 วิเคราะห์ปริมาณธาตุอย่างรวดเร็วด้วยเครื่อง AAS
เทคนิค Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) เป็นเทคนิควิเคราะห์เชิงปริมาณที่นิยมใช้ในงานต่างๆ มากมาย ไม่ว่าจะเป็นงานทางด้านการแพทย์ เภสัชกรรม เกษตรกรรม งานวิเคราะห์
เคมีของดิน โลหะวิทยา สิ่งแวดล้อม พลังงาน นิติวิทยาศาสตร์ และงานเชิงอุตสาหกรรมอื่นๆ ที่มีการวิเคราะห์ธาตุ ในปัจจุบันเทคนิคนี้ได้รับการพัฒนาทั้งในเรื่องของวิธีการและเครื่องมือทำให้เป็น
เทคนิคที่มีความเฉพาะมากขึ้น มีความไวมากขึ้น ให้ผลการวิเคราะห์ที่รวดเร็วขึ้น มีความแม่นยำสูง ใช้งานและทำมาตรฐานได้ง่าย และค่าใช้จ่ายต่อการวิเคราะห์ก็ไม่สูงมากนัก
เรียบเรียงโดย พรรณทิพย์ ตั้งปรียารักษ์
บทนำ
เทคนิคที่ใช้ในการวิเคราะห์ปริมาณธาตุในปัจจุบันมีด้วยกันหลายเทคนิค ซึ่งเทคนิค Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) เป็นอีกหนึ่งเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความไวและความเฉพาะสูง ซึ่งในบทความน ี้จะกล่าวถึงหลักการของเทคนิครวมถึงเครื่องมือที่ใช้ในการตรวจวิเคราะห์สารต่างๆ เหล่านี้หรือที่เรียกว่า Atomic absorption spectrometer นั่นเอง โดยมีข้อแตกต่างจากบทความเรื่อง Atomic Absorption Spectroscopy ที่ได้ตีพิมพ์ในฉบับที่ 26 ในรายละเอียดปลีกย่อยบางส่วนที่ได้ขยายเพิ่มเติมหรือตัดทอนออกไป และ นอกจากนี้ในบทความนี้ได้กล่าวถึงการพัฒนาเทคโนโลยีของเครื่อง AAS เพิ่มเติมมากขึ้น
หลักการ
HCL
แผนผังแสดงส่วนประกอบสำคัณของเครื่อง AAS
|
เทคนิค AAS นี้อาศัยหลักการการดูดกลืนแสงของอะตอมอิสระจนอะตอมเปลี่ยนสถานะจากสถานะพื้นไปสู่สถานะกระตุ้นที่ความยาวคลื่นค่าหนึ่งซึ่งเป็นค่าเฉพาะขึ้นอยู่กับชนิดของธาตุ
ดังนั้นการตรวจวัดปริมาณแสงที่ถูกดูดกลืนในแต่ละความยาวคลื่นจะสามารถบ่งบอกถึงชนิดและปริมาณของธาตุที่มีอยู่ในตัวอย่างได้ซึ่งการทำให้อะตอมภายในธาตุเกิดเป็นอะตอมอิสระได้นั้นจะต้อง
อาศัยพลังงานความร้อนไปกระตุ้นให้อะตอมเกิดการแตกตัวหรือกลายเป็นไอ
เครื่องมือ
เครื่อง AAS โดยส่วนใหญ่แล้วจะมีส่วนประกอบที่สำคัญด้วยกัน
5 ส่วน ได้แก่
1. แหล่งกำเนิดแสงโดยทั่วไปแล้วแหล่งกำเนิดแสงที่นิยมใช้ในเครื่อง AAS มีด้วยกัน
2 ชนิด คือ Hollow cathode lamp (HCL) และ Electrodeless discharge lamp (EDL) ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็น HCL เพราะให้สเปกตรัมของแสงได้หลายค่าสามารถตรวจวัดธาตุได้เกือบทุกชนิด แต่มีอายุการใช้งานสั้นและไม่สามารถตรวจวัดสารที่กลายเป็นไอได้ง่ายการวิเคราะห์สารเหล่านี้จึงจำเป็นต้องใช้ EDL เป็นแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งให้แสงที่มีความเข้มสูงกว่าและมีความไวกว่า HCL นอกจากนี้ EDL ยังมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า HCL แต่อย่างไรก็ตามภาพที่ได้จาก EDL จะมีขนาดใหญ่กว่า HCL ดังนั้น EDL จึงเหมาะกับเครื่องมือที่มีระบบเชิงแสงที่สามารถรองรับภาพขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นเท่านั้น
