Thermal Conductivity Detector (ที่เรียกกันย่อ ๆ ว่า TCD) หรือในชื่อเดิมคือ Katharometer นั้นเป็นตัวตรวจวัดที่มีการนำมาใช้กับเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ (Gas Chromatograph - GC) มานานแล้ว และก็ยังใช้กันอยู่อย่างแพร่หลายในปัจจุบันด้วย เพราะมันมีจุดเด่นที่มีราคาไม่แพง และให้การตอบสนองต่อสารต่าง ๆ แบบจะเรียกว่าแทบทุกชนิดก็น่าจะได้ เรียกว่าถ้ามีสิทธิซื้อเครื่อง GC ได้เพียงเครื่องเดียวเพื่อเอาทำงานหลาย ๆ อย่าง (เช่นงานวิจัยที่เปลี่ยนหัวข้อไปเรื่อย ๆ) ตัว TCD ก็จะเป็นตัวเลือกตัวแรก
การทำงานของตัวตรวจวัดชนิดนี้จะอาศัยสมดุลที่เปลี่ยนไประหว่างความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด และการระบายความร้อนออกจากขดลวดโดยแก๊สไหลผ่านขดลดนั้น ณ สภาวะการทำงานหนึ่ง (ที่อุณหภูมิ ความดัน อัตราการไหล และกระแสไฟฟ้า คงที่) ถ้าองค์ประกอบของแก๊สที่ไหลผ่านนั้นเปลี่ยนไป ก็จะทำให้ความสามารถในการระบายความร้อนของแก๊สนั้นเปลี่ยนไปด้วย ผลที่ตามมาก็คืออุณหภูมิของขดลวดจะเปลี่ยนไป พออุณหภูมิขดลวดเปลี่ยน ความต้านทานของขดลวดก็จะเปลี่ยน ดังนั้นถ้าจะให้กระแสไหลขดลวดผ่านเท่าเดิม ก็ต้องมีการปรับความต่างศักย์ และขนาดของความต่างศักย์ที่ต้องปรับเพื่อให้กระแสไหลผ่านเท่าเดิมนี้ เป็นตัวบ่งบอกว่าแก๊สที่ไหลผ่านขดลวดนั้นมีองค์ประกอบเปลี่ยนไปมากน้อยเพียงใด
ความว่องไว (sensitivity) ของตัวตรวจวัดชนิดนี้แปรผันตามขนาดกระแสไฟฟ้า (I) ที่ไหลผ่านขดลวดยกกำลัง 3 (I3) แต่ความร้อนที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดจะแปรผันตามกระแสไฟฟ้ายกกำลัง 2 (I2) กล่าวอีกนัยหนึ่งคือถ้าเราเพิ่มขนาดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดเป็น 2 เท่า ความว่องไวในการตรวจวัดจะเพิ่มเป็น 8 เท่า แต่ในขณะเดียวกันความร้อนที่เกิดขึ้นจะเพิ่มขึ้นเป็น 4 เท่า ดังนั้นถ้าแก๊สที่ไหลผ่านนั้นมีความสามารถในการระบายความร้อนที่ไม่เพียงพอ ขดลวดก็จะร้อนจัดจนทำให้อายุการใช้งานสั้นลงหรือขาดได้
ความสามารถในการนำความร้อนของแก๊สแปรผกผันคร่าว ๆ ก็ประมาณรากที่สองของน้ำหนักโมเลกุล ดังนั้นแก๊สที่เบากว่า (คือมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำกว่า) ก็จะระบายความร้อนได้ดีกว่า ทำให้สามารถใช้กระแสที่สูงได้ ทำให้ตัวตรวจวัดมีความว่องไวในการวัดสูงไปด้วย แก๊สที่เบาที่สุดคือไฮโดรเจน (H2) แต่ H2 เป็นแก๊สที่ติดไฟได้ จึงไม่นิยมนำมาใช้เป็น carrier gas ตัวที่นิยมมากกว่าและใช้กันแพร่หลายที่สุดคือฮีเลียม (He) ที่นอกจากจะเป็นแก๊สที่เบาเป็นอันดับสองรองจาก H2 แล้ว He ยังเป็นแก๊สเฉื่อยที่ทำให้มั่นใจได้ว่ามันจะไม่ทำปฏิกิริยากับตัวขดลวดที่อุณหภูมิสูง
