آشنایی با پارامترهای محیطی موثر بر حجم‌برداری: چگونه نتایج حجم‌برداری توسط سمپلر را بهبود ببخشیم؟
شاید اغلب کاربران تصور کنند حجم‌برداری در آزمایشگاه با استفاده از سمپلر کار پیچیده و دشواری نیست. اما پارامترهای مختلفی مانند اختلاف فشار، رطوبت نسبی محیط و دما در دقت و درستی حجم‌برداری دخیل هستند. این پارامترها می‌توانند منجر به بروز خطای حجم‌برداری شده و دقت آزمایش را تحت تاثیر قرار دهند.
سمپلرهای جابه‌جایی هوا به دلیل اینکه برای انجام اغلب فعالیت‌های حجم‌برداری مناسب هستند، کاربرد فراوانی در آزمایشگاه دارند. اما این سمپلرها به دلیل نوع مکانیزم، تا حد زیادی تابع شرایط محیطی هستند. با در نظر داشتن این موضوع که خطای حجم‌برداری، حتی در مقادیر بسیار کوچک، نتایج آزمایشات را به طرز چشمگیری تحت تاثیر قرار می‌دهد، برای دقت و صحت داده‌ها، آزمایشگاه‌ها باید خطای ناشی از شرایط محیطی را شناخته و آن را در محاسبات خود در نظر بگیرند.
هدف از نگارش این مقاله، کمک به کاربران آزمایشگاهی برای درک تأثیر شرایط محیطی بر میزان حجم‌برداری توسط سمپلر است. در این مقاله نتایج بررسی‌های یک تیم تحقیقاتی در 4 ماموریت مختلف بیان شده است. این مطالب می‌تواند در شناخت کامل‌تر عملکرد سمپلر جابه‌جایی هوا در محیط‌های مختلف آزمایشگاهی و شناخت منابع خطا مفید باشد. پس در ادامه با ما همراه باشید.
ماموریت اول: بررسی تاثیر فشار بارومتریک بر حجم‌برداری توسط سمپلر
ممکن است سمپلر شما در آزمایشگاهی کالیبره شود که نزدیک به ارتفاع سطح دریا قرار دارد. اما بسیاری از آزمایشگاه‌ها در ارتفاعاتی قرار دارند که بالاتر از سطح دریا هستند. فشار بارومتریک یکی از پارامترهای محیطی است که با افزایش ارتفاع، کاهش می‌یابد و می‌تواند تاثیر قابل توجهی روی نتایج حجم‌برداری داشته باشد.
الف- روش آزمایش
برای بررسی تأثیر فشار بارومتریک بر روی حجم برداشته شده توسط سمپلر، چند سمپلر حجم ثابت و چند سمپلر حجم متغیر، در ارتفاع 6288 فوت (بیش از 1900 متر)، در بالای کوه واشنگتن در نیوهمپشایر آزمایش شدند. اگرچه تعداد آزمایشگاه‌هایی که در چنین ارتفاعی نسبت به سطح دریا کار می‌کنند انگشت شمار است، اما این آزمایش صرفا جهت بررسی تاثیر فشار بارومتریک بر حجم برداشته شده توسط سمپلر انجام شده است و نتایج آن برای درک تاثیرات فشار هوا بر روی داده‌ها، ضروری است.
نتایج بدست آمده در این ارتفاع با داده‌های به دست آمده از حجم برداری در یک آزمایشگاه معتبر (ISO17025) در ارتفاعی نزدیک به سطح دریا و تحت شرایط کنترل شده مقایسه شدند. لازم به ذکر است که برای مقایسه بهتر، در هر دو شرایط ارتفاعی مذکور، از سمپلرهای یکسان استفاده شد و کاربران نیز یکسان بودند.
ب- تفسیر نتایج
- در رابطه با نتایج به دست آمده از سمپلرهای حجم ثابت:
بررسی دقت سه سمپلر با حجم ثابت (200 میکرولیتر، 10 میکرولیتر و 1 میکرولیتر) نشان می‌دهد که حجم برداشته شده توسط این سمپلرها در ارتفاع زیاد، کمتر از داده‌های آزمایشگاهی در سطح دریا است. علاوه‌بر این، میزان بروز این خطا در سمپلرهایی با حجم کمتر، بیشتر خواهد بود. به طور مثال، میزان خطای سمپلر 1 میکرولیتر %9 است، در حالی که میزان خطای سمپلری با حجم نامی 200 میکرولیتر حدود %1/3 است.
