ข้อสังเกตเกี่ยวกับ FPD (Flame Photometric Detector) MO Memoir : Wednesday 17 March 2553

เนื้อหาบางส่วนในบันทึกฉบับนี้อ้างอิงย้อนไปยังบันทึกฉบับวันศุกร์ที่ ๒๒ พฤษภาคม ๒๕๕๒ เรื่อง

"เอกสารพื้นฐาน Chromatograph" ซึ่งในการส่งบันทึกฉบับนั้นได้มีไฟล์แนบไปด้วย ๓ ไฟล์ ไฟล์ที่เกี่ยวข้องกับบันทึกฉบับนี้คือไฟล์ "GC detector.pdf" ถ้าใครไม่มีไฟล์ดังกล่าว สามารถไปอ่านได้จากเว็ปที่อ้างถึงในบันทึกฉบับดังกล่าว หรือร้องขอมาได้

ในวันอังคารที่ ๑๖ และวันพุธที่ ๑๗ มีนาคมที่ผ่านมานั้น ได้มีการฝึกสอนการใช้เครื่อง GC-2014 เครื่องใหม่หนึ่งในสองเครื่องที่พึ่งจะได้รับมา โดยเครื่องแรกที่ทางบริษัททำการฝึกสอนคือเครื่องที่ติดตั้ง detector แบบ FPD (ชื่อย่อของ Flame Photometric Detector) ที่ตามข้อกำหนดนั้นจัดซื้อมาเพื่อใช้ในการวัดสารประกอบ SO₂ และ SO₃ สำหรับการศึกษาปฏิกิริยา DeNO_x

ส่วนอีกเครื่องที่ต้องการใช้สำหรับวัด NO_x และ NH₃ นั้นแม้ว่า GC จะเป็นรุ่นเดียวกัน แต่จะใช้ detector ชนิด ECD (ชื่อย่อของ Electron Capture Detector) GC เครื่องนี้จัดซื้อมาเพื่อใช้ในการวัดสารประกอบ SO₂ และ SO₃ สำหรับการศึกษาปฏิกิริยา DeNO_x เช่นเดียวกัน แต่เนื่องจากตัวเครื่องยังไม่สมบูรณ์และยังไม่มีการฝึกสอน จึงจะยังไม่กล่าวถึงในที่นี้

จากการที่ได้ฟังการสอนของเจ้าหน้าที่ของบริษัท (ซึ่งผมเพียงแค่แวบ ๆ ไปฟัง) และได้อ่านคู่มือตัวเครื่องและคู่มือของ FPD คู่มือทั้งสองแยกกันเป็น ๒ ส่วน โดยคู่มือตัวเครื่องมาในรูปแบบแผ่นซีดี แต่ไม่มีการกล่าวถึง FPD มีแต่การกล่าวถึง TCD กับ FID ส่วนคู่มือ FPD มาเป็นหนังสือแยกต่างหาก ๒ เล่ม เล่มหนึ่งเป็นคู่มือการติดตั้ง (ปกสีฟ้า) และอีกเล่มหนึ่งเป็นคู่มือการใช้งานและบำรุงรักษา (ปกสีเขียว)

เนื่องจาก FPD เป็น detector ตัวใหม่ที่ไม่มีใครในแลปเรามีประสบการณ์การใช้งานมาก่อน บันทึกนี้จึงจะกล่าวถึงข้อสังเกตที่เกี่ยวข้องกับเครื่องที่เรามีอยู่ และขอให้ทุกคนที่เกี่ยวข้องไปศึกษาต่อด้วย โดยจะกล่าวเป็นข้อ ๆ ไป

๑. โครงสร้างและการทำงานของ FPD

โครงสร้างของ FPD แสดงไว้ในรูปที่ 1 FPD มีส่วนคล้ายกับ FID (Flame ionisation detector) ตรงที่ต้องมีการจุดไฟให้เกิดเปลวไฟระหว่างไฮโดรเจนกับอากาศ แต่ความแตกต่างอยู่ตรงที่การวัดสิ่งที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้สารตัวอย่าง