รูปที่ ๒ ค่าการนำความร้อนของแก๊สผสมระหว่าง He กับ H2 ที่สัดส่วนโมลของ H2 ต่าง ๆ (จากบทความเรื่อง "Thermal Conductivity of the Hydrogen-Helium Mixture", โดย A.G. Shashkov, F.P. Kamchatov and T.N. Abramenko วารสารต้นฉบับเป็นภาษารัสเซียตีพิมพ์ในวารสาร Inzhenerno-Fizicheskii Zhurnal, Vol. 24, No. 4, pp 657-662, April 1973 ซึ่งได้รับการแปลและตีพิมพ์เป็นภาษาอังกฤษในปีค.ศ. ๑๙๗๕)
ถ้าไม่นับ H2 แล้ว แก๊สตัวอื่นล้วนแต่มีน้ำหนักโมเลกุลมากกว่า He ทั้งสิ้น ดังนั้นเวลาที่ He มีแก๊สเหล่านั้นปนเข้ามาก็จะทำให้ค่าการนำความร้อนของแก๊สผสมนั้นลดต่ำลง และลดต่ำลงมากตามปริมาณที่ผสมเข้ามา ดังนั้นเวลาที่แก๊สผสมของ He นี้ไหลผ่านขดลวดความร้อน การเปลี่ยนแปลงก็จะเกิดในทิศทางเดียวคือ ความสามารถในการระบายความร้อนลดลง Chromatogram ที่ได้ก็จะมีพีคชี้ไปในทิศทางเดียวกันหมด
มีหลายงานด้วยกันที่ต้องการวัดปริมาณ H2 ในแก๊สผสมโดยใช้เครื่อง GC ที่ติดตั้งตัวตรวจวัดชนิด TCD โดย H2 นี้จะเกิดรวมอยู่กับแก๊สอื่น ไม่ว่าจะเป็นอากาศ (N2 + O2), CO, CO2, CH4, H2O เป็นต้น แก๊สเหล่านี้ต่างมีน้ำหนักโมเลกุลมากกว่าและมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าของ He ดังนั้นเวลาที่สารเหล่านี้หลุดออกมาจากคอลัมน์ GC ก็จะทำให้แก๊สที่ไหลผ่าน TCD นั้นมีค่าการนำความร้อนที่ต่ำลง จะมีก็ตัว H2 ที่มีค่าการนำความร้อนที่สูงกว่า ที่ทำให้เกิดปัญหา
แต่แก๊สผสมระหว่าง He และ H2 มีพฤติกรรมที่ประหลาด กล่าวคือแม้ว่า H2 จะมีค่าการนำความร้อนที่สูงกว่า He แต่แก๊ส He ที่มี H2 ปนอยู่เล็กน้อยกลับมีค่าการนำความร้อนที่ "ต่ำกว่า" ของ He บริสุทธิ์ (รูปที่ ๑ - ๓)
และด้วยพฤติกรรมเช่นนี้จึงทำให้แก๊สผสม He + H2 ไหลผ่าน TCD พีค H2 ที่ TCD มองเห็นนั้นมีสิทธิเป็นได้ทั้ง พีคที่ตั้งขึ้น (เหมือนสารอื่น) หรือพีคที่คว่ำลง (ตรงข้ามกับสารอื่น) หรือมีทั้งตั้งขึ้นและคว่ำลงรวมกัน (ตัวปัญหา) ซึ่งตรงนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของ H2 ในแก๊ส He ที่ไหลผ่าน TCD (รูปที่ ๔)
รูปที่ ๔ รูปร่างพีค H2 ที่อุณหภูมิการทำงานของ TCD ต่าง ๆ พึงสังเกตว่าที่อุณหภูมิการทำงานสูงขึ้น พีคมีแนวโน้มที่จะหันไปในทิศทางเดียวกัน (จากบทความเรื่อง "Thermal Conductivity Detector Analysis of Hydrogen Using Helium Carrier Gas and HayeSep® D Columns", Journal of Chromatographic Science, Vol. 36, pp. 191-196, April 1998. โดย Kirk Snavely and ฺBala Subramaniam)
เพื่อที่จะอธิบายรูปร่างของพีคที่ปรากฏในรูปที่ ๔ เรามาลองพิจารณาความเข้มข้นของ H2 ในแก๊ส He ที่ไหลผ่าน TCD ว่ามันส่งผลต่อรูปร่างสัญญาณ TCD ได้อย่างไร ตรงนี้ขอให้พิจารณารูปที่ ๕ ประกอบ
