مقاله پژوهشی

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره بیست و سوم، شماره شش، شهریورماه 1400(98-85)

استخراج واندازه­گیری سم دیازینون به وسیله نانوذرات NiZnS-C با تکنیک ریز استخراج به کمک امواج فراصوت  و طراحی آزمایش از آب­های محیطی به کمک HPLC-UV

سعید خدادوست [1]^*

saeid.kh64@gmail.com

محمد شریف طالبیان پور [2]

چکیده

زمینه و هدف: ترکیبات اورگانوفسفره اساس بسیاری از سموم و گازهای شیمیایی جنگی می­باشند. سموم فسفره آلی دسته ای از مواد شیمیایی هستند که عموما بعنوان بازدارنده های کولین استراز عمل می­کنند و بواسطه عملکرد بسیار موثرشان در مقابل حشرات کاربرد گسترده­ای در کشاورزی دارند. هدف اصلی این تحقیق ارائه یک روش استخراج جدید سم دیازینون از آب­های محیطی است.

روش بررسی: در این تحقیق نانو ذرات NiZnS نشانده شده بر روی کربن فعال سنتز شدند و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن با تکنیک­های XRD، FT-IR و TEM  تعیین شدند. نانو مواد با میانگین اندازه 45 نانومتر توسط روش ریزاستخراج براساس پخش نانو مواد نانو-کمک شده با امواج فراصوت برای استخراج سم دیازینون در نمونه­های آب­های محیطی (بهار سال 1399) قبل از اندازه گیری با دستگاه HPLC-UV به کار گرفته شد. مقادیر بهینه متغیرهای اثر گذار بر روش استخراج توسط روش طرح مرکب مرکزی مورد ارزیابی قرار گرفت.

یافته ها: روش بهینه سازی شده ریزاستخراج براساس پخش نانو مواد نانو- کمک شده با امواج فراصوت جفت شده با HPLC-UV برای اندازه گیری مقادیر ناچیز دیازینون در نمونه­های آبی به کار گرفته شده است. مزایای روش پیشنهادی بر اساس نانو مواد جدید شامل آسانی نسبی، ساده  بودن و ارزان بودن روش سنتز، سریع و راحت بودن عمل استخراج، امکان پذیری برای نمونه­های با حجم بالا، حساسیت، دقت و صحت بالا در پیش تغلیظ و اندازه گیری دیازینون است.

بحث و نتیجه گیری: در شرایط بهینه مقدار 5/15 میلی گرم از نانو ذرات NiZnS-C، 5/5 دقیقه زمان اختلاط و 5/5 دقیقه زمان اعمال فراصوت حاصل شد. ارقام شایستگی روش شامل دامنه خطی در محدوده   µgmL^-110 – 001/0 با حد تشخیص µgmL^-1 0005/0 و انحراف استاندارد کمتر از 6 درصد بوده است.

واژه های کلیدی: طرح مرکب مرکزی، دیازینون، روش ریزاستخراج براساس پخش نانو مواد نانو- کمک شده با امواج فراصوت، HPLC-UV .

Extraction and Determination of Diazinon Poison by NiZnS-C Nanoparticles by Ultrasound Microextraction and Experimental Design from Environmental Waters

Saeid Khodadoust [3]^*

saeid.kh64@gmail.com

Mohammad Sharif Talebiyanpour [4]

Abstract

Background and Objective: Organophosphates are the basis of many pesticides and chemical warfare agents. Organophosphorus pesticides (OPPs) are a class of chemicals that generally act as cholinesterase inhibitors and have been widely used in agriculture due to their high efficiency as insecticides. The main purpose of this study is to present a new method for extracting diazinon toxin from ambient water.

Material and Methodology: In this research NiZnS nonmaterial supported on the activated carbon synthesized and characterized with various method including XRD, FT-IR and TEM. Then these nanomaterials with 45 nm average particle size was applied for extraction of diazinon pesticide based on dispersive nano solid material-ultrasound assisted microextraction (DNSUAME) from environmental water samples prior to HPLC-UV. The optimum effective variables on the extraction yields were investigated by central composite design.

Findings: The optimized DNSUAME combined with HPLC-UV allowed quantification of trace levels of diazinon in the water samples. The advantages of the proposed method based on the new nanomaterial include simple, and inexpensive synthesis method; rapid and convenient extraction operation, feasibility for large-volume samples, high sensitivity, and precision and accuracy in preconcentration and determination of diazinon. 

Discussion and Conclusion: At optimum conditions values of variables set as 15.5 mg of NiZnS-AC, 5.5 min vortex and 5.5 min sonication time. At optimum conditions method has linear response over 0.001-10 µgmL^-1 with detection limit 0.0005 µgmL^-1 with relative standard deviations (RSDs) less than 6 % (n=6).

Keywords: Central Composite Design, Diazinon, Dispersive Nano Solid Material-Ultrasound Assisted Microextraction, HPLC-UV.

