الكلمات الرئيسية البصمة الكربونية، CaFRI، الاستدامة، الكيمياء التحليلية، الأثر البيئي، إدارة النفايات، كفاءة الطاقة، انبعاثات غازات الدفيئة
*المراسلة:
فتوح ر. منصور
fotouhrashed@pharm.tanta.edu.eg
قسم الكيمياء التحليلية الصيدلانية، كلية الصيدلة، جامعة طنطا، طنطا 31111، مصر
قسم الكيمياء الطبية، جامعة الملك سلمان الدولية (KSIU)، رأس سدر 46612، مصر
قسم الكيمياء التحليلية، كلية الكيمياء، جامعة ياجيلونيان في كراكوف، شارع غرونستاجوا 2، كراكوف 30-387، بولندا

البصمة الكربونية هي تقييم كمي لانبعاثات الغازات الدفيئة المجمعة، بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون. الميثان وأكسيد النيتروز من حيث مكافئ ثاني أكسيد الكربون تنتج هذه الانبعاثات نتيجة للأنشطة البشرية، سواء بشكل مباشر أو غير مباشر. تقيس مدى تأثير هذه الأنشطة على البيئة من خلال تقييم دورها في التسبب في الاحتباس الحراري وتغير المناخ. تسهم بصمات الكربون بشكل أساسي في تغير المناخ من خلال التسبب في احتباس الحرارة في الغلاف الجوي للأرض. وهذا يؤدي إلى زيادة في درجات الحرارة العالمية، وزيادة في حدوث
تؤدي الأحداث المناخية المتطرفة، واضطراب النظم البيئية. تشير المستويات المرتفعة من بصمات الكربون أيضًا إلى خطر انبعاث الملوثات في الغلاف الجوي، وتحمض المحيطات، واستنزاف الغابات، مما يؤدي إلى تدمير المواطن، وانخفاض التنوع البيولوجي، وتأثيرات ضارة على النظم البيئية. علاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي المستويات المرتفعة من انبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن بصمات الكربون العالية إلى ظهور أمراض تنفسية، واضطرابات قلبية وعائية، ومضاعفات صحية أخرى نتيجة تلوث الهواء وسوء جودة الهواء. لهذه الأسباب، من الضروري تقليل الآثار البيئية والانتقال نحو مستقبل أكثر استدامة لكل من النظم البيئية والمجتمعات البشرية. يمكن تحقيق ذلك من خلال تقليل بصمات الكربون من خلال ممارسات مستدامة، وكفاءة الطاقة، واعتماد الطاقة المتجددة، وتقليل النفايات، وأنشطة الحفظ.

تعتبر المقاييس ضرورية لتقييم تقليل البصمة الكربونية في مختبرات الكيمياء التحليلية [4، 5]. إنها تقدم طريقة منهجية لقياس وتحسين استخدام الطاقة، وإنشاء النفايات، وانبعاثات غازات الدفيئة. من خلال مراقبة المقاييس، يمكن للمختبرات تحديد المجالات التي تحتاج إلى تحسين، وتعزيز الاستخدام الفعال للموارد، وتقليل المخاطر التشغيلية. يمكن تحقيق هذه الأهداف مع ضمان الامتثال للقوانين البيئية ومتطلبات الاستدامة. كما تتيح المقاييس تقييم الأدوات والأساليب التحليلية، مما يعزز تطوير ممارسات أكثر صداقة للبيئة. علاوة على ذلك، فإن مقارنة الأداء مع المعايير الصناعية المعتمدة والممارسات المثالية تمكن المختبرات من تحسين أدائها البيئي، وزيادة الوعي، والمساهمة في مستقبل أكثر استدامة. وبناءً عليه، فإن الاستخدام الاستراتيجي للمقاييس لتقييم تقليل البصمة الكربونية في مختبرات الكيمياء التحليلية لا يحسن فقط الكفاءة التشغيلية والامتثال للوائح، بل يؤسس أيضًا لممارسات مستدامة داخل المجتمع العلمي وخارجه.

على الرغم من وجود العديد من مقاييس الخضرة المخصصة للطرق التحليلية المتاحة والمستخدمة برغبة من قبل مجتمع الكيمياء التحليلية، مثل AGREE [6]، GAPI [7]، MoGAPI [8]، ComplexMoGAPI [9]، Analytical Eco-Scale [10]، RGB [5]، ChlorTox Scale [11]، إلخ، إلا أنها تفتقر إلى واحدة تركز بشكل أساسي على بصمة الكربون. بينما تظهر معايير مثل استهلاك الطاقة في بعض النماذج، إلا أنها عادةً ليست الأكثر أهمية، والغرض العام من المقاييس المعروفة هو التقاط الخضرة العامة أو المخاطر المتعلقة بالتعرض الكيميائي، وليس تأثير الاحتباس الحراري. لذلك، هناك حاجة كبيرة لتطوير أداة جديدة تسمح بتقليل الانبعاثات في مختبرات الكيمياء التحليلية [12، 13]. إن تقليل انبعاثات غازات الدفيئة هو عنصر حاسم في الخضرة [14] ولكنه مُهمل إلى حد ما ويظل في الظل.
لا توجد تهديدات مرتبطة مباشرة بالتأثير الكيميائي للمواد الكيميائية والمذيبات المستخدمة.
ظهرت بعض المبادرات والأدوات لتقييم ومراقبة بصمات الكربون، مثل GES 1.5 [15] وصندوق الكربون البريطاني [16]. GES 1.5 هو تطبيق ويب مفتوح المصدر مصمم لتقدير وتقليل بصمة الكربون لمختبرات البحث، والأقسام، والفرق من خلال تحليل مصادر الانبعاثات مثل المباني، والتنقل، والأجهزة الرقمية، والسفر المهني. في الوقت نفسه، يعمل صندوق الكربون على نطاق أوسع، حيث يتعاون مع الشركات والمنظمات العامة لدعم مبادرات تقليل الكربون وتعزيز الابتكار من أجل اقتصاد منخفض الكربون. بينما تسهم كلا الأداتين بشكل كبير في جهود الاستدامة، فإنهما تعملان على مستوى مؤسسي أو تنظيمي بدلاً من معالجة الانبعاثات على المستوى الدقيق لإجراءات التحليل المحددة.

تقدم هذه الدراسة مؤشر تقليل البصمة الكربونية (CaFRI) كأداة مبتكرة لتقييم الإجراءات التحليلية وكفاءة مبادرات تقليل البصمة الكربونية المعتمدة في المختبرات الكيميائية. تمثل هذه الأداة تقدمًا ملحوظًا في تعزيز مبادئ الاستدامة البيئية في بيئات المختبرات. يوفر الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ (IPCC) منهجيات معترف بها دوليًا لحساب انبعاثات الغازات الدفيئة، تعتمد بشكل أساسي على قياس مكافئات ثاني أكسيد الكربون. باستخدام قيم القدرة على الاحترار العالمي (GWP) لمختلف المواد.

تعتبر CaFRI أداة شاملة لتقييم الخضرة تعطي الأولوية لبصمة الكربون كأهم تأثير بيئي، مكرسة للإجراءات المخبرية التحليلية التي تم تطويرها بالفعل. تأخذ في الاعتبار مواصفات الطريقة التحليلية بالإضافة إلى الظروف المعتمدة على المختبر الذي تم استخدام الطريقة فيه. يأخذ التقييم في الاعتبار عدة عوامل مهمة، بما في ذلك الطلب على الطاقة، انبعاث الطاقة الإنتاجية، تطبيق تدابير محددة لتقليل بصمة الكربون، تخزين العينات، النقل، الأفراد، إدارة النفايات، جهود إعادة التدوير لتقليل استخدام الموارد، واستخدام المواد الكيميائية. يتم تقييم كفاءة الطاقة بطريقة بسيطة، من خلال تقدير إجمالي الطاقة الكهربائية للأجهزة الكهربائية ومعدل مرور العينات. يتم توضيح هذا والمعايير الأخرى في الجدول 1. يتم توضيح مكونات هذه المقياس بالتفصيل في الأقسام التالية. توضح الشكل 1 المعلمات المختلفة المدرجة في تقييم CaFRI وكيف تساهم في الدرجة الإجمالية. الحد الأقصى الممكن لأي طريقة تحليلية وفقًا لتقييم CaFRI هو 100.

