نقش HRGC-HRMS در تشخیص آلودگی‌های آلی پایدار (POPs) خاک و رسوبات

آلودگی‌های آلی پایدار (POPs)، از جمله بیفنیل‌های پلی‌کلرینه (PCBs) و دیوکسین‌ها، شامل یک گروه از آلاینده‌های محیطی هستند که در اکوسیستم‌ها باقی می‌مانند، در زنجیره‌های غذایی تجمع می‌یابند و خطرات قابل توجهی برای سلامت انسان و محیط زیست ایجاد می‌کنند. شناسایی این آلودگی‌ها در مقادیر بسیار کم در ماتریس‌های پیچیده‌ای همچون خاک و رسوبات، به دلیل غلظت پایین، ماهیت شیمیایی پیچیده و مداخله‌ی سایر مواد محیطی، چالش قابل توجهی است. کروماتوگرافی گازی با دقت بالا (HRGC) همراه با طیف‌سنجی جرمی با دقت بالا (HRMS)، به طور گسترده‌ای به‌عنوان مؤثرترین روش برای آنالیز این آلاینده‌ها شناخته می‌شود. این مقاله به پیچیدگی‌های عملیاتی HRGC-HRMS پرداخته و بینش‌هایی در مورد روش‌های بهینه‌شده، از جمله تکنیک‌های استخراج، تمیزکاری نمونه‌ها و استراتژی‌های کمی‌سازی، به‌ویژه برای کاربرد در سایت‌های آلوده به صنایع و آفت‌کش‌های قدیمی در ایران، ارائه می‌دهد.

تکنیک‌های استخراج: سوکسله در مقابل استخراج مایع تحت فشار (PLE)

انتخاب تکنیک استخراج مناسب برای جداکردن آلودگی‌های آلی پایدار (POPs) از ماتریس‌های پیچیده‌ی محیطی مانند خاک و رسوبات بسیار حیاتی است. هدف اصلی این است که استخراج ترکیبات هدف به طور مؤثر انجام شود و در عین حال از استخراج هم‌زمان مواد مداخله‌گر که می‌توانند آنالیز بعدی را پیچیده کنند، جلوگیری شود.

با توجه به تجربه‌ی ما، استخراج به روش سوکسله همچنان یک روش قابل اعتماد برای استخراج PCBها و دیوکسین‌ها از نمونه‌های خاک و رسوبات باقی مانده است. سوکسله – به‌ویژه زمانی که با نمونه‌هایی با محتوای بالای مواد آلی مواجه هستیم – بسیار مؤثر است. با استفاده از حلال‌هایی مانند هگزان یا مخلوط هگزان و استون، نمونه تحت استخراج پیوسته قرار می‌گیرد که کمک می‌کند تا آلاینده‌های لیپوفیلیک از بین بروند. با این حال، محدودیت اصلی روش سوکسله زمان‌های طولانی استخراج (معمولاً 12 تا 24 ساعت) است که این موضوع باعث می‌شود برای برنامه‌های با حجم بالا مناسب نباشد.

از سوی دیگر، استخراج مایع تحت فشار (PLE) یک جایگزین مدرن‌تر و کارآمدتر است. در این روش، استخراج حلال تحت فشار و دمای بالا انجام می‌شود که به طور قابل توجهی زمان استخراج را کاهش می‌دهد (معمولاً در حدود 30 دقیقه تا 1 ساعت). در یکی از موارد، با استفاده از PLE و مخلوطی از تولوئن و استون، ما توانستیم به بازدهی‌های استخراج مشابه با روش سوکسله برسیم، اما با کاهش واضح در زمان و مصرف حلال. استخراج با فشار بالا – به‌ویژه زمانی که رسوبات ریز یا نمونه‌های خاکی نیاز به شرایط سخت‌تری برای استخراج مؤثر دارند – بسیار مفید است. نکته‌ی مهم این است که PLE امکان بازیابی بالاتری از دیوکسین‌ها را فراهم می‌آورد که به دلیل تمایل بالای آن‌ها به ذرات خاک، استخراج آن‌ها دشوارتر از PCBها است.

تمیزکاری نمونه‌ها با استفاده از ستون‌های چندلایه سیلیکا و آلومینا

پس از استخراج آلودگی‌های آلی پایدار (POPs)، گام بعدی تمیزکاری نمونه است. پیچیدگی نمونه‌های خاک و رسوبات اغلب منجر به استخراج هم‌زمان انواع ترکیبات مداخله‌گر مانند لیپیدها، مواد هومیگ و دیگر مواد آلی می‌شود. تمیزکاری برای اطمینان از این که این مواد مداخله‌گر حساسیت و دقت تحلیل HRGC-HRMS را مختل نکنند، ضروری است.