مقدمه

ترکیبات اورگانوفسفره اساس بسیاری از سموم و گازهای شیمیایی جنگی می باشند. سموم فسفره آلی[5] دسته ای از مواد شیمیایی هستندکه عموما به عنوان بازدارنده های کولین استراز عمل می کنند و به واسطه عملکرد بالایشان در مقابل حشرات کاربرد گسترده ای در کشاورزی دارند (1). تخریب آهسته سموم در محیط زیست و استفاده زیاد و نامناسب کشاورزان از این سموم می تواند سبب آلودگی های زیست محیطی شود (2). سموم فسفره آلی به عنوان یک ماده مخدر اعصاب شناخته شده و می توانند عملکرد استیل کولین که یک انتقال دهنده عصبی است را مختل نمایند (3). بنابراین بقایای چنین ترکیباتی در آب­های سطحی و زیر زمینی یک خطر بالقوه برای سلامتی انسان و دیگر موجودات زنده می­باشد (4). به هر حال با توجه به غلظت بسیار اندک سموم فسفره آلی در آب­های محیطی ضروری است که قبل از اندازه­گیری این ترکیبات در نمونه­های آبی یک مرحله آماده­سازی و پیش تغلیظ صورت گیرد.استخراج مایع- مایع[6](LLE) روشی است که به طور سنتی برای استخراج این ترکیبات به کار برده می شود. این روش وقت گیر بوده و حجم زیادی از حلال­های آلی سمی را مصرف می­کند (5). استخراج فاز جامد[7] (SPE) برای پیش تغلیظ N- متیل کاربامات ها از محیط­های آبی نیز به کار می­رود. اگر چه این روش نسبت به LLE مقدار حلال کمتری مصرف می­کند ولی از آنجایی که اغلب جاذب­های SPE گران قیمت هستند این تکنیک هزینه بر می­باشد (6). در سال­های اخیر توسعه روش­های استخراج جدید سبب کاهش چشم گیر مصرف حلال­های آلی در روش­های استخراج شده است که یکی از این روش­ها استفاده از امواج فراصوت می باشد. امواج فراصوت از طریق ایجاد حفرات سبب انتقالات شیمیایی و فیزیکی می­شوند. در واقع هنگام اعمال فشار منفی زیاد به مایعات سبب ایجاد حفره در آن می شود (9-7).

از طرفی دیگر در سالهای اخیر، به واسطه خواص منحصر به فرد مواد نانو (مانند خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی، ظرفیت جذب بالا و مساحت سطح ویژه بسیار بالا) استفاده از آن در روش­های استخراج توسعه یافته است. گواه این مدعا نیز توسعه روش استخراج فاز جامد مغناطیسی می­باشد (10). در این مطالعه از نانو ذرات نیکل روی سولفید نشانده شده بر روی کربن فعال (NiS:Zn-C) به­ عنوان یک جاذب جدید برای استخراج سموم فسفره از محیط آبی استفاده شده است. در این روش نانو ذرات NiS:Zn-C به وسیله اختلاط­گر ورتکس و امواج فراصوت به منظور جذب سم دیازینون توسط نانو ذرات در محیط آبی پخش شدند، سپس آنالیت­های جذب شده روی نانو ذرات شسته شده و برای اندازه­گیری به دستگاه کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا (HPLC) تزریق شدند. در واقع این روش که میکرو استخراج پخش نانو ذرات کمک شده با امواج فراصوت نامیده شده، به عنوان یک روش جدید از مزایایی مانند عملکرد آسان، سریع بودن، حساسیت بالا و دامنه خطی بالا برای اندازه گیری سموم کاربامات­ها برخوردار است. ضمن این که این روش امکان به کارگیری نانو ذرات غیر مغناطیسی در روش­های استخراج را به وجود آورده است. در این مطالعه اثر متغیرهای مانند مقدار نانو ذرات، مدت زمان اعمال ورتکس، زمان و دمای امواج فراصوت، قدرت یونی و pH محیط آبی، نوع و حجم حلال شوینده مورد بررسی و بهینه سازی قرار گرفت. در این پژوهش روش سطح پاسخ برای مطالعه شناسایی متغیر های موثر و بهینه سازی مقادیر آنها مورد استفاده قرار گرفته است. 

مواد و روش ها

 دستگاه ها

محلول­ استوک سم دیازینون با غلظت 0/200 میکروگرم بر میلی لیتر با انحلال 0/20 میلی­گرم از ماده استاندارد آن­ها در 0/100 میلی­لیتر متانول تهیه شد و در دمای C˚4 نگهداری در یخچال نگهداری شد. محلول­های مورد نظر با رقیق کردن مناسب محلول های استوک به وسیله آب دوبار تقطیر یون زدایی شده تهیه شدند.

