การวัดปริมาณตำแหน่งที่เป็นกรด-เบสบนพื้นผิวของแข็งด้วย GC MO Memoir : Saturday 1 February 2557

เนื้อหาในบันทึกฉบับนี้เกี่ยวกับอุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดปริมาณตำแหน่งที่เป็นกรดบนพื้นผิวด้วยเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ (Gas chromatogrph - GC) ส่วนความรู้พื้นฐานและรายละเอียดของวิธีการนั้นเคยเล่าไว้ในแล้วในบันทึกต่อไปนี้

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๐๓ วันพุธที่ ๒๐ มกราคม พ.ศ. ๒๕๕๓ เรื่อง "การวัดปริมาณ-ความแรงของตำแหน่งที่เป็นกรดบนพื้นผิว"

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๑๘ วันพฤหัสบดีที่ ๑๑ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๓ เรื่อง "การวัดความเป็นกรดบนพื้นผิวของแข็ง (อีกครั้ง)"

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๕ วันศุกร์ที่ ๒๖ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๓ เรื่อง "การวัด NH₃ adsorption"

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๓๖ วันอาทิตย์ที่ ๑๘ พฤศจิกายน พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "ความเข้มข้นของแก๊สที่ใช้ในการดูดซับ"

ในการวัดความปริมาณ-ความแรงของตำแหน่งที่เป็น "กรด" ด้วยเทคนิคการดูดซับโมเลกุลนั้น มักนิยมใช้แก๊ส NH₃ หรือไพริดีน (pyridine - C₅H₅N) (จุดเดือดประมาณ 115ºC) เป็น probe molecule
 

ส่วนการวัดความปริมาณ-ความแรงของตำแหน่งที่เป็น "เบส" ด้วยเทคนิคการดูดซับโมเลกุลนั้น มักนิยมใช้แก๊ส CO₂ หรือไพโรล (pyrrole - C₄H₄NH) (จุดเดือดประมาณ 130ºC) เป็น probe molecule
 

NH₃ และ CO₂ มีข้อดีตรงที่มันเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ทำให้สามารถทำการดูดซับที่อุณหภูมิต่ำได้ ในขณะที่ไพริดีนหรือไพโรลนั้นเป็นของเหลว ทำให้การวิเคราะห์ต้องทำที่อุณหภูมิที่สูงกว่าจุดเดือดของสารทั้งสอง
 

แต่ไพริดีนและไพโรลก็มีข้อดีตรงที่มันเป็นสารอินทรีย์ สามารถใช้ตัวตรวจวัดแบบ Flame ionisation detector (FID) ได้ ซึ่ง FID นั้นมีความไวในการตรวจวัดสูงกว่า Thermal conductivity detector (TCD)

เนื่องจากเทคนิคพื้นฐานการวัดปริมาณ-ความแรงของตำแหน่งที่เป็นกรดหรือเบสบนพื้นผิวนั้นเหมือนกัน ต่างกันตรงที่สารที่ใช้ในการวัด ดังนั้นในที่นี้แม้ว่าจะกล่าวถึงเฉพาะการวัดตำแหน่งที่เป็น "กรด" เท่านั้น แต่ก็พึงระลึกว่ามันใช้ได้กับการวัดตำแหน่งที่เป็น "เบส" ด้วย

การใช้ GC ในการวัดปริมาณความเป็นกรดคือการที่เราอาศัย detector ของ GC ทำหน้าที่ตรวจวัดปริมาณ probe molecule และอาศัยส่วน oven ของ GC เป็นตัวปรับอุณหภูมิตัวอย่างที่ทำการดูดซับ การวัดปริมาณนั้นไม่ใช่เรื่องยาก แต่การวัดความแรงนั้นมีข้อจำกัดมากกว่า เพราะอุณหภูมิ oven ของ GC นั้นเพิ่มได้จำกัด เครื่องที่แลปเราใช้อยู่ก็เพิ่มได้ไม่เกิน 400ºC ดังนั้นถ้าต้องการเพิ่มอุณหภูมิให้สูงกว่านี้ก็คงต้องไปใช้เตาเผาข้างนอก แล้วต่อท่อแก๊สมายัง detector port ของ GC
 