| جدول 1: داده‌های مربوط به سمپلرهای حجم ثابت | ||||||
| سمپلر | µlء200 | µlء10 | µlء1 | |||
| کوه واشنگتن | اپراتور A | اپراتورB | اپراتور A | اپراتورB | اپراتور A | اپراتورB |
|
198.52 |
198.41 |
9.816 | 9.801 | 0.931 | 0.948 | |
| آزمایشگاه | 201.05 | 10.081 | 1.033 | |||
| خطای سیستماتیک | 1.3%- | 1.3%- | 2.6%- | 2.8%- | 9.9%- | 8.2%- |
جدول 1، نتایج حجم‌برداری با سمپلرهای حجم ثابت را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌کنید، خطای حجم‌برداری در اثر تغییر فشار بارومتریک برای سمپلر با حجم نامی کمتر (µlء1)، بیشتر است.
- در رابطه با نتایج به دست آمده از سمپلرهای حجم متغیر:
دقت سه سمپلر حجم متغیر در حجم نامی آن‌ها و همچنین در 10 درصد از حجم نامی مورد بررسی قرار گرفت. داده‌های به دست آمده نشان می‌دهد که همانند سمپلرهای حجم ثابت، با افزایش ارتفاع نسبت به سطح دریا، میزان حجم‌برداری نسبت به مقدار مورد نظر کاهش خواهد یافت.
همچنین نتایج نشان می‌دهد میزان خطا در حجم‌های کمتر، قابل توجه‌تر است. به طور مثال، هنگام حجم برداری به اندازه 2 میکرولیتر میزان خطا حدود %3/4 بود، در حالی که در رابطه با حجم 20 میکرولیتر ، داده‌ها خطایی کمتر از %1 را نشان می‌دهند. همچنین هنگامی که 10 درصد از حجم نامی سمپلرحجم متغیر، حجم برداری گردید، حجم برداشته شده از %3 الی %30، نسبت به میزان مورد نظر، کمتر بود.
| جدول 2، داده های مربوط به سمپلرهای حجم متغیر | ||||||
| سمپلر | µlء20 | µlء10 | µlء2 | |||
| کوه واشنگتن | 20 | 2 | 10 | 1 | 2 | 0.2 |
| 19.81 | 19.85 | 9.956 | 0.940 | 1.921 | 0.1267 | |
| آزمایشگاه | 20.00 | 2.047 | 10.040 | 1.039 | 2.008 | 0.1872 |
| خطای سیستماتیک | 1.0%- | 3.0%- | 0.8%- | 9.5%- | 4.3%- | 32.3%- |
جدول 2، نتایج حجم‌برداری با سمپلرهای حجم متغیر را در حجم نامی و %10 از حجم نامی آن‌ها نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌کنید، خطای حجم‌برداری در اثر تغییر فشار بارومتریک در حجم‌های کمتر (0.2μl)، بیشتر است.
ج- برای اصلاح چنین خطایی چه باید کرد؟
با توجه به مطالب گفته شده و میزان تاثیر قابل توجهی که تغییرات ارتفاع و به تبع آن تغییرات فشار بارومتریک بر روی نتایج حجم برداری توسط سمپلر دارند، برای دست یابی به نتایجی با دقت و درستی بالا، نباید از وجود چنین خطاهایی چشم پوشی کرد.
به طور مثال، آزمایشگاهی را در نظر بگیرید که سمپلرهای خود را در آزمایشگاه مرجعی نزدیک به سطح دریا کالیبره کرده است. در چنین شرایطی حتی با توجه به اینکه سمپلرها به تازگی کالیبره و تنظیم شده اند، میزان حجم برداری کمتر از میزان مورد نظر خواهد بود. نکته‌ای که نباید از آن غافل شد این است که این میزان تغییر حجم‌برداری (خطا) برای هر سمپلر نسبتاً ثابت است. یعنی، به طور مثال، سمپلری با حجم نامی 10 میکرولیتر در آزمایشات تکراری (در ارتفاع بالاتری نسبت به سطح دریا) %2/6 و %2/8 خطای حجم‌برداری دارد. برای جبران این تغییر حجم قابل تکرار، آزمایشگاه‌ها دو گزینه دارند:
- اولین اقدام برای کاهش بروز چنین خطاهایی این است که آزمایشگاه، سمپلر را برای یک شرایط محیطی خاص تنظیم کند.
