هم‌بستگی روش طیف‌سنجی نشری پلاسمای جفت شده القایی و فناوری نانو – بخش دوم

امروزه با پیشرفت روز افزون فناوری نانو در زمینه‌های مختلف، نیاز به آنالیزهای شیمیایی دقیق‌تر، افزایش یافته است و روش‌های آنالیزی مختلف در حوزه فناوری نانو، بسیارمورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از این روش‌های آنالیز، روش طیف‌سنجی است که به ‌طور گسترده و با امتیازات ویژه در زمینه آنالیزهای شیمیایی استفاده می‌شود. در این مقاله سعی شده‌است با تمرکز بر روش طیف‌سنجی نشری پلاسمای جفت شده القایی، ارتباط این روش با فناوری نانو مورد بحث قرار گیرد. همچنین كاربرد نانوذرات در آماده‌سازی نمونه مورد توجه قرار گرفته و در ادامه به تعدادی از كاربردهای دستگاه  ICP-OESدر زمینه فناوری نانو مانند، آناليز نمونه هاي حاصل از پيش تغليظ عناصر با نانوذرات، اناليز نمونه حاصل از تمیز سازی با نانوذرات و غيره اشاره، وسعی شده‌‌‌است با توجه به كارایی بالای این روش و پیشرفت روزافزون فناوری نانو،كاربرد متقابل این دو مورد توجه قرار گیرد و در نهایت راهكاری مناسب برای استفادة هر چه بهتر از این فناوری‌ها پیشنهاد شود.

در بخش ابتدایی این مقاله به موضوعات فناوری نانو و علم نانو در شیمی تجزیه، کاربرد نانوذرات در فرایند آماده‌سازی نمونه، کاربردهای مختلف نانوذرات، کاربرد نانوذرات در استخراج فاز جامد (SPE)، کاربرد نانوذرات در استخراج میکروفاز جامد (SPME)، كاربرد نانوذرات به عنوان شبه ‌فاز ساکن در دستورالعمل استخراج، کاربرد نانوذرات در فیلتراسیون، کاربرد نانوذرات در طیف‌سنجی جرمی یون ثانویه، کاربرد نانوذرات برای تصفیه آب،خاک و پساب و ICP-OES چیست؟ پرداخته شد.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- فناوری نانو و ICP-OES
1-1- کاربرد ICP-OES برای آنالیزنانومواد
2-1- كاربرد نانومواد به عنوان جاذب برای پیش‌تغلیظ و جداسازی عناصر دربافت‌های مختلف و آنالیز آنها با ICP-OES
1-2-1- پیش‌تغلیظ پیوسته و اندازه‌گیری هم‌زمان مقادیر بسیار کم عناصر در نمونه‌های زیست ‌محیطی با استفاده از ستون پر شده از نانوآلومینای اصلاح شده با ICP-OES:
2-2-1- جداسازی و پیش ‌تغلیظ مقادیر بسیار کم Cr،Cu،Pb در نمونه‌های زیست‌ محیطی:
3-2-1- استخراج فاز جامد
4-2-1- دستورالعمل بهینه‌سازی کاربرد نانوذرات مگنتیتی برای اندازه‌گیری منگنز در نمونه‌های حبوبات:
3-1- اندازه‌گیری نانوذرات طراحی شده در منسوجات و فاضلاب نساجی
4-1- سامانه تزریق نمونه ذرات در طیف‌سنجی نشری پلاسمای جفت‌شده القایی
5-1- تعيين دانسیته فشرده‌سازي لیگاند روی نانوذرات طلا با استفاده از ICP-OES
6-1- کاربرد نانوکامپوزیت نانولوله کربنی پوشیده شده با چند لایه مگنتیت برای حذف غلظت‌های بالای آرسنیک و نمک‌زدایی آب دریا
7-1- پوشش چندلایه نانوذرات طلا با كمك جاذب پليمر- دارو
8-1- حذف کروم در آب با استفاده از نانوذرات آهن صفر ظرفیتی
2- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
بحث و نتیجه‌گیری