2. ส่วนที่ทำให้ธาตุกลายเป็นอะตอมอิสระ (Atomizer) Atomizer เป็นส่วนที่จะทำให้ธาตุเกิดการแตกตัวกลายเป็นอะตอมอิสระโดยการใช้ความร้อนเป็นตัวทำลายพันธะที่ยึดอยู่ระหว่างอะตอมซึ่งการทำให้ธาตุเกิดการแตกตัวเป็นอะตอมนั้นสามารถทำได้หลายวิธีด้วยกัน ได้แก่
2.1 Flame Atomization วิธีการนี้จะใช้เปลวไฟที่เหมาะสมในการทำให้สารตัวอย่างเกิดการแตกตัวเป็นอะตอมเพราะเปลวไฟแต่ละชนิดให้อุณหภูมิที่แตกต่างกัน โดยใน
ตารางที่ 1 จะแสดงถึงอุณหภูมิของเปลวไฟชนิดต่างๆ สำหรับสารตัวอย่างที่ทำการวิเคราะห์จะต้องเป็นสารละลายที่เข้ากันเป็นเนื้อเดียว ไม่มีสารแขนลอยอยู่วิธีการนี้จะเริ่มต้นจากการใช้ nebulizer พ่นให้ของเหลวกลายเป็น
(บน) วิธีการ Flame Atomization
(ล่าง) วิธีการ Graphite Furnace Atomization
|
ขั้นตอนการทำให้ธาตุกลายเป็นอะตอมอิสระด้วยวิธีการ Flame Atomization |
2.2 Flameless หรือ Non-flame Atomization วิธีการนี้เป็นวิธีการทำให้สารตัวอย่าง แตกตัวเป็นอะตอมด้วยความร้อนที่ได้จาก กระแสไฟฟ้า (electrothermal atomizer หรือ graphite furnace) ซึ่งสามารถตั้งค่าอุณหภูมิในการเผาและเวลาให้มีค่าต่างๆ กันได้ โดยสารตัวอย่างจะค่อยๆ ได้รับความร้อนเพื่อระเหยตัวทำละลายออกไปก่อน แล้วให้ความร้อนเพิ่มสูงขึ้น(อาจสูงถึง 1,500 องศาเซลเซียส) เพื่อกำจัดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ให้เหลือเพียงแค่สารอนินทรีย์ที่เสถียรเท่านั้น ซึ่งโดยทั่วไป จะอยู่ในรูปของโลหะออกไซด์ หลังจากนั้นสารที่เหลืออยู่จะถูกเผาที่อุณหภูมิสูง (อาจสูงถึง 3,000 องศาเซลเซียส) เพื่อให้สารเกิดการสลายตัวกลายเป็นอะตอมอิสระ วิธีการนี้มีความไวกว่าวิธีการแรก และใช้ปริมาณสารตัวอย่างน้อยกว่า แต่ต้องระวังการปนเปื้อนหรือการสูญหายของสาร การเตรียมตัวอย่างทำได้ง่ายสามารถวิเคราะห์สารที่เป็นของแข็งได้โดยตรงจึงช่วยลดขั้นตอนการเตรียมตัวอย่างได้มาก ละอองเล็กๆ แล้วผสมกับแก๊สเชื้อเพลิงและสารออกซิแดนท์ภายใน
spray chamber หลังจากนั้นตัวทำละลายจะถูกกำจัดออกไปจนเกิดเป็นอนุภาคเล็กๆ ของสารประกอบ แล้วพลังงานความร้อนจากเปลวไปก็จะทำให้สารประกอบเหล่านี้เกิดการแตกตัวเป็นออกไซด์ โมเลกุล และอะตอมอิสระ วิธีการนี้ให้ผลการวิเคราะห์ที่ดีง่าย สะดวก และใช้ประโยชน์ได้มาก แต่มีความไวไม่สูงมากนัก