الأداة مدمجة مع البرنامج السهل الاستخدام، المتاح مجانًا على الموقع الإلكتروني (https://bit.ly/CaFRI). بعد اختيار الإجابات المناسبة في الاستبيان،

يتم تقديم نتيجة التقييم في شكل صورة رمزية على شكل قدم بشرية، والتي ترتبط مباشرة بالبصمة الكربونية. تمثل الأماكن المختلفة على القدم المعايير المقابلة. اللون الأحمر يتوافق مع تقييم ضعيف، والأصفر مع تقييم متوسط، والأخضر مع تقييم جيد، بما يتماشى مع فكرة الكيمياء الخضراء. يتم تحويل عدد النقاط التي تم الحصول عليها من الاستبيان إلى نتيجة نهائية على مقياس من 0-100. الإجراء المثالي (الأخضر بالكامل) من حيث تقدير البصمة الكربونية يحصل على درجة 100. يتم تخصيص النقاط بناءً على أهمية كل معلمة بالنسبة للبصمة الكربونية. وهذا يفسر، على سبيل المثال، لماذا يتم تخصيص نقاط أكثر لعامل الانبعاثات مقارنة بتخزين العينة أو النقل.

تقييم استخدام الطاقة أمر حاسم في تحديد الأثر البيئي لمختبر ضمن CaFRI [17]. يأخذ المعيار الأول في الاعتبار تنفيذ برنامج مخصص لإنتاج/استخدام الطاقة خلال الإجراءات، مثل استخدام مصادر الطاقة الخضراء المحلية، مثل خلايا الطاقة الشمسية أو التوربينات الهوائية، المخصصة لتزويد المختبر بالطاقة – وهو ما يتعلق بإنتاج الطاقة، أو الاستخدام مثل التدقيقات المنتظمة للطاقة واستخدام معدات غير تقليدية موفرة للطاقة، وهو ما يتعلق بالحفاظ على الطاقة. تُمنح التقييمات الأعلى للمختبرات التي تتبنى مثل هذه التدابير.

كمعيار ثانٍ، يتم النظر في استهلاك الطاقة لكل عينة. يتم ذلك على مرحلتين. في المرحلة الأولى، يتم تقدير الطلب الإجمالي على الطاقة للأدوات البحثية من خلال جمع قدراتها الكهربائية (كيلووات). من الواضح أنه يتم منح تقييمات أفضل عندما تستهلك الأدوات طاقة أقل. لذلك، يشجع CaFRI المختبرات على اعتماد ممارسات توفير الطاقة واستخدام المعدات الموفرة للطاقة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى بذل الجهود لتقليل بصمتها الكربونية والسعي نحو المزيد من الاستدامة.
العمليات. في الخطوة الثانية، يتم أخذ معدل الإنتاج في الاعتبار، حيث أن إجمالي الطلب على الطاقة لكل عينة يعتمد على كل من الأجهزة ومدة استخدامها. قد تكون الحسابات التفصيلية التي تأخذ في الاعتبار كل جهاز ووقت تشغيله بشكل مستقل مشكلة، لذلك، للحفاظ على سهولة الاستخدام، يتم إجراء التقييم بطريقة مبسطة. لتسهيل تقدير الطاقة الكهربائية، تسرد الجدول 2 المعدات التحليلية الشائعة المختلفة. تستند هذه البيانات إلى التقييم الذاتي من قبل مهندسين كيميائيين مستقلين. يجب أيضًا ملاحظة أنه إذا لم يكن من الممكن تقدير استهلاك الطاقة للجهاز المعطى بدقة أو التحقق منه تجريبيًا (باستخدام، على سبيل المثال، مقياس الطاقة)، يجب اعتبار القيمة القصوى الممكنة للطاقة الكهربائية في الحسابات.
بالإضافة إلى ذلك، تعتبر المعدات غير التحليلية التي تستهلك الطاقة بشكل مكثف مثل هودات الدخان ومكيفات الهواء ضرورية لضمان أن خطة تقدير الطاقة المقترحة شاملة. إذا لم تتطلب الإجراءات التحليلية استخدامها، يتم منح عدد نقاط أعلى.

من المؤكد أن تقييم كمية انبعاثات غازات الدفيئة أمر حاسم لفهم وتقليل العواقب البيئية للأنشطة المخبرية [18]. لذلك، يروج CaFRI للمختبرات التي، كقاعدة عامة، تقيس وتراقب انبعاثاتها بشكل استباقي (باستخدام، على سبيل المثال، إجراءات تقييم دورة الحياة)، والتي يمكن أن تنتج عن استخدام إجراءات تحليلية معينة وصيانة البنية التحتية العاملة، مثل التهوية والإضاءة وتدفئة الغرف. بالإضافة إلى ذلك، تأخذ هذه الفقرة في الاعتبار عامل الانبعاثات المرتبط بإنتاج الطاقة، حيث يتم منح درجات أعلى لعوامل الانبعاثات الأقل لكل كيلووات ساعة (kWh) من الطاقة. هذا المعامل محدد جغرافياً، ويمكن أن يتفاوت من أقل من 50 جرام من (السويد، النرويج) إلى أكثر من 0.8 كجم (ليبيا، كازاخستان)، اعتمادًا على حصة الطاقة المتجددة

مصادر الطاقة في ملف إنتاج الطاقة [19]. يُطلب من مستخدمي CaFRI حساب جميع المصادر المباشرة وغير المباشرة المعروفة لانبعاثات الكربون ذات الصلة بالعملية التحليلية، بما في ذلك الغازات ذات القدرة العالية على الاحترار العالمي (مثل، ) عند الاقتضاء. تتيح الأداة المرونة والتكيف اعتمادًا على المواد والممارسات المحددة في المختبر. إذا كان القياس من غير الممكن تقليل الانبعاثات بشكل مباشر، يمكن استخدام البيانات المحدثة المتاحة على موقع Our World in Data لتقدير كثافة الكربون لمواقع جغرافية محددة [19]. توفر هذه المجموعة من البيانات، التي تمتد من عام 1990 إلى 2023، معلومات عن
انبعاثات غازات الدفيئة لكل كيلووات ساعة من الكهرباء المنتجة في دول ومناطق مختلفة. إنه يعد موردًا قيمًا لتقييم مستويات الانبعاثات وتتبع التقدم نحو الانتقال إلى مصادر الطاقة الأكثر استدامة. الشكل 2 يوضح كثافة الكربون الخاصة بكل دولة، معبرًا عنها بالجرامات من -معادلات المنبعثة لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء المولدة في عام 2023.

عند تقييم بصمة الكربون للإجراء التحليلي، من الضروري مراعاة كيفية التعامل مع العينات والمواد الكيميائية

يتم تخزينها [10]. طريقة التقييم تقيم ضرورة تخزين العينات، حيث تعطي نقاطًا أكثر للإجراءات والمختبرات التي لا تتطلب أي مرافق تخزين، مما يقلل من استهلاك الطاقة بشكل عام. بالإضافة إلى ذلك، تميز خطة التقييم بين التخزين تحت ظروف عادية واستثنائية، حيث تعطي نقاطًا منخفضة إذا
كان التخزين في تجميد عميق ، أو في فراغ، أو تحت ضغط عالٍ أو في هواء معقم مطلوبًا. قد يؤدي ذلك إلى زيادة استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون. تشجع CaFRI المختبرات على تقليل أو القضاء على الحاجة إلى تخزين العينات واعتماد إجراءات تخزين مستدامة.