دیدگاه اول، بیشتر در مورد کاربرد فناوری نانو در زمینه سخت‌افزاری دستگاه‌های ICP-OES است که در منابع علمی مورد خاصی اشاره نشده است. البته لازم به ذکر است که در زمینه ICP، از نانومواد برای اچ کردن استفاده شده‌است. ICP-etching برای اچ كردن حفره‌های بلوري فوتونی كه در ساختارهای لیزری كاربرد دارند و همچنین در لیتوگرافی مقیاس نانو استفاده می‌گردد. لیتوگرافی در مقیاس نانو، یك روش انعطاف پذیر، متنوع و كارآمد برای ايجاد ساختارهایی با ابعاد كوچكتر از 10 نانومتر است كه كاربردهای زیادی در نیمه‌هادی‌ها، اجسام سیال مانند نانویی، وسایل نوری و لیزر دارد [6].
دیدگاه دوم، شامل فعالیت‌هایی از جمله آنالیز نانومواد مختلف به منظور تعیین مقدار آنهاست. کاربرد دیگر، استفاده از نانومواد براي پیش‌تغلیظ و جداسازی عناصر بافت‌های مختلف، به‌ويژه در زمینه آب و بافت‌های مشابه است که غلظت عناصر در آنها پایین است. برای شناسایی بعضی عناصر در بعضی بافت‌ها، به دستگاه‌های با حد تشخیص پایین مثل ICP-MS و یا دستگاه جذب اتمی با کوره گرافیتی، نیاز است. در حالی‌که استفاده از نانومواد برای پیش‌تغلیظ، اندازه‌گیری مقادیر کم عناصر با ICP-OES را امکان‌پذیر می‌سازد. در ادامه تعدادی از این کاربردها به اختصار بيان می‌گردد.

مشابه آنالیز سایر مواد با ICP-OES، برای آنالیز نانوذرات نيز نیاز است که نمونه هضم شود و اتم‌ها به طور یکنواخت تبخیر شوند. اگر فلز حاوی نانوذره با استفاده از اسید قوی هضم نشود، ممکن است تبخیر شدن بعضی از ذرات به تعویق بيافتد. در این حالت با اینکه آنالیت در نمونه حضور دارد، ولی شناسایی نمی‌شود و نتایج اشتباه می‌شود. نانوذرات اغلب با لایه محافظی از لیگاندهای آلی پوشیده شده‌اند که این لایه باید حذف شود. به‌ علاوه این‌که حلال استفاده شده برای این نانوذرات ممکن است حلال‌های آلی باشند که آن نیز باید حذف شود. حلال‌های آلی مختلف، فشار بخار پایین دارند. بنابراین حذف حلال به سادگی با حرارت دادن نمونه امکان‌پذیر است. برای حذف لیگاند آلی همراه نانوذره، می‌توان از اسید کلريدریک استفاده کرد. این اسید قوی، به سرعت لیگاندهای آلی را می‌شکند. برای هضم ذرات و وارد شدن فلز به داخل محلول، غالبا اسید نیتریک غلیظ استفاده می‌شود. یک دستورالعمل بدین صورت است که 0/5 میلی‌لیتر از یک محلول نانوذره تغلیظ شده را با 9/5 میلی لیتر اسید نیتریک غلیظ مخلوط شود و برای چند روز در مکانی بماند و هضم شود، سپس 0/5 میلی لیتر از محلول هضم شده با 9/5 میلی لیتر آب مخلوط شود. دلیل استفاده از آب، حذف مزاحمت یون‌های موجود در آب است. نکته دیگری که درآنالیز نانوذرات با ICP-OES باید در نظر گرفت مسئله هم‌پوشانی طول موج‌هاست. انرژی نشر شده برای هر عنصر ویژه است، اما گاهی عناصر ساختار اتمی بسیار مشابهی دارند و بنابراین طول موج نشری مشابهی دارند. در این حالت انتخاب طول موج اختصاصی عنصر و انتخاب چند طول موج باید مورد توجه قرار گیرد. در بعضی موارد از ICP-OES برای تعیین اندازه نانوذرات استفاده می‌کنند. سیگنال شناسایی شده به‌ وسیله میزان ماده‌ای که در محلول حضور دارد، تعیین می‌شود. اگر محلول بسیار رقیق نانوذرات آنالیز شود، در هر لحظه یک ذره آنالیز می‌شود. یعنی در مه‌پاش كننده برای هر قطره یک ذره موجود است و شدت سیگنال بر اساس اندازه ذرات تغییر می‌كند. با این روش می‌توان گفت که ICP-OES را هم می‌توان برای تعیین غلظت نانوذرات و هم برای تعیین اندازه آنها استفاده کرد[ 7].

