جدول ۱-۱ انواع توابع محرک ۱۵
جدول ۱-۲ الگوریتم‌های آموزش شبکه‌های معمولی ۲۰
جدول ۱-۴: مقایسه الگوریتم ها با ۱۰ نرون در لایه پنهان ۴۱
جدول(۴-۲) داده های آزمایشی استفاده شده برای مدل ANN 42

جدول (۴-۳) ارزیابی عملکرد اثرات متقابل متغیرهای ورودی برای الگوریتم ۴۹
جدول۴-۴ تعیین منگنز در نمونه های غذایی (N=3) 56
فصل اول: مقدمه
۱-۱- مقدمه
فلزات سنگین به دو طبقه فلزات واسطه و شبه فلزات تقسیم بندی میشوند. فلزات واسطه برای عامل زیستی اعضاء در غلظتهای پائین ضروری بوده و در غلظتهای بالا سمی هستند (الصاق،۱۳۹۰).
اندازه گیری و تعیین دقیق یونهای فلزی در مقادیر ناچیز در نمونه های گوناگون محیطی، آبی، غذایی و بیولوژیکی بخاطر نقش مهم آنها در زندگی امروز بشر از مهمترین اهداف شیمیدانان تجزیه، به شمار میرود. جایی که مرز بین ضروری بودن میزان یونهای فلزی و میزان مضر بودن آنها بسیار محدود است، یونهای فلزات واسطه باید با دقت و نیز صحت تجزیهای مورد نیاز، به منظور جلوگیری از ایجاد خسارات زیان بار مورد ارزیابی واقع شوند (Afkhami et al., 2011). یکی از زمینههایی که امروزه بسیاری از تحقیقات، بویژه در حیطهی انواع سرطانها مورد توجه قرار گرفته است، بررسی نقش عناصر کمیاب در ایجاد و پیشرفت بیماریهای سرطانی است (مزدک و همکاران، ۱۳۸۷).
بر این اساس، اندازه گیری فلزات در غلظتهایی در حد میکرو و نانو (فلزات ناچیز)، در بسیاری از زمینه ها از قبیل تشخیص پزشکی، سم شناسی، کنترل آلودگی محیط زیست، کنترل کیفی مواد با خلوص بالا، اکتشافات زمین شناختی و غیره بسیار حائز اهمیت میباشد (Goswami and Singh, 2002).
۱-۲- فلزات سنگین
در جدول تناوبی، به فلزات گروه ۳ تا ۱۶ در تناوب ۴ و بعد از آن فلزات سنگین میگویند فلزات سنگین ترکیبات معدنی هستند که وزن مخصوص آنها ۴ تا ۵ برابر وزن مخصوص آب و نیز اوربیتال D آنها در حال پرشدن است. بسیاری از این عناصر نه تنها برای موجودات و انسان ضروری نیستند، بلکه دارای خاصیت بسیار سمی نیز هستند. ارگانیسمهای زنده به مقادیر بسیار کمی از بعضی فلزات سنگین برای رشد و بقا نیاز دارند که به اصطلاح به آنها عناصر جزئی گفته میشود. عناصر جزیی^[۱] به دو گروه تقسیم میشوند . گروه اول عناصری مانند کبالت، کروم، مس، آهن، منگنز، مولیبدن، سلنیوم و روی هستند که برای زندگی انسان ضروری میباشند و گروه دوم عناصری که دارای خواص سمی بالقوه برای انسان هستند مثل نقره، آلومینیم، آرسنیک، کادمیوم، جیوه، سرب و نیکل. البته وجود عناصر غیرضروری و سمی در آب در مقادیر ناچیز ، الزاماً نشان دهنده مخاطرهآمیز بودن آب نیست. همانطورکه عناصری مانند کبالت، کروم، آهن و سلنیوم که در مقادیر کم ضروری به شمار میروند، در غلظتهای بالا سمی هستند. ورود و تجمع فلزات سنگین به بدن انسان و موجودات زنده می تواند باعث اختلالات عصبی، بهم خوردن تعادل هورمونها، اختلالات تنفسی، آسیب به کبد، کلیه و مغز، آلرژی و آسم، کمخونی، اختلالات پوستی، ریزش مو، پوکی استخوان و در نهایت ایجاد سرطان شود. طبق مطالعات اپیدمیولوژیک بین ابتلا به بیماریهای قلبی، اختلالات کلیوی و انواع مختلف سرطانها با فلزات سنگین موجود در آب ارتباط وجود داشته است (میران زاده و همکاران، ۱۳۹۰).
