بررسی انواع کجلدال و کاربردهای آنها در آزمایشگاه
عناصری در طبیعت وجود دارند که با حیات رابطه بسیار نزدیکی برقرار کرده اند. اکسیژن، کربن و هیدروژن به دلایل مختلف شناخته شده ترین این عناصر هستند. با این حال گزینه چهارمی که چندان در میان عموم مردم مورد توجه قرار نمی گیرد، نیتروژن است. نیتروژن در بسیاری از محیط ها مانند خاک حضور پررنگی دارد و عملاً می توان آن را یکی از حلقه های اصلی در اکوسیستم مناطق مختلف دانست. محققان با علم به این موضوع، مدت زمان قابل توجهی را صرف توسعه روش های بررسی میزان نیتروژن در نمونه های مختلف آلی و معدنی کرده اند که به متدولوژی های متنوعی هم ختم شده است. یکی از این متدها هم با نام کجلدال شناخته می شود که تلاش می کنیم در ادامه شما را هرچه بیشتر با آن آشنا کنیم.
کجلدال چیست
برای آشنایی با این فرآیند و دستگاه آن باید حدود 150 سال به عقب برگردیم. در سال 1883 میلادی، یک دانشمند دانمارکی به نام یوهان گوستاو کجلدال (کلدال) روشی را مطرح کرد که به کمک آن می شد در نمونه های آلی و معدنی میزان نیتروژن را با دقت بالایی بدست آورد. در نگاه اول این فرآیند کاربرد محدودی دارد، اما واقعیت این است که دانستن میزان نیتروژن می تواند به تحلیل نمونه ها از دیدگاه های مختلف کمک کند. برای مثال در بررسی نمونه‌های خاک، کود، مواد پروتئینی، محصولات انرژی زا و… در آزمایشگاه می توان به شکل گسترده از این فرآیند بهره برداری کرد.
با وجود اینکه متدهای دیگری هم به مرور زمان با همین هدف به حوزه تجهیزات آزمایشگاهی معرفی شده اند، اما این فرآیند همچنان مورد توجه بسیاری از محققان سطح جهان می باشد. علت عمده آن به آسانی انجام، سرعت نتیجه گیری و توانایی انجام کل فرآیند در تنها یک مجموعه دستگاه برمیگردد. البته این موضوع به نوع دستگاه مذکور هم بستگی دارد، امری که در ادامه به آن بیشتر می پردازیم.
نمونه اصلی توسعه یافته در قرن نوزدهم نیازمند چند مرحله کار بر روی نمونه بود و از آنجایی که بخش عمده ای از آن با اسیدهای خورنده غلیظ و بخارهای تولیدی آنها سر و کار داشت، فرآیند فوق العاده دشوار و خطرناکی به حساب می‌آمد، به ویژه اگر تکنسین های آزمایشگاهی درگیر با فرآیند کم تجربه باشند. بنابراین به مرور زمان این متدولوژی توسعه پیدا کرد و به شکل کنونی درآمد که شامل مجموعه‌ای از دستگاه های متصل به یکدیگر می باشد.
حالا شاید برایتان مطرح شود که جزئیات نحوه انجام این فرآیند چیست و چرا مورد توجه قرار گرفته است؟
فرآیند کجلدال
این فرآیند در عین اینکه بیش از یک سده از طراحی آن می گذرد، همچنان دقت بالایی در اندازه گیری نیتروژن ارائه می کند که البته وابسته به دقت تکنسین و کاربر در انجام ریزبینانه تست و تحت کنترل نگه داشتن تمام ابعاد آن می باشد. به عبارت دیگر، ذات آزمون کجلدال سطح دقت بالایی دارد، اما هر چقدر انجام آن با کنترل بهتر و تسلط بیشتری انجام شود، نتایج بهتری هم بدست می آورید که بیشتر قابل اعتماد هستند. بنابراین جزئیات این فرآیند را نباید سرسری گرفت و پرداختن به آنها می تواند فوق العاده مفید باشد.