2.3 Hydride Generation หรือ Vapor Generation วิธีการทั้งสองวิธีที่กล่าวมาข้างต้นนั้นไม่สามารถทำให้ธาตุบางชนิดเกิดการแตกตัวได้ จึงต้องใช้วิธีที่ทำให้ธาตุเหล่านี้กลายเป็นสารที่เป็นไปได้ง่ายๆ ที่อุณหภูมิห้องด้วยการรีดิวซ์ให้กลายเป็นไฮไดรด์ แล้วให้ไฮไดรด์ผ่านเปลวไฟไฮโดรเจนจนธาตุนั้นๆ กลายเป็นอะตอมอิสระ ซึ่งธาตุเหล่านี้ได้แก่ As, Se, Te, Ge, Bi และ Sb ซึ่งวิธีการนี้ให้ความไวในการวิเคราะห์สูงแต่สู้สองวิธีการแรกไม่ได้
2.4 Cold Vapor Generation วิธีการนี้ถือว่าเป็นวิธีการของ Flameless Atomization แบบ Hydride Generation เหมาะสำหรับการวิเคราะห์ธาตุที่สามารถเปลี่ยนให้เป็นไอได้ง่ายๆ โดยเฉพาะการวิเคราะห์ปรอทที่มีปริมาณน้อยวิธีการในการวิเคราะห์แต่ละวิธีต่างก็มีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งวิธีการที่เป็นที่นิยมใช้กันอยู่ทั่วไปคือสองวิธีการแรก
Hydride Generator & Cold Vapor Generator
ซอฟต์แวร์ที่ช่วยในการลำดับธาตุสำหรับการวิเคราะห์
เครื่องมือที่ได้รับการพัฒนาให้ตรึงหลอดไฟให้อยู่กับที่แล้วเปลี่ยนลำแสงจากแหล่งกำเนิดโดยใช้การหมุนของกระจกแทน
|
3.โมโนโครเมเตอร์
แสงจากแหล่งกำเนิดจะตกลงบนตัวอย่างแล้วผ่านมายังโมโนโครเมเตอร์ซึ่งจะทำหน้าที่ในการกระจายแสงออกตามค่าความยาวคลื่นต่างๆ ให้ไปตกยังเครื่องตรวจวัด
4. เครื่องตรวจวัด
เครื่องตรวจวัดที่นิยมใช้ในเทคนิค AAS นี้คือ PMT เนื่องจากให้ผลการตรวจวัดที่รวดเร็ว มีความไวสูง สามารถตรวจวัดปริมาณแสงที่มีความเข้มต่ำได้ดี แต่ผู้ผลิตบางรายก็เลือกที่จะใช้ solid state เป็นเครื่องตรวจวัดเพราะให้ขีดจำกัดการตรวจวัดที่ดีกว่า
5. เครื่องประมวลผลและอ่านผล
สัญญาณที่ได้รับจากเครื่องตรวจวัดมักจะมีค่าความแรงต่ำจึงมีความจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ช่วยขยายสัญญาณและแปลงให้เป็นค่า absorbance แล้วอ่านผลที่ได้ด้วย scale meter, digital meter, recorder/printer หรือคอมพิวเตอร์ซึ่งอยู่ในรูปที่สามารถนำไปใช้งานได้ทันที และด้วยการพัฒนาทางซอฟต์แวร์ช่วยให้ได้รับข้อมูลในการวิเคราะห์รวดเร็วขึ้นและเป็นไปตามมาตรฐาน GLP
เทคโนโลยีในปัจจุบัน
ปัจจุบันเครื่อง AAS ได้รับการพัฒนาให้สามารถตรวจวัดตัวอย่างได้มากขึ้น มีความเฉพาะและความไวสูงขึ้น ให้ผลการวิเคราะห์ ที่รวดเร็วขึ้น ซึ่งผู้เขียนจะขอยกตัวอย่างของเทคโนโลยีที่มีการพัฒนา
Fast Sequential Analysis