- حالت دوم اغلب برای سمپلرهای حجم متغیر مناسب است. از آنجایی که خطای رخ داده برای هر حجم نسبتا ثابت است، می‌توان میزان حجم برداری را تغییر داد. برای درک بهتر این مسئله به مثال زیر توجه کنید:
از آنجایی که میزان خطای حجم برداری (در اثر فشار بارومتریک) برای سمپلری با حجم نامی 10 میکرولیتر به طور متوسط 2/7 درصد است، کاربر برای برداشتن 10 میکرولیتر می‌تواند سمپلر را برای برداشتن حجمی معادل 10/27 میکرولیتر تنظیم کند. به این صورت حجم برداشته شده به 10 میکرولیتر نزدیک‌تر خواهد بود.
ماموریت دوم: بررسی تاثیر تعادل دمایی بر حجم‌برداری توسط سمپلر
احتمالا می‌دانید که کالیبراسیون صحیح سمپلر مستلزم کنترل دقیق دما در هنگام کالیبراسیون است. بنابراین پیش از کالیبراسیون سمپلر، لازم است تا سمپلر، نوک سمپلر و نمونه با محیط آزمایش به تعادل دمایی برسند.
دستیابی به چنین تعادل گرمایی در محیط‌های آزمایشگاهی دشوار است. علاوه‌بر این، در بسیاری از پروتکل‌های آزمایشگاهی نیاز است تا معرف‌ها در دمای خاصی افزوده شوند. به طور مثال، کشت بافت که نیاز است معرف در دمای C°ء37 به نمونه اضافه شود، معرف‌هایی با پایه نوکلئیک اسید که در C°ء4 یا کمتر به نمونه اضافه می‌شوند و یا نمونه‌های PCR که در دمای بالای C°ء60 حجم‌برداری می‌شوند.
الف- روش آزمایش
جهت بررسی اثرات ناشی از عدم تعادل دمایی بر حجم‌برداری توسط سمپلر، محلول‌های آبی مانند شرایط آزمایشگاهی معمول، به دماهای مطلوبِ آزمایش (4 درجه سانتی‌گراد، 22 درجه سانتی‌گراد، 37 درجه سانتی‌گراد و 60 درجه سانتی‌گراد) رسیدند، درحالی‌که سمپلر و نوک سمپلر در دمای محیط بودند.
سپس، 3 سمپلر حجم متغیر که توسط سه تولیدکننده‌ی مختلف تولید شده بودند، مورد بررسی قرار گرفتند. این سمپلرها در 3 بازه‌ی 20-2 میکرولیتر، 200-50 میکرولیتر و 1000-200 میکرولیتر بوده و هرکدام در کمترین و بیشترین میزان حجم خود مورد آزمایش قرار گرفتند. در این آزمایش از نوک سمپلرهایی که توسط تولید کننده توصیه شده بود استفاده گردید.
برای هر حجم، حجم‌برداری به صورت متناوب در 4 دمای مختلف (4، 22، 37 و 60) صورت گرفت و همین روند مجددا تکرار شد تا اینکه 10 داده برای هر نمونه به دست آمد. به این ترتیب، گرم شدن و یا سرد شدن سیستماتیک بالشتک هوای درون سمپلر، شفت و نوک سمپلر به حداقل میزان ممکن کاهش می‌یابد.
لازم به ذکر است که در این آزمایش برای هر توزیع حجم از یک نوک سمپلر جدید استفاده شد و نوک سمپلر نیز پیش از هر بار حجم برداری مرطوب نگردید. به همین دلیل پیش از هر بار حجم برداری هر نوک سمپلر در تعادل دمایی با محیط بود. (در تعادل دمایی با نمونه قرار نداشت)
ب- تفسیر نتایج
با مقایسه نتایج حجم برداری و داده‌های به دست آمده می‌توان نتیجه گرفت که حجم برداری از نمونه‌هایی که در دمای پایین تری قرار داشتند، بیشتر از مقدار مورد نظر بوده است و در رابطه با نمونه‌هایی که دمای آن‌ها نسبت به دمای محیط بالاتر بود، میزان حجم‌برداری نسبت به مقدار مورد نظر کاهش یافته است.
همچنین یکی دیگر از نکاتی که با مقایسه نتایج حجم‌برداری می‌توان دریافت این است که خطاهای ناشی از عدم تعادل حرارتی نه تنها به دما بلکه به میزان حجم تنظیم شده‌ی سمپلر نیز بستگی دارد. این اثرات حرارتی زمانی که سمپلر برای برداشتن حجم‌های کم تنظیم شده باشد، بارزتر است.
برای تفسیر این نتایج می‌توان گفت:
داده‌های به دست آمده کاملا با مکانیزم عملکرد سمپلرهای جابه جایی هوا مطابقت دارند.