مواد شیمیایی

برای تعیین اندازه نانو ذرات از دستگاه میکروسکوب تونلی روبشی (TEM) مدل JEM-100CX ساخت شرکت هیتاچی[8] ژاپن استفاده شد. برای بررسی ریخت شناسی نانو ذرات از دستگاه میکروسکوب الکترونی عبوری (SEM) ساخت شرکت هیتاچی ژاپن مدل S4160 با ولتاژ شتاب دهنده 15 کیلو ولت استفاده شد. برای بررسی ساختار نانو ذرات و تعیین اندازه آن­ها از دستگاه تفرق پرتو ایکس (XRD) ساخت شرکت فیلیپس[9]ژاپن استفاده شد. برای تکمیل فرایند استخراج از دستگاه فراصوت مدل GAZ SPA ساخت شرکت تکنو ایتالیا استفاده شد. برای پخش نانو ذرات در محیط آبی از دستگاه ورتکس ساخت آلمان استفاده شد. برای کنترل و تنظیم pH محلول­ها از دستگاه pH متر مدل 730 ساخت شرکت اینولب آلمان استفاده گردید واز دستگاه HPLC مدل smartline شرکت KNAUER ساخت آلمان برای آنالیز مقادیر دیازینون استفاده شد. برای محاسبه مساحت سطح نانوذرات از دستگاه بت (BET) مدلTriStar II 3020  ساخت آمریکا همراه با گاز نیتروژون به عنوان جذب شونده استفاده گردید.

سنتز نانو ذرات NiS:Zn-C

نانو ذرات NiS:Zn بر اساس واکنش 6 میلی­لیتر روی استات یک مولار و 6 میلی­لیتر نیکل استات (یک آبه) یک مولار با 15 میلی­لیتر محلول دی سدیم اتیلن تترا استیک اسید (Na₂EDTA) 2/0 مولار در pH برابر0/6 (کنترل و تنظیم با سدیم هیدروکسید)  انجام شد. در مرحله بعدی 30 میلی لیتر محلول تیو استامید 4/ 0 مولار اضافه شده و محلول تا حجم 100 میلی لیتر رقیق گردید. مخلوط به دست آمده با 30 گرم کربن فعال آمیخته و مدت 8 ساعت در 80 درجه سانتی گراد نگهداشته شد. نانو ذرات به دست آمده NiS:Zn نشانده شده بر روی کربن فعال برای مدت 10 ساعت در دمای 110 درجه سانتیگراد در آون خشک شد.

روش ریز استخراج پخشی نانو ذرات کمک شده با امواج فراصوت

در ابتدا 5/15 میلی گرم از نانو ذرات NiS:Zn نشانده شده بر روی کربن فعال به یک ظرف شیشه ای در بسته حاوی 3 میلی لیتر محلول آبی با غلظت 1/0 میکرو گرم بر میلی لیتر از دیازینون اضافه گردید. سپس به منظور پخش نانو ذرات در محیط آبی، مخلوط مورد نظر به مدت 5/5 دقیقه تحت شرایط ورتکس قرار گرفت. در گام بعدی برای تکمیل فرایند استخراج دیازینون، ظرف شیشه­ای بالا در حمام امواج فراصوت قرار داده شد. بعد از اتمام فرایند استخراج درب ظرف شیشه­ای برداشته شده و محتویات درون آن از سمت قسمت باریک آن به یک پیپت شیشه ای دیگر (با انتهای بسته شده با صافی چند لایه) منتقل گردید. پیپت شیشه­ای دوم نیز از همان قسمت دارای صافی از طریق یک رابط پلاستیکی به یک لوله آزمایشی دارای بازوی جانبی متصل شده است. لوله آزمایش نیز از طریق یک شیلنگ به پمپ خلا متصل شد. در واقع به کمک نیروی مکش پمپ خلا  نانو ذرات حاوی سم دیازینون استخراج شده از فاز محلول آبی جدا گردید. نانو ذرات در قسمت بالای صافی باقی مانده و محلول آبی با کمک نیروی مکش پمپ خلا به لوله آزمایش منتقل گردید. با دور ریختن محلول آبی و شستن و خشک کردن لوله آزمایش و جای گذاری دوباره آن، نانو ذرات حاوی آنالیت­های هدف با 0/1 میلی لیتر استون شتسشو شد. حلال شوینده استون حاوی آنالیت­های هدف از طریق بازوی جانبی لوله آزمایش حاوی آن­ها هدف به یک ظرف کوچک منتقل شده و بعد از تبخیر استون موجود در آن باقی مانده­ها در 25 میکرو لیتر متانول حل شده و 10 میکرو لیتر از آن به دستگاه کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا تزریق گردید.

محاسبه درصد بازیابی استخراج

به منظور رسیدن به شرایط بهینه استخراج، درصد بازیابی استخراج به عنوان پاسخ آزمایشی بر طبق فرمول زیر به دست می آید. در واقع درصد بازیابی استخراج بصورت درصد کل آنالیت استخراج شده در فاز نهایی استخراج (n_sed) به کل انالیت در فاز آبی (n_o) می باشد.

ER% = n_sed/ n₀ ×100 = (C_sed×V_sed/ C₀×V₀)× 100

که در آن C_sed و C₀ به ترتیب غلظت سم در فاز ته نشین شده و آبی بر حسب میگروگرم بر میلی لیتر می­باشد. C_sed (میکروگرم بر میلی لیتر) از طریق منحنی درجه بندی به دست امده از تزریق محلول های استاندارد محاسبه می شود. V_sed و V₀ به ترتیب حجم فاز ته نشین و حجم فاز آبی بر حسب میلی لیتر می­باشد.

