تأثیر پارامترهای فیزیکی بر حجم توزیع شده توسط سمپلر جابه جایی هوا

در مقاله‌ی “اصول عملکرد سمپلر: سمپلر جابه‌جایی مثبت و سمپلر جابه‌جایی هوا” به‌طور کامل به بررسی سمپلرهای جابه‌جایی هوا پرداختیم.

از آنجایی که عملکرد سمپلرهای جابه‌جایی هوا^[۱] مبتنی بر جابه‌جایی بالشتک هوای^[۲] (حجم هوای مرده) موجود بین پیستون و نوک سمپلر است، عوامل فیزیکی نقش مهمی در عملکرد این سمپلرها ایفا می‌کنند. در حقیقت می‌توان گفت که نتایج آزمایشات به طور مستقیم تحت تاثیر چگالی نمونه، فشار بخار، ویسکوزیته و به ویژه تغییرات دمایی می‌باشد.

تاثیر چگالی

سمپلرهای جابه‌جایی هوا اغلب برای حجم‌برداری از محلول‌های آبی^[۳] مورد استفاده قرار می‌گیرند و به همین دلیل با استفاده آب مقطر^[۴] (به عنوان مایع آزمون^[۵]) تنظیم می‌شوند.

میزان انبساط حجم هوا (بالشتک هوا) در حجم‌برداری از مایعات مختلف متناسب با چگالی نمونه، متفاوت است (جدول ۱). این بدان معنا است که هنگام حجم‌برداری از نمونه‌هایی که چگالی آن‌ها نسبت به آب بیشتر است، مقدار نمونه‌ای که وارد نوک سمپلر می‌شود معمولاً کمتر از میزان مورد نظر می‌باشد (شکل ۱).

با توجه به این مسئله که با ایجاد تغییر در سیال (تغییرات دمایی، اختلاف از سطح دریا و …)، هر دو فاکتور فشار بخار و چگالی مایع دچار تغییراتی می‌شوند، ارزیابی تاثیر چگالی، به‌تنهایی و ‌صورت جداگانه، به‌صورت عملی ممکن نبوده و بررسی آن تنها از طریق مبانی نظری امکان‌پذیر است.

برای درک بهتر تاثیر چگالی بر میزان حجم‌برداری می‌توان مثال زیر را در نظر گرفت:

هنگامی که با استفاده از یک سمپلر با حجم نامی μlء۱۰۰۰ از متانول با چگالی (mg/l)ء۰/۷۹ حجم‌برداری می‌شود، انحراف حجم‌برداری به میزان (۰/۲+ء%) μlء۲/۰۲۲+ است. درحالی‌که این مقدار برای سولفوریک اسید غلیظ که چگالی آن (mg/l)ء۱/۸۴ می‌باشد، (۰/۷۸-ء%) μlء۷/۸۱۰- است.

این انحرافات حجم‌برداری تابعی از پارامترهای فشار هیدرواستاتیک^[۶] نمونه (ارتفاع ستون مایع) و حجم هوای مرده هستند.

در یک سمپلر، به دلیل افزایش حجم هوای مرده، هنگام حجم‌برداری از مقادیر کمتر، میزان انحراف نسبی بیشتر است. بنابراین چنانچه با استفاده از سمپلری با حجم‌نامی μlء۱۰۰ از یک نمونه به میزان ۱۰ میکرولیتر حجم‌برداری شود، خطای نسبی بیشتر از زمانی است که توسط همان سمپلر، از یک نمونه به میزان ۱۰۰ میکرولیتر حجم‌برداری گردد. البته در مورد محلول‌های آبی می‌توان از این تاثیر صرف نظر کرد. زیرا در حقیقت در عمل، اغلب نیاز به چنین سخت‌گیری‌هایی نیست و انحرافات ذکر شده در مورد محلول‌های آبی چندان مشکل‌ساز نیستند.

تاثیر ویسکوزیته

در فرایند حجم‌برداری و هنگام تخلیه‌ی برخی نمونه‌ها می‌توان از طریق مشاهده‌ی قطرات نمونه متوجه شد که برخی سیالات به سختی از نوک سمپلر خارج می‌شوند. این مسئله ممکن است باعث شود حجم قابل توجهی از نمونه در نوک سمپلر باقی بماند. علاوه‌بر نمونه‌هایی با ویسکوزیته‌ی بالا (مانند گلیسرول)، مواد فعال سطحی (مانند سورفکتانت‌ها و پروتیین‌‌ها) نیز ممکن است سبب بروز چنین مشکلاتی شوند. علاوه‌بر این تشکیل فوم را می‌توان یکی دیگر از مشکلات رایج هنگام حجم‌برداری از این نوع نمونه‌ها به شمار آورد.

 بهترین روش برای کاهش این اثر، استفاده از روش حجم‌برداری معکوس و همچنین آهسته انجام دادن مراحل حجم‌برداری است.