در رابطه با این آزمایش، پس از فرو بردن نوک سمپلر در نمونه‌ای که دمای آن کمتر از دمای محیط است (نوک سمپلر با محیط در تعادل دمایی است)، پدیده‌ای به نام رسانش گرمایی (Thermal Conduction)، سبب خنک شدن حجم هوای مرده (بالشتک هوا) درون سمپلر می‌شود. مطابق با قانون گاز ایده‌آل، (PV=nRT) با کاهش دما، حجم هوای موجود در سمپلر نیز کاهش می‌یابد. در طول حجم‌برداری، این کاهش حجم باعث می‌شود مقدار بیشتری نمونه وارد نوک سمپلر شود. در نتیجه در رابطه با نمونه‌هایی که دمای آن‌ها نسبت به دمای سمپلر و نوک سمپلر کمتر است، میزان حجم برداری بیشتر از مقدار مورد نظر خواهد بود.
از طرف دیگر، زمانی که نوک سمپلر وارد نمونه‌ای می‌شود که دمای آن از دمای محیط بیشتر است، نتیجه‌ای معکوس رخ خواهد داد. به این ترتیب، هوای داخل نوک سمپلر در معرض افزایش دما قرار گرفته و منبسط می‌شود (حجم آن افزایش می‌یابد). در نتیجه میزان حجم برداری نسبت به مقدار مورد نظر کمتر خواهد بود.
همانطور که گفته شد، تاثیرات ناشی از عدم تعادل گرمایی در حجم برداری، تنها تابع دما نیست. بلکه به حجمی که سمپلر در آن تنظیم شده است نیز بستگی دارد. این امر در سمپلرهای حجم متغیر مشهودتر است.
اما چگونه می‌توان این موضوع را توجیه کرد؟
سمپلرهای حجم متغیر چه در بالاترین حجم بازه تنظیم شوند و چه در کمترین حجم بازه، در واقع دارای مقداری ثابتی از حجم هوای مرده درون خود هستند. زمانی که یک سمپلر حجم متغیر در پایین‌ترین حجم بازه تنظیم می‌شود، نسبت حجم هوا به مایع افزایش می‌یابد. در نتیجه تغییراتی که در اثر عدم تعادل دمایی بر حجم هوای مرده سمپلر ایجاد می‌شود، تاثیر بیشتری بر میزان نمونه خواهد داشت.
ج- برای اصلاح چنین خطایی چه باید کرد؟
برخلاف ارتفاع، عدم تعادل حرارتی یک پدیده دینامیکی است. به این معنی که مقدار تغییرات حجم متفاوت است و نمی‌توان یک مقدار ثابت برای آن در نظر گرفت. میزان خطای ناشی از عدم تعادل حرارتی به جزئیات متعددی از فرآیند حجم‌برداری مانند سرعت حجم‌برداری، نوع ظرف نمونه و میزان حجم‌برداری بستگی دارد و برای به حداقل رساندن چنین خطایی یک راه حل ساده و کلی وجود ندارد.
با این حال، می‌توان اقداماتی را برای کاهش بروز خطای ناشی از عدم تعادل گرمایی در نظر گرفت. به طور مثال:
- به تعادل رساندن دمای محیط، نمونه، سمپلر و نوک سمپلر
- استفاده از سمپلری که حجم نامی آن تا حد امکان به حجم نمونه مورد نظر نزدیک است.
- مرطوب کردن (pre-wetting) نوک سمپلر پیش از حجم برداری
ماموریت سوم: بررسی تاثیر هوای خشک (dry-heat) بر حجم‌برداری
یکی دیگر از شرایط رایجی که ممکن است اغلب آزمایشگاه‌ها با آن روبه‌رو باشند، گرمای خشک در محیط آزمایشگاه است که معمولا ناشی از کارکرد دستگاه‌های پرقدرت و یا استفاده از شعله در آزمایشگاه است. به طور مثال گرمای خشک ایجاد شده از ابزارهای تحلیلی، اجاق‌ها، انکوباتورها، فریزرها و همچنین سیستم‌های گرمایشی و تهویه هوا. برای اطمینان از دقت و درستی حجم‌برداری و بهبود یکپارچگی داده‌ها، کاربران آزمایشگاهی باید این منبع خطا را درک کرده و سعی در کاهش آن داشته باشند.
