Flame Ionisation Detector MO Memoir : วันพุธที่ ๔ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๒

Flame ionisation detector หรือที่เรามักเรียกกันย่อ ๆ ว่า FID เป็นตัวตรวจวัดของเครื่อง GC ที่ใช้กันแพร่หลายตัวหนึ่ง (หรืออาจกล่าวว่าใช้แพร่หลายมากที่สุดก็ได้ เพราะงานวิเคราะห์ส่วนใหญ่ที่กระทำกันจะเป็นการวิเคราะห์สารอินทรีย์) จุดเด่นของ FID คือมีความจำเพาะเจาะจงต่อสารอินทรีย์ มีความว่องไวสูง มี linearlity ในช่วงกว้าง (กล่าวคือความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณสารที่ผ่าน FID กับสัญญาณที่ส่งออกมา เป็นเส้นตรงในช่วงที่กว้าง) และความแรงของสัญญาณไม่ค่อยได้รับผลกระทบจากอัตราการไหลของแก๊สพาหะ (carrier gas) หรืออุณหภูมิของตัวตรวจวัด ซึ่งไม่เหมือนกับ TCD (Thermal conductivity detector) ที่ความแรงของสัญญาณจะเปลี่ยนแปลงตามอัตราการไหลของแก๊สพาหะและอุณหภูมิของตัวตรวจวัดได้มาก

FID ทำงานโดยอาศัยหลักการที่ว่า เมื่อสารอินทรีย์เกิดการลุกไหม้ติดไฟจะเกิดการแตกตัวเป็นไอออนทั้งบวกและลบ การตรวจวัดการเกิดและปริมาณไอออนที่เกิดกระทำโดยการเผาไหม้สารอินทรีย์ในสนามไฟฟ้า ตัวอย่างโครงสร้างของ FID ได้แสดงไว้ในรูปที่ 1 ข้างล่าง

รูปที่ 1 โครงสร้างทั่วไปของ Flame ionisation detector

(ภาพจาก : http://www.chemistry.adelaide.edu.au/external/soc-rel/content/fid.htm)

FID จะประกอบด้วยช่องทางรับแก๊สที่มาจากคอลัมน์ของ GC โดยแก๊สที่ออกมาจากคอลัมน์ของ GC (โดยทั่วไปจะใช้ไนโตรเจนเป็นแก๊สพาหะ) จะเคลื่อนที่ผ่านเปลวไฟที่เกิดจากการเผาไหม้ระหว่างไฮโดรเจนและอากาศ การที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงก็เพราะการเผาไหม้ไฮโดรเจนไม่ทำให้เกิดเป็นอนุมูลมีประจุ ทำให้ไม่มีสัญญาณรบกวนพื้นหลัง เปลวไฟที่เกิดจากการลุกไหม้จะอยู่ระหว่างสนามไฟฟ้า เมื่อมีสารอินทรีย์ไหลผ่านเปลวไฟ สารอินทรีย์จะลุกติดไฟเกิดเป็นอนุมูลมีประจุ อนุมูลมีประจุที่เกิดขึ้นจะถูกสนามไฟฟ้าดึงเข้าหา collector ทำให้เกิดเป็นสัญญาณไฟฟ้า