ในการวิเคราะห์นั้นเราจะบรรจุตัวอย่างปริมาณหนึ่งเข้าไปในคอลัมน์ ตั้งอุณหภูมิของ oven GC ไปยังอุณหภูมิที่ต้องการวัดการดูดซับ (เช่นในกรณีของไพริดีนทางกลุ่มเราเคยวัดไว้ที่ 150ºC) จากนั้นทำการฉีด probe molecule เข้าทาง injector port ในช่วงแรกจะเห็นพีคที่ออกมามีขนาดเล็ก (เพราะส่วนหนึ่งถูกตัวอย่างดูดซับเอาไว้) แต่การฉีดครั้งหลัง ๆ จะได้พีคที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ จนในที่สุดจะคงที่ (คือตัวอย่างดูดซับ probe molecule ไว้จนอิ่มตัว ดังนั้น ณ จุดนี้เมื่อฉีดสารเข้าไปเท่าใด สารทั้งหมดที่ฉีดเข้าไปก็จะหลุดออกมา) ปริมาณสารที่ตัวอย่างดูดซับเอาไว้ได้คำนวณได้จากผลรวมของผลต่างของพีคแรก ๆ (ที่มีขนาดเล็ก) กับพีคในช่วงหลัง (ที่มีขนาดคงที่) (ดูบันทึกฉบับที่ ๑๐๓ กับ ๕๓๖)

รูปที่ ๑ อุปกรณ์ที่เราใช้ในการวัดปริมาณตำแหน่งที่เป็นกรดบนพื้นผิวของแข็งด้วยเครื่อง GC (1) Injector port (2) ขดท่ออุ่นแก๊สให้ร้อน (3) บริเวณบรรจุตัวอย่าง (4) Detector port รูปนี้ติดตั้งอยู่กับเครื่อง Shimadzu GC 8A

รูปที่ ๑ เป็นอุปกรณ์ที่เราใช้ในการวัดการดูดซับ สารตัวอย่างบรรจุอยู่ในบริเวณ 3 ของคอลัมน์ ขดท่อ 2 ทำหน้าที่เป็นพื้นผิวรับความร้อนเพื่อให้แก๊สที่ไหลเข้ามาทาง injector port 1 นั้นมีอุณหภูมิสูงเท่ากับอุณหภูมิ oven ซึ่งจะช่วยให้ตัวอย่างที่บรรจุอยู่ในบริเวณ 3 มีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิ oven ด้วย และยังช่วยเพิ่มความต้านทานการไหลให้กับระบบ สาเหตุที่ต้องมีส่วนนี้ก็เพราะปริมาณตัวอย่างที่เราใส่นั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณ packing ที่อยู่ในคอลัมน์ GC ทั่วไป ดังนั้นเมื่อเราต่ออุปกรณ์ดังกล่าวแทนคอลัมน์ GC ความต้านทานการไหลของ carrier gas จะต่ำมาก ทำให้อัตราเร็วในการไหลของ carrier gas ผ่านคอลัมน์ตัวอย่างของเรานั้นสูงมากแม้ว่าความดันด้านขาเข้าคอลัมน์จะต่ำมาก ทำให้ยากในการปรับอัตราการไหล และด้วยอัตราการไหลที่เร็วจึงทำให้อุณหภูมิ carrier gas ที่วิ่งผ่านคอลัมน์นั้น "เย็น" กว่าอุณหภูมิ oven ซึ่งส่งผลให้อุณหภูมิตัวอย่างนั้น "ต่ำกว่า" อุณหภูมิของ oven ด้วย ปัญหานี้จะเห็นชัดเมื่อใช้ไพริดีนหรือไพโรล (เพราะพวกนี้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง)

Kjeldahl nitrogen determination method MO Memoir : วันเสาร์ที่ ๑ สิงหาคม ๒๕๕๒

ต้นฉบับเอกสารฉบับนี้ทำขึ้นสำหรับนิสิตปริญญาตรีชั้นปีที่ ๒ ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ที่เรียนปฏิบัติการเคมีวิเคราะห์ เพื่อประกอบการเรียนเรื่องการวิเคราะห์หาปริมาณไนโตรเจน

การวิเคราะห์ปริมาณไนโตรเจนในตัวอย่างด้วยเทคนิคที่เรียกว่า Kjeldahl's method (อ่านออกเสียง Kel-dall)นั้นได้รับการพัฒนาขึ้นมาโดยนักเคมีชาวเดนมาร์กชื่อ Johan Kjeldahl ในปีค.ศ. 1883 (พ.ศ. 2426 หรือประมาณกลางสมัยรัชกาลที่ ๕) เทคนิคนี้ถูกจัดให้เป็นวิธีการวิเคราะห์มาตรฐานวิธีการหนึ่งในปัจจุบัน เทคนิคนื้ถูกนำไปใช้หาปริมาณไนโตรเจนในอาหาร (หาปริมาณโปรตีน) ตัวอย่างที่เป็นของแข็งและของเหลวต่าง ๆ เช่นปุ๋ยเคมี (หาปริมาณไนโตรเจนในปุ๋ย) ฯลฯ เทคนิคนี้ใช้หลักการไทเทรตกรด-เบสที่เรียนกันมาในวิชาเคมีทั่วไปหรือเคมีวิเคราะห์ จุดเด่นของวิธีการนี้หาสามารถหาปริมาณไนโตรเจนในตัวอย่างได้รวดเร็วและง่าย สามารถใช้อุปกรณ์ทั่วไปที่มีอยู่แล้วในห้องปฏิบัติการเคมีมาประกอบเป็นชุดเครื่องมือวิเคราะห์ได้ และไม่จำเป็นต้องใช้ผู้ที่ได้รับการฝึกฝนมาเป็นพิเศษ