۱-۳- منگنز و اهمیت اندازه گیری آن
منگنز پنجمین عنصر از نظر فراوانی در پوسته کره زمین است و در طبیعت به صورت یک فلز آزاد وجود ندارد بلکه در یازده حالت اکسایشی یافت میشود و نوع دو ظرفیتی آن از نظر زیستی فعال است. شرایط خاص در برخی خاکها از جمله خاکهای اسیدی و آتشفشانی منجر به احیای بیش از حد منگنز و ایجاد سمیت این عنصر میشود (حاجی بلند، ۱۳۸۶).
منگنز عنصری است که به راحتی در اختیار بدن قرار می گیرد و منابع عمده ی آن حبوبات، غلات کامل، آجیل، چای، شیر و محصولات لبنی و سبزیجات با برگ سبز پررنگ هستند که با توجه به در دسترس بودن آن ها به میزان فراوان، به راحتی نیازمان به آن برآورده می شود و کمتر موارد کمبود آن دیده شده است. کاربرد منگنز در بدن کنترل عملکرد مناسب آنزیم‌ها، جذب مواد مغذی، درمان زخم‌ها و جراحات بدن و رشد استخوانی از جمله وظایف این ماده‌ی معدنی محسوب می‌شوند. به همین علت که منگنز جزو عناصر ضروری برای عملکرد بدن است. خوشبختانه کمبود این ماده معمولاً به ندرت بروز می‌کند. اما در بین افرادی که از مشکلات استخوانی، درد مفاصل رنج می‌برند مشاهده می‌شود. کمبود منگنز در انسان بندرت مشاهده میشود در حالیکه مسمومیت با منگنز در افرادی که در معرض غلظتهای بالائی از این عنصر یا ترکیبات آن قرار دارند مشاهده میشود و در دوران نوزادی از اهمیت ویژهای برخوردار است. تحقیقات نشان میدهد مسمومیت با منگنز تشکیل هموگلوبین را کاهش داده و باعث بروز کمخونی میشود (حسنزاده قصبه، ۱۳۸۱).
منگنز در بدن انسان نقش کوآنزیمی داشته و با اتصال به بعضی آنزیمها بعنوان فعالکننده در تسریع واکنشها عمل میکند. افزایش میزان منگنز، آسیبهای شدید مغزی همراه با اختلالات فیزیولوژیکی و نورولوژیکی مانند بیماری پارکینسون (سختی عضلات) را سبب میشود (الصاق،۱۳۹۰)
۱-۴- روش های استخراج
اندازه گیری مقدار کم یونها در نمونه های مختلف محیطی و بیولوژیکی یکی از اهداف مهم دانشمندان شیمی تجزیه میباشد و پیوسته در حال انجام است اما یکی از مشکلات بسیار اساسی این است که غلظت یونهای فلزی در نمونه های مختلف بسیار کم و کمتر از حد تشخیص دستگاههایی است که در دسترس قرار دارند و یا اینکه سایر گونه های موجود در نمونه برای اندازه گیری نمونه مزاحمت ایجاد میکنند (Soylak et al., 2002) و بنابراین جهت اندازه گیری یونهای فلزی بایستی عمل استخراج و پیش تغلیظ انجام شود (Safavi et al., 2006).
حساسیت، سرعت، تکرارپذیری، سادگی و صحت روش های تجزیهای برای تعیین عناصرجزئی در نمونه های محیطی و زمین شناسی مورد نیاز میباشد. اندازه گیری مستقیم غلظتهای فوق العاده پایین عناصر جزئی مورد نیاز با بهره گرفتن از روش های اسپکترومتری اتمی جدید مانند اسپکترومتری جذب اتمی و اسپکترمتری نشر اتمی پلاسمای جفت شده القایی (امجدی و همکاران، ۱۳۸۶) به دلایلی که قبلا نیز ذکر شد از قبیل حد تشخیص دستگاه و مزاحمت بافت نمونه، اغلب مشکل است (Tuzen et al., 2005).