เทคโนโลยีนี้เป็นเทคโนโลยีช่วยให้การวิเคราะห์ตัวอย่างและการอ่านผลเป็นไปอย่างรวดเร็ว เทคโนโลยี Fast Sequential Analysis สามารถทำการวิเคราะห์ธาตุทุกตัวที่อยู่ในตัวอย่างได้พร้อมๆ กันต่อการวิเคราะห์เพียงหนึ่งครั้งก่อนที่จะทำการวิเคราะห์สารอื่นต่อไป ในขณะที่เครื่อง AAS ในปัจจุบันส่วนใหญ่ยังคงสามารถตรวจวัดธาตุเพียงธาตุเดียวต่อการวิเคราะห์สารทุกสารพร้อมกันด้วยเทคโนโลยีนี้จึงทำให้ได้รับผลการวิเคราะห์ธาตุทุกธาตุครบถ้วนในแต่ละตัวอย่างภายในไม่กี่นาที
Intelligent Software
ด้วยความสามารถของซอฟต์แวร์ในการจัดการเรียงลำดับการวิเคราะห์ธาตุตามความยาวคลื่นและชนิดของเปลวไฟ โดยธาตุที่ใช้เปลวไฟชนิดเดียวกันในการวิเคราะห์จะถูกจัดลำดับไว้ด้วยกัน
ซึ่งจะช่วยลดเวลาในการเปลี่ยนแปลงและตั้งค่าเปลวไฟใหม่นอกจากนี้ซอฟต์แวร์ยังสามารถกำหนดตำแหน่งของระบบอุปกรณ์เชิงแสงได้อย่างแม่นยำหากแสงที่ได้รับมีการเปลี่ยนแปลงค่าความยาวคลื่น
High-efficiency Optical System
สำหรับธาตุที่มีปริมาณเพียงเล็กน้อยหรือทำการวิเคราะห์ได้ยากผู้ผลิตได้ทำการพัฒนาระบบอุปกรณ์เชิงแสงที่สามารถให้ความถี่ที่เหมาะสมและแก้ปัญหาในเรื่องของค่า background ของ ข้อมูลที่ได้รับ รวมทั้งกำจัดความจำเป็นในการติดตั้ง polarizer ลงในเครื่องมือแบบเดิมๆ ทำให้เครื่อง AAS ที่ได้รับการพัฒนานี้มีขีดจำกัดการตรวจวัดที่ต่ำและให้ผลการวิเคราะห์ที่มีความแม่นยำสูง Gas Control System ระบบควบคุมแก๊สเป็นอีกเทคโนโลยีหนึ่งที่ได้รับการพัฒนา ซึ่งระบบนี้จะคอยควบคุมการเปลี่ยนแปลงการไหลของแก๊สเพื่อให้เหมาะสมกับการวิเคราะห์ธาตุแต่ละชนิดได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำโดยใช้วาล์วโซลีนอยด์เป็นตัวควบคุมการไหล
Lamp Selection Mirror
เครื่องมือแบบเดิมจะใช้การหมุนหลอดไฟแหล่งกำเนิดแสงเพื่อเปลี่ยนค่าความยาวคลื่นแสงที่ไปตกกระทบอะตอมของตัวอย่างซึ่งจะใช้เวลาค่อนข้างนาน ผู้ผลิตบางรายจึงได้ทำการแก้ไขปัญหานี้โดยการตรึงหลอดไฟให้อยู่กับที่แล้วทำการเปลี่ยนลำแสงจากแหล่งกำเนิดโดยใช้การหมุนของกระจกซึ่งมีมอเตอร์เป็นตัวขับเคลื่อนกระจกแทน และหากมีการใช้แหล่งกำเนิดแสงประเภท multi-element lamp ก็จะสามารถทำการวิเคราะห์ธาตุต่างๆ ได้อย่างหลากหลายมากยิ่งขึ้นโดยที่ไม่จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนประเภทของแหล่งกำเนิดแสง
Solid-state Detector
การตรวจวัดด้วยเครื่องตรวจวัดประเภท solid-state จะช่วยให้เครื่อง AAS สามารถทำการวิเคราะห์ธาตุได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น และลดปัญหาของสัญญารบกวนโดยเฉพาะในบริเวณแสงช่วง UV ได้
