השימוש בטכניקות ספציפיות של Spectroscopic מתקדמות לזיהוי זיהום אורגני ברמות Trace

הגילוי וההשמנה של אבקות אורגניות ביונקים סביבתיים הפכו לאחד האתגרים האנליטיים הדוחקים ביותר של המאה העשרים ואחת. פריקה תעשייתית, פריצה חקלאית, שאריות תרופות, ומזהמים אורגניים מתמידים (POPs) מתכנסים מים, אדמה ואוויר בריכוזים סביבתיים, אשר לעתים קרובות נופלים מתחת לגבולות זיהוי של שיטות אנליטיות מתקדמות.

מימון של ניתוח ספקטרוסקופי עבור זיהום אורגני

Spectroscopy הוא המחקר של אינטראקציה בין קרינה אלקטרומגנטית לבין החומר.כאשר קרינה אינטראקציה עם מדגם, מולקולות סופגות, פולטות או פיזור אנרגיה באורכי גל אופייני, הפקת ספקטרום המשמש טביעת אצבע מולקולרית.כל תרכובת אורגנית מייצרת דפוס ספקטרלי ייחודי המבוסס על המבנה המולקולרי שלה, סוגי האג"ח וקבוצות פונקציונליות.

(ה) ,הפרמטרים המרכזיים הקובעים את התאמתה של טכניקת ספקטרוסקופית לניתוח של רמת העקביות כוללים (FLT:0) רגישות רגישות ל-FLT:1 (הריכוז הנמוך ביותר שניתן לזהות), FLT:2 מפרטיות FLT 3:2 (היכולת להבחין בין מחסומים אנאליים אובייקטיביים הנדרשים מהפרעות), ו-FLT:4resolution:5 (היכולת להפריד בין תכונות של חומר ספקטרום).

הכנת דגימות נותרה צעד קריטי בניתוח מעקב.טכניקות כגון מיצוי חזק (SPE), מיצוי נוזלי-liquid נוזלי (LLE), ו microextraction חד-פעמי (SPME) מועסקות לעתים קרובות כדי להתרכז אנאליס להסיר ממטריקס להפריע לפני ניתוח ספקטרוסקופי.

טכניקות מתקדמות לספקטרום

Mass Spectrometry (MS) ו- Hyphenated Methods

ספקטרום Mass הוא כנראה הטכניקה החזקה ביותר לניתוח אורגני ברמה גבוהה.זה עובד על ידי ionizing מינים כימיים ומיין את השדים וכתוצאה מכך מבוסס על יחס המסה-לטעון שלהם (m /z) הספקטרום ההמוני המתקבל מספק את המשקל המולקולרי ואת דפוס הפיצול של ה- אנאליט, אשר ניתן להשתמש כדי deduce המבנה שלה.

(FLT:0)GC-MS)GGH)igs chromatography-mass spectrometry (GC-MS) Respecof: 1 הוא תקן הזהב עבור חומרים אורגניים תנודתיים למחצה, כולל חומרי הדברה, פוליצ'נדרווידוניים (PCMS), ופוליציקליים של הידרוממנים (Hs) מודרניים עם מכשירים מצוידים ברזולוציה גבוהה כגון מחסנים (R) או מגבלות של תרופות (LCD) כגון:

(FLT:0)Tandem Mass spectrometry (MS /MS)FLT:1 מספק מימד נוסף שלסלקטיביות על ידי בידוד של יון מבשר, פיצול זה, וניתוח של סטיות המוצר.טכניקה זו מפחית רעש רקע והוא יעיל במיוחד עבור קוונטית יעד אנאלי במזחלות מורכבות כמו פסולת או תמצית של משקעים.

Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)

Fourier להפוך spectroscopy אינפרא אדום מודד את הקליטה של קרינה אינפרא אדום על ידי אג"ח מולקולרית.התדרות קליטורים ספציפיים - מתיחה, התכה, סלע - של קבוצות פונקציונליות כגון פחמן (C=O), הידרוקסילs (O-H), ו טבעות ארומטיות. FTIR הוא בעל ערך במיוחד לזיהוי מזהמים אורגניים בדגימות מוצקות למחצה וסולמות כי זה דורש דגימות מינימליות מספק הכנה מיידית ומבנית.