مرطوب کردن نوک سمپلر

مرطوب کردن نوک سمپلر به عملی گفته می‌شود که طی آن نوک سمپلر چندین مرتبه از نمونه پر و خالی می‌شود. این عمل هنگام حجم‌برداری از آب و یا محلول‌های آبی سبب می‌شود تا میزان بخار آب اشباع شده در نوک سمپلر و داخل سمپلر (بالشتک هوا) افزایش یابد و در نتیجه حجم برداری بهتر انجام شود.

چنانچه پیش از شروع یک حجم برداری مکرر، نوک سمپلر مرطوب نشود، میزان حجم توزیع شده در مراحل اول کمتر از میزان مورد نظر خواهد بود. اما با تکرار عمل حجم برداری، در حقیقت نوک سمپلر مرطوب شده و در مراحل آخر میزان حجم توزیع شده به میزان مورد نظر نزدیکتر خواهد شد. این مسئله به این دلیل رخ می‌دهد که در طی مراحل حجم‌برداری، رطوبت نسبی نوک سمپلر و سمپلر افزایش می‌یابد تا به یک میزان ثابت برسد.

به منظور افزایش رطوبت داخل سمپلر، لازم است تا نوک سمپلر پیش از حجم‌برداری چندین مرتبه مرطوب گردد. اما چنانچه حین حجم‌برداری از محول‌های آبی لازم است تا نوک سمپلر به صورت مداوم عوض شود، یک مرتبه مرطوب کردن نوک سمپلر (به منظور کاهش میزان تبخیر) کافی خواهد بود.

رطوبت نسبی محیط

با وجود اینکه مرطوب کردن نوک سمپلر پیش از حجم‌برداری اهمیت ویژه‌ای دارد، میزان حجم‌ توزیع شده تا حد زیادی به رطوبت محیط نیز وابسته است.

چنانچه میزان رطوبت نسبی محیط حجم‌برداری از ۸۰% به ۲۰% کاهش یابد. در این صورت میزان حجم‌برداری در موارد زیر به صورت زیر کاهش خواهد داشت:

• برای سمپلرهایی با حجم ۱۰ میکرولیتر: ۲/۱ الی ۳/۵ درصد کاهش
• برای سمپلرهایی با حجم ۲۰۰ میکرولیتر و با استفاده از نوک سمپلرهای زرد (میزان حجم هوای مرده‌ی کم): ۰/۳ الی ۰/۶ درصد کاهش
• برای سمپلرهایی با حجم ۲۰۰ میکرولیتر و با استفاده از نوک سمپلرهای آبی (میزان حجم هوای مرده‌ی بالا): ۰/۹ الی ۱/۲ درصد کاهش

اما باید توجه داشت که ممکن است خطاهای نسبی به ازای تغییرات کوچکی در رطوبت نسبی محیط رخ دهند (به طور مثال یک درصد تغییر). در چنین شرایطی می‌توان از این خطاهای کوچک چشم پوشی کرد.

تاثیر فشار بخار

هنگام استفاده از سمپلرهای جابه‌جایی هوا و حجم‌برداری از نمونه‌هایی که دارای فشار بخار بالایی هستند (مانند حلال‌ها)، نتایج آزمایشات از دقت و درستی کمتری نسبت به مقادیر تعیین شده برای آب مقطر برخوردار خواهد بود و میزان تاثیر تبخیر هنگام حجم‌برداری از این نمونه‌ها چشمگیر می‌باشد.

این امر به دلایل زیر رخ می‌دهد:

1. فشار بخار نمونه از فشار بخار آب بیشتر است
2. حجم هوای داخل نوک سمپلر در ابتدا کاملاً غیراشباع است

بنابراین به منظور دست یابی به حداکثر سطح اشباع ممکن در فضای بخار موجود درون سمپلر، لازم است تا نوک سمپلر به مدت طولانی (بیش از یک دقیقه) مرطوب شود. اما با این وجود نیز همواره میزان حجم توزیع شده از مقدار مورد نظر (حجم نامی سمپلر) کمتر خواهد بود (همواره درصدی از خطا وجود خواهد داشت).

تاثیر دمای سیستم ، اختلاف دما و شیب دمایی

چنانچه محیط، سمپلر و نمونه اختلاف دما نداشته باشند، میزان حجم‌برداری مستقل از دمای سیستم است. (مقداری از نمونه که توسط سمپلر حجم برداری می‌شود، تحت تاثیر دمای سیستم حجم‌برداری نیست). اما اختلاف دمای محیط آزمایش، نمونه و سمپلر، ممکن است باعث بروز خطاهای نسبتا بزرگی در فرایند حجم‌برداری شود.

زمانی که نوک سمپلر در داخل نمونه قرار دارد، هرگونه تغییر دمای جزئی در بالشتک هوای موجود در سمپلر ممکن است منجر به بروز خطاهای نسبتاً بزرگی شود. زیرا ضریب انبساط گرمایی هوا بالا است. برای درک بهتر این موضوع به مثال‌های زیر توجه کنید.