طراحی آزمایش

روش­های طراحی آزمایش برای کاهش تعداد آزمایش­ها و تعیین همزمان اثرات متغیرها و برهمکنش بین آن­ها توسعه داده شده­اند. در این پژوهش متغیر­های موثر بر کارایی روش ریز استخراج مایع-مایع پخشی توسط طرح مرکب مرکزی بهینه سازی خواهند شد و یک مدل درجه دوم ریاضی بین متغیرهای مسقل و وابسته ساخته خواهد شد. طرح مرکب مرکزی یکی از مهمترین طرح­های رایج مورد استفاده برای برازش مدل­های درجه دوم است که توسط باکس و ویلسون ارائه گردیده است (11 و 12).

یافته ها

بررسی خصوصیات نانو ذرات نشان داده شده بر روی کربن فعال

در شکل 1 الگوی طیف تفرق پرتو ایکس نانو ذرات NiS:Zn نشان داده شده است. وجود سه پیک پهن در 111،  220 و 311 تایید کننده ساختار مکعبی شبکه نانو ذرات می­باشد. بر اساس عرض پهنا در نصف ماکزیمم پیک (111) و بکارگیری معادله دبای- شرر مقدار میانگین نانو ذرات 45 نانو متر تخمین زده شد. در شکل 2 طیف مادون قرمز نانو ذرات NiS:Zn تثبت شده بر کربن فعال برای مشخص شدن گروه های عاملی نشان داده شده است. همان گونه که در شکل نشان داده شده است یک باند جذبی در cm^-1 3436 حضور گروه هیدروکسیل را تایید می­کند. پیک­های  مشاهده  شده در cm^-1  2923 و cm^-1 2852 را می­توان به گروه C-H نسبت  داد. پیک­های      مشاهده  شده در cm^-11631 و cm^-1 1118 را به ترتیب می­توان به حضور گروه C=O و C-O نسبت داد. همچنین دو پیک­ مشاهده شده در cm^-1 700-600 مشخص کننده اتصال اتم­های S و O به فلزات نیکل و روی می­باشد.

یکی از مواردی که در مطالعه نانوذرات نقش اساسی ایفا می‌کند، تعیین اندازه آن‌ها می‌باشد. استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری( TEM) یکی از روش­های موثر در تعیین اندازه ذرات می باشدکه می­تواند اطلاعات کمی و کیفی مفیدی را در اختیار ما قرار دهد. در شکل 3 تصویر TEM نانو ذرات NiS:Zn تهیه شده در دمای 80 درجه سانتی گراد آورده شده است که اندازه نانو کریستالی تخمین زده شده از داده­های XRD را تایید می کند.

شکل 1- الگوی XRD نانو ذرات NiS:Zn.

Figure 1. XRD pattern of NiS:Zn nanoparticles

شکل 2- طیف مادون قرمز نانو ذرات NiS:Zn روی کربن فعال

Figure 2. FT-IR spectrum of NiS:Zn on activated carbon

شکل 3- TEM نانو ذرات NiS:Zn روی کربن فعال

Figure 3. TEM image of NiS:Zn on activated carbon.

انتخاب حلال شوینده

قبل از شروع آزمایش­های مربوط به طراحی آزمایش، یک سری آزمایش­های ابتدایی برای انتخاب نوع حلال شوینده مناسب با توانایی شویش کارا و تکرارپذیر سم جذب شده بر سطح نانو ذرات انجام گرفت. برای این منظور روش میکرو استخراج نانو ذرات پخش شده کمک شده با امواج فراصوت برای استخراج 025/0 میکرو گرم بر میلی لیتر دیازینون از 0/3 میلی لیتر محلول آبی به کار گرفته شد. بعد از انجام مراحل استخراج، برای واجذب آنالیت­ هدف از سطح نانو ذراتNiS:Zn-C، این نانو ذرات با 0/1 میلی لیتر از حلال های مختلف شامل استونیتریل، استون و متانول مورد عمل شویش و در یک ظرف کوچک جمع آوری شدند. در گام بعدی با دمیدن گاز نیتروژون حلال­های گفته شده تبخیر و آنالیت­ ته نشین شده در 25 میکرو لیتر متانول با خلوص بالا حل شدند و 0/10 میکرو لیتر از این نمونه به دستگاه HPLC  تزریق گردید. نتایج نشان دادند که از بین سه حلال آزمایش شده، استون بیشترین کارایی و حساسیت را برای شویش آنالیت­ از سطح نانو ذرات داشته است و بنابراین به عنوان حلال شوینده مناسب برای سم دیازینون درآزمایش­های بهینه­ سازی بعدی انتخاب گردید. بعد از انتخاب نوع حلال شوینده، حجم آن نیز می بایست مورد تحقیق قرار گیرد که برای این منظور در مراحل بعدی آزمایش­ها حجم حلال شوینده مورد ارزیابی قرار گرفت.

