الإضافة القياسية (Standard Addition)

مفهوم تأثير المصفوفة

تأثير المصفوفة هو ظاهرة تحدث عندما تؤثر المكونات الأخرى الموجودة في العينة، بخلاف التحليل نفسه، على الإشارة التي يتم قياسها. يمكن أن يكون هذا التأثير إيجابيًا، حيث يزيد من الإشارة، أو سلبيًا، حيث يقلل منها. يمكن أن ينشأ تأثير المصفوفة من عدة عوامل، بما في ذلك:

التداخلات الكيميائية: يمكن أن تتفاعل المكونات الأخرى الموجودة في العينة مع التحليل، مما يؤثر على تفاعله مع الكاشف المستخدم في التحليل.
التداخلات الفيزيائية: يمكن أن تؤثر المكونات الأخرى الموجودة في العينة على الخصائص الفيزيائية للمحلول، مثل اللزوجة أو التوتر السطحي، مما يؤثر على دقة القياس.
التداخلات الطيفية: يمكن أن تمتص المكونات الأخرى الموجودة في العينة نفس الطول الموجي الذي يمتصه التحليل، مما يجعل من الصعب قياس إشارة التحليل بدقة.

عندما يكون تأثير المصفوفة كبيرًا، لا يمكن استخدام طرق المعايرة القياسية، مثل استخدام منحنى معايرة تم الحصول عليه من محاليل قياسية محضرة في مذيب نقي، لأن هذه الطرق لا تأخذ في الاعتبار تأثير المصفوفة. في هذه الحالات، تكون طريقة الإضافة القياسية هي الأنسب.

مبدأ عمل طريقة الإضافة القياسية

تعتمد طريقة الإضافة القياسية على إضافة كميات معلومة من التحليل القياسي (standard analyte) إلى العينة المجهولة، ثم قياس الإشارة الناتجة. من خلال مقارنة الإشارة الناتجة قبل وبعد إضافة التحليل القياسي، يمكن تحديد كمية التحليل الأصلية في العينة المجهولة. بشكل أكثر تحديدًا، تتضمن الطريقة الخطوات التالية:

قياس الإشارة الأولية: يتم قياس الإشارة الناتجة عن العينة المجهولة قبل إضافة أي تحليل قياسي.
إضافة التحليل القياسي: يتم إضافة كمية معلومة من التحليل القياسي إلى العينة المجهولة.
قياس الإشارة بعد الإضافة: يتم قياس الإشارة الناتجة بعد إضافة التحليل القياسي.
تكرار الإضافة والقياس: يتم تكرار الخطوتين 2 و 3 عدة مرات، مع إضافة كميات مختلفة من التحليل القياسي في كل مرة.
إنشاء منحنى الإضافة القياسية: يتم رسم العلاقة بين الإشارة المقاسة وتركيز التحليل القياسي المضاف.
تحديد تركيز التحليل الأصلي: يتم تحديد تركيز التحليل الأصلي في العينة المجهولة من خلال استقراء منحنى الإضافة القياسية إلى نقطة التقاطع مع محور السينات (x-axis).

خطوات تنفيذ طريقة الإضافة القياسية بالتفصيل

لتوضيح كيفية تنفيذ طريقة الإضافة القياسية، دعنا نفترض أننا نريد تحديد تركيز أيونات الرصاص (Pb²⁺) في عينة من مياه الشرب باستخدام مطياف الامتصاص الذري (Atomic Absorption Spectrometer – AAS).

تحضير العينة: يجب أولاً تحضير العينة للتأكد من أنها مناسبة للقياس. قد يتضمن ذلك ترشيح العينة لإزالة أي جسيمات صلبة أو إضافة حمض لتثبيت أيونات الرصاص.
تحضير المحلول القياسي: يتم تحضير محلول قياسي من الرصاص بتركيز معلوم بدقة.
تحضير سلسلة من المحاليل: يتم تحضير سلسلة من المحاليل عن طريق إضافة كميات مختلفة من المحلول القياسي إلى كميات متساوية من العينة المجهولة. على سبيل المثال، يمكن تحضير خمسة محاليل كالتالي:
- المحلول 1: 10 مل من العينة المجهولة + 0 مل من المحلول القياسي
- المحلول 2: 10 مل من العينة المجهولة + 1 مل من المحلول القياسي
- المحلول 3: 10 مل من العينة المجهولة + 2 مل من المحلول القياسي
- المحلول 4: 10 مل من العينة المجهولة + 3 مل من المحلول القياسي
- المحلول 5: 10 مل من العينة المجهولة + 4 مل من المحلول القياسي
يجب أن يكون حجم المحلول القياسي المضاف صغيرًا نسبيًا بحيث لا يغير بشكل كبير مصفوفة العينة.
قياس الامتصاص الذري: يتم قياس الامتصاص الذري لكل محلول باستخدام مطياف الامتصاص الذري. يجب معايرة الجهاز قبل القياس باستخدام محاليل قياسية معلومة التركيز.
رسم منحنى الإضافة القياسية: يتم رسم العلاقة بين الامتصاص الذري (على محور الصادات) وتركيز الرصاص المضاف (على محور السينات).
استقراء المنحنى: يتم استقراء المنحنى الخطي الناتج إلى نقطة التقاطع مع محور السينات. القيمة المطلقة لنقطة التقاطع هذه تساوي تركيز الرصاص الأصلي في العينة المجهولة.

