در اين اختراع يك ابزار ساده، موثر و ارزان ميكرواستخراج فاز جامد ديناميك بر مبناي ابزار سوزن پرشده Dynamic-Cooling reinforced INCAT (DCR-INCT) جفت شده با دستگاه كروماتوگرافي گازي- طيف سنجي جرمي (GC-MS) براي اندازه گيري كمي و كيفي گازها و تركيبات فرار تنفس معرفي و بهينه شده است. تركيبات شيميايي موجود در تنفس انسان مانند اثر انگشت مي باشد و هر فردي الگوي تنفسي مخصوص به خود را دارد. يروفايل تنفسي هر فردي اطلاعات مفيدي از فعاليت بيولوژيكي بدن مي دهد. بنابراين با بررسي مولكول هاي شيميايي موجود در تنفس مي توان از وضعيت جسماني و سلامتي فرد اطلاعات مناسبي كسب كرد. اختراع حاضر يك INCAT با جاذب نانو كامپوزيت گرافن سولفونه شده/پلي آنيلين (Sulf-G/PANI)، پر شد و براي گيراندازي و مولكول هاي بازدم استفاده شد. بازدم افراد توسط دميدن در يك ظرف مخصوص جمع آوري شده و توسط روش DCR-INCT-GC-MS آناليز مي شود و پروفايل تنفسي اوليه ثبت مي شود. در آزمايشات بعدي تغيير پروفايل تنفسي فرد نشانه احتمال بروز بيماري خواهد بود. سيستم پيشنهادي غير تهاجمي و سريع بوده و حد تشخيص بسيار پايين (قدرت پيش تغليظ بالا) دارد. از طرفي زمان آناليز آن در مقايسه با روشهاي مشابه بسيار زودتر مي باشد.

اختراع يك وسيله جهت جداسازي و پيش تغليظ عناصر سازنده هيدريد تحت نام ابزار گير اندازي هيدريد يا HTD انجام گرفته است كه زمينه فني آن مربوط به شيمي تجزيه مي باشد. ساختار فني و دقيق اين وسيله پيوست شده است. وسيله طراحي شد قادر به جداسازي و تغليظ عناصر سازنده هيدريد مثل آرسنيك، جيوه، سرب،آنتموان، بيسموت، سلنيوم، تلور و انتيموان در نمونه هاي آب هاي رودخانه اي، خاك هاي كشاورزي، پساب هاي صنعتي و غيره است. مشكل فنيHTD آن است كه اين وسيله به صورت اتوماتيك در نيامده است و همچنين براي متراكم ساختن پيستون آن از بايد از نيروي دست استفاده كرد. تلاش جهت خودكار سازي HTD مي تواند باعث ايجاد و بسط روش هاي دستگاهي نوين در زمينه شيمي تجزيه شود.

در سالهاي اخير روش¬هاي ميكرواستخراج به دليل سرعت بالا، حساسيت مناسب، كاهش مراحل و هزينه آناليز و بويژه بعلت كاهش يا حذف استفاده از حلال¬هاي آل، مورد توجه بسيار زيادي قرار گرفته¬اند. يكي از راههاي افزايش كارايي و صحت روش¬هاي ميكرواستخراج، خصوصا در آناليز نمونه هاي پيچيده و آناليت هاي خيلي فرار، استفاده از تكنيك سرد كردن جاذب مي¬باشد كه با نام روشهاي ميكرواستخراج تقويت شده با سرما (Cooling-Assisted Microextraction) شناخته مي شوند. هرچند تعداد كارهاي انجام شده اندك است، اما روشهاي معدودي براي سرد كردن فاز استخراج كننده، در روش¬هاي ميكرواستخراج فازجامد بر پايه فيبر (Fiber SPME) و ميكرواستخراج فازمايع (LPME) بكار