איך מודדים מזהמים?

מתכות כבדות במים, תרופות בקרקע, חומרי הדברה בירקות – כבר התרגלנו לצפות מהמדע המודרני שיספק לנו מידע מהיר ואמין על ריכוזי המזהמים בסביבה שלנו. ואכן אפילו מכשירים לא מתקדמים במיוחד מסוגלים כיום למדוד ריכוז של אטום אחד של אבץ בתוך מיליארד מולקולות מים. לרוב, אחרי שמתקבלות תוצאות המדידה אנו ממשיכים לשאלות המדעיות שמעניינות אותנו – איך הגיעו המזהמים לסביבה ומה צריך לעשות כדי לעצור אותם, אולם תהליך ביצוע המדידות הוא מדע שלם בפני עצמו.

השלב הראשון הוא לכאורה הפשוט ביותר – צריך לאסוף דגימות של מים, אוויר או קרקע מהסביבה. אבל עצם האיסוף אינו מספיק, כיוון שהדגימה "מלוכלכת" בשלל חומרים וחלקיקים שאינם רלוונטיים למדידה. ריבוי החומרים עלול לפגוע במידת הדיוק של המדידה, ואף להצטבר במכשיר המדידה ולזהם אותו, כך שרגישות המדידה תרד.

אם נרצה למשל לבדוק את רמות המתכות הכבדות בקרקע נצטרך תחילה למצות אותן מהקרקע לתמיסה מימית על ידי טלטול האדמה בתמיסה שכוללת חומצות חזקות. לעומת זאת, בדגימות מים אפשר לפעמים להסתפק בסינון דרך מסנן צפוף מאוד, שגודל חוריו הוא 220 ננומטר (מיליארדיות המטר).

המדידה

לאחר ניקוי הדגימה מכינים את הדגימות למדידה בהתאם לשיטה הנחוצה בכל מכשיר ובכל סוג של חומר שאנחנו מחפשים, ומכיילים את המכשיר המתאים. יש סוגים רבים של מכשירי מדידה, אך כאן נתייחס לשניים מהנפוצים ביותר.

ריכוז של מתכות כבדות קובעים באמצעות "פלזמה מצומדת בהשראה המשולבת בספקטרומטר מסות" (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer) או ICP-MS בקיצור. במהלך המדידה, מכשיר ה-ICP מייצר פלזמה (ענן של אטומים טעונים חיובית ואלקטרונים בעלי מטען שלילי) מגז ארגון. לאחר מכן מזרימים את הדגימה לתוך המכשיר והפלזמה מפרקת את התרכובות והחלקיקים שבה לאטומים בודדים בעלי מטען חיובי, ובכלל זה אטומי המתכת שאנו מבקשים למדוד. לאחר שמתקבלים האטומים הטעונים, שדה חשמלי במכשיר מניע אותם לעבר ספקטרומטר המסות, כלומר הגלאי. שם האטומים ממוינים לפי המסה שלהם, אך הגלאי מודד רק את המסות שהוגדרו לו מראש.

תרכובות אורגניות, שרוצים למדוד במצבן המקורי, בלי לפרק אותן לאטומים בודדים, מודדים במכשיר כרומטוגרפיית נוזל בלחץ גבוה (High Pressure/Performance Liquid Chromatography) או HPLC בראשי תיבות. המכשיר יכול לפעול עם כמה סוגי גלאים, כגון ספקטרומטריית מסות או גלאי אור על-סגול. המכשיר מזרים את הדגימה לתוך גליל מלא בחומר שמאט במידה שונה את קצב התנועה של חומרים אורגניים שונים, כך שכל חומר אורגני ייצא ממנו במועד אחר. כך אפשר להפריד את החומרים השונים ולמדוד בנפרד את כמותם בגלאי שבו בחרנו להשתמש. שני הנתונים שבידינו – זמן היציאה מהגליל וקריאת הגלאי מאפשרים לזהות את החומרים ולבדוק את כמותם.  

מזהמי אוויר מתחלקים בין גזים לחלקיקים מוצקים בגדלים שונים, ותהליכי הזיהוי והכימות שונים בשני המקרים. האוויר נשאב או מגיע בדיפוזיה למערכת המדידה. הגזים שבאוויר מועברים לתוך מכלים של תמיסות ייעודיות ועוברים סדרת תגובות שבסופה מתקבלים צורונים (ישויות כימיות, למשל יון, מולקולה וכדומה) מומסים. הצורונים האלה ניתנים להפרדה, זיהוי וכימות בשלל שיטות.

בשיטות אחרות (ראו טבלה), הגזים באים במגע עם מצעים סופחים שקושרים אותם. הזיהוי והכימות של הגזים מתבצע על ידי ניתוח המצע הסופח. לעומת הגזים, את כמות החלקיקים המוצקים באוויר קובעים על ידי סינון האוויר דרך מסננים מיוחדים בעלי גודל חורים ידוע וקביעת מסת החלקיקים שנלכדו במסנן. הרכב החלקיקים נקבע בעזרת ICP-MS ושיטות משלימות נוספות.

המכשירים והשיטות המוזכרים כאן הם רק חלק קטן מתוך עולם רחב ומרתק של מכשירי מדידה ושיטות מדידה שטביעות אצבעותיהם ניכרות בכל תחום בחיינו: פיתוח תרופות, ניתוח ממצאים בזירות פשע (זיהוי פלילי), פיתוח מוצרי מזון, גילוי אמצעי לחימה וסמים ועוד. עם זאת, המכשירים האלה דורשים ידע ומיומנות רבים. כמו כן, אין מכשיר אחד שמסוגל לזהות ולמדוד בדיוק רב ובו-זמנית חומרים כימיים שונים מאוד אלה מאלה, כמו מתכות כבדות יחד עם חומרי הדברה ופלואוריד. אולם השיטות לגילוי ולכימות מזהמים מתפתחות ומשתכללות ללא הרף, ומלמדות אותנו יותר ויותר על תהליכי זיהום וריפוי הסביבה.