تلعب ممارسات النقل دورًا حاسمًا في تقييم جهود المختبر لتقليل بصمة الكربون الخاصة به، وفقًا لمعايير التقييم الخاصة بـ CaFRI [20]. تأخذ المعايير وأنظمة التقييم في الاعتبار عدة جوانب، بما في ذلك ضرورة نقل العينات إلى مختبر تحليلي، والمسافة بين حقل العينة والمختبر، وكمية العينات المنقولة في شحنة واحدة، واستخدام المركبات الصديقة للبيئة. تؤدي المسافات الأقصر، وأحجام الدفعات الأكبر في الشحنات، واعتماد تقنيات النقل الصديقة للبيئة إلى تصنيفات أعلى، مما يدل على التزام المختبر بتقليل انبعاثات الكربون المرتبطة بنقل العينات. تسعى CaFRI إلى تعزيز اعتماد المختبرات لأساليب النقل الصديقة للبيئة من خلال تقديم دوافع، بهدف تقليل بصمتها البيئية ودعم مبادرات الاستدامة الأوسع.

تقييم عوامل الأفراد ذات صلة أيضًا في تشكيل جهود المختبر لتقليل بصمة الكربون الخاصة به

[21]. الطرق التي تتطلب عددًا أقل من المحللين عمومًا لها بصمة كربونية أصغر لأنها أبسط، وأكثر كفاءة، وتتميز بانخفاض استهلاك الطاقة، واستخدام الموارد، وإنتاج النفايات، وانبعاثات النقل. تأخذ الأداة في الاعتبار متطلبات الأفراد لتحليل عينة واحدة، مما يمنح درجات أفضل للعمليات التي يتم تنفيذها بكفاءة من قبل عدد أقل من الأفراد. بالإضافة إلى ذلك، يتم أخذ درجة الأتمتة في عملية التحليل في الاعتبار، حيث يتم منح أعلى درجة للعمليات التي يتم أتمتتها بالكامل. يعكس ذلك طريقة فعالة وتوفير الموارد لتحليل العينات. تهدف CaFRI إلى تعزيز الكفاءة التشغيلية، والحفاظ على الطاقة، والاستدامة البيئية في المختبرات من خلال تحفيز تحسين استخدام الأفراد ودمج تقنيات الأتمتة. سيساهم ذلك في خلق بيئة مختبر أكثر وعيًا بيئيًا واستدامة.

تعتبر إدارة النفايات الفعالة أمرًا حيويًا في تقييم البصمة البيئية لمختبر [22]. يمكن أن يؤدي التخلص غير السليم من النفايات الكيميائية والصلبة إلى زيادة انبعاثات غازات الدفيئة، بما في ذلك ، من تحلل النفايات، أو عمليات الحرق أو التحلل البيولوجي – والتي يمكن تجنبها من خلال استخدام كيانات متخصصة تقدم منهجيات استخدام النفايات الصديقة للبيئة. تعطي معايير التقييم لكمية النفايات نقاطًا تتراوح من 1 إلى 3 بناءً على كمية النفايات الناتجة عن كل عينة. بالإضافة إلى ذلك، تقيم المعدلات طرق التخلص من النفايات، حيث تعطي درجات أعلى للتخلص من قبل أفراد متخصصين مثل ضباط الصحة والسلامة البيئية، وفنيي إدارة النفايات، أو المحترفين من شركات التخلص من النفايات المعتمدة مقارنة بالتخلص من قبل المحلل أو عدم التخلص على الإطلاق. تبرز هذه المعايير أهمية التعامل السليم مع النفايات في الجهود المبذولة لتقليل بصمة الكربون. تسعى CaFRI إلى تشجيع المختبرات على تقليل إنتاج النفايات وتنفيذ طرق التخلص المسؤولة بيئيًا من خلال تقديم تقييمات تعكس إجراءات إنتاج النفايات والتخلص منها. سيساهم ذلك في النهاية في استراتيجية تشغيلية أكثر استدامة ووعيًا بيئيًا.

يعتبر تقييم طرق إعادة التدوير في المختبر أمرًا حيويًا لتعزيز الاستدامة وتقليل بصمة الكربون، كجزء من CaFRI [23]. يتطلب عدم وجود إعادة تدوير تسليم المواد الكيميائية الجديدة المنتجة، مما يخلق بصمة كربونية إضافية مرتبطة بالإنتاج والنقل. تقيم معايير التقييم لإعادة التدوير مستويات مختلفة من الوعي البيئي، حيث تعطي درجات أعلى للطرق التي تستخدم المواد الكيميائية والمذيبات المعاد تدويرها، من نفس العملية. من خلال استخدام المواد المعاد تدويرها، يمكن للمختبرات تقليل
استهلاك الموارد وتقليل إنتاج النفايات، مما يؤدي إلى درجات أعلى في المؤشر. تنخفض التقييمات للمختبرات التي تستخدم مواد كيميائية/مذيبات معاد تدويرها من طرق أخرى. تُعطى أدنى درجة للمرافق التي لا يتم فيها إجراء أي إعادة تدوير. تشجع CaFRI المختبرات على تنفيذ طرق الحفاظ على الموارد والمساهمة في نهج أكثر خضرة واستدامة في التحليل الكيميائي من خلال منح درجات تعكس جهودهم في إعادة التدوير.

كمعيار أخير، تأخذ CaFRI في الاعتبار استخدام المواد الكيميائية والمذيبات الخطرة، التي تؤثر بشكل غير مباشر على بصمة الكربون للإجراء التحليلي، على سبيل المثال من خلال الحاجة إلى استخدام تقنيات معالجة متقدمة في نهاية دورة حياة المواد الكيميائية [24]. تأخذ طريقة التقييم في الاعتبار العدد الإجمالي للرموز التحذيرية المرتبطة بالمواد الكيميائية والمذيبات في أوراق بيانات السلامة، مما يعزز استخدام المواد الكيميائية الأقل سمية وخطورة من خلال منح المزيد من النقاط. يشير ذلك إلى وجود مواد قد تكون خطرة أو ضارة بالبيئة. يمكن الافتراض أن المزيد من الرموز يعني أن هناك حاجة إلى طرق معالجة نفايات أكثر تقدمًا، مما ينتج عنه المزيد من كأثر جانبي. بالإضافة إلى ذلك، يأخذ التقييم في الاعتبار الكمية الإجمالية من المذيبات والمواد الكيميائية المستخدمة لكل عينة. تُعطى المختبرات التي تستخدم كميات أقل لكل عينة درجات أفضل، حيث يساهم ذلك في تقليل بصمة الكربون المرتبطة بعملية تصنيع المواد الكيميائية، والتعامل مع النفايات، ونقلها، والتخلص النهائي منها. تشجع CaFRI المختبرات على اعتماد ممارسات صديقة للبيئة من خلال الدعوة إلى تقليل المواد الكيميائية الخطرة، وتقليل استخدام المذيبات والمواد الكيميائية، ودعم القرارات الواعية بيئيًا. تساعد هذه الطريقة النظامية المختبرات في تعويض بصمة الكربون الخاصة بها والمساهمة في تحقيق أهداف الاستدامة البيئية.

