انتخاب روش آنالیزی

    همان طور که در قسمت روش های آنالیز مواد توضیح داده شد، روش های بسیاری برای اندازه گیری کمی و کیفی مواد شیمیایی در دسترس هستند و با گسترش تکنولوژی روش های تخصصی تر و کارامدتری ارائه شده و مورد استفاده قرار خواهند گرفت. انتخاب روش آنالیزی مناسب مهم ترین گام در آنالیز درست مواد به شمار می رود.

انتخاب روش آنالیزی مناسب برای نمونه

   یکی از سوالات اولیه در آنالیز مواد پاسخ به این پرسش است که برای نمونه مورد نظر یا شناسایی کمی و کیفی آنالیت مورد نظر چه روش  آنالیزی مناسب خواهد بود؟ و یا از بین چند روش آنالیزی کدام مناسب تر خواهد بود؟.

متاسفانه معیار دقیق و جامعی برای انتخاب یک روش آنالیزی مناسب وجود ندارد.

   هر روش آنالیزی برای یک آنالیت خاص در یک ماتریس خاص کاربرد دارد. مثلا برای اندازه گیری آهن، هر یک از روش های وزن سنجی، روش جذب اتمی، روش نشر اتمی، طیف سنجی جرمی، XRF و TXRF و .. قابل استفاده هستند. ملزومات خود آنالیز تعیین کننده بهترین روش آنالیزی هستند. مثلا برای اندازه گیری آهن در نمونه ادرار، روش وزن سنجی روش مناسبی نخواهد بود چون غلظت آهن در نمونه ادرار پایین است یا تعیین درصد خلوص سنگ آهن با روش جذب اتمی نتایج دقیقی به دست نمی دهد.

معیارهای انتخاب روش آنالیزی مناسب

   فاکتورهای بسیاری در انتخاب یک روش آنالیزی نقش دارند. اولین پارامتر مهم این است که شما بدانید دقیقا به چه نتایجی نیاز دارید. این که به طور شفاف و هدف مند بدانید که چه چیزی در مورد نمونه برای تان مهم است، تاثیر بسیاری در انتخاب روش آنالیزی دارد. نوع نمونه، خصوصیات نمونه، حد تشخیص موردنیاز برای آنالیت موردنظر، صحت، دقت، دسترسی به دستگاه، دسترسی به استانداردها، مواد و معرف های لازم و .. از عوامل بسیار تاثیرگذار در انتخاب روش آنالیزی هستند.

به طور کلی برای انتخاب یک روش آنالیزی مناسب پارامترهای آنالیزی زیر را باید مد نظر قرار داد.

• صحت
• دقت
• حساسیت
• انتخاب پذیری
• استحکام (Robustness/Ruggedness)
• زمان آنالیز
• مقیاس های عملکردی (Scale of Operation)
• هزینه آنالیز
• در دسترس بودن دستگاه

صحت و دقت دو پارامتر مهم در انتخاب روش آنالیزی هستند. صحت یک روش به عوامل متعددی وابسته است از جمله سیگنال منبع، حساسیت دستگاه یا روش آنالیزی و حضور گونه های مزاحم در نمونه. در کل در روش هایی که بر آنالیز کلی نمونه متکی هستند، مثل روش های تیتراسیون و وزن سنجی، نتایج با صحت بالاتر به دست می آید چون جرم و حجم را می توان با صحت بسیار خوبی اندازه گرفت.

  دقت یک روش به پارامترهای مختلفی چون عدم قطعیت (uncertainty) در اندازه گیری سیگنال و روش نمونه برداری وابسته است.

 دقت اگرچه پارامتر مهمی ست که معیاری از نزدیکی نتایج به دست آمده از تکرار آنالیز است، اما توجه شود که دقت هیچ ربطی به صحت ندارد. یعنی ممکن است مثلا نتایج اشتباه به علت  حضور  گونه مزاحم بارها تکرار شود که سبب تولید نتایج اشتباه با تکرارپذیری (دقت) بالا می شود.

   حساسیت روش نیز فاکتور مهمی در انتخاب روش محسوب می شود. معمولا حساسیت  با حد تشخیص اشتباه گرفته می شود.اما  دقت شود حساسیت معیاری از توانایی روش برای تشخیص تفاوت های کوچک غلظتی در نمونه های مختلف است، اما حد تشخیص کمترین مقدار یا کمترین غلظت از جزء مورد نظر است که با دقت و صحت قابل قبول در شرایط آزمایش قابل اندازه گیری با دستگاه آنالیزی باشد.