الف- روش آزمایش
برای بررسی تأثیر گرمای خشک بر عملکرد سمپلر، دو آزمایش صورت گرفت. هر دو آزمایش در پارک ملی دره مرگ (Death Valley National Park) که گرم‌ترین و خشک‌ترین پارک در ایالات متحده آمریکا است انجام شد. با این تفاوت که در یک آزمایش، نوک سمپلر پیش از حجم‌برداری مرطوب شده اما در آزمایش دیگر چنین اتفاقی رخ نداد. اگرچه آزمایشگاه‌ها معمولاً در شرایط محیطی مانند این پارک فعالیت نمی‌کنند اما شرایط آزمایشگاهی و کارکرد دستگاه‌ها ممکن است باعث شود که رطوبت به 15 درصد برسد.
با بررسی محیط دره مرگ، رطوبت هوا فقط 7 درصد و دما تا حدود 44 درجه سانتی‌گراد اندازه گیری شد. به همین دلیل مشخص شد که راه اندازی منطقه آزمایش سمپلر در سایه عاقلانه‌ترین گزینه است.
جهت ارزیابی تاثیر گرمای خشک بر عملکرد سمپلرهای جابه جایی هوا، 10 داده در 4 شرایط مختلف جمع آوری شدند تا هر دو متغیر “میزان حجم‌برداری” و “مرطوب کردن نوک سمپلر” بررسی شود. این 4 شرایط عبارتند از:
- حجم‌برداری در شرایطی که سمپلر در بیشترین حجم بازه تنظیم شده است و نوک سمپلر مرطوب گردیده
- حجم‌برداری در شرایطی که سمپلر در بیشترین حجم بازه تنظیم شده است و نوک سمپلر مرطوب نگردیده
- حجم‌برداری در شرایطی که سمپلر در کمترین حجم بازه تنظیم شده است و نوک سمپلر مرطوب گردیده
- حجم‌برداری در شرایطی که سمپلر در کمترین حجم بازه تنظیم شده است و نوک سمپلر مرطوب نگردیده
اولین متغیری که در این آزمایش مورد بررسی قرار گرفت، میزان حجم‌برداری بود. هر سمپلر در حداکثر و حداقل حجم آن تنظیم شد و مورد آزمایش قرار گرفت تا مشخص شود کدام نوع تنظیم مستعد خطای بیشتری است.
همچنین، از آنجا که بسیاری از آزمایشگاه‌ها برای کاهش بروز خطای حجم‌برداری، پیش از شروع مراحل حجم‌برداری نوک سمپلر را مرطوب می‌کنند، تیم بررسی، دقت و درستی سمپلر را هم در شرایطی که نوک سمپلر مرطوب شده و هم بدون مرطوب کردن نوک سمپلر مورد بررسی قرار داد.
در شرایطی که لازم بود حجم‌برداری بدون مرطوب کردن نوک سمپلر انجام شود، پس از هربار حجم برداری و توزیع نمونه، نوک سمپلر تعویض شد تا احتمال ایجاد آلودگی متقاطع کاهش یابد.
ب- تفسیر نتایج
داده‌های به دست آمده نشان می‌دهد که در گرمای خشک دره مرگ، میزان حجم‌برداری نسبت به مقدار مورد نظر به طرز چشمگیر و قابل توجهی کمتر است. حتی در شرایطی که تیم تحقیقاتی با مرطوب کردن نوک سمپلر سعی در کاهش خطای حجم برداری داشت، میزان حجم‌برداری همچنان بسیار کمتر از میزان مورد نظر بود. همچنین مانند بررسی هایی که در دو مورد اول صورت گرفته بود (تاثیر فشار بارومتریک و عدم تعادل دمایی) زمانی که سمپلرها در حداقل حجم نامی خود تنظیم می‌شدند، خطای بیشتری رخ می‌داد.
جدول 3، بررسی تاثیر گرمای خشک بر حجم‌برداری توسط سمپلر |
||||
| حجم سمپلر (µl) | میزان حجم برداری (µl) | % درستی | % خطا بدون مرطوب کردن نوک سمپلر | % خطا با مرطوب کردن نوک سمپلر |
| 2 | 0.2 | 12.00 | 34.7- | 30.9- |
| 2 | 1.50 | 7.0- | 4.8- | |
| 20 | 2 | 7.50 | 16.8- | 7.4- |
| 20 | 1.00 | 5.5- | 1.4- | |
| 200 | 50 | 1.00 | 1.7- | 0.1- |
| 200 | 0.80 | 2.1- | 1.2- | |
| 1000 | 200 | 2.00 | 2.2- | 1.5- |
| 1000 | 0.80 | 1.2- | 1.0- | |
همانطور که در جدول 3 می‌توان مشاهده کرد، حجم برداری در شرایطی که رطوبت پایین و دما بالا است، می‌تواند تاثیر چشمگیری بر میزان حجم‌برداری داشته باشد. به طور مثال، زمانی که یک سمپلر 2 میکرولیتر برای برداشتن 2 میکرولیتر از نمونه تنظیم می‌شود و حجم‌برداری بدون مرطوب کردن نوک سمپلر صورت می‌گیرد، میزان حجم‌برداری نسبت به مقدار مورد نظر %7 کمتر است. با مرطوب کردن نوک سمپلر این میزان خطا به %4/8 کاهش می‌یابد اما همچنان این مقدار خطا از حد مجازی که شرکت تولید کننده سمپلر ذکر کرده بود (یعنی %1/50)، بیشتر است. این خطا، زمانی که سمپلر برای برداشتن حجم 0/2 میکرولیتر تنظیم می‌شود (%10 حجم نامی و حجمی که به حجم نامی سمپلر نزدیک نیست)، به طرز چشمگیری افزایش خواهد یافت.