لإظهار قابلية تطبيق أداة CaFRI، استخدمناها لتقييم أربع طرق لت quantifying مواد مختلفة: بوليدوكانول في أمبولات تجارية [25]، ريتونافير في بلازما بشرية [26]، مولنوبيرافير في كبسولات جيلاتينية صلبة [27]، وفافيبيرافير في بلازما بشرية [28].
تم استخدام دراسة الحالة الأولى الطيف الضوئي لقياس كمية البوليدوكانول، وهو مركب طبي يصعب قياسه ويفتقر إلى الخصائص الكروموفورية. كانت مبدأ الاختبار قائمًا على إنشاء معقد ثلاثي بين البوليدوكانول ومعقد كobalt(II)thiocyanate، والذي يمكن نقله إلى طبقة من ثنائي كلورو الميثان. قام الباحثون بقياس كمية البوليدوكانول بدقة من خلال قياس امتصاصه عند 320 نانومتر. كانت كمية النفايات الناتجة محدودة، أقل من 10 مل. ومع ذلك، لم يتم الإبلاغ عن أي مبادرة للتخلص من النفايات.

تم تسليم العينات على مسافة تقل عن ميل واحد باستخدام مركبات الغاز الطبيعي المضغوط (كبديل صديق للبيئة للمركبات التقليدية)، وتم تنفيذ خطة لتقليل الطاقة للأجهزة التي تستهلك أكثر من 1.5 كيلو واط. كان من الضروري وجود شخصين لكل تحليل عينة يدوي من حيث الأفراد، وكان معدل مرور العينات 8 عينات في الساعة. لم يتم تحديد البصمة الكربونية بشكل مباشر. تم تعيين عامل الانبعاثات ليتجاوز 0.3 كجم، كما هو مقترح وفقًا للبيانات على موقع “عالمنا في البيانات”. كان استخدام الكواشف والمذيبات فعالًا للغاية، حيث تم استخدام أقل من 5 مل من المذيبات العضوية وأقل من 1 جرام من الكواشف لكل عينة. بالإضافة إلى ذلك، تم تمثيل ثلاثة رموز تصويرية للمذيبات والكواشف المستخدمة وتم تخزين العينة تحت ظروف قياسية في الثلاجة. كانت النتيجة التراكمية لمؤشر CaFRI لهذه الطريقة 63 (الشكل 3أ).
تم استخدام دراسة الحالة الثانية مادة هجينة تتكون من السليلوز المجهري وإطار عضوي معدني (MOF) لأداء استخراج الطور الصلب المشتت بشكل فعال للريتونافير من بلازما الإنسان. كانت المركبات تعمل كمواد ماصة فعالة، مما يسهل استرجاع الريتونافير من بلازما الإنسان للتحليل اللاحق. كانت كمية النفايات ضئيلة. )، ولكن لم يتم الإبلاغ عن أي برنامج للتخلص من النفايات. يمكن إعادة تدوير MOF المستخدم في إعداد العينات لإعادة استخدامه في نفس الطريقة. تم نقل إجمالي عدد 10 عينات لمسافة تقل عن ميل واحد باستخدام مركبات صديقة للبيئة، وتم تطبيق برنامج لتقليل الطاقة مع الأجهزة التي تستهلك
أكثر من 1.5 كيلو واط. بالنسبة للأفراد، كان مطلوبًا شخصان لكل تحليل عينة باستخدام جهاز HPLC/UV. كانت قدرة معالجة العينات 4 عينات في الساعة ولم يتم قياس البصمة الكربونية. تم تحديد عامل الانبعاثات ليتجاوز 0.3 كجم، وفقًا للبيانات المبلغ عنها. كان استخدام الكواشف والمذيبات فعالًا، حيث كان أقل من 5 مل من المذيبات العضوية وأقل من 1 جرام من الكواشف لكل عينة، وكان هناك ثلاثة رموز تصويرية للمذيبات/ الكواشف المستخدمة. كانت تخزين العينات في حتى التحليل. وبناءً عليه، كانت الدرجة الإجمالية لطريقة CaFRI 69 (الشكل 3ب).
في دراسة الحالة الثالثة، قدم المحللون طريقة لتحديد المولنوبيرافير عبر نقاط الكربون الكمومية، التي تم تصنيعها من قشر البيض. كانت كمية النفايات ، وتم التخلص من النفايات بواسطة المحلل، على الرغم من عدم استخدام أي مواد كيميائية معاد تدويرها. تم نقل ما مجموعه 50 عينة لمسافة تقل عن ميل باستخدام مركبات صديقة للبيئة، وتم تطبيق برنامج لتقليل الطاقة مع أدوات تستهلك أقل من 0.1 كيلو واط. كان مطلوبًا محلل واحد فقط لكل تحليل عينة وكانت قدرة معالجة العينات هي عينات لم يتم قياس البصمة الكربونية. تم تحديد عامل الانبعاث ليتجاوز 0.3 كجم. كان استخدام الكواشف والمذيبات فعالاً، حيث كان أقل من 5 مل من المذيبات العضوية وأقل من 1 جرام من الكواشف لكل عينة، وكان هناك ستة رموز تصويرية للمذيبات/الكواشف المستخدمة. كانت ظروف تخزين العينات طبيعية. وبناءً عليه، كانت الدرجة الإجمالية لطريقة CaFRI هذه 76 (الشكل 3c).
استخدمت دراسة الحالة الرابعة المنثول كعامل فصل بين الطورين في السائلين المتجانسين.
استخراج الميكرو من الفافيبيرافير من بلازما الإنسان قبل قياسه بواسطة HPLC/UV [28]. كانت كمية النفايات وتم التخلص من النفايات بواسطة موظفين متخصصين. يمكن إعادة تدوير المنثول المستخدم في إعداد العينات لإعادة استخدامه بنفس الطريقة. تم نقل ما مجموعه 60 عينة لمسافة أقل من ميل واحد باستخدام مركبات صديقة للبيئة، وتم تطبيق برنامج لتقليل الطاقة مع الأجهزة التي تستهلك أكثر من 1.5 كيلو واط. بالنسبة للموظفين، كان مطلوبًا فرد واحد لكل تحليل عينة بواسطة جهاز HPLC مع جهاز أخذ عينات تلقائي، وكانت قدرة معالجة العينات 12 عينة في الساعة. تم قياس البصمة الكربونية، ووجد أن عامل الانبعاث هو 0.30 كجم. كانت هناك حاجة لأقل من 5 مل من المذيبات العضوية وأقل من 1 جرام من المواد الكيميائية لكل عينة، وكان هناك خمسة رموز تصويرية للمذيبات/المواد الكيميائية المستخدمة. كانت تخزين العينات في حتى التحليل. وبناءً عليه، كانت الدرجة الإجمالية لطريقة CaFRI هذه 81 (الشكل 3d).
لأغراض المقارنة، تم تقييم البصمة الكربونية لطريقة بديلة لتحديد نفس المادة (فافيبيرافير) [29]، مما أسفر عن إجمالي درجة CaFRI قدرها 62 (الشكل S1). يمكن أن يُعزى هذا الدرجة المتوسطة نسبيًا إلى استخدام تقنية LC-MS/MS التي تتطلب طاقة عالية، والتي تحتاج إلى موظفين متخصصين للتشغيل. يمكن بذل المزيد من الجهود لتقليل الانبعاثات وتنفيذ إعادة تدوير النفايات لتعزيز الأداء البيئي للطريقة. يمكن تحسين الأداء في الحالة الأخرى من خلال تتبع المناطق الحمراء في الرسم البياني النهائي، من خلال اعتبار إعادة تدوير النفايات في الحالة الأولى والثالثة، وظروف التخزين في الحالة الثانية والرابعة، و معامل الانبعاث في الدراسات الثلاث الأولى.
تشير النتائج إلى وجود اختلافات كبيرة في الاحتياطات المستخدمة لتقليل البصمة الكربونية بين الطرق. تظهر الطريقتان الأوليان تدابير مقبولة، مع درجات CaFRI المحسوبة بين 50 و74. بالمقابل، تظهر الطريقتان الثالثة والرابعة جهودًا ملحوظة في تقليل البصمة الكربونية، كما يتضح من الدرجات التي تبلغ 75 أو أعلى. أشارت هذه الدراسات الحالة إلى أن المعايير الرئيسية لدرجات CaFRI هي استهلاك الطاقة و الانبعاثات. تقليل استهلاك الطاقة، خاصة من خلال مصادر الطاقة النظيفة والمعدات ذات الطاقة المنخفضة، يلعب دورًا حاسمًا في تقليل الأثر البيئي. وبالمثل، فإن خفض تعتبر تقليل الانبعاثات من خلال استخدام معدات ذات عوامل انبعاث أقل وقياس البصمة الكربونية أمرًا حيويًا لتقييم وتقليل البصمة الكربونية الإجمالية للإجراء بدقة. تساهم معايير أخرى أيضًا في النتيجة الإجمالية، ولكن بدرجة أقل. لا تساعد هذه المعايير فقط في تقييم الإجراء التحليلي، بل تشير أيضًا إلى المجالات التي تحتاج إلى مزيد من التحسين لتطوير طرق أكثر استدامة.