כלי FTIR מודרניים מעסיקים רפלקציה כוללת מוגברת (ATR) אביזרים, אשר מבטלים את הצורך במניחה או לחיצה על דגימה מדגם.הדגימה ממוקמת ישירות על גביש יהלומים או גרמני, ואת הגל ה ⁇ חודר את הדגימה לעומק של כמה מיקרומטרים.תצורה זו מאפשרת ניתוח מהיר, לא הרסני של אדמה, פולימרים, ורקמות ביולוגיות ב התפלגות:0FLT2ft:

הגבלה אחת של FTIR היא הגבול הגבוה יחסית שלה לזיהוי בהשוואה לספקטרום המוני - בדרך כלל בחלקים למיליון (ppm) טווח.עם זאת, כאשר בשילוב עם טכניקות ריכוז כגון microextraction מוצק או לעורר מיצוי sorptive, FTIR יכול להשיג גבולות זיהוי בטווח הנמוך pb עבור סוגים מסוימים של אנאליים.

Raman Spectroscopy ו- Surface-Enhanced Variants

ראמן spectroscopy מזהה את הפיזור הלא-ריסטי של אור מונוכרומטי (בדרך כלל מ לייזר) על ידי רטטים מולקולריים.השינוי באנרגיה בין האירוע ופוטונים מפוזרים מתאים למצבים רטט ספציפיים, ומייצר ספקטרום שהוא משלים לאדום. raman spectroscopy מציעה כמה יתרונות לניתוח סביבתי: זה לא דורש שום מדגם, זה לא הרסני, והוא יכול להתבצע דרך מיכל שקוף או מסובב).

(FLT:0) enhanced Raman spectroscopy (SERS) ⁇ 1 באופן דרמטי מגביר את אות ראמן - על ידי גורמים של 106 עד 1010 - על ידי מודעות משוחדת אריות על משטחי מתכת מחוספסים (זהב ply זהב או חלקיקים כסף) זה amplifications מאפשר זיהוי ברמה חד-פעמית אחת, מה שהופך את הטכניקות רגישות ביותר עבור חומרים מסוכנים.

האתגרים העיקריים של SERS כוללים הסתברות תת-קרקעית ויציבות האותות. החוקרים מפתחים תת-שכבות מונדסות עם nanostructures אחיד כדי לשפר את הדיוק הכמותי. ⁇ spectrometers מצוידת substrates SERS-active זמינים כעת עבור בדיקת שדה, המציעה שדרה מבטיחה עבור ניטור סביבתי באתר.

חידוש מגנטי גרעיני (NMR) Spectroscopy

ספקטרום מגנטי גרעיני מנצל את התכונות המגנטיות של גרעינים (בעיקר 1H ו-13C) כדי לקבוע מבנה מולקולרי.בעוד NMR הוא פחות רגיש מאשר ספקטרומטריה המונית - בדרך כלל דורש כמויות מ"ג של פינוטה - הוא מספק מידע מבני שאין כמוהו, כולל קישוריות, סטריאוכימיה, דינמיקות לא ידועות מדגימות סביבתיות, NMR יכול להיות ברור עבור מבנה מולקולרי או ייחודי עבור נוגדנים מולקולריים.

התפתחויות אחרונות ב-FLT:0 ⁇ sFLT קרירות באופן קר יותר ויותר (FLT:2 High-field מגנטיssveFLT 3) שיפרו את הרגישות NMR על ידי סדר גודל, צמצום כמות המדגם הנדרשת לרמה המיקרוגרמה.FLT:4Hyphenated טכניקותFLT:5 כגון LC-N ו-NMR-NMS-N, לעומת זאת, הם דורשים שילוב חיוני של שיטות ניתוח סביבתי.

אטומי Spectroscopy לניתוח Elemental Analysis of Organometallic זיהום

בעוד שההתמקדות במאמר זה היא חומרים אורגניים, רבים של contaminants סביבתיים הם תרכובות אוניבומטיות - מולקולות המכילות רכיבים אורגניים ולא אורגניים.דוגמאות כוללות תרכובות של אוקטורין (שימוש כסוכני אנטי-פוחיות), מינים של איברים (methylmercury), ותרכובות אורגנונזיות (הנוכחות עשבים ותוספים בעלי חיים) כגון LTF:0inallowic ספקטרום 3 (P:2Fectdectrtomectd) ו-ofi-ofceptic)

כדי להשיג מידע ספקיציה - הצורה הכימית של האלמנט - טכניקות אטומיות אלה מתמזגות עם שיטות הפרדה כגון chromatography נוזלי (LC-ICP-MS) או כרומוזומטוגרפיה גז (GC-ICP-MS) מפרט הוא קריטי בגלל הרעילות, ניידות, וגורל סביבתי של אלמנט תלוי בצורתו הכימית.