گرفته شده است. يكي از مهمترين روش هاي ميكرواستخراج فازجامد تكنيك تله سوزني (Needle Trap Device) مي باشد كه تا كنون با روش سرد كردن جاذب جفت نشده و هيچ گزارشي در اين مورد وجود ندارد. با توجه به تجربيات طولاني اين گروه تحقيقاتي، كه در زمينه روشهاي ميكرواستخراج تقويت شده با سرما منجر به ثبت چندين اختراع داخلي و بين¬المللي شده است، در اين گزارش، براي اولين بار، سيستم تله سوزني تقويت شده با سرما (Cooling-Assisted Needle Trap Device, CA-NTD) معرفي مي گردد. اين سيستم قادر به سرد كردن موثر فاز استخراجي در انواع روشهاي بر مبناي سوزن مانند NTD و INCAT يا تله جاذب درون سوزن موئينه (Inside Needle Capillary Absorption Trap) با انواع جاذبهاي تجاري و سنتزي مي باشد. بعلاوه، براي افزايش هرچه بيشتر كارآئي استخراج در نمونه هاي پيچيده جامد، در اين سيستم يك جاذب نانو تازه سنتز شده مورد استفاده قرار گرفت. به اين منظور نانو جاذب هاي گرافن اكسايد و فولرن اكسايد، توسط تترا اتوكسي سيلان(TEOS)، سنتز و سيليس دار شدند و براي اولين بار در CA-NTD مورد استفاده قرار گرفتند. براي سرد كردن جاذب يك سيستم ساده و ارزان طراحي و ساخته شد و در اين تحقيق مورد استفاده قرار گرفت. اين روش با كروماتوگرافي گازي جفت شد (CA-NTD-GC-FID) و بطور موثر و موفقيت آميز براي استخراج PAHs در نمونه هاي پيچيده خاك آلوده مورد استفاده قرار گرفت. بر خلاف روشهاي موجود، PAHs نمونه هاي خاك بدون هيچگونه عمليات آماده سازي و در يك مرحله بصورت مستقيم مورد استخراج قرار گرفت.

در اين تحقيق، ابزار ميكرواستخراج فاز جامد تقويت شده با خلأ (VA-SPME) براي اولين بار طراحي، ساخته و بهينه سازي شده است. به كمك اين سيستم مي توان انواع اناليت هاي فرار را از نمونه هاي جامد با ماتريكس پيچيده مانند خاك، رسوب، غذا و گياه، بطور مستقيم و با كمترين دستكاري نمونه، استخراج كرد. كاهش فشار درون ظرف نمونه VA-SPME، سرعت استخراج را نسبت به SPME معمولي، بطور چشمگيري افزايش داده و منجر به افزايش حساسيت و كوتاه شدن زمان هاي نمونه برداري مي شود. با دستگاه VA-SPME جديد براحتي مي توان انواع نمونه، بخصوص نمونه هاي آلوده و پيچيده جامد را، بدون آسيب رساندن به آن و بدون هيچ آماده سازي، قبل از ايجاد خلأ به محفظه ي نمونه برداري وارد نمود و مورد استخراج قرار داد. اين ابزار با كروماتوگرافي گازي-آشكارساز يونش شعله اي (GC-FID) جفت شد و بطور موفقيت آميزي براي استخراج وتعيين تركيبات BTEX وPAHs در نمونه هاي خاك آلوده به كار برده شد. حساسيت بدست آمده توسط اين دستگاه بسيار بالاتر از همه گزارشات موجود در متون علمي است، با وجود اينكه برخي از آنها با ابزارهاي بسيار پيچيده و گرانقيمت انجام شده اند.