تقدم الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) منهجيات معترف بها دوليًا لحساب انبعاثات غازات الدفيئة، تستند بشكل أساسي إلى تقدير مكافئات ثاني أكسيد الكربون. ) باستخدام قيم القدرة على الاحترار العالمي (GWP) لمختلف المواد. ومع ذلك، فإن CaFRI ليس مقصودًا منه قياس إجمالي مكافئات ثاني أكسيد الكربون ( ) كما تفعل النماذج المعتمدة على الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ. بدلاً من ذلك، تم تصميم CaFRI لتقييم الجهود المبذولة لتقليل البصمة الكربونية ضمن الأساليب التحليلية – مما يوفر أداة عملية لرفع الوعي للكيماويين خلال تطوير الأساليب. تجعل هذه الأهداف والمخرجات المختلفة المقارنات المباشرة مع طرق الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ غير مناسبة. وبالمثل، تركز Labos 1.5 على التقييمات على مستوى المؤسسات، بينما يقدم CaFRI تقييمًا دقيقًا على مستوى الأسلوب ويعطي تقييمًا للجهود المبذولة لتقليل البصمة الكربونية، بدلاً من تقدير لـ القيم. تلخص الجدول S 1 الاختلافات الرئيسية بين CaFRI و Labos 1.5 من حيث النطاق، ووحدة الوظيفة، والمخرجات، والتطبيقات.

من ناحية أخرى، تقييم دورة الحياة (LCA) هو منهجية شاملة تشمل جميع مراحل دورة الحياة ومؤشرات بيئية متعددة. بالمقابل، يركز CaFRI بشكل خاص على تقييم البصمة الكربونية لطرق التحليل الفردية، مع كون الوحدة الوظيفية الضمنية هي تحليل عينة واحدة بواسطة إجراء محدد. وبالتالي، فإن CaFRI هو أداة أكثر استهدافًا وتكاملًا – وليس بديلاً عن LCA.

يعد CaFRI أداة قوية تتيح لمختبرات الكيمياء التحليلية قياس وتقييم وتعزيز استدامتها البيئية مع التركيز على المعايير المرتبطة بانبعاثات غازات الدفيئة، مما يجعله مكملاً قيماً لمجموعة المقاييس الخضراء الموجودة. يقدم طريقة بسيطة وشاملة لتقييم الإجراءات المطبقة في المختبرات المحددة بدلاً من الطرق غير المحددة دون ظروف استخدام واضحة، وبالتالي يوفر مزيدًا من المعلومات التي تسمح بالتنبؤ بالعواقب البيئية النهائية. يأخذ في الاعتبار عوامل متنوعة بما في ذلك تلك المرتبطة بشكل مباشر وغير مباشر بـ الانبعاث. قد يمكّن تطبيق CaFRI المختبرات من اكتشاف مجالات للتحسين، وتحسين كفاءة الموارد، وضمان الامتثال التنظيمي، وإظهار التزامها بالاستدامة البيئية. إن قدرة CaFRI على تسهيل اتخاذ القرارات المستندة إلى الأدلة، وتعزيز التعاون، والمساهمة في الجهود العالمية لمواجهة تغير المناخ تجعله موردًا حيويًا لمجتمع الكيمياء التحليلية. توضح دراسات الحالة المقدمة في هذه المقالة كيف يمكن استخدام CaFRI لتقييم البصمة الكربونية لمختلف الإجراءات التحليلية. هذه
دراسات الحالة أيضًا تؤكد قدرة CaFRI على تسهيل التغيير الإيجابي وتشجيع الاستدامة في بيئات المختبر. مثل أي نموذج تقييم، ينطوي CaFRI على هامش معين من عدم اليقين والذاتية. لمعالجة عدم اليقين وتعزيز الموثوقية، نوصي بأن يقوم اثنان على الأقل من المقيمين المستقلين بتقييم كل طريقة بشكل منفصل. إذا كانت هناك أي تناقضات أو شكوك في عدد النقاط الممنوحة بين المقيمين، يجب التوصل إلى توافق من خلال مناقشة مفتوحة ويجب تقديم التقييم المتفق عليه في التقييم النهائي. قد تساعد هذه الطريقة في تقليل الذاتية، وضمان تقييم أكثر موثوقية وقابلية للتكرار للبصمة الكربونية، وتحسين اتساق درجات CaFRI عبر مختبرات مختلفة. من خلال اعتماد هذه المقياس، يمكن لمختبرات الكيمياء التحليلية أن تتخذ المبادرة في قيادة تطوير مستقبل أكثر استدامة للمجتمع العلمي وما بعده.

تحتوي النسخة الإلكترونية على مواد إضافية متاحة علىhttps://doi.or g/10.1186/s13065-025-01486-2.

المادة الإضافية 1

اقترح FRM الفكرة، التصميم، دراسات الحالة، مناقشة النتائج، إعداد المخطوطة ومراجعتها. شارك PN في تصميم الدراسة ومناقشة النتائج ومراجعة المخطوطة.

تم توفير تمويل الوصول المفتوح من قبل هيئة تمويل العلوم والتكنولوجيا والابتكار (STDF) بالتعاون مع البنك المصري للمعرفة (EKB).

لم يتم إنشاء أو تحليل أي مجموعات بيانات خلال الدراسة الحالية.

تمت الموافقة على هذه الدراسة من قبل اللجنة الأخلاقية للبحث العلمي في كلية الصيدلة، جامعة طنطا، مصر. لم تكن هناك حاجة لموافقة للمشاركة، وفقًا لإرشادات اللجنة.

غير قابل للتطبيق.

تم اتباع إرشادات الأخلاقيات لكلية الصيدلة، جامعة طنطا، مصر خلال هذه الدراسة.

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.
التوفر والمتطلبات
اسم المشروع: CaFRI.
الصفحة الرئيسية للمشروع: https://bit.ly/CaFRI.
أنظمة التشغيل: هذا المشروع هو تطبيق ويب ويمكن تشغيله على أي نظام تشغيل مع متصفح.
لغات البرمجة: HTML و CSS و JavaScript.
متطلبات أخرى: يتطلب متصفح ويب حديث (مثل Chrome أو Firefox أو Edge).

الرخصة: هذا البرنامج مجاني للاستخدام الأكاديمي وغير الربحي. تتطلب أي تعديلات أو أعمال مشتقة إذنًا كتابيًا مسبقًا من المؤلف. يُحظر الاستخدام التجاري دون اتفاقية ترخيص منفصلة. أي قيود على الاستخدام من قبل غير الأكاديميين: هذا البرنامج مجاني للأغراض الأكاديمية والبحثية ولكنه يتطلب ترخيصًا للاستخدام التجاري.