มากกว่าการใช้ PMT เป็นเครื่องตรวจวัดการประยุกต์ใช้งานเทคนิค AAS ถือเป็นเทคนิคหลักที่ใช้ในการวิเคราะห์ ปริมาณธาตุในอาหารและผลิตภัณฑ์ทางการเกษตร รวมถึง การวิเคราะห์ดิน ปุ๋ย นอกจากนี้ยังมีบทบาทสำคัญต่อห้องปฏิบัติการด้านการแพทย์ในการวิเคราะห์ปัสสาวะและซีรั่ม การวิเคราะห์ปริมาณสารอาหาร ธาตุที่เป็นพิษ หรือปริมาณโลหะที่อยู่ในกระแสเลือด ในของเหลว หรือตามเนื้อเยื่อต่างๆ ของร่างกายเทคนิค AAS ยังสามารถใช้วิเคราะห์ปริมาณโลหะ ธาตุที่เป็นพิษหรือมีฤทธิ์กัดกร่อนที่อยู่ในผลิตภัณฑ์ ปิโตรเลียม และทำการวิเคราะห์แร่ สารซีโอไลต์ หรือสารอนินทรีย์ต่างๆ ในงานด้านธรณีวิทยาได้เป็นอย่างดี สำหรับงานทางด้านสิ่งแวดล้อม เทคนิคนี้สามารถตรวจวิเคราะห์ปริมาณของแข็งหรือสารที่แขวนลอย หรือวิเคราะห์น้ำจากแหล่งต่างๆ และงานเชิงอุตสาหกรรมอื่นๆ ที่มีการวิเคราะห์ธาตุ
บทสรุป
เทคนิค AAS ยังคงเป็นเทคนิคที่ได้รับความนิยมสูงสำหรับการวิเคราะห์ปริมาณธาตุเนื่องจากเทคนิคนี้มีข้อดี หลายประการรวมถึงการพัฒนาตัวเครื่องให้เหมาะสมต่อผู้ใช้และงานที่นำไปใช้เครื่องมือใหม่ๆ ให้ผลการวิเคราะห์ธาตุต่างๆ แม้กระทั่งธาตุที่
สามารถทำการวิเคราะห์ยากได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ
เอกสารอ้างอิง
1. Larry R. Taylor, Richard B. Papp, Bruce D. Pollard, Instrumental Methods for Determining Elements, VCH Publishers, Inc. (1994)
2. Richard D. Beaty and Jack D. Kerber, Concepts, Instrumentation and Techniques in Atomic Absorption Spectrophotometry, Second Edition, THE PERKIN-ELMER CORPORATION (1993). Available Online: http://las.perkinelmer.com/Content/RelatedMaterials/BKT_AtomicAbsorptionConcepts.pdf
3. http://www.varianinc.com/image/vimage/docs/products/spectr/aa/brochure/851549.pdf
4. http://las.perkinelmer.com/Content/RelatedMaterials/Brochures/BRO_AAnalyst600800.pdf
5. แม้น อมรสิทธิ์, อมร เพชรสม, หลักการและเทคนิคการวิเคราะห์เชิงเครื่องมือ, ชวนพิมพ์ (2539)
6. อาสาฬ จิตรแจ่ม, Atomic Absorption Spectroscopy (AAS), LAB.TODAY, 26, 47 (2548)
7. Douglas Shrader, Jonathan Moffett, Graeme Plant, Barry Sturman, John V. Sullivan, and Larissa Hammer, Practical Multi-element Hollow Cathode Lamps for Atomic Absorption Spectrometry, March (2000). Available Online: http://www.varianinc.com/media/sci/apps/a-aa09.pdf
8. พรรณทิพย์ ห่อศรีสัมพันธ์, ความหลากหลายของอุปกรณ์วัดปริมาณความเข้มแสง, LAB.TODAY, 30, 23 (2548)
9. Douglas Shrader, Jonathan Moffett, Graeme Plant, Barry Sturman, and John V. Sullivan, Hollow Cathode Lamps Yesterday, Today and Tomorrow, March (1999). Available Online: http: //www.varianinc.com/media/sci/apps/a-aa14.pdf |