   ویژگی و انتخاب پذیری روش آنالیزی نیز باید مورد توجه قرار گیرد. اگرچه تعداد روش هایی که برای یک آنالیت خاص ویژه باشند، بسیار محدود است اما چون تاثیر مزاحمت ها در اندازه گیری آنالیت موردنظر بسیار کم است، روش های مورد توجه و پرطرفداری به حساب می آیند. مانند روش های فلورسانس که به طور ویژه به آنالیت فلورسنت پاسخ می دهند.

   انتخاب پذیری واژه ای ست که در راستای توسعه روش های آنالیز حساس تر با قابلیت تشخیص بهتر که اندازه گیری آنالیت موردنظر را با تداخل (مزاحمت) کمتر میسر می کند، کاربرد بیشتری پیدا می کند. توجه شود اندازه گیری فلزات با روش های اسپکتروسکوپی شامل نشر اتمی و جذب اتمی، اساسا یک روش انتخابی ست چون طول موج نشری یا طول موج جذبی هر عنصر فلز مختص همان یون فلزی ست. اما در روش های کروماتوگرافی از انواع روش ها شامل واکنش های شیمیایی (chemical reactions)، جذب سطحی (adsorption to surfaces)، واکنش های تجمعی (associate formation) و ..برای افزایش انتخاب پذیری استفاده می شود.

   یک روش آنالیزی باید نتایج قابل اعتمادی فراهم کند. یعنی باید تکرارپذیری مناسبی در شرایط متفاوت آزمایشگاهی یا محیطی داشته باشد. این خصیصه با واژه استحکام (Robustness/Ruggedness) تعریف می شود. در بسیاری از متون واژه استحکام (ruggedness) معادل همان Robustness به کار می رود و این دو را مترادف هم در نظر می گیرند.

   متاسفانه معمولا انواع مزاحمت های فیزیکی، محیطی یا شیمیایی به روش های آنالیزی تحمیل می شود که منجر به عدم قطعیت در پاسخ نهایی روش آنالیزی خواهند شد. وقتی یک روش عاری از این مزاحمت ها باشند و تاثیری بر نتایج آنالیزی آنها نداشته باشد و بتوان روش آنالیزی را برای آنالیت موردنظر در ماتریس های مختلف استفاده کرد، روش را محکم (Robust) می نامند.

مقیاس عملکردی

یک معیار دیگری که گزینش روش مناسب برای آنالیز یک ماده را محدود می کند، مقیاس عملکردی (Scale of Operation) روش است.

این پارامتر سه محدودیت هر روش را مشخص می کند که عبارتند از:

-مقدار نمونه مورد نیاز

-غلظت مورد انتظار آنالیت در نمونه

– حداقل آنالیت  در نمونه که می تواند سیگنال قابل اندازه گیری ایجاد کند.

 اندازه نمونه و غلظت آنالیت در نمونه در بسیاری از مواقع تعیین کننده روش آنالیزی هستند. شکل 1 مقیاس عملکردی را با رسم اندازه نمونه (sample size) به غلظت آنالیت را نشان می دهد.

به طور کلی اندازه نمونه به چهار دسته تقسیم شده اند: ماکرو (Macro) برای نمونه های با وزن بیشتر از 100 میلی گرم (0.1 گرم)، مزو (Meso) برای نمونه های با وزن 100-10 میلی گرم، میکرو (Micro) برای نمونه های با وزن 10-0.1 میلی گرم و اولترامیکرو (ultramicro) برای نمونه های با وزن  کمتر از 0.1 میلی گرم.

  یک تقسیم بندی دیگر نیز بر اساس غلظت آنالیت در نمونه تعریف شده است. در این تقسیم بندی  چهار دسته کلی آنالیز در نظر گرفته شده است که عبارتند از آنالیز اصلی (Major analysis) با مقادیر بیشتر از 1 درصد وزنی/وزنی (%w/w) از آنالیت مورد نظر، آنالیز کم (Minor analysis) با مقادیر بین 1-0.01 درصد وزنی/وزنی (%w/w)، آنالیز جزیی (Trace analysis) با مقادیر بین 0.01-^7-10 درصد وزنی/وزنی (%w/w) و آنالیز بسیار جزیی (Ultratrace analysis) با مقادیر کمتر از^7-10 درصد وزنی/وزنی (%w/w) از آنالیت مورد نظر.