تاريخ الاستلام: 3 نوفمبر 2024 / تاريخ القبول: 14 أبريل 2025
تم النشر عبر الإنترنت: 09 مايو 2025

تظل Springer Nature محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

Keywords Carbon footprint, CaFRI, Sustainability, Analytical chemistry, Environmental impact, Waste management, Energy efficiency, Greenhouse gas emissions
*Correspondence:
Fotouh R. Mansour
fotouhrashed@pharm.tanta.edu.eg
Department of Pharmaceutical Analytical Chemistry, Faculty of Pharmacy, Tanta University, Tanta 31111, Egypt
Medicinal Chemistry Department, King Salman International University (KSIU), Ras Sudr 46612, Egypt
Department of Analytical Chemistry, Faculty of Chemistry, Jagiellonian University in Kraków, Gronostajowa St. 2, Kraków 30-387, Poland

The carbon footprint is a quantitative assessment of the combined emissions of greenhouse gases, including carbon dioxide , methane , and nitrous oxide in terms of their carbon dioxide equivalent ( ) [1]. These emissions are produced as a result of human activities, both directly and indirectly. It measures the extent to which these activities affect the environment by assessing their role in causing global warming and climate change. Carbon footprints primarily contribute to climate change by causing the retention of heat in the Earth’s atmosphere [2]. This leads to an increase in global temperatures, more frequent occurrences of
extreme weather events, and disturbance of ecosystems. Elevated levels of carbon footprints indicate also the risk of emission of pollutants into the atmosphere, the acidification of oceans, and the depletion of forests, resulting in the destruction of habitats, the decline of biodiversity, and detrimental impacts on ecosystems [3]. Moreover, elevated levels of greenhouse gas emissions resulting from high carbon footprints can give rise to respiratory ailments, cardiovascular disorders, and other health complications as a consequence of air pollution and inadequate air quality. For these reasons, it is crucial to reduce the environmental impacts and undertake transition towards a more sustainable future for both ecosystems and human societies. This can be achieved by reducing carbon footprints through sustainable practices, energy efficiency, renewable energy adoption, waste reduction, and conservation activities.

Metrics are essential for evaluating the decrease of carbon footprint in analytical chemistry laboratories [4, 5]. They offer a systematic method for measuring and improving energy usage, waste creation, and greenhouse gas emissions. By monitoring metrics, laboratories may pinpoint areas that need improvement, enhance the efficient use of resources, and lower operational hazards. These goals can be achieved, while ensuring compliance with environmental rules and sustainability requirements. Metrics also enable the assessment of analytical tools and methodologies, promoting the advancement of more environmentally friendly practices. Moreover, comparing performance against established industry standards and exemplary practices enables laboratories to improve their environmental performance, increase awareness, and contribute to a more sustainable future. Accordingly, the strategic utilization of metrics to evaluate the reduction of carbon footprint in analytical chemistry laboratories not only improves operational efficiency and adherence to regulations, but also establishes sustainable practices within the scientific community and beyond.

Despite several greenness metrics dedicated to analytical methods are available and willingly used by analytical chemistry community, e.g. AGREE [6], GAPI [7], MoGAPI [8], ComplexMoGAPI [9], Analytical Eco-Scale [10], RGB [5], ChlorTox Scale [11], etc., it lacks the one focused primarily on carbon footprint. While criteria such as energy consumption appear in some models, they are typically not the most important, and the general purpose of known metrics is to capture overall greenness or risks related to chemical exposure, not greenhouse effect. Therefore, there is a significant need for the development of a new tool allowing to reduce emissions in analytical chemistry laboratories [12, 13]. Reduction of greenhouse gas emission is a crucial component of greenness [14] but somewhat overlooked and remaining in the shadow
of threats directly related to the chemical impact of the reagents and solvents used.
A few initiatives and tools have emerged to assess and monitor carbon footprints, such as GES 1.5 [15] and the UK Carbon Trust [16]. GES 1.5 is an open-source web application designed to estimate and reduce the carbon footprint of research labs, departments, and teams by analyzing emission sources like buildings, commuting, digital devices, and professional travel. Meanwhile, the Carbon Trust operates on a broader scale, working with businesses and public organizations to support carbon reduction initiatives and foster innovation for a low-carbon economy. While both tools contribute significantly to sustainability efforts, they function at an institutional or organizational level rather than addressing emissions at the granular level of specific analytical procedures.

This study presents the Carbon Footprint Reduction Index (CaFRI) as an innovative tool for evaluating analytical procedures and the efficiency of carbon footprint reduction initiatives adopted in chemical laboratories. This tool represents a notable advancement in promoting environmental sustainability principles in laboratory settings. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) provides internationally recognized methodologies for calculating greenhouse gas emissions, primarily based on the quantification of carbon dioxide equivalents using global warming potential (GWP) values for various substances.

The CaFRI is a comprehensive greenness assessment tool prioritizing carbon footprint as the primary environmental impact, dedicated to already developed analytical laboratory procedures. It takes into account the specification of analytical method as well as circumstances dependent on the laboratory where the method was utilized. The evaluation takes into account several important factors, including energy demand, emissivity of energy production, the application of specific carbon footprint reduction measures, sample storage, transportation, personnel, waste management, recycling efforts to minimize resource usage, and use of chemicals. The assessment of energy efficiency is conducted in a simple way, by estimating the total electric power of electric devices and sample throughput. This and other criteria are outlined in Table 1. The components of this metric are elaborated upon in depth in the subsequent sections. Figure 1 illustrates the various parameters included in the CaFRI assessment and how they contribute to the overall score. The maximum possible score of any analytical method according to the CaFRI assessment is 100 .

The tool is integrated with the user-friendly software, freely available on the website (https://bit.ly/CaFRI). After selecting the appropriate answers in questionnaire,

the result of assessment is presented in the form of a pictogram in the shape of a human foot, which is directly associated with the carbon footprint. Different places on the foot represent the corresponding criteria. Red color corresponds to a poor rating, yellow to an average rating, and green to a good rating, in line with the idea of green chemistry. The number of points obtained from the questionnaire is converted into a final result on a scale of 0-100. The ideal procedure (fully green) in terms of carbon footprint estimation gains a score of 100 . Points are assigned based on the significance of each parameter in relation to the carbon footprint. This explains e.g. why the emission factor is allocated more points compared to sample storage or transportation.

The assessment of energy usage is crucial in determining a laboratory’s environmental impact within the CaFRI [17]. The first criterion takes into account the implementation of a dedicated energy production/utilization program during procedures, e.g. the employment of local green energy sources, such as solar cells or air turbines, dedicated to powering the specific laboratory – which relates to energy production, or utilization such as regular energy audits and use of unconventional energy-efficient equipment, which relates to energy conservation. The higher ratings are assigned to laboratories that employ such measures.

As the second criterion, the energy consumption per sample is considered. It is done in two steps. In the first one the overall energy demand of research instruments is estimated by adding up their electric powers (kW). Obviously, better ratings are given when instruments consume less energy. Therefore, the CaFRI encourages laboratories to adopt energy-saving practices and utilize energyefficient equipment. This can trigger efforts to reduce their carbon footprint and strive for more sustainable
operations. In the second step sample throughput is considered, since the total energy demand per sample depends both on instruments and on how long they are used. The detailed calculation considering independently each device and its operation time could be problematic, therefore, to maintain user-friendliness, the assessment is done in the simplified way. To facilitate estimation of electric power, Table 2 lists the various popular analytical equipment. These data are based on self-assessment by two independent chemical engineers. It should also be noted that if the energy consumption of the given instrument could not be accurately estimated or verified experimentally (using e.g. wattmeter), the maximum possible value of electric power should be considered in the calculations.
Additionally, the energy intensive non-analytical equipment such as fuming hoods and air conditioners are considered to ensure that the proposed energy estimation scheme is comprehensive. If the analytical procedure does not require them, a higher point number is awarded.