در جدول 1 نام متغیرها، کدها وسطوح مربوط به طرح مرکب مرکزی ارائه شده است. روش سطوح پاسخ برای بررسی اثر گذاری سه متغیر انتخاب شده در مرحله قبل بر استخراج دیازینون از نمونه­های آبی به کار گرفته شد. فاکتورهای اصلی مورد پژوهش در این مرحله برای بهبود کارایی استخراج شامل مقدار نانو ذرات (X₁: g)، زمان ورتکس (X₂: min) و زمان امواج فراصوت (X₃: min) بوده است. در ستون آخر جدول 1 نتایج آزمایش­ها بر حسب درصد استخراج گزارش شده است.

سطوح متغیر­ها و ماتریس طرح مرکب مرکزی همراه با نتایج آن­ها در جدول 1 نشان داده شده است. در طرح مرکب مرکزی برای جلوگیری از اثر متغیرهای کنترل نشده آزمایش­ها به صورت تصادفی انجام شدند و نتایج حاصله در جدول 1 نشان داده شده است. یک طرح 4 متغیره 5 سطحی برای تعیین سطوح پاسخ و ساختن یک مدل چند جمله­ای درجه دوم مناسب می­باشد. در این طراحی اثرات اصلی، اثرات بر همکنش­ها و اثرات درجه دوم ارزیابی وبهینه سازی شدند. مهمترین اثرات و برهمکنش­های متغیرها توسط آنالیز واریانس انجام گرفت (جدول 2). مقدار p کمتر از 05/0در جدول آنالیز واریانس نشان دهنده معنادار بودن متغیرها در سطح اطمینان 95 درصد است. بنابراین در جدول آنالیز واریانس پارامترهای که مقدار P آنها کمتر از 05/0 است اثر معنادرای بر پاسخ آزمایش داشته و ضرایب اثرگذاری آن­ها وارد معادله چند جمله­ای می­گردد.

جدول 1- ماتریکس طرح مرکب مرکزی برای استخراج سم دیازینون

Table 1.Central composite design matrix for extraction of diazinon

جدول 2- آنالیز واریانس طرح مرکب مرکزی برای استخراج دیازینون

Table 2. ANOVA for central composite design for extraction of diazinon

ملاک برای معنا دار بودن نتایج هر پارامتر در جدول مقدار p کمتراز 05/0 می­باشد و از نتایج به دست آمده یک مدل درجه دوم ساخته شده است. در جدول 2 مقدار p مربوط به پارامتر نقص در برازش مدل(LOF[10])  (نشان دهنده پراکندگی داده­ها می­باشد) بیشتر از 188/0 بوده و بیانگر سازگاری خوب مدل با داده های تجربی است. اگر مدل با داده ها متناسب نباشد، این پارامتر معنا دار می­شود. همچنین کیفیت مدل برازش شده با ضرایب همبستگی 997/0 R²=  و 943/0 Adj R²=   تعیین می­شود. R² اندازه­ای از مقدار انحراف­های حول میانگین توضیح داده شده توسط مدل می­باشد. مقادیر بزرگتر و نزدیک Adj R² به R² نشان دهنده ارتباط خوب بین مقادیر تجربی و مدل برازش شده است.

ER%= 41/90+ 64/9 X₁ + 94/3 X₂ + 23/4X₃ – 77/4 X₁² – 14/4 X₂²– 02/5 X₁X₃

حل خوب و با موفقیت این معادله بر طبق تابع مطلوبیت این امکان را برای ما میسر می­کند که کارایی روش پیشنهاد شده برای استخراج کامل دیازینون و اندازه گیری دقیق آن را پیدا کند. منحنی­های سطوح پاسخ برای طرح مرکب مرکزی استخراج دیازینون در شکل 4 نشان داده شده است. وجود انحناها در این منحنی­ها نشان دهنده بر همکنش بین متغیرها می­باشد. در شکل 4-الف دیده می­شود که در مقادیر کم جاذب و زمان ورتکس، حدود 30 درصد استخراج به دست آمده، در حالی که با افزایش مقادیر آن­ها درصد استخراج نیز تا 95 درصد افزایش پیدا کرده است. همین روند نیز در شکل 4-ب برای مقدار جاذب نسبت به مدت زمان امواج فراصوت قابل مشاهده است. در شکل4-ج مشاهده می­گردد که حتی در مدت زمان بالای امواج فراصوت، اگر مدت زمان ورتکس کافی نباشد، به دلیل این که نانو ذرات در محیط پخش نشده­اند درصد استخراج (حدود 65 درصد) چندان مناسب نخواهد بود. به طور کلی این منحنی­ها بیانگر این واقعیت هستند که در مقادیر کم نانو ذرات و زمان­های ورتکس و امواج فراصوت کم، مقدار بازیابی استخراج نیز اندک است. دلیل این امر به این واقیعت بر می­گردد که در مقادیر کم جاذب، مساحت سطح کافی برای جذب دیازینون وجود نخواهد داشت و در نتیجه مقدار بازیابی استخراج کاهش خواهد یافت. همچنین در مقادیر کم زمان­های ورتکس و امواج فراصوت زمان کافی برای پخش نانو ذرات در محیط آبی و انتقال جرم گونه­ها از محیط آبی به سطح فاز جامد (نانو ذرات) وجود ندارد. با یک نگاه کلی به منحنی­های سطوح پاسخ در شکل 4  می­توان نتیجه گرفت که در مناطق با مقادیر نانو ذرات، زمان ورتکس و زمان امواج فراصوت به ترتیب بین 18-12 میلی گرم، 7-5 دقیقه و 7-5 دقیقه، مقدار بازیابی استخراج افزایش می­یابد.