ในการเริ่มการทำงานนั้น จะเริ่มด้วยการเปิดฮีทเตอร์ให้ความร้อนแก่ FID จนมีอุณหภูมิเกิน 100 C ก่อน สาเหตุที่ต้องตั้งอุณหภูมิของตัวตรวจวัดให้สูงกว่า 100 C เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการควบแน่นของไอน้ำที่ collector เพราะจะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนได้ เมื่ออุณหภูมิของตัวตรวจวัดสูงเกิน 100 C ก็สามารถทำการจุดไฟแก๊สผสมระหว่างไฮโดรเจนกับอากาศ (โดยปรกติอุณหภูมิของตัวตรวจวัดมักจะตั้งให้ไม่ต่ำกว่าอุณหภูมิการทำงานของคอลัมน์อยู่แล้ว) ในช่วงแรกเพื่อให้ไฟจุดติดได้ง่ายอาจต้องลดอัตราการไหลของแก๊สพาหะที่ไหลผ่านคอลัมน์ออกมา และใช้ไฮโดรเจนมากแต่อากาศน้อย แต่เนื่องจากเปลวไฟของไฮโดรเจนมีสีฟ้าอ่อนหรือแทบไม่มีสี การตรวจสอบว่าเปลวไฟติดหรือไม่ด้วยการมองจะทำได้ยาก (ยกเว้นทำในที่มืดหรือทำโดยเอากระดาษมาม้วนเป็นท่อกลม ๆ แล้วเอาไปครอบบนหัว FID แล้วมองดูทางรู) ดังนั้นจึงมักทดสอบว่ามีเปลวไฟลุกไหม้จริงหรือไม่ด้วยการใช้กระจกหรือพื้นผิวโลหะที่เป็นมันวาวไปอังเหนือเปลวไฟ ถ้าพบว่ามีไอน้ำมาควบแน่นเป็นหยดน้ำบนพื้นผิวเหล่านั้นแสดงว่าการจุดไฟทำได้สมบูรณ์ จากนั้นจึงปรับอัตราการไหลของแก๊สต่าง ๆ (ไนโตรเจนที่ใช้เป็นแก๊สพาหะ ไฮโดรเจนที่ใช้เป็นเชื้อเพลิง และอากาศที่ใช้เป็นสารออกซิไดซ์) ให้เป็นไปตามที่กำหนด ซึ่งโดยทั่วไปมักจะเป็นการลดอัตราการไหลของไฮโดรเจน และเพิ่มอัตราการไหลของอากาศ จากนั้นจึงตรวจสอบอีกครั้งว่าเปลวไฟยังคงลุกติดอยู่ไม่ได้ดับไป

ขอบันทึกไว้ตรงนี้หน่อยนะว่า pressure regulator หัวถังแก๊สที่ใช้กับถังไฮโดรเจนนั้นเป็นเกลียว "เวียนซ้าย" ไม่ใช่ "เวียนขวา" เหมือนเกลียวส่วนใหญ่ทั่วไป pressure regulator ที่ใช้กับแก๊สอันตรายหรือแก๊สพิเศษมักจะทำเป็นเกลียวเวียนซ้ายเพื่อไม่ให้สามารถนำ pressure regulator ที่ใช้กับแก๊สทั่วไปมาต่อกับหัวถังได้ ปัญหาตอนใส่ pressure regulator เข้ากับหัวถังคงไม่เท่าไหร่ เพราะจะใส่ไม่เข้า และถ้าสังเกตดูเกลียวก็จะเห็นแต่แรก แต่ปัญหามันจะอยู่ตอนที่ถอดออก เพราะแทนที่จะขันประแจเพื่อคลาย กลับกลายเป็นการขันแน่นเข้าไปอีก ไอ้เรื่องขันนอตหรือเกลียวนี้ขอให้ใช้ความรู้สึกและวิจารณญาณร่วมด้วย ไม่ใช่ใช้แต่แรง ฉันไม่มีแรงขันนอตก็เลยเรียกเพื่อนตัวใหญ่กว่ามาช่วย ช่วยขันนอตจนนอตขาดคารู (เช่นในกรณีของ reactor ตัวหนึ่งเมื่อไม่นานมานี้) ทีนี้การแก้ปัญหาก็จะยุ่งยากไปอีก