برای تمیزکاری PCBها و دیوکسین‌ها، ما معمولا رویکرد ستون‌های چندلایه سیلیکا و آلومینا را توصیه می‌کنیم. ترکیب ژل سیلیکا و آلومینا در حذف آلاینده‌های غیرقطبی و قطبی بسیار مؤثر است. در عمل، معمولا ابتدا از ستون سیلیکا برای حذف هیدروکربن‌های عمده استفاده می‌شود و سپس از ستون آلومینا برای پالایش بیشتر نمونه به‌منظور جداسازی مداخله‌های پیچیده‌تر ماتریس استفاده می‌گردد. ستون آلومینا می‌تواند به‌طور انتخابی مواد قطبی قوی را نگه دارد و اطمینان می‌دهد که نمونه وارد سیستم HRGC-HRMS به‌طور حداکثری خالص باشد.

استفاده از سیستم ستون سه‌لایه (سیلیکا، آلومینا و فلوریسیل) درجه‌ی تمیزکاری بالاتری را هنگام مواجهه با رسوبات با محتوای بالای مواد آلی فراهم می‌آورد. یکی از نکات حیاتی در این فرایند، نرخ جریان در هنگام تمیزکاری است. جریان بسیار سریع می‌تواند منجر به جداسازی ناقص شود، در حالی که جریان بسیار کند می‌تواند زمان پردازش را غیرضروری افزایش دهد. برای دست‌یابی به نتایج بهینه، معمولا نرخ جریان ملایم 1-2 میلی‌لیتر در دقیقه را توصیه می‌کنیم.

عملیات HRGC-HRMS و تنظیمات دقت تفکیک

کروماتوگرافی گازی با دقت بالا (HRGC) همراه با طیف‌سنجی جرمی با دقت بالا (HRMS) همچنان به‌عنوان استاندارد طلایی برای کمی‌سازی و شناسایی آلودگی‌های آلی پایدار (POPs) در نمونه‌های محیطی شناخته می‌شود. قابلیت تفکیک HRGC هنگامی که با مخلوط‌های پیچیده مواجه می‌شویم، حیاتی است؛ زیرا این قابلیت تضمین می‌کند که آنالیت‌ها به‌طور مؤثر جدا شوند و قبل از تجزیه و تحلیل با HRMS، به درستی تفکیک شوند.

برای عملیات HRGC، ما معمولا ستون‌های DB-5MS یا DB-1 با مشخصات (30 m x 0.25 mm ID x 0.25 µm film thickness) را پیشنهاد می‌کنیم که تفکیکی عالی از ترکیبات هالوژنه‌شده مانند PCBها و دیوکسین‌ها را ارائه می‌دهند. برنامه‌ی دمایی کوره (Oven Temperature) برای تفکیک مؤثر بسیار حیاتی است و ما اغلب از دمای شروع (Initial Temperature) 90 درجه‌ی سانتی‌گراد با نرخ افزایش دمای (Temperature Ramp) 10 درجه‌ی سانتی‌گراد در دقیقه تا 280 درجه‌ی سانتی‌گراد را توصیه  می‌کنیم که پس از آن به مدت 10 دقیقه در 280 درجه‌ی سانتی‌گراد نگه داشته شود. این برنامه به‌طور موثر تضمین می‌کند که ترکیبات هدف به‌طور کافی تفکیک شده‌اند، به‌ویژه زمانی که با ماتریس‌های پیچیده مانند خاک و رسوبات مواجه هستیم.

عملیات HRMS نیز به‌گونه‌ای تنظیم می‌شوند که حساسیت و دقت را به حداکثر برسانند. ما در حالت دقت بالا (high-resolution mode) کار می‌کنیم تا به دقت تفکیکی 10000 یا بیشتر برسیم که برای شناسایی سطوح بسیار کم PCBها و دیوکسین‌ها در میان مداخله‌های احتمالی ضروری است. دامنه‌ی اسکن معمولی ما برای هم‌خانواده‌های PCB معمولا از نسبت m/z معادل 250 تا 500 است، با شرایط یونیزاسیون تنظیم‌شده برای حداکثر‌کردن شناسایی یون‌های مولکولی (M+) و یون‌های خاصی که از تجزیه به‌دست می‌آیند.

در تجربه‌ی ما، برای شناسایی و کمی‌سازی دقیق دیوکسین‌ها، بهینه‌سازی شرایط یونیزاسیون و پنجره‌ی شناسایی برای هر هم‌خانواده بسیار حیاتی است.پیشنهاد ما، حالت اسکن کامل HRMS همراه با SIM (کوتاه‌شده‌ی Selected Ion Monitoring) برای ترکیبات هدف خاص است. این رویکرد دوگانه، حساسیت بالایی را فراهم می‌آورد و در عین حال توانایی شناسایی ترکیبات هم‌زمان (co-eluting) را با دقت حفظ می‌کند.