สารประกอบอินทรีย์นั้นสามารถเผาไหม้ได้ แต่จะเผาไหม้ได้ดีเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับธาตุที่เป็นองค์ประกอบ ถ้ามีธาตุฮาโลเจนอยู่มากก็จะเผาได้ยากหรือไม่ก็ไม่ได้เลย ถ้าเป็นพวกไฮโดรคาร์บอนก็จะเผาไหม้ได้ดี และเกิดสารมัธยันต์ที่มีประจุในระหว่างกระบวนการเผาไหม้ ซึ่ง FID ก็ใช้หลักการตรวจวัดการเกิดสารมัธยันต์ที่มีประจุเหล่านั้นโดยการวางขั้วไฟฟ้าอยู่คร่อมบริเวณที่มีการลุกไหม้นั้น

สารประกอบกำมะถันอินทรีย์ (organic sulphur) และไนโตรเจนอินทรีย์ (organic nitrogen) ก็สามารถเผาไหม้ได้เหมือนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนหรือออกซีจีเนต แต่สารประกอบพวกนี้เมื่อเผาไหม้จะให้ปรากฏการณ์ที่เด่นแตกต่างออกมาจากการเผาไหม้สารประกอบไฮโดรคาร์บอนหรือออกซีจีเนต กล่าวคือถ้าเป็นสารประกอบกำมะถันอินทรีย์ก็จะมีการเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 394 nm ที่เด่นมากเป็นพิเศษ และสารประกอบไนโตรเจนอินทรีย์จะมีการเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นระหว่าง 526 nm ที่เด่นมากเป็นพิเศษ

FPD นั้นยังสามารถวิคราะห์สารประกอบอินทรีย์ที่มีดีบุก (Sn) เป็นองค์ประกอบได้ด้วย โดยจะเปล่งความยาวคลื่นที่เด่นชัดประมาณ 610 nm

รูปที่ 1 องค์ประกอบของ FPD (รูปจาก http://elchem.kaist.ac.kr/vt/chem-ed/sep/gc/detector/fpd.htm)

องค์ประกอบของ FPD ในรูปที่ 1 นั้นแบ่งออกได้เป็น 2 ส่วนด้วยกัน ส่วนล่างที่ต่ออยู่กับด้านขาออกของคอลัมน์จะเป็นส่วนที่มีการจุดเปลวไฟระหว่างไฮโดรเจนกับอากาศ ตัวอย่างที่หลุดออกมาจากคอลัมน์จะถูกเผาไหม้ด้วยเปลวไฟที่จุดรออยู่ ส่วนที่อยู่เหนือขึ้นไปจะเป็นส่วนตัวรับสัญญาณแสง (photo detector unit) ที่ประกอบด้วย เลนส์รวมแสง ฟิลเตอร์กรองให้แสงเฉพาะความยาวคลื่นที่ต้องการผ่านไปได้ (interference filter) และหลอดขยายสัญญาณแสง (photomultiplier)

แม้ว่า FPD จะวัดได้ทั้งสารประกอบ S N และ Sn แต่ในการใช้งานนั้นเราจะติดตั้งฟิลเตอร์ที่เลือกวัดเฉพาะสารประกอบใดสารประกอบหนึ่งเท่านั้น เช่นเครื่องที่เราได้รับมานั้นติดตั้งฟิลเตอร์สำหรับวัดสารประกอบ S คือให้แสงความยาวคลื่น 394 nm ผ่านได้โดยตัดแสงความยาวคลื่นช่วงอื่นออกไป แต่ถ้าต้องการเปลี่ยนไปวัด N ก็ต้องเปลี่ยนฟิลเตอร์ที่ยอมให้แสงความยาวคลี่น 526 nm ผ่านได้โดยตัดแสงความยาวคลื่นช่วงอื่นออกไป

๒. ตัวรับสัญญาณแสง

ตัวรับสัญญาณแสงติดตั้งอยู่เหนือส่วนที่เป็นเปลวไฟ โดยจะวางในแนวนอนในทิศทางที่ขวางกับทิศทางของเปลวไฟ

ที่สำคัญคือตัวรับสัญญาณแสง "ไม่ได้เป็น" อุปกรณ์ที่ "ทน" ต่ออุณหภูมิสูง

การเผาไหม้ระหว่างไฮโดรเจนและอากาศนั้นจะได้น้ำเป็นผลิตภัณฑ์ การควบแน่นของน้ำจะเกิดขึ้นได้ถ้าอุณหภูมิของ detector นั้นต่ำกว่า 100 องศาเซลเซียส โดยปรกติเราควรตั้งอุณหภูมิของ detector ไว้ให้สูงกว่าอุณหภูมิของ oven ประมาณ 20 องศาเซลเซียส แต่ทั้งนี้ต้องไม่ต่ำกว่า 100 องศาเซลเซียส (หรือเพื่อให้ดีคืออุณหภูมิต่ำสุดควรไม่ต่ำกว่า 120 องศาเซลเซียส)