در سالهاي اخير روش هاي ميكرو استخراج فاز جامد (SPME) و ميكرو استخراج فاز مايع (LPME) به دليل حذف استفاده از حلال هاي سمي و مضر براي محيط زيست و سلامت انسان، بسيار مورد توجه قرار گرفته اند. يكي از مهمترين روشهاي ميكرواستخراج فاز جامد (SPME) مي باشد كه داراي سه شكل فروبري مستقيم، فضاي فوقاني و محافظت شده با غشاء مي باشد. عليرغم مزاياي متعدد، SPME معايبي نيز دارد كه شمال گراني، حساس و شكننده بودن فيبر استخراجي مي باشد. براي رفع اين مشكل راه حلهاي زيادي پيشنهاد شد كه موثرترين آنها روش نوين ميكرواستخراج فازجامد تله جذبي درون لوله موئين (Inside Needle Capillary Adsorption Trap, INCAT) مي باشد. در اين تحقيق، براي اولين بار در جهان، يك ابزار INCAT تقويت شده با سرمايش (CA- INCAT) با استفاده از نانو كامپوزيت سنتز شده MWCNTs/PANI)) بروش پليمريزاسيون الكتروشيميايي، طراحي شد و از آن براي آناليز تركيبات فرار و نيمه فرار از ماتريكس هاي پيچيده استفاده شد. در ابزار CA- INCAT همزمان با گرم كردن نمونه حاوي آناليت ابزار نيدل پر شده با نانو جاذب سرد مي شود كه باعث افزايش چشمگير راندمان و كارايي استخراج مي شود. \tابزار CA- INCAT شامل محفظه بسته اي با دو لوله مسي هم مركز مي باشد كه نيدل حاوي نانو جاذب MWCNTs/PANI در مركز لوله وسطي ثابت شده است. يك لوله نازك استيل دي اكسيد كربن مايع را وارد فضاي بين دولوله مسي نموده و پس از افت فشار و سرد شدن شديد، لوله استيل ديگري آنرا به بيرون هدايت مي كند. اين ساختار به همراه يك ترموكوپل براي ثبت دما در فضاي فوقاني نمونه مورد آناليز قرار مي گيرد. يك سنسور دمايي نيز طراحي و ساخته شد كه همزمان به ترموكوپل و يك شير سلنوييدي متصل شده و با ثبت دما و قطع و وصل كردن جريان دي اكسيد كربن در بازه دمايي از پيش تعيين شده، سبب تنظيم دماي فاز استخراجي مي گردد. ابزار طراحي شده با كروماتوگرافي گازي - آشكارساز يونش شعله اي (GC-FID) جفت شد و بطور موفقيت آميزي براي استخراج وتعيين تركيبات PAHs در نمونه هاي خاك آلوده به كار برده شد. حساسيت و كارآئي بدست آمده توسط ابزار CA- INCAT بسيار بالاتر از همه گزارشات موجود در متون علمي است، با وجود اينكه برخي از آنها با ابزارهاي بسيار پيچيده و گران قيمت انجام شده اند.

خلاصه اختراع: روش هاي ميكرو استخراج فاز جامد (SPME) و ميكرو استخراج فاز مايع (LPME)، كه به روشهاي عاري از حلال (Solvent-Free) معروف هستند، به دليل كاهش يا حذف حلال هاي سمي و همچنين مطابقت با قوانين زيست محيطي، در دهه هاي اخير گسترش قابل توجهي يافته اند. اما تحقيقات در مورد اين روشها متوقف نشده و دانشمندان همچنان در حال توسعه روشهاي جديد و يا اصلاح سيستم هاي اوليه هستند. يكي از شاخص ترين سيستم هاي جديد تله جذبي درون لوله موئينه (INCAT; In Needle Capillary Adsorption Trap) مي‌باشد كه بسياري از معايب SPME را برطرف كرده و در واقع مزاياي هر دو روش SPME و NTD را در خود جاي داده است. در اين روش جاذب روي ديواره داخلي يك لوله فلزي باريك نشانده مي شود و با عبور نمونه از درون لوله و مجاورت جاذب، آناليت گيراندازي مي شود. اما تعداد جاذب هاي تجاري در دسترس، براي ساخت INCAT اندك است وبرخي از آنها نيز گران هستند. بنابراين لازم است جاذب هاي جديد، خصوصا با مواد نانو، تهيه شوند. \\tاز طرفي راهكارهايي مانند تقويت كردن ميكرواستخراج با سرما (Cooling-Assisted Microextraction) و يا با خلاء (Vacuum-Assisted Microetraction)، كه براي افزايش كارآئي روش SPME بكار گرفته شده اند و نتايج مطلوبي نيز داشته اند، تاكنون در مورد روش INCAT امتحان نشده اند. در اين تحقيق، يك ابزارINCAT ، با نشاندن لايه اي از نانوكامپوزيت نانو لوله كربني چند ديواره- پلي آنيلين (MWCNT/PANI) به روش پليمريزاسيون الكتروشيميايي (EPD) روي ديواره داخلي يك سوزن استيل ضد زنگ، تهيه شد. اين جاذب كارآئي و طول عمر بسيار بيشتري نسبت به جاذب هاي تجاري دارد. بعلاوه، ابزارINCAT ساخته شده با روش