Admittedly, accurately evaluating the amount of emissions is crucial for comprehending and minimizing the environmental consequences of laboratory activities [18]. Therefore, the CaFRI promotes laboratories which as a rule of thumb, proactively measure and oversee their emissions (using e.g. life-cycle assessment procedures), which can result both from using given analytical procedures and maintaining working infrastructure, e.g. ventilation, lighting, room heating. In addition, this section takes into account the emission factor related to energy production, assigning higher marks to lower emission factors per kilowatt-hour (kWh) of energy. This parameter is geographically specific, it can vary from less than 50 g of (Sweden, Norway) to over 0.8 kg (Libya, Kazakhstan), depending on the share of renewable

energy sources in energy production profile [19]. CaFRI users are prompted to account for all known direct and indirect sources of carbon emissions relevant to the analytical process, including high-GWP gases (e.g., ) when applicable. The tool allows for flexibility and adaptability depending on the laboratory’s specific materials and practices. If measuring emissions directly is not feasible, the updated data available on the Our World in Data website can be utilized to estimate carbon intensity for specific geographical locations [19]. This dataset, spanning from 1990 to 2023, provides information on
greenhouse gas emissions per kilowatt-hour of electricity produced for various countries and regions. It serves as a valuable resource for assessing emission levels and tracking the progress of transitioning to more sustainable energy sources. Figure 2 shows the country-specific carbon intensity, expressed in g of -equivalents emitted per kWh of electricity generated in 2023.

When evaluating carbon footprint of analytical procedure, it is crucial to consider how samples and reagents

are stored [10]. The grading method assesses the necessity of sample storage, assigning more points to procedures and laboratories that do not require any storage facilities, therefore reducing overall energy usage. In addition, the assessment scheme differentiates between storage under typical and exceptional conditions, assigning low points if
the storage in deep freeze , vacuum, under high pressure or in sterile air is required. This may potentially lead to higher energy consumption and carbon emissions. The CaFRI encourages laboratories to minimize or eliminate the need for sample storage and adopt sustainable storage procedures.

Transportation practices play a critical role in evaluating a laboratory’s efforts to reduce its carbon footprint, according to the evaluation criteria of the CaFRI [20]. The rubrics and grading systems take into account several aspects, including the necessity of transporting samples to an analytical laboratory, the distance between the sample field and the lab, the quantity of samples transported in one shipment, and the utilization of environmentally friendly vehicles. Shorter distances, greater batch sizes in shipments, and the adoption of ecologically friendly transportation techniques result in higher ratings, indicating a laboratory’s dedication to lowering carbon emissions linked to sample transportation. The CaFRI seeks to promote laboratories’ adoption of environmentally friendly transportation methods by offering motives, with the goal of reducing their ecological footprint and supporting broader sustainability initiatives.

The assessment of people factors is also relevant in shaping a laboratory’s efforts to reduce its carbon footprint

[21]. Methods that require fewer analysts generally have a smaller carbon footprint since they are simpler, more efficient, and characterized by reduced energy consumption, resource usage, waste production, and transportation emissions. The tool considers the people requirements for a single sample analysis, giving better grades to processes that are efficiently carried out by a less number of individuals. Additionally, the degree of automation in the analysis process is taken into account, with the highest score given to operations that are fully automated. This reflects an efficient and resource-saving method for analyzing samples. The CaFRI aims to promote operational efficiency, energy conservation, and environmental sustainability in laboratories by motivating the optimization of personnel utilization and the integration of automation technologies. This will create a more eco-conscious and sustainable laboratory environment.

Efficient waste management is crucial in evaluating the environmental footprint of a laboratory [22]. Improper disposal of chemical and solid waste can lead to increased greenhouse gas emissions, including , from waste decomposition, incineration or biodegradation processes – which could be omitted by employing specialized entities offering eco-friendly waste utilization methodologies. The rating criteria for waste amount assign scores ranging from 1 to 3 based on the quantity of waste generated per sample. Additionally, the rates evaluate waste disposal methods, giving higher scores to disposal by specialized personnel such as environmental health and safety officer, waste management technicians, or professionals from certified waste disposal companies compared to disposal by the analyst or no disposal at all. These rubrics highlight the significance of proper waste handling in efforts to reduce carbon footprint. The CaFRI seeks to encourage laboratories to reduce waste production and implement environmentally responsible disposal methods by providing ratings that reflect their waste generation and disposal procedures. This will ultimately contribute to a more sustainable and environmentally conscious operational strategy.

Assessing recycling methods in a laboratory is crucial for promoting sustainability and reducing carbon footprint, as part of the CaFRI [23]. The lack of recycling necessitates the delivery of newly produced reagents, which creates an additional carbon footprint associated with production and transportation. The rating criteria for recycling assess various levels of environmental awareness, assigning higher grades to approaches that employ recycled reagents and solvents, from the same process. By using recycled materials, laboratories can both decrease
resource consumption and lower trash output, resulting in higher scores of the index. The ratings decline for laboratories that employ recycled reagents/solvents from other methods. The lowest score is assigned to facilities where no recycling is performed. The CaFRI encourages laboratories to implement resource conservation methods and contribute to a greener and more sustainable approach to chemical analysis by assigning scores that reflect their recycling efforts.

As the last criterion, the CaFRI considers the utilization of hazardous reagents and solvents, which influence indirectly the carbon footprint of an analytical procedure, e.g. by the need to use advanced processing technologies at the end of chemicals’ life cycle [24]. The grading method takes into account the total number of hazard pictograms associated with chemical reagents and solvents in safety data sheets, promoting the use of less toxic and hazardous chemicals by awarding more points. This indicates the presence of potentially dangerous or environmentally detrimental materials being used. It can be assumed that more pictograms means that more advanced waste handling methods are needed, which generate more as a side effect. In addition, the assessment considers the overall quantity of organic solvents and reagents used per sample. Labs that use less amounts per sample are given better marks, as this contributes to lesser carbon footprint related to chemical manufacturing process, handling and transport of waste, and its final disposal. The CaFRI encourages laboratories to adopt environmen-tally-friendly practices by advocating the reduction of hazardous chemicals, decreasing the use of solvents and reagents, and supporting eco-conscious decisions. Such a systemic approach assist laboratories in offsetting their carbon footprint and contribute to achieving environmental sustainability goals.

To demonstrate the applicability of the CaFRI tool, we used it to assess four methods for quantifying different substances: polidocanol in commercial ampoules [25], ritonavir in human plasma [26], molnupiravir in hard gelatin capsules [27], and favipiravir in human plasma [28].
The first case study utilized spectrophotometry to quantify polidocanol, a difficult-to-measure medicinal compound that lacks chromophoric properties [25]. The assay principle was based on the creation of a ternary complex between polidocanol and a cobalt(II)thiocyanate complex, which could be transferred into a dichloromethane layer. Researchers precisely quantified polidocanol by measuring its absorbance at 320 nm . The quantity of waste generated was limited, less than 10 mL . However, no waste disposal initiative was reported.