ตัวอย่างเช่นถ้าเราใช้อุณหภูมิ oven เป็น 200 องศาเซลเซียส เราก็ควรตั้งอุณหภูมิ detector ไว้ที่ 220 องศาเซลเซียสเป็นอย่างน้อย ถ้าเราใช้อุณหภูมิ oven เป็น 50 องศาเซลเซียส เราก็ควรตั้งอุณหภูมิ detector ไว้ที่ 120 องศาเซลเซียสเป็นอย่างน้อย และถ้าเราใช้การโปรแกรมอุณหภูมิ oven ให้เพิ่มจาก 50 ไปเป็น 220 องศาเซลเซียส เราก็ควรตั้งอุณหภูมิ detector ไว้ที่ 240 องศาเซลเซียส (ใช้อุณหภูมิสูงสุดเป็นตัวกำหนด)

แต่เนื่องจากตัวรับสัญญาณแสงไม่สามารถทนอุณหภูมิสูงได้ ดังนั้นจึงต้องมีการป้องกันไม่ให้ตัวรับสัญญาณแสงร้อนเกินไปด้วยการมีพัดลมเป่าระบายความร้อน (จะมีปล่อยลมอยู่ระหว่างท่อแก๊สร้อนออกและตัวรับสัญญาณแสง) พัดลมดังกล่าวได้รับพลังงานจากกระแสไฟฟ้าของตัวเครื่อง

ในกรณีที่ไฟฟ้าดับ ความร้อนที่อยู่ในชุด heater ของ detector อาจส่งผ่านไปยังตัวรับสัญญาณแสงและทำให้ตัวรับสัญญาณแสงเสียหายได้ ดังนั้นตัวเครื่องจึงมีระบบไฟฟ้าสำรอง (ใช้ถ่าน AA 4 ก้อน) ติดตั้งอยู่ที่มุมล่างด้านขวา (ต้องเปิดฝาครอบด้านหน้าออกมา) ของตัวเครื่อง

การปิดเครื่องควรทำหลังจากที่อุณหภูมิของชุด detector นั้นลดต่ำกว่า 50 องศาเซลเซียสแล้ว เพราะถ้าปิดสวิตช์เครื่องเร็วเกินไป พัดลมก็จะหยุดทำงานและอาจทำให้ตัวรับสัญญาณแสงเสียหายได้

๓. คอลัมน์และ carrier gas

คอลัมน์ที่เขาติดตั้งให้มานั้นเป็นคอลัมน์ชนิด micro packed column (ขนาด O.D. 1/16") ซึ่งทางเราไม่เคยมีประสบการณ์ในการใช้คอลัมน์ชนิดนี้มาก่อน จากการที่ให้ผู้ที่เกี่ยวข้องสอบถามเจ้าหน้าที่ของบริษัทก็ได้รับคำแนะนำว่าคอลัมน์ชนิดนี้น่าจะเทียบเคียงได้กับ capillary column

ความสามารถในการแยกสารของ capillary column ค่อนข้างจะขึ้นอยู่กับชนิดของ carrier gas เป็นอย่างมาก (ในขณะที่ packed column ไม่มีปัญหาดังกล่าว) และ carrier gas แต่ละชนิดนั้นจะมีอัตราเร็วเชิงเส้นที่ให้ความสามารถในการแยกได้ดีที่สุดที่แตกต่างกัน รูปที่ 2 ข้างล่างแสดงความสามารถในการแยกของ capillary column เมื่อใช้ carrier gas ชนิดต่าง ๆ

รูปที่ 2 ผลของความเร็วเชิงเส้น (linear velocity) ต่อ HETP (Height Equivalent to Theoretical Plate) เมื่อใช้ carrier gas ชนิดต่าง ๆ (รูปจาก คู่มือ GC-2014 ของ Shimadzu)