ميكرو استخراج تقويت شده با خلأ (Vacuum-Assisted) نيز جفت شد (VA-INCAT) و براي اولين بار در جهان، يك روش بسيار كارآمد، حساس و كم نظير، براي آنالير نمونه هاي پيجيده ايجاد نمود. \\tنانوكامپوزيت MWCNT/PANI داراي مقاومت مكانيكي، حرارتي و شيميائي بالايي بوده و با داشتن سطح تماس بالا قدرت جذب را بشدت افزايش مي هد. از طرفي، ايجاد خلأ درون ظرف نمونه سرعت و كارآئي را بطور چشمگيري افزايش داده و منجر به افزايش حساسيت و كوتاه شدن زمان استخراج مي شود. آزمايشات ثابت كردند كه با ابزار جديد VA-INCAT مي توان نمونه هاي آلوده و پيچيده جامد را، بدون هر گونه آماده سازي، مورد استخراج قرار داد. اين ابزار با كروماتوگرافي گازي-آشكارساز يونش شعله اي (GC-FID) جفت شد و بطور موفقيت آميزي براي استخراج وتعيين تركيبات PAHs در نمونه هاي خاك آلوده به كار برده شد. حد تشخيص هاي بدست آمده توسط روش پيشنهادي VA-INCAT-GC-FID بطور قابل توجهي كمتر از گزارشات موجود در متون علمي بود، با وجود اينكه برخي از آنها با ابزارهاي بسيار پيچيده و گران قيمت انجام شده اند.

در سالهاي اخير روش هاي ميكرو استخراج به دليل حذف استفاده از حلال هاي سمي و مضر براي محيط زيست و سلامت انسان، بسيار مورد توجه قرار گرفته اند. يكي از مهمترين روش هاي ميكرواستخراج، ميكرو استخراج فاز جامد (SPME) مي باشد. به دليل وجود مشكلاتي از قبيل گران بودن و شكنندگي فيبرهاي SPME، وجود فاز ساكن محافظت نشده روي سطح خارجي فيبر و ظرفيت جذب پايين، در دهه اخير روش‌هاي اصلاح شده SPME توسعه يافته اند. يكي از شاخص ترين اين روش‌ها ابزار تله سوزني (NTD) مي‌باشد. در اين روش ذرات جاذب درون يك سوزن فولادي پر شده وسوزن حاوي جاذب، مي‌تواند مستقيماً وارد نمونه‌هاي گازي يا فضاي فوقاني نمونه‌هاي جامد و مايع شود و جهت واجذب تركيبات، در محل تزريق دستگاه GC يا HPLC قرار گيرد. NTD نسبت به SPME استحكام، قدرت استخراج و قابليت هاي بيشتري دارد. اما NTD نيز مشكلاتي دارد كه عدم كنترل بر ميزان پر شدن و فشردگي جاذب، مسدود شدن مسير سوزن، و محدوديت عبور نمونه، از آن جمله هستند. \tدر اين تحقيق، براي اولين بار در جهان (بجاي پر كردن جاذب درون سوزن فولادي)، يك ميله فولادي با جاذب نانو كامپوزيت گرافن اكسايد-پلي پيرول (GO/PP) پوشش داده شد و سپس درون سوزن NTD قرار گرفت. در واقع در اين تكنيك جديد بنام فيبر پوشش داده شده درون نيدل تقويت شده با سرما (CA-INCF) ، دو تكنيك SPME و NTD با هم جفت شده و مزاياي هر دو روش در يك سيستم جمع شده است. علاوه بر اين، تقويت كردن سيستم با سرمايش جاذب با CO2 مايع، كارآئي آنرا بشدت افزايش داده و آنرا به يك تكنيك كم نظير تبديل نموده است. روش كار CA-INCF به اين صورت است كه فيبر پوشش داده شده با GO/PP درون سوزن قرار گرفته و نوك سوزن درون فضاي فوقاني نمونه وارد مي گردد، در حاليكه بخش مياني سوزن (توسط يك كپسول سرد كننده مخصوص، Cooling-Capsule) توسط كربن دي اكسايد مايع سرد مي شود. ته سوزن به يك پمپ پريستالتيك وصل شده و با عبور فضاي فوقاني از درون سوزن، آناليت ها روي فيبر سرد شده جذب مي شوند. براي تقويت تبخير و رها شدن آناليت از ماتريكس، همزمان نمونه توسط يك هيتر مناسب گرم مي شود. در نهايت سوزن از سپتوم ظرف استخراج خارج شده و به دستگاه كروماتوگرافي گازي-آشكارساز يونش شعله اي (GC-FID) تزريق مي شود. در نهايت ابزار CA-INCF-GC-FIDبطور موفقيت آميزي براي استخراج و اندازه گيري تركيبات PAHs در نمونه هاي خاك آلوده اطراف منابع نفتي به كار برده شد. حساسيت بدست آمده توسط سيستم جديد CA-INCF-GC-FID بطور چشمگيري بالاتر از گزارشات موجود در متون علمي است، با وجود اينكه برخي از آنها با ابزارهاي بسيار پيچيده و گران قيمت انجام شده اند. آزمايشات ثابت كردند كه به كمك اين سيستم مي توان انواع آناليت هاي فرار و نيمه فرار را از نمونه هاي جامد با ماتريكس پيچيده مانند خاك، رسوب، مواد غذايي، و گياه، بطور مستقيم و با كمترين دستكاري نمونه، استخراج كرد.