به طور کلی، این روش (در هر مدل دستگاهی که برای آن استفاده شود) شامل سه مرحله اصلی می شود:
- هضم
- تقطیر
- تیتراسیون
طی مرحله اول، نمونه جامد باید توسط یک اسید قوی هضم شود. این اسید باید غلظت بالایی داشته باشد و اغلب به خاطر مطمئن شدن از هضم نمونه، از خورنده های قوی مانند سولفوریک اسید در غلظت بسیار بالا استفاده می شود. اغلب در این مرحله از یک کاتالیزور هم بهره برداری می کنند تا سرعت فرآیند بالاتر برود که پرمنگنات سدیم برای این منظور به کرات کاربرد دارد. هضم شدن نمونه، به شرطی که دارای نیتروژن باشد، به تولید نمک آمونیوم ختم می شود. این نمک همان فرآورده ای است که برای نتیجه گیری در مرحله تقطیر به کار می رود.
در مرحله تقطیر، ابتدا مقدار کمی آب به نمک بدست آمده افزوده شده و سپس کمی سود را به آن می افزایند. مخلوط بدست آمده باید به آرامی جوشانده شود و بخار بدست آمده از آن به سمت یک محفظه دیگر هدایت می شود تا در آنجا تقطیر گردد. زیر مخزن تقطیر یک قطره چکان قرار داده شده است که مایع تقطیر شده از داخل آن به آرامی به پایین می چکد. این قطره ها داخل یک مخزن حاوی بوریک اسید می ریزند که دارای مقدار کمی نشانگر متیل رد است. ورود آمونیاک به بوریک اسید منجر به تولید بورات آمونیوم می شود که باید تحت تیتراسیون قرار بگیرد.
در مرحله تیتراسیون هم باید به کمک هیدروکلریک اسید، بورات آمونیوم تیتر شود. این کار با افزودن یک مگنت به محلول بدست آمده از مرحله تقطیر و بعد هم زدن آن صورت می گیرد، در حالی که به آرامی هیدروکلریک اسید را به مخلوط اضافه می کنید. این کار تا جایی ادامه پیدا می کند که رنگ محلول بورات آمونیوم و اسید مذکور از زرد به ارغوانی تبدیل شود. حجم اسیدی که برای این محلول استفاده کرده اید، در تعیین نتایج نهایی موثر است و باید حتما مقدار آن ثبت شود.
همان طور که مشخص است، این فرآیند به هیچ عنوان از نظر سختی نباید دستکم گرفته شود. هرگونه اشتباه، کم دقتی یا سرسری گرفتن مسیر این آزمایش، جدا از به هم زدن و خراب کردن نتایج بدست آمده، می تواند برای تکنسینی هم که با وسایل کار می کند خطرناک باشد. به همین دلیل است که دستگاه های کجلدال در دوران مدرن به بازار معرفی شده اند. این محصولات مدل ها و دسته بندی های متفاوتی بر اساس امکانات و روش تأمین حرارت پیدا می کنند که در ادامه به آنها می پردازیم.
انواع کجلدال در بازار لوازم آزمایشگاهی
اول از همه باید در جریان باشید که برخلاف بسیاری از تجهیزات آزمایشگاهی مثل ویسکومتر یا سانتریفیوژ، اینجا الزاماً با یک ست مشخص از قطعات روبرو نمی شوید. کجلدال، همان طور که گفتیم، در سه مرحله انجام می شود. فرآیند هضم و تقطیر با هم تفاوت های فراوانی دارند، در حالی که مرحله تیتراسیون بسیار ساده است و بنابراین چندان ذهن کاربر را نباید به خود درگیر کند. به همین دلیل طی 100 سال اخیر با سه گروه اصلی از ادوات روبرو هستیم:
- ادوات هضم
- ادوات تقطیر و تیتراسیون
- ادواتی که همه فرآیندها را در بر می گیرند
برخلاف آنچه ممکن است فکر کنید، تجهیزات دو گروه اول هنوز در بازار یافت می شوند. برگ برنده سیستم های هضم و تقطیر جداگانه به دقت و ایمنی عملکرد آنها است، در حالی که ادوات کامل و یکپارچه که گاهی اوقات با نام اتوماتیک هم شناخته می شوند، امتیاز اصلی خود را انجام تمام تست با حداکثر سرعت و حداقل نیاز به درگیری کاربر با بخارات اسیدی و خطرناک می دانند.