در این قسمت به طور مختصر به تعدادی از تحقیقات انجام شده در زمینه فناوری نانو با استفاده از دستگاه ICP-OES اشاره شده‌است.

دراین تحقیق لیگاند QAHBA برای اصلاح نانوآلومینا سنتز شده‌است. پس از اصلاح نانوآلومینا با این لیگاند و اثبات ساختار آن، لیگاند اصلاح شده داخل یک میکروستون پک شده و پیش‌تغلیظ پیوسته برای اندازه‌گیری هم‌زمان عناصر Ag،Pd،Au،Ga،In،Nb با کمک ICP-OES در نمونه‌های ژئوشیمیایی و زیست‌‌محیطي استفاده شده‌است. اثر PH، فلوریت نمونه، حجم نمونه، شویش و اثر یون‌های مزاحم بر آنالیت‌ها بررسی شده‌است [8].

در اين پژوهش، جداسازی و پیش ‌تغلیظ به‌وسیله استخراج فاز جامد با نانوذرات بیسموتیولIIو اندازه‌گیری آنها به ICP-OES انجام شده ‌است، پارامترهای مختلف مانند PH، حجم نمونه، غلظت حلال و حجم آن بررسی و بهینه شدند و مواد مرجع برای تایید روش استفاده شده و اعتبار روش را تایید كرده است [9].

مقادیر بسیار کم Ag،Cd،Cu و Zn در نمونه‌های زیست‌محیطی با استفاده از نانوذرات مگنتیت پوشیده شده با تری‌متوکسی سیلان 1-پروپانول اصلاح شده با 2-آمینو-5-مرکاپتو-1و3و4 تیادیازول و اندازه‌گیری آنها با ICP-OES؛ در این روش لیگاند اصلاح شده به‌ عنوان جاذب برای استخراج، پیش ‌تغلیظ و اندازه‌گیری مقادیر بسیار کم Ag،Cd،Cu وZn پیشنهاد شده‌است. ابتدا ساختار این جاذب به‌وسیلهSEM و FT-IR اثبات شده‌است و اندازه‌گیری عناصر به ‌وسیله ICP-OES انجام شده‌است [10].

در این مورد، نانوذرات اکسید آهن به ‌عنوان هسته و 1-2–پیریدازو-2-نفتول (PAN) به عنوان گروه تعویض یونی منگنز در نمونه‌های حبوبات، مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش، پیش‌ تغلیظ ساده و سریعی برای منگنز انجام می‌شود. منگنز با ICP-OES اندازه‌گیری شده و متغیرهای مختلف بهینه‌سازی شده‌اند. در این پژوهش از روش باکس-بن‌کن برای بهینه‌سازی استفاده شده‌است [11].

