر.

• ایمنی: سیستم‌های ایمنی چندگانه، مانند خنک‌کننده داخلی و نرم‌افزار مقاوم در برابر خطا.

• انعطاف‌پذیری: امکان هضم همزمان چندین نمونه (تا ۴۱) با روش‌های استاندارد مانند EPA 3052.

• پایش لحظه‌ای: مشاهده دما، فشار و زمان برای کنترل کیفیت.

• هزینه پایین: کاهش مصرف مواد و انرژی، به ویژه در مدل‌های اقتصادی مانند Multiwave GO Plus.

در مقایسه با خاکستر خشک، این روش برای عناصر فرار مانند جیوه مناسب‌تر است و آلودگی کمتری ایجاد می‌کند.

عوامل مؤثر در انتخاب دستگاه

انتخاب دستگاه بستگی به نیازها دارد:

• توان خروجی: حداقل ۱۵۰۰ وات برای هضم سریع.

• ظرفیت و تعداد وسل: برای آزمایشگاه‌های پرحجم، سیستم‌هایی با ۱۲-۴۱ موقعیت.

• آستانه دما و فشار: تا ۳۰۰ درجه و ۱۹۹ بار برای نمونه‌های چالش‌برانگیز.

• جنس وسل: مقاوم در برابر خوردگی، مانند PTFE-TFM.

• ویژگی‌های اضافی: اتصال هوشمند (مانند VNC در Multiwave)، کتابخانه روش‌ها و سازگاری با استانداردهایی مانند ۲۱ CFR Part 11 برای صنایع دارویی.

• طراحی درب: درب از بالا برای تحمل فشار بالاتر.

کاربردهای مایکروویو دایجسشن

مایکروویو دایجسشن در صنایع متنوعی کاربرد دارد:

• محیط زیست: هضم خاک، لجن و پساب برای تحلیل فلزات سنگین (روش EPA 3051/3052).

• غذا و کشاورزی: بررسی عناصر در مواد غذایی، گیاهان و محصولات کشاورزی.

• دارویی و آرایشی: کنترل ناخالصی‌های عنصری طبق USP <232/233> و ICH Q3D.

• زمین‌شناسی و معدن: تجزیه سنگ‌ها، مواد معدنی و نفت خام.

• زیستی و پزشکی: هضم خون، ادرار، بافت‌های حیوانی یا انسانی.

• شیمی و پتروشیمی: تحلیل پلیمرها و مواد شیمیایی.

این دستگاه اغلب با ICP-MS یا AAS ترکیب می‌شود تا دقت تحلیل را افزایش دهد.

هاضم نمونه مایکروویو برای نمونه‌های محیطی و دارویی مناسب است

سوالات متداول

1. تفاوت مایکروویو دایجسشن با روش‌های سنتی مانند هضم در آون چیست؟

مایکروویو دایجسشن سریع‌تر (کمتر از یک ساعت در مقابل ۲۴ ساعت)، تمیزتر، با مصرف اسید کمتر و ایمن‌تر است. همچنین برای عناصر فرار مانند جیوه مناسب‌تر بوده و آلودگی کمتری ایجاد می‌کند.

2. چه اسیدهایی در فرآیند هضم استفاده می‌شوند؟

معمولاً از اسیدهای قوی مانند نیتریک (HNO₃)، هیدروکلریک (HCl) و هیدروفلوئوریک (HF) یا مخلوطی از آن‌ها (مانند آکوا رجیا) استفاده می‌شود، بسته به نوع نمونه.

3. ظرفیت وسل‌ها و تعداد نمونه‌ها در هر اجرا چقدر است؟ 

بسته به دستگاه، ظرفیت وسل‌ها از چند میلی‌لیتر تا ۶۰ میلی‌لیتر و تعداد نمونه‌ها از ۱۲ تا ۴۱ در هر اجرا متغیر است. 

4. چگونه از آلودگی در فرآیند هضم جلوگیری می‌شود؟ 

با استفاده از وسل‌های تمیز، هضم نمونه‌های خالی برای بررسی پس‌زمینه و روش‌های تمیزکاری خودکار دستگاه، آلودگی به حداقل می‌رسد.

5. آیا این دستگاه برای عناصر فرار مانند جیوه مناسب است؟ 

بله، بر خلاف روش خاکستر خشک، مایکروویو دایجسشن با ظروف مهر و موم‌شده (مانند کوارتز) از فرار شدن عناصر جلوگیری می‌کند.

6. چگونه دما و فشار در دستگاه کنترل می‌شود؟ 

حسگرهای مادون قرمز یا فیبر نوری دما را پایش می‌کنند و نرم‌افزار توان مایکروویو را تنظیم می‌کند. شیر اطمینان فشار اضافی را تخلیه می‌کند.

نتیجه‌گیری

مایکروویو دایجسشن تحولی در آماده‌سازی نمونه ایجاد کرده و با سرعت، ایمنی و دقت بالا، ابزاری ضروری در آزمایشگاه‌های مدرن است. با توسعه سیستم‌هایی مانند سری Multiwave، این فناوری آینده‌ای روشن در تحلیل عنصری دارد. برای کاربردهای خاص، مشورت با متخصصان شرکت‌هایی مانند Anton Paar توصیه می‌شود تا بهترین دستگاه انتخاب شود. این روش نه تنها زمان و هزینه را کاهش می‌دهد، بلکه کیفیت نتایج را نیز ارتقا می‌بخشد.

گردآوری:بخش دانش کسب و کار بیتوته