ในกรณีที่ความเข้มข้นของ H2 ในพีคที่เคลื่อนที่ผ่าน TCD นั้นมีค่าต่ำ (พีค 1) จนทำให้แก๊สผสมนั้นมีค่าการนำความร้อน-ของแก๊สผสมนั้นต่ำกว่าค่าการนำความร้อนของแก๊ส He พีคที่ได้ก็จะปรากฏในทิศทางเดียว (คือตั้งขึ้น) แต่ถ้าความเข้มข้นของ H2 ช่วงตอนกลางของพีคนั้นสูงจนทำให้ค่าการนำความร้อนสูงกว่าของ He (พีค 2) จะทำให้เห็นพีคที่มีลักษณะเหมือนกับเป็นพีคหัวแตกเช่นที่ 150ºC ในรูปที่ ๔ เพราะสัญญาณมีการกลับทิศ
การกลับทิศของสัญญาณ TCD นี้จะมากขึ้นไปอีกถ้าหากความเข้มข้นของ H2 เพิ่มขึ้น (เช่นพีค 3) ที่อาจทำให้เป็นเป็น 2 พีคติดกัน (เช่นที่ 200ºC ในรูปที่ ๔) หรือเริ่มมีพีคกลับหัว (เช่นที่ 250ºC ในรูปที่ ๔) แต่ถ้าความเข้มข้นของพีคตอนกลางนั้นสูงกว่าด้านข้างมาก (เช่นพีค 4) พีคที่ได้ก็จะมีลักษณะกลับหัวที่เด่นชัน (เช่นที่ 300ºC ในรูปที่ ๔) โดยยังมีส่วนด้านข้างของพีคที่สัญญาณมีการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่อเทียบกับตอนกลาง
อันที่จริงพีคในรูปที่ ๔ นั้นได้มาจากการฉีดตัวอย่างในปริมาณที่เท่ากัน (พูดง่าย ๆ คือรูปร่างพีคความเข้มข้น H2 ที่เคลื่อนที่ผ่าน TCD นั้นมีรูปร่างเดียวกันและเท่ากัน) เพียงแค่อุณหภูมิการทำงานของ TCD แตกต่างกัน บทความนี้แสดงให้เห็นว่าเมื่อเพิ่มอุณหภูมิการทำงาน TCD ให้สูงขึ้น ค่าการนำความร้อนของแก๊สผสม He + H2 นั้นมีแนวโน้มที่จะให้การเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางเดียว คือเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้น H2 ที่เพิ่มขึ้น (แม้ว่าจะมีลดต่ำลงเล็กน้อยในช่วงแรก)
การทำให้สัญญาณ H2 ที่ TCD วัดได้นั้นหันไปในทิศทางเดียวตลอดทั้งช่วงความเข้มข้นของพีค H2 ที่เคลื่อนที่ผ่านตัว TCD จึงอาจทำได้โดยการใช้แก๊สผสม He + H2 ที่มีค่าการนำความร้อนต่ำสุดมาใช้เป็น carrier gas วิธีการนี้จะทำให้สัญญาณ TCD ของพีค H2 นั้นอยู่ในทิศทางที่ตรงข้ามกับพีคสารตัวอื่น แต่ก็แก้ปัญหาได้ด้วยการกลับทิศทางสัญญาณของ TCD หลังจากพีค H2 เคลื่อนที่ผ่าน TCD แล้ว
อีกวิธีการหนึ่งก็คือการไปใช้ carrier gas ที่มีน้ำหนักโมเลกุล "สูงกว่า" ตัวอย่างทุกตัวที่ต้องการวิเคราะห์ (เช่นใช้แก๊ส Ar เป็น carrier gas) แต่การทำแบบนี้หมายถึงต้องไปลดขนาดกระแส (I) ที่ไหลผ่าน TCD นั่นหมายถึงความว่องไวในการวัดที่ลดต่ำลงไปด้วย และจะไม่สามารถใช้อุณหภูมิการทำงานของ TCD ที่สูงได้
ด้วยเหตุนี้การรายงานสภาวะการทำงานของเครื่อง GC ที่ใช้ในการวิเคราะห์ปริมาณ H2 จึงเป็นสิ่งสำคัญ เพราะจะเป็นตัวบอกว่าตัวเลขปริมาณ H2 ที่ปรากฏในรายงานนั้นมีความน่าเชื่อถือเพียงใด
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น