علت بروز چنین خطایی چیست؟
خطای حجم‌برداری در محیط گرم و خشک دره مرگ، عمدتا به دلیل تبخیر اتفاق می‌افتد. در چنین شرایطی، هنگام حجم‌برداری، مایع درون نوک سمپلر تبخیر خواهد شد. این تبخیر سبب افزایش حجم کل فاز گاز شده و در نتیجه بالشتک هوای موجود در سمپلر نیز افزایش می‌یابد. به این ترتیب افزایش حجم هوای مرده درون سمپلر سبب می‌شود تا مقدار نمونه‌ی کم‌تری وارد نوک سمپلر شده و میزان حجم‌برداری نسبت به مقدار مورد نظر کاهش یابد.
اما چرا تاثیر گرمای خشک تا این حد زیاد است؟
میزان حجم‌برداری در اثر تبخیر به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار می‌گیرد. زیرا زمانی که 1 میکرولیتر از مایع تبخیر می‌شود، بیش از 1000 میکرولیتر گاز تولید می‌شود و این مقدار گاز بسته به دما با ضریبی حدود 1250 الی 1450 منبسط می‌گردد. بنابراین تبخیر مقدار کمی مایع در نوک سمپلر می‌تواند تاثیر زیادی روی حجم برداشته شده، داشته باشد.
اگرچه آزمایشگاه‌ها معمولا در محیط‌هایی با شرایط دره مرگ، یعنی رطوبت %7 و دمای ºCء44 کار نمی‌کنند، اما شرایط آزمایشگاهی ممکن است رطوبت محیط آزمایش را تا %15 کاهش دهد. میزان رطوبت و دما داخل یک آزمایشگاه می‌تواند در طول سال تغییر کند. همچنین این پارامترها ممکن است در بین آزمایشگاه‌های جداگانه‌ای که در یک ساختمان قرار دارند و حتی بخش‌های مختلف یک آزمایشگاه، به طور قابل توجهی متفاوت باشند.
علاوه‌بر این، هنگام کنترل کیفیت، انجام پروژه‌های تحقیقاتی و تولیدی که در خارج از محل آزمایشگاه صورت می‌گیرد، در نظر گرفتن تغییرات دما و رطوبت بسیار مهم است و برای اطمینان از یکپارچگی و قابل اطمینان بودن داده‌های حجم‌برداری، مهم است که اثرات گرمای خشک را بر حجم برداری در نظر داشته باشید.
ج- برای اصلاح چنین خطایی چه باید کرد؟
در حالت ایده‌آل، برای کاهش میزان تبخیر حین حجم‌برداری، آزمایشگاه‌ها سیستم‌هایی برای کنترل دما و رطوبت در آزمایشگاه تعبیه می‌کنند. اما این راهکار ممکن است کمی پرهزینه باشد.
روش دیگر برای کاهش چنین خطاهایی این است که تکنسین‌های آزمایشگاهی به طور مداوم رطوبت و گرمای موجود در تأسیسات خود را کنترل نموده، پتانسیل تبخیر را ارزیابی کرده و سمپلر خود را بر اساس این ارزیابی‌ها تنظیم کنند.
راه حل دیگر، کالیبراسیون سمپلر بر اساس تغییر چرخه رطوبت است. بسیاری از آزمایشگاه‌ها یک الی دو مرتبه در سال، سمپلرهای خود را کالیبره می‌کنند. با این وجود، رطوبت اغلب با تغییر فصل یا سایر وقایع آزمایشگاهی تغییر می‌کند. در نتیجه بهتر است با تغییر فصل و یا تغییر شرایط آزمایشگاهی سمپلر نیز کالیبره شود.