ในที่นี้จะกล่าวสรุปถึงหลักการและวิธีการของเทคนิคดังกล่าว ส่วนรายละเอียดขอให้อ่านในไฟล์ "A guide to Kjeldahl nitrogen determination" ที่จัดทำโดย Labconco ที่แนบมาด้วย

ขั้นตอนหลัก ๆ ในการวิเคราะห์มีดังนี้

1. การย่อยสลาย (Digestion)

ขั้นตอนนี้เป็นการเปลี่ยนสารประกอบไนโตรเจนที่อยู่ในตัวอย่างให้อยู่ในรูปของไอออน NH₄⁺ (หรือสารละลาย (NH₄)₂SO₄) ด้วยการนำไปต้มกับกรดกำมะถันเข้มข้น ระยะเวลาที่ต้องใช้ในการต้ม ปริมาณกรดกำมะถันที่ต้องใช้ จะขึ้นอยู่กับชนิดของสารตัวอย่าง อุปกรณ์ที่ใช้ต้มสารตัวอย่างนั้นมักจะมีการติดตั้งเครื่องควบแน่น (condenser) เอาไว้ด้วยเพื่อลดการระเหยของไอกรด

โดยปรกติแล้วถ้าต้มเพียงแค่ตัวอย่างที่เป็นสารอินทรีย์กับกรดกำมะถันเข้มข้นจะใช้เวลานาน แต่ถ้าเพิ่มเกลือบางชนิดเข้าไปจะทำให้ตัวอย่างที่เป็นสารอินทรีย์นั้นย่อยสลายได้เร็วขึ้น ในห้องปฏิบัติการเคมีพื้นฐานของภาควิชานั้นจะใช้เกลือซีเลเนียม (Selenium) เติมลงไปประมาณ 1 ช้อน

2. การกลั่น (Distillation)

หลังจากที่ได้ทำการย่อยสลายตัวอย่างจนสมบูรณ์แล้ว ขั้นตอนต่อไปจะเป็นการแยก NH₄⁺ ที่เกิดขึ้นออกจากตัวอย่างที่ต้มแล้วด้วยการกลั่นแยก ขั้นตอนนี้เริ่มด้วยการนำเอาตัวอย่างที่ต้มแล้วมาทำการสะเทินด้วยสารละลาย NaOH เข้มข้น 50 wt% (เอา NaOH 500 กรัมมาละลายน้ำแล้วทำให้มีปริมาตร 1 ลิตร) เพื่อทำลายกรดที่เหลือและทำให้สารละลายมีฤทธิ์เป็นด่างที่แรง

จากนั้นจึงนำสารตัวอย่างที่สะเทินแล้วไปต้มหรือทำการฉีดไอน้ำเข้าไป ในสภาพที่เป็นด่างที่แรง (pH > 11) NH₄⁺ ที่อยู่ในสารละลายจะระเหยออกมาเป็นแก๊ส NH₃ ร่วมกับไอน้ำ แก๊สNH₃ และไอน้ำที่ระเหยออกมาจะผ่านเข้าเครื่องควบแน่นไหลลงสู่ภาชนะรองรับที่บรรจุสารละลายกรดเอาไว้

3. การไทเทรต (Titration)

การไทเทรตหาปริมาณแอมโมเนียที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับชนิดกรดที่อยู่ในภาชนะที่รองรับแก๊สNH₃ และไอน้ำที่ควบแน่นมาจากเครื่องควบแน่น ในกรณีของการไทเทรตย้อนกลับ (Back titration) นั้น จะใช้สารละลายกรด H₂SO₄ ที่ทราบความเข้มข้นและปริมาตรที่แน่นอน (ในปริมาณที่มากเกินพอ) เติมลงไปในภาชนะที่รองรับ แอมโมเนียที่ควบแน่นลงมากับไอน้ำจะสะเทินกรด H₂SO₄ ที่อยู่ในภาชนะรองรับ เมื่อระเหยแอมโมเนียจนหมดก็จะทำการไทเทรตหาว่าเหลือกรด H₂SO₄ อยู่เท่าใดด้วยการไทเทรตกับสารละลายมาตรฐานเบส (เช่นสารละลาย NaOH) จากปริมาณกรดที่ใช้ตอนเริ่มต้นและที่เหลือ ก็จะคำนวณหาได้ว่ามีแอมโมเนียเกิดขึ้นในปริมาณเท่าใด และแอมโมเนียจำนวนนั้นมาจากการใช้สารตัวอย่างในปริมาณ xx กรัม/มิลลิลิตร ก็จะทำให้สามารถคำนวณหาปริมาณไนโตรเจนในสารตัวอย่างได้