بحث

بهینه سازی طرح مرکب مرکزی با تابع مطلوبیت

پروفایل مطلوبیت پاسخ­ها شامل ویژه کردن تابع مطلوبیت برای هر متغیر با تعیین مقادیر پیش بینی در دامنه صفر (نامطلوب) تا یک (خیلی مطلوب) می­باشد. نتایج طرح مرکب مرکزی در جدول 1 نشان می­دهد که ماکزیمم درصد استخراج دیازینون 45/95 درصد و مینیمم آن 87/56 درصد می باشد. بر طبق این نتایج تابع مطلوبیت برای هر متغیر تنظیم می شود که در سمت راست شکل 5 نشان داده شده است که در آن مطلوبیت یک برای بیشترین مقدار 54/95، مقدار صفر برای کمترین مقدار 87/56 ومقدار 5/0 برای میانگین نتایج یعنی 16/76 درصد تنظیم شده است.

درقسمت پایین  سمت راست شکل 5 مطلوبیت برای هر کدام از متغیرها نشان داده شده است، در حالی که مقدار مطلوبیت یک به عنوان مقدار هدف در نظر گرفته می­شود. با توجه به این مطلب خط چین عمودی مقادیر بهینه هر متغیر را مشخص می­کند. چنین منحنی­های به ما اجازه می­دهند که تغییرات هر متغیر که همزمان بر پاسخ استخراج اثر گذار باشد قابل ارزیابی باشد. بر اساس چنین محاسباتی و معیار مطلوبیت یک، مقدار درصد استخراج سم دیازینون با متغیرهای بهینه سازی شده در مقادیر 5/15 میلی­گرم  نانو ذرات، 5/5 دقیقه زمان ورتکس، 5/5 دقیقه زمان امواج فراصوت، 48/95 درصد پیش بینی شده است. برای بررسی صحت و دقت این پیش بینی­ها 3 آزمایش تکراری در این نقاط بهینه شده انجام شد و نتایج قابل قبولی نسبت (انحراف استاندارد نسبی کمتر از 5 درصد) به مقدار پیش بینی شده به دست آمد. نتایج نشان دادند که ترکیب طرح مرکب مرکزی با تابع مطلوبیت می­تواند روش سودمندی در بهینه سازی متغیرهای موثر بر استخراج سم دیازینون از محیط های آبی باشد. همان طور که از شکل 5 پیداست با افزایش مقدار جاذب تا 5/15 میلی­گرم درصد استخراج افزایش یافته، اما در مقادیر بالاتر از آن به دلیل عدم پخش خوب نانو ذرات توسط ورتکس و امواج فراصوت کارایی استخراج اندکی کاهش می­یابد. همچنین در مقادیر بالاتر از 5/5 دقیقه برای ورتکس و امواج فراصوت به دلیل برگشت احتمالی سموم جذب شده در اثر برخورد ذرات در مرحله ورتکس و تبخیر یا تجزیه شدن در مرحله امواج فراصوت، کارایی استخراج اندکی کاهش خواهد یافت.

کارایی روش میکرو استخراج نانوذرات پخش شده کمک شده با امواج فراصوت

مجموعه­ای از محلول­های دیازینون در شش سطح غلظتی برای تعیین منحنی درجه بندی فراهم شد و در شرایط بهینه (سه آزمایش تکراری) انجام و میانگین آن­ها مورد استفاده قرار گرفت و نتایج حاصل کارایی تجزیه ای آن در جدول 3 گزارش شده است. همان طور که از داده­های جدول پیداست، روش ریزاستخراج نانو ذرات پخش شده به کمک امواج فراصوت پاسخ خطی در گستره 10- 0050/0 میکروگرم بر میلی لیتر با حد تشخیص 0015/0 میکرو گرم بر میلی لیتر با ضریب همبستگی 998/0 در نمونه­های آبی دارد. آزمایش­های مربوط به تکرارپذیری برای هر ترکیب تحت شرایط بهینه استخراج در غلظت 01/0 میکروگرم بر میلی لیتر با سه آزمایش موازی مورد تحقیق قرار گرفت. نتایج تکرارپذیری دیازینون که با انحراف استاندار نسبی بیان می­شود و در جدول 3 هم مشاهده می شود 8/4 درصد به دست آمد. این نتایج نشان می­دهند که روش پیشنهاد شده حساسیت و تکرارپذیری قابل قبولی دارد.