در آخر، با توجه به بررسی‌های صورت گرفته، توصیه می‌شود که پیش از حجم برداری از نمونه، نوک سمپلر حتما مرطوب شود. اگرچه این مسئله در شرایط محیطی بسیار نامطلوب، خطای حجم‌برداری را به طور کامل جبران نمی‌کند، اما در کاهش میزان خطا موثر خواهد بود.
ماموریت چهارم، تاثیر رطوبت بالا بر حجم‌برداری توسط سمپلر
یکی دیگر از پارامترهایی که می‌تواند بر روی میزان حجم‌برداری توسط سمپلر تاثیرگذار باشد، رطوبت بالا است. به همین دلیل در این قسمت از مقاله قصد داریم به بررسی این مسئله بپردازیم. جهت بررسی تاثیر رطوبت بالا بر میزان حجم برداری، یک تیم تحقیقاتی، آزمایشاتی را بر روی سمپلر در پارک ملی المپیک ایالات متحده (Olympic National Park) انجام دادند. (شرایط محیطی این پارک مشابه با جنگل های بارانی است.)
طبق استانداردهای نظارتی، سمپلر باید در آزمایشگاهی کالیبره شود که رطوبت نسبی آن بیش از 50 درصد باشد. این درحالی است که اغلب آزمایشگاه‌هایی که سمپلر در آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، رطوبتی کمتر از این میزان را دارند. به همین ترتیب در این بخش مقاله به دنبال تعیین نحوه رفتار سمپلرها در یک محیط مرطوب هستیم.
الف- بررسی پتانسیل تبخیر
تیم تحقیقاتی، پیش از بررسی تاثیر رطوبت بالا بر میزان حجم‌برداری، رابطه بین رطوبت و دما را ارزیابی کرد. یکی از نکات مهمی که این تیم در بررسی‌های صورت گرفته در دره مرگ به آن پی برد، این موضوع بود که هنگام تجزیه و تحلیل عملکرد سمپلر، جدا کردن تاثیر دما و رطوبت کار دشواری است.
واضح است که حجم‌برداری در محیط های خشک باعث تبخیر نمونه در نوک سمپلر شده و در نتیجه میزان حجم‌برداری نسبت به مقدار مورد نظر کاهش خواهد یافت. در محیطی با رطوبت نسبی ثابت، تبخیر در دمای گرم نسبت به محیط‌هایی با دمای سرد، بیشتر اتفاق می‌افتد. سرعت تبخیر متناسب با یک نیروی ترمودینامیکی به نام پتانسیل تبخیر (Potential evaporation) است که نشان‌دهنده اختلاف بین فشار جزئی آب در هوا (partial pressure of water in air) در شرایط اشباع (رطوبت نسبی ٪100) و فشار جزئی واقعی آب در هوا (actual partial pressure of water in air) در شرایط محیط است.
درک پتانسیل تبخیر آزمایشگاه اولین قدم در بررسی چگونگی تأثیر رطوبت بر حجم‌های برداشته شده توسط سمپلر است.
برای محاسبه پتانسیل تبخیر می‌توان از معادله‌‌های زیر استفاده نمود:
محیط Pw – اشباع Pw = تبخیر پتانسیل
(رطوبت نسبی – 1) × اشباع Pw = تبخیر پتانسیل
فشار جزئی آب در هوا (Pw) در شرایط اشباع به دما وابسته است. با افزایش دما، میزان آبی که می‌تواند در هوا وجود داشته باشد نیز افزایش می‌یابد. اگر رطوبت نسبی ثابت نگه داشته شود، افزایش دما باعث افزایش پتانسیل تبخیر و سرعت تبخیر در سمپلر می‌شود. از طرف دیگر، اگر دما ثابت بماند، افزایش رطوبت نسبی باعث کاهش پتانسیل تبخیر می‌شود.
این همان اتفاقی است که در بیشتر آزمایشگاه‌های کالیبراسیون سمپلر رخ می‌دهد. یعنی کابر دما را در 20 درجه سانتی‌گراد ثابت نگه می‌دارد و رطوبت نسبی برای کاهش سرعت تبخیر و بهبود عملکرد سمپلر افزایش می‌یابد.
ب- روش آزمایش و تفسیر نتایج
جهت بررسی تاثیر رطوبت بالا بر میزان حجم‌برداری توسط سمپلر، تیم تحقیقاتی شروع به بررسی سمپلر در دمای 14 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی %74 کرد. به دلیل دمای پایین و رطوبت نسبی زیاد، پتانسیل تبخیر بسیار کم و حدود 4/5 میلی بار (mbar) بود. حجم‌برداری توسط سمپلرهای 2، 20، 200 و 1000 میکرولیتری صورت گرفت.