גישות מתפתחות ו-Hytroscopic

Hyperspectral Imaging and Chemical Mapping

(הדמיה היפר-ספקטרום משלבת ספקטרום רחב עם מידע מרחבי, יצירת קוביית נתונים תלת-ממדית שבה כל פיקסל מכיל ספקטרום מלא.טכניקה זו היא שימושית במיוחד עבור הדמיה של חומרים בדגימות הטרוגניות כגון ליבות אדמה, רקמות צמחיות, או חלקיקים מיקרו-פלסטיק.

אלגוריתמי למידת מכונה מוחלים יותר ויותר על נתונים היפר-ספקטרליים לסווג ולכמת את המזועים באופן אוטומטי.רשתות עצביות מהפכתיות (CNN) ולתמוך במכונות וקטור (SVMs) יכולות לזהות תכונות ספקטרליות הקשורות למזהמים ספציפיים, אפילו בנוכחות התערבות רקע חזקה. גישה זו מאיצה את הניתוח של נתונים סביבתיים גדולים ומאפשרת ניטור בזמן אמת ביישומים מסוימים.

Ion Mobility Spectrometry (IMS)

Ion ניידות ספקטרוםטראומטריה מפרידה בין מושגים המבוססים על גודלם, הצורה, והטעינה כאשר הם נוסעים דרך גז סחף תחת השפעת שדה חשמלי.כאשר יחד עם ספקטרומטריה המונית (IMS-MS), היא מספקת מימד נוסף של הפרדה כי הוא שימושי במיוחד לפתרון של מפגעים וקונפורמולנטים - עם אותה נוסחה מולקולרית אבל מבנים שונים.

ניתוח ישיר בזמן אמת (DART) Mass Spectrometry

ניתוח ישיר בזמן אמת (DART) הוא טכניקת ionization ambient המאפשר ניתוח ספקטרומטרי המוני של דגימות בלחץ אטמוספירי עם מינימום או ללא הכנה מדגם.הדגם ממוקם ישירות במקור הion, ו metastable helium או ions desorb ו ionize את מירי התרופות אנאליים. D-ART הוא שימושי במיוחד עבור בדיקות מזוהמים על פני השטח, חומרים כימיים, והוא משמש פסולת חומרים כימיים.

יישומים ברחבי Matrices סביבתיים

ניתוח מים

מים הם הממטריקס הסביבתי הנפוץ ביותר עבור זיהומים אורגניים.שתיית תקנות מים בארצות הברית (חוק שתייה בטוחה) ובאירופה (Drinking Water Directive) להגדיר רמות מקסימליות של זיהום מים (MCLs) עבור מאות תרכובות אורגניות, כולל חומרי הדברה, חיטוי על ידי תוצרי לוואי, וכימיקלים תעשייתיים מתקדמים.

(ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ניתוח Soil and Sediment Analysis

(ו) מכלול וחילול הם מורכבים לשמצה, המכילים תערובת של חלקיקים מינרלים, חומר אורגני, מים, וניתוח של חומרי גלם מן המזחלות האלה דורשים שיטות הכנה מדגם חזק כדי להתגבר על השפעות ממטריקס.

(ב) [ה][דרוש מקור]] [ה]]][דרוש מקור]] [ה]]] [ה[[המאה ה-20]], ו[ה][דרוש מקור]]] ב[[1924]], [[1924]],]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]] ו[[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[[[1924]]]], [[[[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[[[1924]]]]]], [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

מעקב אוויר

(המזהמים האורגניים של המטוס כוללים תרכובות אורגניות תנודתיות (VOCs), תרכובות אורגניות למחצה (SVOCs), ותרכובות בעלות חלקיקים כגון PAHs ו dioxins.FLT:0GC-MSoripleFLT:1 עם רמות נמוכות תרמיות או מיקוד Cryogenic הוא השיטה הסטנדרטית לניתוח VOC באוויר ביתי ובסיסי (FR) של מעקב תת-TROSTD (R) מספק תגובה מתאימה של PT-TRD (R)

(ב) FTIRIRIRIRFLT:1) עם תאים גזים ארוכי טווח משמש ניטור פתוח-פת של זיהום אוויר על פני מרחקים של עד כמה קילומטרים, מתן מדידות ריכוז אזוריות. ⁇ FLT:2Raman spectrometersFLT 3: הם פרוסים לזיהוי באתר של חומר חלקי, כולל מיקרופלסטיק וbus על ידי קומפוספרציה.