 

 در شکل 1 خطوط  قطری که دو محور را را به هم وصل می کند، اندازه نمونه و غلظت آنالیت که جرم آنالیت یکسان دارد، را نشان می دهد. مثلا یک نمونه 1گرمی که حاوی 1% وزنی/وزنی از آنالیت است، معادل 10میلی گرم آنالیت در 100 میلی گرم نمونه است و یا اگر درصد وزنی وزنی آنالیت 10% باشد، برابر با 10 میلی گرم آنالیت در 100 میلی گرم نمونه است.

 از این شکل برای تعیین محدودیت های روش آنالیزی می توان استفاده کرد. اگر حداقل سیگنال قابل تشخیص روش معادل 10میلی گرم آنالیت باشد، بهتراست که آنالیز اصلی (Major analysis) در نمونه ماکرو یا مزو انجام شود. و اگر بخواهیم آنالیتی با غلظت 0.1% وزنی/وزنی اندازه گیری شود، به 10 گرم نمونه مورد نیاز است. از نظر آنالیزی کار با 10 گرم نمونه عملی نیست. به عبارت دیگر نمونه های کم حاوی مقادیر جزیی (Trace) با محدودیت های بسیاری برای انتخاب روش آنالیزی همراه اند. 1میلی گرم نمونه با ^4-10 درصد وزنی/وزنی حاوی فقط 1نانوگرم آنالیت خواهد بود. اگر بتوان نمونه را در 1میلی لیتر محلول حل کرد، به روش آنالیزی نیاز است که بتواند به طور قابل اعتمادی مقادیر 1ng/mL را شناسایی کند.

انتخاب نهایی روش آنالیزی

  متاسفانه همان طور که گفته شد، یک روش سرراست با چارچوب مشخص برای انتخاب نهایی روش آنالیزی قابل تعریف نیست. تمام پارامترهایی که در بالا توضیح داده شد نیز پارامترهای مستقلی نیستند. کار با نمونه هایی با اندازه کمتر(کوچک تر) یا بهبود انتخاب پذیری روش منجر به کاهش دقت روش می شود. کاهش هزینه و زمان آنالیز اغلب سبب کاهش صحت نتایج می شود. بنابراین انتخاب یک روش درست نیاز به متعادل کردن معیارهای مدنظر محقق یا تجزیه گر (analyst) دارد.

 اغلب صحت و درستی نتایج مهم ترین معیار انتخاب روش در نظر گرفته می شود. و روشی که صحت بیشتری دارد، روش ارجح تری خواهد بود. در مواقعی که نیاز به آنالیز فوریست، مانند نمونه های آزمایشگاه های کلینیکی، زمان آنالیز بسیار تعیین کننده است. در برخی موارد نیز خواص نمونه تعیین کننده بهترین روش آنالیزی خواهد بود. به عنوان مثال یک نمونه با ماتریس پیچیده، نیاز به روشی با انتخاب پذیری بالا برای جلوگیری و حذف مزاحمت ها دارد. نمونه هایی که مقدار آنالیت در آنها در حد جزیی (trace) یا بسیار جزِیی (Ultratrace) ست ممکن است نیاز به روش های تغلیظ داشته باشند.

   به عنوان مثال تعیین مقدار سرب در آب آشامیدنی نیاز به روشی دارد که بتواند سرب را در مقادیر (ppb) اندازه گیری کند و به علت وجود چندبرابری یون فلزات دیگر در آب، انتخاب پذیری مناسبی هم برای سرب داشته باشد. گزینه های اولیه آنالیزی عبارتند از طیف سنجی جذب اتمی شعله، روش ICP-AES، روش های طیف سنجی جرمی مانند ICP-MS، روش TXRF. اما از بین این روش ها طیف سنجی جذب اتمی با کوره گرافیتی از نظر حساسیت، حد تشخیص، هزینه و در دسترس بودن دستگاه بهترین گزینه ممکن خواهد بود. اما در صورت عدم دسترسی به این روش آنالیست مجبور به استفاده از روش های پیش تغلیظ خواهد بود تا بتواند نمونه را با روش طیف سنجی جذب اتمی شعله اندازه گیری کند.

  توجه کنید که اگر اندازه گیری سرب در خون مد نظر باشد، در این صورت محدودیت اندازه نمونه نیز اضافه خواهد شد. که البته باز هم طیف سنجی جذب اتمی با کوره گرافیتی، که مصرف نمونه در حد میکرولیتر دارد، گزینه مناسب آنالیز سرب در نمونه های خون نیز خواهد بود.