در گذشته استخراج با حلال متداولترین روش استخراج بود. از معایب این روش، طولانی بودن زمان استخراج و مصرف مقادیر زیادی حلال است که مستلزم مراحل اضافی و صرف هزینه و وقت برای بازیافت حلال و تغلیظ عصاره می باشد که باعث آسیب به محیط زیست می گردد. همچنین باید از حرارت استفاده گردد که منجر به تجزیه گرمایی برخی ترکیبات می گردد روش های نوین استخراج باید غیر سمی، سریع، مکانیزه و قابل اتوماسیون، دارای حساسیت بالا، از لحاظ هزینه به صرفه و از لحاظ محیطی ایمن باشند((Mandal et al., 2007
روش های نوین استخراج ترکیبات مورد نیاز از مواد غذایی شامل استخراج با سیال فوق بحرانی، استخراج با مایع تحت فشار، استخراج با آب داغ تحت فشار، استخراج به کمک امواج مایکروویو، استخراج با حلال به کمک غشا، استخراج با فاز جامد و استخراج با لوله متحرک با قابلیت جذب می باشد. این تکنیکها با بسیاری از نیازهای امروزی مانند ملاحظات زیست محیطی، سرعت و قابلیت اتوماسیون مطابقت دارند. استفاده از این روشها موجب کاهش زمان استخراج، کاهش مقدار حلال مصرفی ، افزایش راندمان استخراج و بهبود کیفیت ترکیبات استخراج شده می گردد.
با گسترش شیمی تجزیه، آمادهسازی نمونه به تدریج اصلیترین بخش آنالیز شده و ۸۰درصد از زمان کل فرایند تجزیه را در بر میگیرد. تعدد نمونه های زیستی و غذایی به موازات افزایش آلایندههای محیطی، اصلیترین دلیل گستردگی روش های آمادهسازی نمونه است. با توسعه روش های حساس و دقیق برای اندازه گیری نمونه های محیطی، تحقیقات بر روی روش های سازگار با محیط زیست .با آلودگی کمتر متمرکز شده است (Chen et al., ۲۰۰۸).
۱-۵- استخراج با فاز جامد
روش های استخراج با فاز جامد جهت جداسازی و پیش تغلیظ عناصرکمیاب از نمونه های زیست محیطی، مواد غذایی (Khajeh and Dastafkan, 2012) و نمونه های آبی (Khajeh et al., 2011) بطور گسترده استفاده میشود. در مواقعی که با بافت پیچیده نمونه و یا غلظت ناچیز آنالیت مواجهایم، این روش قادر به فراهم آوردن شرایط کاری انعطاف پذیر و در نتیجه استخراج ساده تر میباشد (Moyano et al., ۱۹۹۹). بخاطر مزایای متعددی، استخراج با فاز جامد جایگزین روش استخراج مایع-مایع (LLE)^[2] (Pyrzynska and Trojanowicz, 1999) و سوکسله شده است (امجدی و همکاران، ۱۳۸۶) که این مزایا عبارتند از:
بکار بردن نمونه به صورت مستقیم، ساده و سریع در اندازه خیلی کوچک (حجم میکرولیتر) بدون کاهش نمونه
فاکتور پیش تغلیظ بالا
تکرارپذیری بالا
نیاز کم به حلالهای آلی
توانایی ترکیب با روش های مختلف به صورت On-line و یا Off-line
صرفه جویی در هزینه و زمان
و از دیگر مزایای این روش انعطاف پذیری^[۳]، سهولت خودکار شدن و نبودن فرایند مزاحم امولسیون می باشد (Pyrzynska and Trojanowicz, 1999 ; Khajeh and Sanchooli, 2011). این روش برای استخراج و تغلیظ آنالیتها از یک بافت مایع به وسیله توزیع ترکیبات بین یک فاز جامد و یک فاز مایع استفاده می کند. هدف استخراج با فاز جامد از بین بردن ترکیبات مزاحم و تغلیظ آنالیت با بازیابی خوب و نتایج تکرار پذیر می‌باشد (Huck and Bonn, 2000) استخراج با فاز جامد معایبی نیز دارد که از جمله می توان به تکثیر پذیری پایین روش به خاطر تفاوتهای بین مقادیر دستهای جاذب ها، مشکل بودن استاندارد سازی استفاده از سیستم ایجاد مکش و خلا و ماهیت متنوع مراحل خشک شدن اشاره نمود (Walker and Mills, 2002).