مواد نساجی طراحی شده با نانوذرات، دارای ویژگی‌های منحصر به ‌فردی مانند ضد باکتری و میکروب، مقاوم و محافظ در برابر آب هستند. صنعت نساجی به اهمیت مزایای استفاده از نانوذرات پی برده‌است و به همین خاطر در این زمینه به سرعت پیشرفت کرده است. این مطالعه به روش‌های مهم ردیابی نانوذرات طراحی شده در مواد نساجی و فاضلاب نساجی از دیدگاه محافظت از محیط زیست و سلامتی انسان پرداخته است. در این پژوهش، جداسازی نانوذرات از منسوجات و فاضلاب نساجی، مهمترین مرحلة آنالیز نانوذرات در منسوجات است. دستورالعمل استخراج نانوذرات از فاضلاب منسوجات، شامل استخراج مایع-مایع، استخراج سوکسله و استخراج فاز جامد است. در این نمونه‌ها مشکل اصلی بافت پیچیده است.
شناسایی نانوذرات در منسوجات و فاضلاب آنها با روش‌های مختلف آنالیز شیمیایی انجام می‌شود. عوامل فیزیکی و شیمیایی که برای شناسایی نانوذرات باید مورد توجه قرار گیرد، شامل اندازه، تعداد، هدایت الکتریکی، سطح ویژه، شیمی سطح، گروه‌های عاملی، نوع یونش، پارامترهای کوانتومی و بار، قابلیت حل شدن و آب‌گریزی است. نمونه‌های آماده شده با XRD،ICP-OES و SEM مورد بررسی قرارگرفته‌اند [12].

استفاده از سامانه تزریق ذرات، روشی جدید، نسبتا ارزان و کنترل شده با کامپیوتر است كه برای اندازه‌گیری نمونه‌های پودر شده برای اندازه‌گیری با ICP-OES است. این روش (PSI-ICP-OES) برای ذرات با وزنی در حدود نانوگرم است. در واقع PSI می‌تواند به ‌عنوان سیستم تزریق نمونه نانوذرات تلقی شود. PSI باعث ایجاد قابلیت ویژه در ICP-OESبرای مطالعات نانوذرات و تعيين توزیع اندازه ذرات استفاده می‌شود [13].

در این مورد، 3-مرکاپتوپروپیونیک اسید (MPA) روی نانوذرات طلا قرار داده شده‌است و دانسیته فشرده شدن با استفاده از ICP-OES تعيين شده‌است. اثر عوامل مختلف شامل آماده‌سازی نمونه (میزان سانتریفوژ، هضم، اندازه نانوذرات طلا و غلظت آن) بر بازیابی بررسی شده‌است. برای نانوذرات طلا با قطر 5، 10، 30 و 100 نانومتر، دانسیته فشرده‌سازی محاسبه شده، مستقل از اندازه نانوذرات طلا بوده است. در این پژوهش، از ICP-OES برای شناساییAu وS و محاسبه دانسیته فشرده‌سازی نانوذرات تیول‌دار شده، استفاده شده‌است. دانسیته فشرده‌سازی از نسبت جرمی Au و S که با ICP-OES اندازه‌گیری شده، محاسبه شده‌است [14].

نانوکامپوزیت مذکور به روش رسوب بخار شیمیایی سنتز شده‌است و به وسیله اکسیداسیون با هوا و مراقبت با اسید، خالص‌سازی شده‌است. پوشاندن نانو‌ذرات Fe₃O₄ روی گروه‌های عاملی نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWNTS) به‌وسیله روش‌های شیمیایی انجام شده و ساختار این نانوکامپوزیت (Fe₃O₄-MWNTS) با روش‌های مختلف اثبات شده‌است. فعالیت الکتروشیمیایی نانوکامپوزیت برای آرسنیت و آرسنات، با ولتامتری چرخه‌ای مطالعه شده و حذف این یون‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. کارایی این نانوکامپوزیت به‌وسیله ICP-OES آزمايش گردیده است. در این مقاله ذكر شده كه این نانوکامپوزیت قابلیت حذف دو نوع آرسنیک را دارد و همچنین می‌تواند نمک‌های آب دریا (سدیم، منیزیم و کلسیم) را حذف کند [15].