ปริมาณอากาศที่ใช้ในการลุกไหม้ของเปลวไฟนั้นไม่เพียงแต่จะต้องเพียงพอและเหมาะสมต่อการลุกไหม้ของไฮโดรเจนเท่านั้น แต่ยังต้องเพียงพอต่อการลุกไหม้ของสารตัวอย่างด้วย เพราะถ้าอากาศน้อยเกินไปสารตัวอย่างจะเผาไหม้ได้ไม่สมบูรณ์ ความว่องไวของการตรวจวัดจะลดลง ซึ่งตรงจุดนี้อาจทดสอบได้ด้วยการลองเพิ่มอัตราการไหลของอากาศและฉีดสารตัวอย่างเข้าไปแล้วดูว่าสัญญาณที่ได้มานั้นแรงขึ้นหรือไม่ นอกจากนี้ปริมาณอากาศที่ต่ำเกินไปยังอาจทำให้เกิดคราบสกปรกที่เกิดจากการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ของสารอินทรีย์เกาะติดที่ collector ด้วย คราบสกปรกเกาะติดที่ collector จะทำให้เกิดสัญญาณส่งออกมาจาก collector ตลอดเวลาทั้ง ๆ ที่ไม่มีการฉีดสารตัวอย่างใด ๆ (จะเห็น base line ไม่นิ่งเรียบ) ในกรณีเช่นนี้จำเป็นต้องมีการทำความสะอาด collector ซึ่งอาจทำโดยการเพิ่มอุณหภูมิของ collector ให้สูงขึ้น พร้อมทั้งจุดเปลวไฟไฮโดรเจน+อากาศ โดยให้มีอากาศค่อนข้างมากหน่อย และเปิดเครื่องทิ้งไว้จนกว่าสัญญาณ base line จะเรียบ แต่ถ้ากระทำดังกล่าวแล้วยังไม่ได้ผล ก็อาจต้องทำการถอด FID ออกมาทำความสะอาด

โดยทั่วไปแล้วความแรงของสัญญาณที่ได้จาก FID จะเพิ่มขึ้นเมื่อจำนวนอะตอมคาร์บอนเพิ่มขึ้น แต่จะลดลงเมื่อจำนวนอะตอมออกซิเจนเพิ่มขึ้น ในกรณีที่เป็นสารตระกูลเดียวกัน (โดยเฉพาะไฮโดรคาร์บอน) เราพอจะประมาณได้ว่าถ้าปริมาณสารที่ฉีดสารเข้าไปมีจำนวนอะตอมคาร์บอนเท่ากัน จะได้สัญญาณออกมาแรงพอ ๆ กัน กล่าวคือสัญญาณที่ได้จากการฉีดออกเทน (C₈H₁₈) จำนวน 1 โมล จะประมาณเท่ากับการฉีดบิวเทน (C₄H₁₀) จำนวน 2 โมล หรือการฉีดอีเทน (C₂H₆) จำนวน 4 โมล หรือการฉีดมีเทน (CH₄) จำนวน 8 โมล แต่สัญญาณที่ได้จากเฮกเซน (C₆H₁₄) ซึ่งเป็น aliphatic hydrocarbon จำนวน 1 โมลจะไม่เท่ากับสัญญาณที่ได้จากเบนซีน (C₆H₆) ซึ่งเป็น aromatic hydrocarbon จำนวน 1 โมล (สัญญาณของเฮกเซนจะแรงกว่า) และในกรณีของสารที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนเท่ากันแต่จำนวนอะตอมออกซิเจนไม่เท่ากัน เช่น อีเทน (CH₃CH₃) อะซีทัลดีไฮด์ (CH₃COH) และกรดอะซีติก (CH₃COOH) เราจะพบว่าความแรงของสัญญาณจะเรียงลำดับดังนี้คือ CH₃CH₃ > CH₃COH > CH₃COOH