الحسابات في طريقة الإضافة القياسية

بشكل عام، يمكن تمثيل العلاقة بين الإشارة (S) وتركيز التحليل (C) في طريقة الإضافة القياسية بالمعادلة التالية:

S = kC + S₀

حيث:

S هي الإشارة المقاسة.
k هو عامل الحساسية (sensitivity factor).
C هو تركيز التحليل.
S₀ هي الإشارة الناتجة عن المصفوفة (matrix).

عند إضافة حجم معين (V_std) من محلول قياسي بتركيز (C_std) إلى حجم معين (V₀) من العينة المجهولة، يتغير التركيز الكلي للتحليل في المحلول. يمكن حساب التركيز الجديد (C’) باستخدام المعادلة التالية:

C’ = (C₀V₀ + C_stdV_std) / (V₀ + V_std)

حيث:

C₀ هو التركيز الأصلي للتحليل في العينة المجهولة.

من خلال قياس الإشارة قبل وبعد الإضافة، يمكن الحصول على معادلتين وحلهما لإيجاد قيمتي C₀ و k.

مزايا وعيوب طريقة الإضافة القياسية

المزايا:

تعويض تأثير المصفوفة: تعتبر الميزة الرئيسية لطريقة الإضافة القياسية هي قدرتها على تعويض تأثير المصفوفة، مما يجعلها مناسبة لتحليل العينات المعقدة.
دقة عالية: يمكن أن توفر طريقة الإضافة القياسية نتائج دقيقة للغاية، خاصةً عندما يتم تنفيذها بشكل صحيح.
تطبيق واسع: يمكن استخدام طريقة الإضافة القياسية مع مجموعة متنوعة من تقنيات التحليل، بما في ذلك مطيافية الامتصاص الذري، والكروماتوغرافيا، والتحليل الكهربائي.

العيوب:

تستهلك الوقت: تتطلب طريقة الإضافة القياسية تحضير وقياس سلسلة من المحاليل، مما يجعلها أكثر استهلاكًا للوقت من طرق المعايرة القياسية.
تتطلب كمية أكبر من العينة: تتطلب طريقة الإضافة القياسية كمية أكبر من العينة مقارنة بطرق المعايرة القياسية.
أكثر تعقيدًا: تتطلب طريقة الإضافة القياسية فهمًا أعمق لمبادئ التحليل الكيميائي والحسابات من طرق المعايرة القياسية.

تطبيقات طريقة الإضافة القياسية

تستخدم طريقة الإضافة القياسية على نطاق واسع في مختلف المجالات، بما في ذلك:

التحليل البيئي: تحديد تركيز الملوثات في المياه والتربة والهواء.
التحليل الغذائي: تحديد تركيز المغذيات والمركبات الضارة في الأطعمة.
التحليل السريري: تحديد تركيز الأدوية والمواد الحيوية في سوائل الجسم.
التحليل الصيدلاني: تحديد تركيز المكونات الفعالة في الأدوية.
علم السموم: تحديد تركيز المواد السامة في العينات البيولوجية.

نصائح لتحسين دقة طريقة الإضافة القياسية

لتحقيق أقصى قدر من الدقة عند استخدام طريقة الإضافة القياسية، يجب مراعاة النصائح التالية:

استخدام محاليل قياسية عالية الجودة: يجب استخدام محاليل قياسية محضرة من مواد كيميائية نقية ومعايرة بدقة.
قياس الإشارات بدقة: يجب قياس الإشارات بدقة باستخدام أجهزة معايرة بشكل صحيح.
التحكم في تأثير المصفوفة: يجب بذل قصارى الجهد للتحكم في تأثير المصفوفة عن طريق اختيار طريقة الإضافة القياسية المناسبة واستخدام مخففات مناسبة.
إجراء تكرارات: يجب إجراء عدة تكرارات لكل قياس لتقليل الأخطاء العشوائية.
استخدام برنامج إحصائي: يمكن استخدام برنامج إحصائي لتحليل البيانات وتحديد الأخطاء المحتملة.

خاتمة

تعتبر طريقة الإضافة القياسية أداة قوية لتحديد كمية التحليل في العينات المعقدة حيث يكون تأثير المصفوفة كبيرًا. على الرغم من أنها أكثر استهلاكًا للوقت وتعقيدًا من طرق المعايرة القياسية، إلا أنها يمكن أن توفر نتائج دقيقة وموثوقة. من خلال فهم مبادئ عمل الطريقة واتباع الإرشادات المناسبة، يمكن للمحللين الاستفادة من هذه التقنية القيمة في مجموعة واسعة من التطبيقات.