در سالهاي اخير روش هاي ميكرو استخراج فاز جامد (SPME) و ميكرو استخراج فاز مايع (LPME)، به دليل حذف استفاده از حلال هاي سمي و مضر براي محيط زيست و سلامت انسان، بسيار مورد توجه قرار گرفته اند. به همين علت، امروزه اصلاح و تقويت روشهاي ميكرو استخراج نيز از موضوعات مهم مورد توجه در تحقيقات است. در اين تحقيق، براي اولين بار در جهان، يك ابزار نيمه اتوماتيك جديد ميكرواستخراج فاز جامد تقويت شده با خلأ (LP-SPME) طراحي و ساخته شد و براي كنترل كيفي نمونه هاي برنج مورد استفاده قرار گرفت. در اين سيستم فشار درون ظرف LP-SPME بشدت كاهش يافته و سرعت و راندمان استخراج را نسبت به SPME معمولي، بطور چشمگيري افزايش داده و منجر به افزايش حساسيت و كوتاه شدن زمان نمونه برداري مي شود. با اين دستگاه جديد، براحتي مي توان انواع نمونه ها جامد و مايع را بدون دستكاري و تغيير در نمونه بطور مستقيم مورد استخراج و آناليز قرار داد. روش كار به اين شكل است: 1-كل سيستم ابتدا باز، شسته و خشك مي گردد (درصورتيكه نخواهيم سيستم را باز كنيم، اينكار را با عبور نيترژن گرم و خشك نيز مي توان انجام داد). 2- نمونه درون ظرف مخصوص ريخته شده و درب آن محكم مي شود. 3- سيستم به يك پمپ وصل شده و تحت خلاء قرار مي گيرد. 4- توسط اهرم مخصوص در بالاي سيستم، درب ظرف نمونه به آرامي باز مي شود تا نمونه تحت خلاء قرار گرفته و آناليت (كه بشدت به بافت نمونه چسبيده) رها شود و در فضاي فوقاني قرار گيرد. 5- از طريق سپتوم تعبيه شده در بالاي ظرف فيبر SPME مورد نظر در فضاي فوقاني قرار مي گير تا آناليت بطور كامل جذب شود. 6- فيبر از سپتوم خارج شده و براي اندازه گيري به دستگاه تجزيه اي تزريق مي گردد. \\tبراي بهينه سازي و ارزيابي كارآئي، سيستم LP-HS-SPME با دستگاهGC-FID جفت شد و براي آناليز هگزانال و هپتانال در چندين نمونه برنج مورد استفاده قرار گرفت. مقايسه نتايج سيستم جديد LP-HS-SPME با روش HS-SPME معمولي نشان داد كه سيستم مذكور از كارايي، دقت و صحت مطلوبتري برخوردار است.