อีกวิธีการหนึ่งที่เรียกว่าการไทเทรตโดยตรง (Direct titration) นั้นจะใช้สารละลายกรดบอริก (H₃BO₃) ในปริมาณที่มากเกินพอเป็นตัวดักจับแอมโมเนีย กรดบอริกจะทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียเป็นสารประกอบเชิงซ้อน ammonium borate complex NH₄⁺:H₂BO₃^- จากนั้นจึงทำการไทเทรตหาปริมาณแอมโมเนียที่ดักจับไว้ด้วยการไทเทรต กับสารละลายมาตรฐานกรด H₂SO₄

ในอาหารที่เราบริโภคนั้น สารอาหารที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบคือโปรตีน แต่การวิเคราะห์หาปริมาณไนโตรเจนด้วยเทคนิค Kjeldahl นั้นไม่ได้สนใจว่าไนโตรเจนนั้นเป็นไนโตรเจนที่เป็นของโปรตีนหรือเป็นไนโตรเจนของสารอินทรีย์ตัวอื่น (ที่ไม่เหมาะแก่การบริโภค) หรือเป็นไนโตรเจนของสารอนินทรย์ (เช่นเกลือแอมโมเนียมหรือเกลือไนเทรตต่าง ๆ) ดังนั้นถ้ามีการปลอมปนสารประกอบไนโตรเจนบางชนิดลงไปในอาหาร (เช่นเมลามีนที่เคยตกเป็นข่าวว่ามีการผสมลงไปในนมที่เป็นอาหารเด็กและใช้ทำขนมต่าง ๆ) และนำไปวัดปริมาณไนโตรเจนด้วยเทคนิคนี้ ก็จะทำให้เห็นว่าในอาหารนั้นมีไนโตรเจนสูง ทำให้หลงเชื่อได้ว่าอาหารชนิดนั้นมีปริมาณโปรตีนสูง ทั้ง ๆ ที่ไนโตรเจนที่เห็นนั้นมีเพียงบางส่วนเท่านั้นที่มาจากโปรตีน

คนที่ทำหน้าที่วิเคราะห์โปรตีนในอาหารคงนึกไม่ถึงว่าจะมีคนที่มีความคิดเลวร้ายขนาดจงใจเอาสารที่เป็นพิษต่อร่างกายของเด็กผสมลงไปในนมสำหรับให้เด็กทารกกิน เพียงเพื่อแค่ให้ผลิตภัณฑ์ของตัวเองผ่านเกณฑ์มาตรฐานและขายได้เท่านั้น (น้ำนมที่นำมาใช้ทำนมเลี้ยงเด็กมีการกำหนดปริมาณโปรตีนขั้นต่ำในน้ำนม แต่พอน้ำนมที่ผลิตได้มีโปรตีนไม่ผ่านมาตรฐานก็เลยเล่นผสมเมลามีนลงไป) ผลกระทบที่เกิดขึ้นไม่ได้มีเฉพาะในประเทศจีนที่เป็นต้นเรื่องของปัญหา แต่ยังลามไปถึงประเทศอื่นที่ซื้อผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ที่ใช้นมเป็นส่วนประกอบหรือเป็นวัตถุดิบในการผลิตด้วย

เกร็ดเล็กน้อยเกี่ยวกับ Kjeldahl

Johan Kjeldahl เกิดเมื่อวันที่ 16 สิงหาคมปีค.ศ. 1849 ถึงแก่กรรมเมื่อวันที่ 18 กรกฎาคมปีค.ศ. 1900 รวมอายุ 50 ปี ภาพจาก (http://en.wikipedia.org/wiki/Johan_Kjeldahl)

Kjeldahl ทำงานในกรุงโคเปนเฮเกน ประเทศเดนมาร์ก ณ ห้องปฏิบัติการ Carlsberg ที่ซึ่งเขาทำหน้าที่เป็นหัวหน้าภาควิชาเคมีในระหว่างปีค.ศ. 1876 ถึงปีค.ศ. 1900 (ห้องปฏิบัติการดังกล่าวงทำงานร่วมกับบริษัท Carlsberg Brewery)

Kjedahl ได้รับมอบหมายงานให้หาปริมาณโปรตีนที่อยู่ในธัญพืชที่ใช้ในอุตสาหกรรมผลิตมอล์ต (malt) ซึ่งถ้าธัญพืชมีโปรตีนน้อยเท่าใดก็จะทำให้ได้ปริมาณเบียร์มากขึ้นเท่านั้น ในวันที่ 7 มีนาคมปีค.ศ. 1883 Kjeldahl ได้นำเสนอเทคนิคของเขาต่อสมาคมเคมีเดนมาร์ก