هدف این پژوهش، توسعه سامانه‌های حامل چندلایة دارو برای تحویل داروهای نامحلول در آب است. داروی به‌کار رفته، داروی ضد سرطان 5و10و15و20-تتراکیس(3-هیدروکسی فنیل) پیریدن (m-THPP)، است. نانوذرات طلا با قطر 14/5 ± 0/9 نانومتر آماده شده و عمل پوشش به صورت لایه لایه انجام شده‌است. دارو و پلی‌الکترولیت با بار منفی نمک سدیم پلی استیرن سولفونات، (PSS) به روش  خشک‌کن انجمادی، کمپلکس تشکیل داده است و راندمان كمپلكس شدن با دستگاه آناليز عنصري و UV/VIS تعيين شده است. کمپلکس نانوذره طلاي اصلاح شده با استفاده از روش‌های پتانسیل زتا، روش میکروسکوپ الکترونی عبوری، UV/VIS و ICP-OES، شناسایی شده‌است [16].

در این مورد، از بستر نانوذرات آهن صفر ظرفیتی كه به صورت ساكن قرار گرفته‌اند، برای حذف كروم 6 ظرفیتی در آب، خاك و بافت‌های شنی استفاده شده‌است. نتایج نشان داده‌است که حدود 0/08 گرم بر لیتر از نانوذرات آهن صفر ظرفیتی می‌تواند با سرعتی در حدود 34 میلی‌گرم بر لیتر، كروم 6 ظرفیتی را در آب كاهش دهد. امروزه كروم به مقدار زیاد در داخل آب‌های زیرزمینی ،خاك و به‌ویژه در پساب صنایع آبكاری، پردازش چرم مشاهده می‌شود. در این روش مشخص گردید که سرعت واکنش، ارتباط مستقیمی با کاهش اندازه ذرات دارد. در این مطالعه آزمون‌ها در سری‌های مختلف انجام شده‌است و مقادیر کروم 3 و 6 ظرفیتی و آهن، با استفاده ازICP-OES و جذب اتمی تعیین شده‌است [2].

2- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی

امروزه ICP-OES ابزارآنالیزی قدرتمندی است كه با مزایای منحصر به ‌فردی از جمله آنالیز هم‌زمان عناصر، دامنه خطی گسترده، امكان قرائت در طول موج‌های مختلف، امكان آنالیز عناصر دیرگداز و غيره، در زمینه‌های مختلف استفاده می‌گردد. با توجه به كارا بودن این روش، بدیهی است قابلیت‌های این دستگاه روز به روز افزایش خواهد یافت. امروزه باپیشرفت‌های روز افزون فناوری نانو و کاربرد آن در رشته‌های مختلف، به نظر می‌رسد استفاده از این فن در بخش سخت‌افزاری ICP-OES، اقدامات چندانی نشده است. بر این اساس، پژوهش در مورد استفاده از این فناوری، در قسمت‌های سیستم تزریق نمونه، اسپری چمبر، تزریق‌کننده و یا قسمت اسپکترومتر، می‌تواند به نتایج خوبی بیانجامد.
مورد دیگری که می‌تواند مورد توجه قرار گیرد، اهمیت آنالیزهای شیمیایی در عرصه‌های مختلف است که ممکن است در زمینه آنالیز نانومواد یا نانوذرات، دستورالعمل‌های متفاوتی برای آماده‌سازی و آنالیز نیاز داشته باشد. با توجه به این‌که زمان زیادی از رشد و پیشرفت فناوری نانو در زمینه‌های مختلف نمی‌گذرد، نکات مبهمی در مورد آنالیز آنها وجود دارد که حل آنها نیاز به تبادل نظر صاحب‌نظران و افرادی است که در استفاده و کاربرد این دستگاه‌ها تجربه کافی دارند که با هم‌ فکری و همکاری می‌توانند موانع را پیش سر بگذارند. در حال حاضر با توجه به فعالیت‌های انجام شده در شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو، گام‌های مثبتی در این زمینه برداشته شده‌است. تشکیل کارگروه‌های مختلف، از جمله کارگروه آنالیز عنصری، اقدام مفید و سازنده‌ای است که با همکاری اعضا، می‌تواند نقش بسیار مهمی در زمینه حل مسائل و انجام آنالیزهای دقیق‌تر، صحیح‌تر، سریع‌تر و کم هزینه‌تر داشته باشد.