به منظور بررسی بازآوری نانو ذرات NiZnS-C در استخراج های مجدد ترکیبات سم دیازینون، این نانو ذرات بعد از استفاده مورد عمل بازآوری قرار گرفتند و نتایج به دست آمده نشان داد که این نانو ذرات می­توانند حداقل 5 بار بدون کاهش معنی­دار در توانایی جذب مورد استفاده مجدد قرار گیرد.

شکل 4- رویه­های پاسخ به دست آمده در طرح مرکب مرکزی در روش ریزاستخراج پخش نانو ذرات کمک شده با امواج فراصوت، الف-مقدار جاذب – زمان ورتکس، ب-مقدار جاذب – زمان امواج فراصوت، ج- زمان ورتکس -  زمان امواج فراصوت.

Figure 4.Obtained response surface in central composite design in ultrasound assisted microextraction, a-adsorption amount – vortex time, b- adsorption amount – ultrasonic time, c- vortex time - ultrasonic time.

شکل 5- مقادیر بهینه بر اساس تابع مطلوبیت در روش ریزاستخراج پخش نانو ذرات کمک شده با امواج فراصوت

Figure 5. Optimum values according to DF in ultrasound assisted microextraction

جدول 3- نتایج کارایی روش ریزاستخراج پخش نانو ذرات کمک شده با امواج فراصوت برای استخراج دیازینون

Table 3. Significant figures of ultrasound assisted microextraction for extraction of diazinon

آنالیز نمونه های حقیقی آب

به منظور ارزیابی روش میکرواستخراج نانو ذرات پخش شده به کمک امواج فراصوت، این روش برای آنالیز دیازینون در نمونه­های آب شهر، آب رود­خانه و آب چاه شهرستان بهبهان در بهار سال 1399 مورد ارزیابی قرار گرفت. مقدار بازیابی استخراج دیازینون با اضافه کردن محلول­های استاندارد دیازینون به محلول­های آبی در دو سطح غلظتی 001/0 و 01/0 میکرو گرم بر میلی لیتر مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج حاصل از این بررسی (جدول4) نشان می­دهند که مقدار بازیابی استخراج در نمونه­های آبی مورد آزمایش با انحراف استاندارد نسبی کمتر از 5 درصد بین 75/98 – 22/89 درصد بوده است که کارایی بالای روش را نشان می­دهد. در شکل 6 نیز یک نمونه کروماتوگرام دیازینون استخراج شده از آب رودخانه بعداز اضافه کردن محلول استاندارد از سم دیازینون در غلظت 005/0 میکرو­گرم بر میلی لیتر نشان داده شده است. لازم به یادآوری است که در این جدول تمام آزمایش­ها سه بار تکرار شدند و نتایج میانگین آنها در جدول 4 گزارش شده است.

شکل 6- کروماتوگرام سم دیازینون اضافه شده در غلظت 005/0 میکرو­گرم بر میلی لیتر به آب رودخانه بعد از استخراج

Figure 6. Chromatogram of extraction diazinon (0.005 µgmL^-1) from river water

جدول 4- نتایج اندازه گیری دیازینون در نمونه های آب

Table 4. Obtained results in water samples

برای مقایسه، نتایج این پژوهش با چندتا از گزارش علمی منتشر شده در مجلات معتبر در جدول 5 مورد مقایسه قرار گرفته است و داده های به دست آمده نمایانگر حد تشخیص، دامنه خطی و تکرارپذیری  خوب روش پیشنهادی است (13-15).

جدول 5- مقایسه بین روش پیشنهادی با دیگر روش­های گزارش شده

Table 5. Comparison of proposed method with other reported methods

نتیجه گیری

در این مطالعه یک روش میکرو استخراج جدید مبتنی بر پخش نانو ذرات فلزی به کمک امواج فراصوت برای استخراج و اندازه­گیری سم دیازینون معرفی شد. برای این کار ابتدا نانو ذرات مناسبی سنتز و مورد شناسایی قرار گرفتند و سپس یک طراحی برای شیوه استخراج انجام شد. سپس یک طرح مرکب مرکزی پنج سطحی برای ساختن یک مدل ریاضی چند جمله­ای بر اساس داده های تجربی برای بهینه کردن متغیرها مورد استفاده قرار گرفت. مقادیر بهینه متغیرها با به کار گرفتن یک تابع مطلوبیت محاسبه و سپس تمام آزمایش­ها مربوط به تعیین رنج خطی، تعیین حد تشخیص و آنالیز نمونه های حقیقی سم دیازینون در مقادیر بهینه پیش بینی شده انجام شد. از مزایای روش پیشنهادی جدید می توان به عملکرد آسان، استفاده نکردن از حلال­های کلره، ایجاد دامنه کاربرد بیشتر برای نانو ذرات فلزی، حساسیت بالا و دقت و صحت مناسب اشاره کرد. 

ملاحظات اخلاقی

نویسندگان کلیه نکات اخلاقی شامل عدم انتشار دوگانه، سرقت ادبی، تحریف داده­ها و داده سازی را در این مقاله رعایت کرده­اند.

تشکر و قدردانی

این مقاله مستخرج از محل پژوهانه سعید خدادوست عضو هیات علمی دانشگاه در سال 1398 است که با حمایت دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان اجرا شده است.