ค่า HETP (ซึ่งย่อมาจาก Height Equivalent to Theoretical Plate นั้น) เป็นการเปรียบเทียบกับการแยกด้วยหอกลั่นแบบ plate การแยกที่ใช้ค่า HETP ต่ำแสดงว่าในการแยกสารนั้นไม่ต้องใช้จำนวน plate ที่มากหรือใช้คอลัมน์ที่สั้น ส่วนการแยกที่ต้องใช้ค่า HETP สูงก็ต้องใช้คอลัมน์ที่ยาวขึ้น แต่ในทางปฏิบัตินั้นเราใช้คอลัมน์ที่มีความยาวคงที่ ดังนั้นด้วยการใช้อัตราการไหลของ carrier gas ที่เหมาะสมก็จะทำให้คอลัมน์ของเรามี HETP ที่สูง (เปรียบเสมือนหอกลั่นที่มีจำนวน plate มากก็จะกลั่นแยกได้ดีกว่าหอกลั่นที่มีจำนวน plate น้อยกว่า)

รูปที่ 2 แสดงให้เห็นว่าแก๊สไนโตรเจนนั้นให้ประสิทธิภาพในการแยกที่ดีที่สุดเมื่อเทียบกับการให้ He หรือ Ar (เพราะให้ค่า HETP ที่ต่ำที่สุด) แต่การที่แก๊สไนโตรเจนให้ค่า HETP ต่ำสุดที่ความเร็วเชิงเส้น (ความเร็วในการไหลของ carrier gas ในคอลัมน์) ประมาณ 9 cm/s ซึ่งจัดว่าช้า จึงทำให้ต้องรอนานกว่าสารจะออกมาจากคอลัมน์ นอกจากนี้ความสามารถในการแยกยังค่อนข้างว่องไวต่อการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหล (ซึ่งมักเกิดขึ้นเป็นประจำถ้าทำการวิเคราะห์แบบ temperature programmed) จึงทำให้การใช้ He เป็น carrier gas มีความเหมาะสมมากกว่า เพราะให้ค่า HETP ที่สูงกว่าเพียงเล็กน้อย ให้ค่าที่เหมาะสมที่อัตราการไหลของ carrier gas ที่ไม่ต่ำเกินไป และยังไม่เปลี่ยนแปลงไปมากเมื่ออัตราการไหลของ carrier gas เปลี่ยนแปลง

๔. การวัดสารประกอบของกำมะถัน

สารประกอบกำมะถันที่ FPD วัดได้ที่มีการกล่าวไว้ในคู่มือหรือที่ค้นจากเว็ปต่าง ๆ นั้นจะกล่าวแบบเดียวกันคือเป็น organic sulphur หรือสารอินทรีย์ที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ

แต่ที่เราต้องการวัดนั้นเป็น inorganic sulphur ซึ่งก็คือ SO₂ และ SO₃ ที่ไม่ติดไฟ

ดูเหมือนว่าในการทดสอบช่วงบ่ายวันพุธที่ ๑๗ ที่ผ่านมานั้นเครื่องจะทำการวัด SO₂ ได้ แต่อย่างไรก็ตามคิดว่าควรต้องมีการทำการทดสอบยืนยันว่าพีคที่ปรากฏนั้นเป็นพีคของ SO₂ จริง

ท้ายนี้ก่อนจบก็ขอฝากตัวเลขให้คิดกันเล่น ๆ หน่อยก็แล้วกัน เพราะไม่เห็นหรือได้ยินโทรทัศน์หรือวิทยุคลื่นใดพูดถึงตัวเลขดังกล่าวเลย

ปริมาตร 1,000,000 cc (หรือ ml) นั้นคิดเป็นลิตรก็ได้ 1,000 ลิตรหรือคิดเป็นลูกบาศก์เมตรก็ได้ 1 m³ หรือถ้าต้องการให้เห็นภาพก็พอจะยกตัวอย่างได้ดังนี้

1 m³ เท่ากับ แทงค์น้ำสี่เหลี่ยม 1 ใบ

ถังน้ำมันขนาด 200 ลิตร 5 ถัง

แกลลอนขนาด 20 ลิตร 50 แกลลอน

ขวดน้ำดื่มขนาด 5 ลิตร 200 ขวด

ถ้าเจาะเลือดคนละ 10 cc ก็ต้องใช้คน100,000 คนเพื่อให้ได้ปริมาตรดังกล่าว (มีใครเห็นคนจำนวนเท่านี้ไหมที่ไปให้เขาเจาะเลือด) และถ้าเอามารวมกันให้ได้ 1,000,000 cc ก็ต้องเห็นภาชนะบรรจุ (ขึ้นอยู่กับว่าใช้อะไรบรรจุ) ในจำนวนที่กล่าวมาข้างบน

ที่เห็นในภาพข่าวก็คงพอจะบอกได้ว่าจริง ๆ แล้วมีคนยอมให้เจาะเลือดกี่คน