همچنین برای بررسی بهتر داده‌ها، محل آزمایش به مکانی با رطوبت نسبی %60 و دمای 20 درجه سانتی‌گراد تغییر کرد. با بررسی داده‌ها مشخص شد که سمپلرها در رطوبت نسبی بالا عملکرد بسیار مطلوبی دارند.
درحالی که پارک المپیک شرایط بسیار مطلوبی برای حجم برداری توسط سمپلر را مهیا می‌کرد، اما آزمایشگاه‌های معمول از چنین شرایط محیطی بهره نمی‌برند و میزان رطوبت نسبی آن‌ها اغلب بین 15 الی %40 است.
به همین دلیل برای بررسی اثر رطوبت بر میزان حجم‌برداری، سمپلر را در آزمایشگاه‌هایی با رطوبت نسبی متفاوت و درجات مختلفی پتانسیل تبخیر بررسی کردند.
در مرحله اول، سمپلرها در آزمایشگاه A با شرایط محیطی خشک‌تر (%22 رطوبت نسبی و دمای 21 درجه سانتی‌گراد) مورد آزمایش قرار گرفتند. همچنین سمپلرها نیز در آزمایشگاه B با شرایط مرطوب‌تر (%40 رطوبت نسبی و دمای 22 درجه سانتی‌گراد) نیز آزمایش شدند.
در آزمایشگاه B، با پتانسیل تبخیر mbarء16، میانگین خطای سیستماتیک % 0/05 و میانگین خطای تصادفی 0/73 بود، که نشان می‌دهد سمپلرها عملکرد مطلوبی داشته‌اند.
در آزمایشگاه A، با پتانسیل تبخیر mbarء20/6، میانگین خطای سیستماتیک %1/55- و میانگین خطای تصادفی 7/10 بود. هر دو خطای آماری معنی دار بودند.
این داده‌ها نشان می‌دهد که حجم‌برداری در آزمایشگاه‌هایی با رطوبت نسبی کم، خطای حجم‌برداری بیشتری را به دنبال دارد.
ج- برای اصلاح چنین خطایی چه باید کرد؟
همانطور که در ماموریت سوم و دره مرگ مشاهده شد، گرمای خشک باعث می‌شود تا بر اثر تبخیر، میزان حجم برداشته شده توسط سمپلر نسبت به میزان حجم‌برداری کاهش چشمگیری داشته باشد. با گذشت زمان و تکرار مراحل حجم‌برداری، به دلیل اینکه نوک سمپلر به صورت مداوم با نمونه در تماس است، نوک سمپلر مرطوب شده و باعث می‌شود با هر بار حجم‌برداری از نمونه، میزان حجم‌برداری افزایش یابد تا به تدریج به حجم مورد نظر نزدیک شود. این مسئله باعث کاهش دقت داده‌ها می‌شود.
در مقابل، در محیط‌های مرطوب و خنک، پتانسیل تبخیر کم است. به همین دلیل هنگام حجم‌برداری، نوک سمپلر و حجم هوای درون سمپلر به طور مداوم مرطوب می‌شود. در نتیجه توزیع حجم دقیق‌تر بوده و حجم‌برداری به یک روند با ثبات‌تر و قابل تکرار تبدیل می‌شود.
آزمایشگاه‌ها به چند دلیل ممکن است با خطای ناشی از رطوبت پایین حین حجم‌برداری مواجه شوند:
- آزمایشگاه‌هایی با محیط خشک و گرم که به احتمال زیاد در آن‌ها میزان حجم‌برداری از مقدار مورد نظر کمتر است.
- آزمایشگاه‌هایی که سطح رطوبت آن‌ها به دلایل مختلف در طول سال نوسان دارد.
- آزمایشگاه‌هایی که سمپلرهای مورد استفاده در آن‌ها در آزمایشگاه کالیبره شده است که از نظر رطوبت و دما شرایط متفاوتی داشته‌اند.
برای کاهش خطای ناشی از تغییرات رطوبت می‌توان اقدامات مختلفی را انجام داد. اما توصیه می‌شود برای عملکرد مطلوب سمپلرها، ابتدا اطلاعاتی از شرایط محیطی آزمایشگاه جمع آوری شده و سمپلر بر اساس آن تنظیم گردد. همچنین مرطوب کردن نوک سمپلر پیش از هربار حجم برداری نیز نکته‌ی مهمی است که نباید از آن غافل شد.