References

1.      Gogol, E.V., Evtugyn, G.A., Marty, J.L., Budnikov, H.C., Winter, V.G., 2000. Amperometric biosensors based on nafion coated screen-printed electrodes for the determination of cholinesterase inhibitors,Talanta, Vol, 53, pp. 379–389.

1. Choudhary, A., Sharma, D.C. 2008. Pesticide Residues in Honey Samples from Himachal Pradesh (India), Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, Vol. 80, pp. 417–422.
2. Liu, G., Lin, Y. 2005. Electrochemical Sensor for Organophosphate Pesticides and Nerve Agents Using Zirconia Nanoparticles as Selective Sorbents, Analytical Chemistry, Vol. 77, pp. 5894–5901.
3. Adlnasab, L., Ezoddin, M., Shabanian, M., Mahjoob, B. 2019. Development of ferrofluid mediated CLDH@Fe₃O4@Tanic acid- based supramolecular solvent: Application in air-assisted dispersive micro solid phase extraction for preconcentration of diazinon and metalaxyl from various fruit juice samples, Microchemical Journal, Vol. 146, pp. 1-11.

5.      Mayer-Helm, B., Hofbauer, L., Müller, J. 2006. Development of a multi-residue method for the determination of 18 carbamates in tobacco by high-performance liquid chromatography/positive electrospray ionisation tandem mass spectrometry, Rapid Communication in Mass Spectrometry, Vol. 20, pp. 529-536.

1. Amiri Pebdani, A., Khodadoust, S., Talebianpoor, M.S., Zargar, H.R., Zarezade, V. 2016, Preconcentration and determination of chlordiazepoxide and diazepam drugs using dispersive nanomaterial-ultrasound assisted microextraction method followed by high performance liquid chromatography, Journal of Chromatography B, Vol. 1008, pp. 146-155.

7.      Amiri Pebdani, A., Khodadoust, S., Akbartabar Toori, M., Zarezade, V., Talebianpoor, M.S. 2016. Application of an optimized modified stir bar with ZnS nanoparticles loaded on activated carbon for preconcentration of carbofuran and propoxur insecticides in water samples and their HPLC determination, Rsc Advances, Vol. 6, pp. 36238-36247.

8.      Khodadoust, S., Nasiriani, T., Zeraatpisheh, F. 2018. Preparation of a magnetic molecularly imprinted polymer for the selective adsorption of chlordiazepoxide and its determination by central composite design optimized HPLC, New Journal of Chemistry, Vol. 42, pp. 14444-14452.

9.      Liang, P., Wang, F., Wan, Q. 2013. Ionic liquid-based ultrasound-assisted emulsification microextraction coupled with high performance liquid chromatography for the determination of four fungicides in environmental water samples, Talanta, Vol. 105, pp. 57-62.

10.  Tahmasebi, E., Yamini, Y., Seidi, S., Rezazadeh, M. 2013, Extraction of three nitrophenols using polypyrrole-coated magnetic nanoparticles based on anion exchange process,  Journal of Chromatography A, Vol. 1314, pp. 15-23.

1. Box, G.E.P, Wilson, K.B. 1951. On the experimental attainment of optimum conditions, Journal of the Royal Statistical Society. Series B, Vol. 13, pp. 1-45.
2. Morgan, E. 1991. Chemometrics: Experimental Design, Wiley, London.
3. Davoodi, D., Hassanzadeh-Khayyat, M., Asgharian Rezaei, M., Ahmad Mohajeri, S. 2014. Preparation, evaluation and application of diazinon imprintedpolymers as the sorbent in molecularly imprinted solid-phase extraction andliquid chromatography analysis in cucumber and aqueous samples, Food chemistry, Vol 158, pp. 421–428.
4. Katsumata, H., Matsumoto, T., Kaneco, S., Suzuki, T., Ohta, K. 2008. Preconcentration ofdiazinon using multiwalled carbon nanotubes as solid-phase extractionadsorbents, Microchemical Journal, Vol. 88, pp. 82–86.
5. Aladaghlo, Z., Fakhari, A., Behbahani, M. 2016. Solvent-assisted dispersive solid-phase extraction: A sample preparation method for trace detection of diazinon in urine and environmental water samples, Journal of Chromatography A, Vol 14622, pp. 27-34

[1] - دانشیار گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان، بهبهان، ایران. ^* (مسوول مکاتبات)

[2] - دانشیار گروه فارماکولوژی، مرکز تحقیقات گیاهان دارویی، دانشگاه علوم پزشکی یاسوج، یاسوج، ایران.

1- Associate Professor, Department of Chemistry, Faculty of Science, Khatam Alanbia University of Technology, Behbahan, Iran. * (Corresponding Author)

[4]- Associate Professor, Medicinal Plants Research Center, Yasuj University of Medical Sciences, Yasuj, Iran.

1-^. Organophosphorus pesticides (OPPs)

2- Liquid- liquid extraction

3- Solid phase extraction

1- Hitachi Co

2- Philips

[10]- Lack of fit