แม้ว่า FID จะมีความว่องไวสูงต่อสารอินทรีย์ แต่ตัวมันเองไม่สามารถตรวจวัดการมีอยู่ของแก๊สที่ไม่ลุกติดไฟ (เช่นพวก N₂ CO₂ H₂O NO_x สารประกอบ organic halide ต่าง ๆ ฯลฯ) หรือที่ลุกติดไฟได้แต่ไม่ทำให้เกิดเป็นไอออน (เช่น CO และ NH₃) ได้ จุดนี้ทำให้ FID มีความเหมาะสมมากสำหรับการนำมาใช้ในการวิเคราะห์สารอินทรีย์ที่ปนเปื้อนอยู่ในน้ำ (มีน้ำอยู่มากแต่มีสารอินทรีย์อยู่น้อย เช่นเบนซีนในน้ำ ฟีนอลในน้ำ ครีซอลในน้ำ โทลูอีนในน้ำ) เพราะจะไม่มีสัญญาณจากน้ำรบกวน (แต่ถ้าเป็น TCD จะมองเห็นหมด) และด้วยความว่องไวที่สูงกว่า TCD (อยู่ในระดับหลายร้อยหรือถึง 1000 เท่า) จึงทำให้ FID เป็นตัวตรวจวัดที่เป็นตัวเลือกตัวแรกเมื่อต้องทำการวิเคราะห์ตัวอย่างที่เป็นสารอินทรีย์ เครื่อง GC บางรุ่นนั้นสามารถทำการติดตั้ง TCD และ FID ร่วมกันโดยการต่ออนุกรมเข้าด้วยกัน โดยให้แก๊สที่ออกมาจากคอลัมน์ไหลผ่าน TCD ก่อน (สารตัวอย่างในแก๊สยังไม่ถูกทำลาย) เพื่อวัดพวก permanent gas ต่าง ๆ จากนั้นจึงค่อยไหลเข้าสู่ FID เพื่อวัดสารอินทรีย์ต่าง ๆ นอกจากนี้ FID ยังทำงานด้วยคอลัมน์เดียวได้โดยไม่ต้องมี reference column เหมือนในกรณีของ TCD

ไฮโดรเจนเป็นแก๊สที่มีอัตราการลุกไหม้ที่สูงมาก ดังนั้นเพื่อให้ไฮโดรเจนลุกไหม้ติดเป็นเปลวไฟได้จึงจำเป็นต้องใช้หัวฉีดแก๊สที่มีรูฉีดแก๊สที่เล็กมาก รูฉีดแก๊สที่เล็กมากนั้นก็หมายความว่าโอกาสที่จะเกิดการอุดตันเนื่องจากสิ่งสกปรกต่าง ๆ (เช่นคราบเขม่าจากการเผาไหม้) ก็สูงมากตามไปด้วย จากประสบการณ์ที่ผ่านมาพบว่าอาการที่แสดงให้เห็นว่าหัวฉีดเริ่มมีปัญหาการอุดตันคือเปลวไฟจะดับเมื่อฉีดสารตัวอย่างเข้าไป ซึ่งการแก้ปัญหาดังกล่าวทำได้ไม่ยากด้วยการถอดหัวฉีดออกมาทำความสะอาดหรือหาลวดเส้นเล็ก ๆ แยงรูหัวฉีดเท่านั้นเอง

แต่ก่อนเวลาเจอปัญหาเปลวไฟดับ นิสิตในแลปก็จะแก้ปัญหาด้วยการจุดไฟใหม่ พอดับอีกก็จุดไฟใหม่อีก ทำอย่างนี้ไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งจุดไฟไม่ติดก็จะขอโทรเรียกช่างมาซ่อม จริง ๆ แล้วการแยงรูหัวฉีดก็ไม่ได้กินเวลาเท่าใดเลย (การหาเส้นลวดเล็ก ๆ ที่แยงรูหัวฉีดได้ยังยากกว่าอีก) แต่ไม่ยอมทำกัน เพราะคิดว่าเครื่องยังพอใช้งานได้ก็ฝืนใช้งานไปเรื่อย ๆ จนกว่ามันจะใช้ไม่ได้ งานซ่อมบำรุงไม่ใช่หน้าที่ฉัน (ผมเคยเจอคำเหตุผลประเภท "เราไม่ได้ทำวิทยานิพนธ์เรื่อง GC" เราก็เลยมีหน้าที่ใช้อย่างเดียวให้ได้ผลการทดลองที่ต้องการ ไม่ต้องสนใจเรื่องการซ่อมบำรุงหรือวิธีการใช้ที่เหมาะสมที่ไม่ทำให้เครื่องพัง - ถือว่าแลปมีเงินจ่าย หรือเงินที่จ่ายเป็นเงินแลปไม่ใช่เงินฉัน) ใครต้องมาใช้งานตอนเครื่องใช้งานไม่ได้แล้วก็ถือว่าซวยไปก็แล้วกัน พฤติกรรมนี้เป็นแบบเดียวกันกับการ regenerate คอลัมน์ที่อิ่มตัวไปด้วยน้ำที่เล่าไปใน MO Memoir ฉบับที่แล้ว