אתגרים בניתוח קיסרי-רמה

אפשרויות ל-Multiance and Matrix Effects

הספקטרום המתוחכם ביותר אינו יכול לפצות על הכנת הדגימה לא מספקת.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ. - חומר אורגני מומס, מלחים, לימפונים, חומרים יבשים, כגון ג'ל permeation chromatography (GPC) עבור הפרדה מבוססת גודל או פיזור מוצק (S) עבור לעתים קרובות להשגת תוצאות אמינות.

איזוטופ דילול - תוספת של אנלוגיות מוארות-מעורבת יציבה של המטרה אנאליט - היא האסטרטגיה היעילה ביותר לתיקון אפקטים ממטריקס בספקטרום המוני כמותי של ספקטרום.הסטנדרט הפנימי המתוייג מתנהג זהה לתרופה הילידים במהלך ההכנה וההבחנה, מתן קוונטיזציה מדויקת אפילו בנוכחות של התערבות מטריצה חזקה.

עלויות חקירה ומומחיות

מכשירים מתקדמים של ספקטרוסקופיים מייצגים השקעה משמעותית בבירה.ספקטרומטר המוני ברזולוציה גבוהה יכול לעלות 500,000 $ או יותר, וחוזים תחזוקה שנתי להוסיף הוצאות מתמשכים. NMR spectrometers אפילו יקר יותר, עם 600 מכשירים MHz מעל $ מיליון. עלויות אלה להגביל גישה למעבדות מחקר במימון היטב, סוכנויות רגולטוריות, ומתקני ניסויים מסחריים.

הפעלה מכשירים אלה דורש הכשרה מיוחדת בכימיה אנליטית, כלי גילוח, פרשנות נתונים, ואבטחת איכות. המחסור של אנשי צוות מוסמך הוא מעצור באזורים רבים. מאמץ לפתח יותר מכשירים ידידותיים למשתמש צינורות ניתוח נתונים אוטומטיים הם מתמשך, אבל המורכבות של ניתוח סביבתי ברמת העקביות פירושה כי מומחיות אנושית תישאר חיונית.

מסגרת התפטרות וסטנדרטיזציה

סוכנויות התפטרות דורשות שיטות מאומתות עם מאפייני ביצועים ידועים - גבולות זיהוי, דיוק, דיוק, ועוצמה - לפני שניתן להשתמש בהם לצורך ניטור ציות.תהליך אימות הוא זמן-היתר ו יקר, ושיטות ייתכן שיהיה צורך להיות מחוסן מחדש עבור שיטות מגרות שונות או קבוצות אנאליות.

(ה) ,(ה) ,(ה) ,(ה) , הוראת המסגרת של האיחוד האירופי:2 REACH תקנה FLT 3: 3 (התקנה, הערכה, הערכה, אישור והגבלות של כימיקלים) מניעים פיתוח שיטות עבור חומרים עדיפויות בארצות הברית, כאשר נדרשה EPA'sFLT:4Clean Water ActFLT5 ו-Fillos) דרישות לבדיקות סטנדרטיות של חומרים אנליטיים, אשר LT5FSafe, אשר , אשר , אשר , אשר , אשר נועדו ל- 7.

כיוונים עתידיים וחדשנות

מינימום ו Portability

(Miniaturized spectroscopic מכשירים מביאים ניתוח ברמת מעבדה לתוך השדה. . Portable GC-MS מערכות במשקל פחות מ 30 ק"ג זמינים כעת לניתוח VOC באתר, עם מגבלות זיהוי דומות למכשירים ספסליים. Handentid Raman spectrometers עם SERS שיפור ביצועים יכול לזהות תרופות, חומרי נפץ, ומזהמים סביבתיים בתוך שניות.