۱-۶- جاذب های طبیعی
‫جاذب‌های طبیعی، شامل مواد آلی و معدنی ‫هستند. از جاذب‌های آلی، می‌‌توان کاه، چوب ‫ذرت، پوسته‌ی بادام زمینی، فیبر چوب و تورب ‫ساخته شده از خزه‌ی پوسیده را نام برد. مواد ‫طبیعی، نسبتاً ارزان و به فراوانی در دسترس ‫هستند و از شدت جذب قابل قبولی برخوردارند. ارزان و در دسترس ‫بودن، تجدید‌پذیر بودن و متناسب بودن این ‫جاذب‌ها با محیط زیست، باعث می‌شود که ‫تمایل بیشتری به سمت جاذب‌های زیستی و ‫طبیعی وجود داشته باشد.
جاذبهای طبیعی ارزان قیمت بوده و به راحتی در دسترس میباشند. برخی از انواع آنها در طبیعت به وفور یافت و در برخی از فعالیتها هم بصورت ضایعات بلا استفاده تولید میشوند. در حالی که قیمت رزینهای تبادل یونی بسیار زیاد بوده و برآوردها بیانگر این است که با بهره گرفتن از این فرایند در مقایسه با سایر روش ها حدود ۲۰ درصد هزینه کاهش می یابد ( (Naddafi, 2005.
با توجه به وسعت مطالعات در زمینه جذب با بهره گرفتن از جاذبهای طبیعی، در ادامه به شرح مختصری از تحقیقات عمده پرداخته شده است:
Bameri و Khajeh در سال ۲۰۱۳ به بررسی تاثیر خاک اره در حذف متیلن بلو از نمونه های آبی پرداختند .
Wang و Qin در سال ۲۰۰۵ میزان جذب مس از آبهای آلوده را با بهره گرفتن از پوسته شلتوک برنج بررسی کردند.
Grimm و همکاران در سال ۲۰۰۸ میزان جذب مس را با بهره گرفتن از جاذبهای خاک اره، جلبک دریایی و خزه مورد بررسی قرار دادند.
Montanher و همکاران در سال ۲۰۰۵ برای حذف سرب و مس از پوسته شلتوک برنج استفاده کردند.
۱-۷- ضایعات چای
چای یکی از قدیمیترین نوشیدنیها می باشد و پس از آب، پرمصرفترین و مهمترین نوشیدنیهای مطبوع برای رفع خستگی و تشنگی در بیشتر کشورهای جهان و از جمله ایران میباشد. بیش از ۳۰ کشور چای خیز جهان، مبادرت به تولید چای سیاه میکنند که سهم ایران در این تولید جهانی، حدود ۵/۲ درصد است. بر اساس گزارش سازمان چای کشور در ایران سالانه حدود ۵۰ تا ۶۰ هزار تن چای سیاه تولید میشود. در عمل آوری تولید چای سیاه حدود ۱۰ درصد ضایعات چای، موسوم به خاک چای حاصل میشود که بصورت پودر بوده و با غربال کردن چای سیاه در آخرین مرحله تولید و قبل از بسته بندی به دست می آید که در بازارهای جهانی قیمت چندانی ندارد (نجفی و همکاران، ۱۳۸۸).
در هند تولید سالانه چای حدود ۸۵۷۰۰۰ تن است که ۴/۲۷ درصد از تولید کل جهان میباشد(Wasewar et al., 2008) مقدار چای خشک تولید شده از ۱۰۰ کیلوگرم برگ چای سبز، ۲۲ کیلوگرم بطور متوسط است و حدود ۱۸ کیلوگرم برای بازار بسته بندی میشود و ۴ کیلوگرم دیگر از مواد چای خشک به هدر میرود (Cay et al., 2004). مقدار ضایعات چای تولید شده در هر سال پس از پردازش در حدود ۱۹۰۴۰۰ تن در هند به تنهایی است ((Wasewar, 2010. در حال حاضر سالانه حدود ۴ هزار تن ضایعات چای در کارخانجات چای سازی ایران تولید شده و تقریباً بدون مصرف میباشند (نیکخواه و همکاران، ۱۳۹۱).