در اين تحقيق "دستگاه تقويت ميكرواستخراج با سردكردن و گرم كردن همزمان"، (CHA-ME) طراحي، ساخته و بهينه سازي شد. ميكرواستخراج (ME) شامل SPME و LPME، بعنوان روش عاري از حلال نوين، رويكرد جديد و بسيار كارآمد براي استخراج و اندازه گيري انواع آناليت هاي هاي آلي و معدني مي باشد. روشهاي ME، علاوه بر حذف حلالهاي سمي، كارآئي، دقت و صحت را افزايش و زمان و هزينه اي آناليز را بشدت كاهش داده اند. اما اين روشها دو محدويت جدي دارند. اول اينكه در نمونه هاي جامد پيچيده مانند خاك و مواد غذايي يا داروئي، آناليت ها محكم به بافت چسبيده اند و براحتي جدا و استخراج نمي شود. دوم اينكه گيراندازي مواد خيلي فرار با اين روشها مشكل يا گاهي غيرممكن است. بهترين رهيافت براي رفع هر دو اين محدويت ها، سرد كردن جاذب و گرم كردن همزمان بافت نمونه است. براي اينكار چند نمونه ابزار آزمايشگاهي ابداع شده است، اما همه آنها فقط محدود به يكي از روشهاي ME بوده و قابليت تجاري شدن نيز ندارند و برخي بسيار پپيچيده و گران قيمت هستند. هدف اين ابداع معرفي "دستگاه ميكرو استخراج با قابليت سرد كردن فاز استخراجي و گرم كردن همزمان نمونه" مي باشد كه اولين نمونه تجاري در جهان است. بعلاوه اين دستگاه محدود به روش و نمونه خاصي نيست و قابل كاربرد در همه روشهاي -SPME، NTD، INCAT، و LPME مي باشد. در طول ده سال تحقيق و پژوهش، دهها نمونه اوليه از اين سيستم توسط دانشجويان تحصيلات تكميلي ساخته و امتحان شده است. همه اين تجربيات منجر به ساخت دستگاه Heating/Cooling-Assisted Microextraction Deviceشد كه اولين نوع آن با نام اختصاري تجاري CHA-ME-2015 ارائه شده است. اين دستگاه حساسيت و كارآئي روشهاي ME را بطور چشمگيري افزايش داده و محققان را قادر مي سازد كه آناليز انواع نمونه هاي پيچيده جامد و مايع زيست-محيطي، داروئي و غذايي با هزينه بسيار كم، در زمان كوتاه و با كمترين دستكاري نمونه انجام دهند. يكي از كاربردهاي جالب اين سيستم ثبت پروفايل تنفس افراد براي رديابي بيماري هاي صعب العلاج مانند سرطان مي باشد كه روشهاي ديگر براحتي قادر به انجام آن نيستند. تحقيقات براي ساخت انواع ديگر اين سيستم ادامه دارد.

اختراع حاضر طراحي، ساخت و بهينه سازي ديسك استخراج فاز جامد با استفاده از نانو ذرات كوانتوم دات(SPE-Disk-QD) مي باشد. QD نانوذرات نيمه هادي هستند، كه نسبت به ديگر نانو ذرات مقياس بسيار كوچكي دارند. QD به دليل مساحت سطح ويژه بالا باعث افزايش كارايي استخراج شده و حد تشخيص را در فرآيندهاي تجزيه اي به طور قابل ملاحظه اي كاهش مي دهند. در اين اختراع يك ديسك با غشاي اوكتا دسيل سيليكا اصلاح شده با كوانتوم دات كادميم سولفيد (CdS) طراحي شد و براي استخراج حساس و گزينشي هيدروكربن هاي نفتي آروماتيك ((PAHs در آب هاي آلوده مورد استفاده قرار گرفت. براي اين منظور كوانتوم دات CdS به روش كلوييدي سنتز شد، سپس براي افزايش پايداري آن پوششي از تري اكتيل فسفين اكسايد TOPO)) روي آن قرار گرفت و در نهايت سطح غشاي اوكتا دسيل سيليكا بوسيله CdS-TOPO اصلاح گرديد. براي اطمينان از صحت سنتز آناليزهاي FT-IR، SEM و EDX استفاده شدند. جهت دستيابي به حداكثر كارايي استخراج، پارامترهاي نوع حلال شويشي، مقدار حلال شويشي، سرعت جريان شويش، سرعت جريان شوينده و ميزان جاذب بهينه شدند. نتايج آزمايش ها نشان داد روش SPE-Disk-QD دقت و صحت قابل قبول با حد تشخيص بسيار پاييني براي PAHs دارد.