محاسبه فاکتور معادل سمی (TEQ)

یکی از جنبه‌های مهم در تحلیل دیوکسین‌ها، محاسبه‌ی فاکتور معادل سمی (TEQ) است. دیوکسین‌ها و بیفنیل‌های پلی‌کلرینه مشابه دیوکسین (dioxin-like PCBs) دارای سمیت‌های متفاوتی هستند و محاسبه‌ی TEQ این امکان را فراهم می‌کند که سمیت کل بر اساس یک مقدار مرجع سمیت (مقادیر TEF سازمان بهداشت جهانی) بیان شود، TEQ یک مجموع وزنی از غلظت‌های هم‌خانواده‌های فردی است که با TEF مربوطه ضرب می‌شود.

در عمل، از معادله‌ی زیر برای محاسبه‌ی TEQ استفاده می‌شود:

TEQ = ∑(C_i × TEF_i)

در اینجا C_i غلظت هر هم‌خانواده‌ی دیوکسین یا بیفنیل پلی‌کلرینه‌ی مشابه دیوکسین است و TEF_i فاکتور معادل سمی مربوطه است. این محاسبه هنگام ارزیابی اثرات زیست‌محیطی کلی یک سایت بسیار حیاتی است، به‌ویژه در مناطق صنعتی قدیمی که ممکن است هم‌زمان دیوکسین‌ها و PCBها در مخلوط‌های پیچیده‌ای حضور داشته باشند.

در یک نمونه از یک سایت صنعتی قدیمی در ایران، ما توانستیم TEQ را برای یک مخلوط از دیوکسین‌ها و بیفنیل‌های پلی‌کلرینه‌ی مشابه دیوکسین محاسبه کرده و نشان دهیم که غلظت‌های TEQ کل بالاتر از آستانه‌های مقرراتی بوده است. این امکان را برای ما فراهم کرد تا داده‌های عملی برای استراتژی‌های ترمیمی ارائه دهیم.

کاربرد در سایت‌های صنعتی قدیمی و آلوده به آفت‌کش‌ها در ایران

روش‌شناسی توضیح‌داده‌شده در بالا در چندین سایت صنعتی قدیمی و آلوده به آفت‌کش‌ها در ایران به کار گرفته شده است، جایی که تشخیص و کمی‌سازی PCBها و دیوکسین‌ها برای ترمیم محیط زیست و ارزیابی ریسک سلامت بسیار حیاتی است. چالش اصلی در این سایت‌ها، تغییرات زیاد آلودگی‌ها از نظر نوع و غلظت آلاینده‌ها است. به‌عنوان مثال، مناطق صنعتی که به طور تاریخی از حلال‌های کلرینه یا آفت‌کش‌ها استفاده کرده‌اند، می‌توانند مخلوط منحصر‌به‌فردی از هم‌خانواده‌های PCB و دیوکسین‌ها را نشان دهند که اغلب در مقادیر بسیار کم قرار دارند و این موضوع آنالیز را به طور خاص پیچیده می‌کند.

ما مشاهده کرده‌ایم که در نمونه‌های رسوب از سایت‌های آلوده به آفت‌کش‌های کشاورزی، غلظت‌های دیوکسین‌ها معمولاً پایین‌تر هستند؛ اما به دلیل ماهیت لیپوفیلیک این ترکیبات، به‌طور مداوم باقی می‌مانند. در مقابل، سایت‌های صنعتی معمولا غلظت‌های بالاتری از PCBها را نشان می‌دهند، با این حال این ترکیبات به دلیل تمایل کمتری که به ذرات خاک دارند، به‌راحتی استخراج می‌شوند.

نتیجه‌گیری

تشخیص آلودگی‌های آلی پایدار (POPs) مانند PCBها و دیوکسین‌ها در خاک و رسوبات نیازمند رویکرد دقیقی از استخراج نمونه تا تمیزکاری، تحلیل HRGC-HRMS و محاسبه‌ی TEQ است. ترکیب روش‌های استخراج سوکسله و استخراج مایع تحت فشار (PLE)، همراه با فرایندهای تمیزکاری بهینه‌شده با استفاده از ستون‌های چندلایه‌ی سیلیکا و آلومینا، تضمین می‌کند که این ترکیبات با غلظت کم، به‌طور مؤثر و با کارایی بالا استخراج شوند. زمانی که این روش‌ها با تنظیمات دقیق طیف‌سنجی جرمی با دقت بالا و محاسبات مستحکم TEQ همراه شوند، ابزاری قابل اعتماد برای ارزیابی سطوح آلودگی، حتی در سایت‌های صنعتی قدیمی و آلوده به آفت‌کش‌ها فراهم می‌کنند. تجربه‌ی به‌کارگیری این تکنیک‌ها در سایت‌های آلوده در ایران، کاربرد و انطباق‌پذیری این روش‌ها را بیشتر تأکید می‌کند و راه‌حل‌های عملی واقعی را برای مقابله با مشکل جدی آلودگی محیطی ارائه می‌دهد.