دیواره های سلولی نامحلول برگهای چای از سلولوز^[۴]، همی سلولوز^[۵]، لیگنین^[۶]، تاننهای فشرده^[۷] و پروتئینهای ساختاری ساخته شدهاند. بعبارت دیگر یک سوم از کل ماده خشک در برگهای چای باید پتانسیل خوبی بعنوان جاذب فلزی از محلول و فاضلابهای آبی داشته باشند ((Wasewar, 2010.
۱-۷-۱- آمادهسازی ضایعات چای بعنوان جاذب
جهت آمادهسازی ضایعات چای، بعنوان جاذب کم هزینه در استخراج فاز جامد روش خاصی در کتب و یا اسناد علمی بیان نشده است بلکه روشهایی بطور تجربی توسط پژوهشگران انجام شده و در مقالات مختلف ذکر شده است.
Mahavi و همکاران در سال ۲۰۰۵ از روش بسیار ساده جهت آمادهسازی جاذبها استفاده کردند. آنها ضایعات چای را در مرحله اول شسته و با آب مقطر شستشو دادند و پس از خشک کردن در ۱۰۰ درجه سانتیگراد با توری سایز ۱۰، غربال کردند.
Malkoc and Nuhoglu در سال ۲۰۰۵ برای حذف اجزای رنگی چای قبل از آزمایش، آنها را برای مدت زمان طولانی با آب جوش شستشو دادند تا محلول حاوی ضایعات چای بیرنگ شود. سپس ضایعات چای را تمیزکرده و در دمای اتاق با عبور گاز خشک کردند.
Amarasinghe and Williams در سال ۲۰۰۷ نیز با آب جوش ضایعات چای را شستشو دادند و آنقدر این کار را تکرار کردند تا اجزای محلول و رنگ آن از بین برود. سپس به مدت ۱۲ ساعت در آون با حرارت ۸۵ درجه سانتیگراد خشک کردند. ضایعات چای خشک، غربال شده و در کیسه از جنس پلی اتیلن نگهداری میشود. نوع مشابهی از روش آمادهسازی، توسط Cay و همکارانش طراحی شد و توسط Wasewar و همکارانش در سال ۲۰۰۸ استفاده شده است. قبل از آزمایش، ضایعات چای خرد شده با آب گرم (۸۰ درجه سانتیگراد) به مدت یک ساعت شسته شده و تاننهای قابل هیدرولیز و دیگر اجزای محلول و رنگی حذف میشود. چای خشک بیرنگ و تمیز را در آون با ۱۰۵ درجه سانتیگراد قرار داده تا خشک شود و در نهایت ذرات با اندازه ۶۰-۱۷۰ غربال میشود و بعنوان جاذب مورد استفاده قرار میگیرد.
۱-۸- شبکه عصبی مصنوعی^[۸]( ANN)
شبکه های عصبی، مدلهای محاسباتی هستند که قادرند رابطه میان ورودی ها وخروجی ها یک سیستم فیزیکی را توسط شبکه ای از گره ها که همگی با هم متصل هستند، تعیین نمایند که در آن میزان فعالیت هر یک از این اتصالات توسط اطلاعات تاریخی تنظیم می شود (فرایند یادگیری) و در نهایت مدل قادر خواهد بود قوانین مرتبط میان ورودی ها وخروجی ها را کشف نماید، هر چند این قوانین غیرخطی و پیچیده باشند( دلاور، ۱۳۸۴).
ANN که رسمأ از دهه ۱۹۷۰ میلادی مطرح شده است، با الگو قرار دادن فعالیتهای مغز انسان و براساس روابط منطقی مشابه، با دریافت یک سری اطلاعات نتایج منطقی را عرضه کرده و به کاربر ارائه میدهد. ANN با تجزیه و تحلیل داده های ورودی و نتایج نظیر آنها ارتباطی منطقی بین داده ها برقرار میکند که ممکن است غیرخطی و نامشخص باشد، سپس با بهره گرفتن از این ارتباط منطقی، کار شبیه سازی را برای موارد احتمالی مشابه انجام میدهد.