۱- چنانچه دمای سمپلر از دمای نمونه و محیط آزمایش بیشتر باشد، هنگام مکش نمونه، هوای مکش شده به درون نوک سمپلر، در اثر تماس با سمپلر انبساط می‌یابد. زمانی که نوک سمپلر داخل نمونه است، این انبساط حجمِ هوا، سبب خارج شدن نمونه از نوک سمپلر و در نهایت کاهش مقدار حجم‌برداری نسبت به مقدار مورد نظر می‌گردد. به‌همین ترتیب در صورت وجود شیب دمایی برعکس (چنانچه دمای سمپلر کمتر از محیط آزمایش و نمونه باشد)، حجم بیشتری از مایع نسبت به مقدار مورد نظر وارد نوک سمپلر خواهد شد.

از آنجایی که هرگونه افزایش دما در سمپلر ممکن است سبب کاهش قابل توجه میزان حجم‌برداری شود، لازم است تا طراحی سمپلر به ‌گونه‌ای باشد که انتقال گرمای دست به پیستون سمپلر کاهش یابد. این مشکل در سمپلرهای مدرن با ایجاد فاصله‌ی کانونی^[۷] مناسب بین پیستون و بدنه و همچنین عایق بودن بدنه، تا حدی رفع گردیده است (شکل ۲).

۲- چنانچه دمای سمپلر و نمونه ثابت بوده و دمای محیط آزمایش افزایش یابد، میزان حجم‌برداری افزایش خواهد یافت. اما این امر به اندازه‌ی تغییرات دمای سمپلر در میزان حجم‌برداری موثر نخواهد بود.

۳- همچنین چنانچه دمای محیط و سمپلر ثابت بوده و دمای نمونه افزایش داشته باشد نیز میزان حجم‌برداری افزایش می‌یابد (شکل ۳).

به طور کلی، به نظر می‌رسد که با تکرار فرایند حجم برداری، بالشتک هوا، گرم و منبسط شود و در نتیجه میزان حجمی که برداشته می‌شود، نسبت به مقدار مورد نظر، کاهش یابد. اما این فرضیه تا زمانی که نوک سمپلر مرطوب نشده باشد صحیح است. در واقع درصورت مرطوب کردن نوک سمپلر، میزان حجم‌برداری به میزان مورد نظر نزدیک‌تر خواهد بود اما چنانچه نوک سمپلر مرطوب نشده باشد نتیجه برعکس خواهد بود و میزان حجم‌ برداشته شده، نسبت به مقدار مورد نظر کمتر خواهد بود.

برای جلوگیری از تغییرات دمایی در بالشتک هوا هنگام حجم‌برداری، لازم است تا دمای محیط آزمایش، سمپلر و نمونه یکسان باشد.

هرچه میزان اختلاف دمایی کاهش یابد، دقت نتایج نیز به مراتب افزایش خواهد یافت. با این وجود در عمل، حالت ایده‌آلی که در آن تمامی اجزای درگیر در حجم‌برداری دمای یکسانی داشته باشند، امری ناممکن است. به‌ویژه زمانی که در آزمایشگاه‌های بالینی یا بیوشیمی نیاز است تا از نمونه‌های سرد شده و یا نمونه‌هایی که در دمای بدن هستند حجم‌برداری شود.

به همین دلیل توصیه می‌شود تا با استفاده از اقدامات کنترلی اینگونه خطاها که غالباً اجتناب ناپذیر هستند محاسبه شده و در طول تجزیه و تحلیل نتایج در نظر گرفته شوند.

تاثیر فشار هوا و ارتفاع از سطح دریا

میانگین فشار هوا در یک مکان به ارتفاع آن از سطح دریا وابسته است. برای درک این موضوع به ۲ مثال زیر توجه کنید.

1. به ‌طور مثال طبق بررسی‌های صورت گرفته چنانچه یک سمپلر در هامبورگ تنظیم شود اما در شهر مونیخ مورد استفاده قرار گیرد، اختلاف از سطح دریا سبب اختلاف میانگین سالیانه فشار هوا به میزان  mbarء۶۳ می‌شود. این میزان از اختلاف میانگین فشار هوا برای سمپلری با حجم نامی ۱۰۰۰ میکرولیتر، منجر به کاهش ۰/۰۶۴ درصدی میزان حجم‌برداری نسبت به مقدار مورد نظر می‌شود. همچنین در مورد سمپلری با حجم‌ نامی ۵۰ میکرولیتر، این کاهش حجم، به میزان ۰/۱۴- % خواهد بود.
2. چنانچه فشار هوا به دلیل تغییرات عمده‌ی آب و هوایی (جوی) به میزان نوسان داشته باشد، اختلاف مقدار حجم‌برداری در سمپلرهای ۱۰۰۰ و ۵۰ میکرولیتری مذکور (در مثال ۱) به ترتیب به میزان ۰/۰۲۴± و ۰/۰۵۶± درصد افزایش خواهد یافت. (میزان خطا بیشتر خواهد شد) (شکل ۴). به همین دلیل هنگام تست و یا کالیبراسیون سمپلرها، لازم است تا نوسانات فشار هوا نیز در نظر گرفته شود.

واژه‌نامه