خارج از بحث جداسازی مراحل فرآیند در تجهیزات گوناگون، دسته بندی این ادوات به خودی خود نیز کار چندان آسانی نیست، چون شکل کلی فرآیند میان تمام آنها یکسان است. آنچه که میان مدل های مختلف تفاوت ایجاد می‌کند صرفاً شامل مواردی مانند روش تأمین حرارت برای تقطیر، امکانات جانبی و جزئیات توانایی دستگاه مثل دامنه عملکرد و سرعت استخراج نتیجه به صورت قابل اتکا خواهد بود. از طرف دیگر، برخی این ادوات را بر اساس جدا بودن یا سرهم بودن سیستم های هضم و تقطیر دسته بندی می کنند که همان طور که گفتیم، به سیستم های یکپارچه دستگاه کجلدال اتوماتیک گفته می شود. خارج از این مورد، دسته بندی های غیررسمی‌در میان فعالان بازار پدید آمده است که در ادامه برخی از مهمترین آنها را مطرح می‌کنیم.
در تجهیزات هضم، تأمین‌کننده حرارت عامل اصلی جداکننده مدل‌ها از یکدیگر است. سه روش برای تأمین حرارت در این ادوات وجود دارد:
- کوره حرارتی: تولید حرارت مستقیم و قرار دادن نمونه در معرض آن
- مادون قرمز: گرم کردن نمونه به کمک تابش امواج متمرکز مادون قرمز
- مایکروویو: استفاده از امواج مایکروویو و الکتریسیته به عنوان منبع تغذیه دستگاه
بنابراین برای مثال هضم مایکروویو عملکرد متفاوتی نسبت به مدل مادون قرمز پیدا می کند و بنابراین پیش‌نیازها و خصوصیات عملیاتی متفاوتی هم خواهد داشت، گرچه کلیت فرآیند را دست‌نخورده باقی می گذارد.
بحث امکانات جانبی بیشتر برای اسکروبر و هود مطرح می شود. این فرآیند با انبوهی از ترکیبات به شدت خطرناک اسیدی و بخارهای آنها همراه است، بنابراین عجیب نیست که ببینیم نیاز به این دو قطعه احساس می شود.
عامل دیگری که باعث جدا شدن آنها از یکدیگر می شود و در خصوص ادوات تقطیر هم صادق است، دامنه عملیات و دقت آن است. برای مثال برخی ادوات نیتروژن را با دقت به مراتب بیشتری نسبت به همتایان خود اندازه گیری می کنند، در حالی که زمان زیادی صرف این کار می شود و در واقع دقت با افزایش زمان عملیات تأمین می گردد. نمونه های دیگر با ظرفیت کاری بالاتر، می توانند با سرعت بیشتری این کار را انجام بدهند، اما دقت آنها به این اندازه بالا نیست. بنابراین سرعت استخراج نتایج هم می تواند به عاملی برای جدا کردن این محصولات از یکدیگر تبدیل شود. در هر صورت بحثی که ثابت باقی می ماند استفاده های این ادوات است: تنها عاملی که میان این سه سیستم تفاوت ایجاد می کند قیمت تمام شده تجهیزات آنهاست و هر تکنسین باتجربه ای می تواند با استفاده از مدل کوره حرارتی، مدل مادون قرمز یا مدل مایکروویو آزمایش های روتین کجلدال را به انجام برساند.
جمع بندی
نظر به اهمیتی که فرآیند کجلدال برای بسیاری از آزمایشگاه های زیستی، بیولوژیکی و میکروب شناسی دارد، آشنایی با آن هم برای فعالان این حوزه و هم برای کسانی که علاقمند به جمع آوری اطلاعات در این خصوص و یادگیری بیشتر هستند، مفید واقع می شود. تلاش ما در این مطلب جدا از عرضه کردن اطلاعات جامع اما خلاصه، کمک به تکنسین ها و محققان کم تجربه ای است که ممکن است با این ادوات روبرو شده باشند یا به دلایل شغلی قصد داشته باشند با آنها کار کنند. از آنجایی که این فرآیند با مواد خطرناک سروکار پیدا می کند، به اشتراک گذاشتن این اطلاعات را وظیفه خود دانسته و آنها را برای افزایش آگاهی و تضمین ایمنی هموطنان عزیز لازم می دانیم.
منبع : صنایع آزمایشگاهی بخشی