The samples were delivered over a distance of less than 1 mile using compressed natural gas vehicles (as an ecofriendly alternative to traditional vehicles), and an energy reduction scheme was implemented for instruments that consumed greater than 1.5 kW . Two individuals were necessary for each manual sample analysis in terms of personnel and the sample throughput was 8 per hour. The carbon footprint was not directly determined. The emission factor was set to exceed 0.3 kg , as suggested per the data on the “Our World in Data” website. The utilization of reagents and solvents was highly effective, using less than 5 mL of organic solvents and less than 1 g of reagents per sample. Additionally, three pictograms represented the solvents and reagents employed and the sample was stored under standard conditions in the refrigerator. The cumulative CaFRI score for this method was 63 (Fig. 3a).
The second case study utilized a hybrid material consisting of microcrystalline cellulose and a metal-organic framework (MOF) to effectively perform dispersive solid phase microextraction for ritonavir from human plasma [26]. The composites functioned as efficient sorbent materials, facilitating the retrieval of ritonavir from human plasma for subsequent analysis. The waste amount was minimal ( ), but no waste disposal program was reported. The MOF used in sample preparation could be recycled for reuse in the same method. A total number of 10 samples were transported less than 1 a mile using eco-friendly vehicles, and an energy reduction program was applied with instruments consuming
more than 1.5 kW . For personnel, 2 individuals were required per sample analysis using an HPLC/UV instrument. The sample throughput was 4 per hour and the carbon footprint was not measured. The emission factor was set to exceed 0.3 kg , as per the reported data. The use of reagents and solvents was efficient, with less than 5 mL of organic solvents and less than 1 g of reagents per sample, and there were three pictograms for the solvents/ reagents used. Sample storage was at until analysis. Accordingly, the total CaFRI score of this method was 69 (Fig. 3b).
In the third case study, analysts presented a method for the determination of molnupiravir via carbon quantum dots, synthesized from eggshell [27]. The waste amount was , and the waste was disposed by the analyst, although no recycled reagents were employed. A total number of 50 samples were transported less than a mile using eco-friendly vehicles, and an energy reduction program was applied with instruments consuming less than 0.1 kW . Only one analyst was required per sample analysis and the sample throughput was samples . The carbon footprint was not measured. The emission factor was set to exceed 0.3 kg . The use of reagents and solvents was efficient, with less than 5 mL of organic solvents and less than 1 g of reagents per sample, and there were six pictograms for the solvents/reagents used. Sample storage was at normal conditions. Accordingly, the total CaFRI score of this method was 76 (Fig. 3c).
The fourth case study employed menthol as a phase separating agent in homogenous liquid-liquid
microextraction of favipiravir from human plasma before being measured by HPLC/UV [28]. The waste amount was and the waste was disposed by a specialized personnel. The menthol used in sample preparation could be recycled for reuse in the same method. A total number of 60 samples were transported less than one mile using eco-friendly vehicles, and an energy reduction program was applied with instruments consuming more than 1.5 kW . For personnel, 1 individual was required per sample analysis by an HPLC with an autosampler and the sample throughput was 12 per hour. The carbon footprint was measured, and the emission factor was found to be 0.30 kg . Less than 5 mL of organic solvents and less than 1 g of reagents per sample were required, and there were five pictograms for the solvents/reagents used. Sample storage was at until analysis. Accordingly, the total CaFRI score of this method was 81 (Fig. 3d).
For comparison purposes, the carbon footprint of an alternative method for the determination of the same substance (favipiravir) was assessed [29], yielding a total CaFRI score of 62 (Figure S1). This relatively moderate score may be attributed to the use of the energy-intensive LC-MS/MS technique, which requires specialized personnel for operation. Further efforts could be made to reduce emissions and implement waste recycling to enhance the method’s environmental performance. Performance in the other case can be improved by tracking the red zones in the final pictogram, by considering waste recycling in the first and the third cases, the storage conditions in the second and the fourth case, and the emission parameter in the first three case studies.
The results indicate significant differences in the precautions used to reduce the carbon footprint among the methods. The first two methods demonstrate acceptable measures, with calculated CaFRI scores between 50 and 74 . In contrast, the third and fourth methods show appreciable efforts in reducing the carbon footprint, as indicated by scores of 75 or higher. These case studies indicated that the two key criteria for CaFRI scores are energy consumption and emissions. Reducing energy use, especially through clean energy sources and low-energy equipment, plays a crucial role in minimizing environmental impact. Similarly, lowering emissions by using equipment with lower emission factors and measuring the carbon footprint is vital for accurately assessing and reducing the overall carbon footprint of the procedure. Other parameters also contribute to the total score, but to a lesser extent. These parameters not only help assess the analytical procedure but also indicate areas that need further improvement to develop more sustainable methods.

The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) provides internationally recognized methodologies for calculating greenhouse gas emissions, primarily based on the quantification of carbon dioxide equivalents ( ) using global warming potential (GWP) values for various substances. However, CaFRI is not intended to quantify total carbon dioxide equivalents ( ) as IPCC-based models do. Instead, CaFRI is designed to evaluate the efforts made to reduce carbon footprint within analytical methods-offering a practical, awareness-raising tool for chemists during method development. These differing goals and outputs make direct comparisons with IPCC methods inappropriate. Similarly, Labos 1.5 focuses on institutional-scale assessments, while CaFRI offers a granular evaluation at the method level and gives an evaluation of the efforts exerted to reduce carbon footprint, rather than an estimate of values. Table S 1 summarizes the main differences between CaFRI and Labos 1.5 in scope, functional unit, output and applications.

On the other hand, Life Cycle Assessment (LCA) is a comprehensive methodology encompassing all life cycle stages and multiple environmental indicators. By contrast, CaFRI focuses specifically on assessing the carbon footprint of individual analytical methods, with the implicit functional unit being the analysis of one sample by a defined procedure. CaFRI is thus a more targeted, complementary tool-not a replacement for LCA.

The CaFRI is a robust tool that allows analytical chemistry laboratories to measure, evaluate, and enhance their environmental sustainability with the focus on parameters associated with greenhouse gas emission, which makes it a valuable compliment of the pallet of the existing greenness metrics. It offers a simple and comprehensive method for assessing procedures applied in the specific laboratories rather than non-specific methods without clear utilization circumstances, and thus provide more information allowing to foresee the final environmental consequences. It takes into account various factors including both those directly and indirectly related to emission. The application of the CaFRI may enable laboratories to discover areas for enhancement, optimize resource efficiency, assure regulatory compliance, and showcase their dedication to environmental stewardship. The CaFRI’s capacity to facilitate evidencebased decision making, foster cooperation, and contribute to worldwide endeavors in tackling climate change renders it a vital resource for the analytical chemistry community. The case studies presented in this article demonstrate how the CaFRI may be used to evaluate the carbon footprint of various analytical procedures. These
case studies also emphasize the CaFRI’s ability to facilitate positive change and encourage sustainability in laboratory environments. Like any assessment model, CaFRI involves a certain margin of uncertainty and subjectivity. To address uncertainty and enhance reliability, we recommend that at least two independent evaluators assess each method separately. If there were any discrepancies or doubts in the number of points awarded between evaluators, a consensus should be reached through open discussion and the agreed rating should be presented in the final assessment. This approach may help mitigate subjectivity, ensure a more robust and reproducible carbon footprint assessment, and improve the consistency of CaFRI scores across different laboratories. By adopting this metric, analytical chemistry laboratories can take the initiative in spearheading the development of a more sustainable future for the scientific community and beyond.

The online version contains supplementary material available at https://doi.or g/10.1186/s13065-025-01486-2.

Supplementary Material 1

FRM proposed the idea, design, case studies, results discussion, manuscript preparation and revision. PN participated in the study design and the results discussion and revised the manuscript.

Open access funding provided by The Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in cooperation with The Egyptian Knowledge Bank (EKB).

No datasets were generated or analysed during the current study.

This study was approved by the Ethical Committee of Scientific Research in the Faculty of Pharmacy, Tanta University, Egypt. No consent to participate was required, according to the Committee guidelines.

Not applicable.

The Ethical Guidelines of the Faculty of Pharmacy, Tanta University, Egypt were followed during this study.

The authors declare no competing interests.
Availability and requirements
Project name: CaFRI.
Project home page: https://bit.ly/CaFRI.
Operating systems: This project is a web application and can run on any operating system with a browser.
Programming languages: HTML, CSS, and JavaScript.
Other requirements: A modern web browser (e.g., Chrome, Firefox, or Edge) is required.

License: This software is free for academic and non-profit use. Any modifications or derivative works require prior written permission from the author. Commercial use is prohibited without a separate licensing agreement. Any restrictions to use by non-academics: This software is free for academic and research purposes but requires a license for commercial use.

Received: 3 November 2024 / Accepted: 14 April 2025
Published online: 09 May 2025

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.