אינטליגנציה מלאכותית וניתוח נתונים

אלגוריתמי למידת מכונות משנים פרשנות ספקטרלית, זיהוי מורכב וזיהוי.מודלים למידה עמוקה מאומן על ספריות ספקטרליות גדולות יכולים לזהות מזהמים לא ידועים עם דיוק גבוה, גם בנוכחות הרעש וההתערבות.זרימות עבודה אוטומטיות עבור איסוף שיא, deconvolution, וספרייה בחיפוש להפחית את הזמן הנדרש לניתוח נתונים משעות עד דקות.

Multi-Modal ו- Hyphenated Approaches

אף טכניקה אחת של ספקטרוסקופית לא יכולה לענות על כל השאלות האנליטיות.העתיד שוכן בגישות מרובות-מודולליות המשלבות שיטות משלימות - לדוגמה, LC-MS עבור קוונטיזציה, NMR עבור טיהור מבני, ו FTIR לניתוח קבוצתי פונקציונלי - כדי לספק אופי מקיף של מזהמים אורגניים.FLT:0Hyphenated מכשירים עבור LTFLTFLT, אשר משלבים מספר רב של גלאי עבודה מופחתים ו-cos.

כימיה אנליטית ירוקה

ניתוח סביבתי צריך להיות בר קיימא מבחינה סביבתית. עקרונות כימיה אנליטית ירוקה לתמוך להפחית את הצריכה המפת, חיסול משככי מסוכנים, צמצום השימוש באנרגיה, ומייצרת פחות פסולת.טכניקות כגון SPME, microextraction, ו ambient ion המוני ספקטרום אופטימאלית תואם עם עקרונות אלה על ידי צמצום או ביטול השימוש המפתור.

השילוב של ניתוח ;0 â €t-targeted ניתוח ¢FLT:1 ; אשר מנתח את כל התכונות שזוהו בדגימה ללא select מראש משככי מטרות - מרחיב את היקף ניטור סביבתי מעבר מזהמים מוסדרים לכלול מוצרים טרנספורמציה, ביניים, ו contaminants סביבתיים לא ידוע. אלה גישות מסתמכות על ספקטרום גבוה של נתונים מתקדמים ומתקדמים כדי לזהות תכונות פוטנציאליות של בריאות מזיקות "

מסקנה

טכניקות מתקדמות של ספקטרוסקופיות שינו באופן יסודי את הנוף של ניתוח אורגני, דוחפות גבולות זיהוי לחלקים בטווח טריליון ומספקות מידע מבני שלא ניתן לדמיין לפני דור. Mass spectrometry בצורות שונות שלה - GC-MS, LC-MS, MS/MS, וספקי ספקטרום המוניים בעלי יכולת הדמיה גבוהה - נשאר עבודת ניתוח ברמה גבוהה, בעוד RANR, ו-R, תכונות אנליטיות מורכבות, אשר יכולות הדמיה, הן תכונות אופטיות, תכונות אופטיות, תכונות אופטיות, הן צורות אופטיות, תכונות אופטיות, הן תכונות אופטיות, צורות מורכבות, תכונות אופטיות, צורות מורכבות, צורות של אינטליגנציה, תכונות אופטיות, אטומיות, הן צורות אטומיות, אשר יכולות אופטיות, והן יכולות אופטיות, אשר יכולות אופטיות, הן צורות מורכבות, והן יוצרות, צורות הדמיה.

האתגרים של עלות, מומחיות, התערבות מטריצה וסטנדרט רגולטוריות הם משמעותיים אך לא בלתי-אפשרי.כפי מכשירים הופכים להיות זולים יותר, ניידים וידידותיים למשתמש, היתרונות של ספקטרוסקופיה מתקדמת ירחיבו לקהילה רחבה יותר של מדענים סביבתיים, רגולטורים ומתרגלים.המשך השקעה בפיתוח שיטה, הכשרה ושיתוף פעולה בינלאומי יהיה חיוני כדי להבטיח כי כלים אלה חזקים הם ביעילות להגן על בריאות האדם והסביבה הגוברת של זיהום כימי.

(ב) לקוראים המעוניינים לבחון שיטות ספציפיות או יישומים רגולטוריים נוספים, משאבים סמכותיים כוללים את ה-FLT:0EPA שיטות אנליטיות ל- WaterFLT:1, TheFLT:2ISO Technical Committee for water QualityFialratedFLT 3, ו-FLT:4 של הוועדה האירופית ל-Digital Science FrameworkFLT:5 Publications in Biblicals, כגון:2FLT:6 , and the Specalalyticalalyticalalytical Analysis, 7.