การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๔๒ การเจือจางไฮโดรคาร์บอนในน้ำ MO Memoir : Thursday 22 November 2555

ในการสร้าง calibration curve สารที่มีปริมาณน้อย ๆ สำหรับเครื่อง GC นั้นเราใช้วิธีการเจือจางให้สารนั้นมีความเข้มข้นต่ำลงด้วยการใช้ตัวทำละลายที่เหมาะสม โดยสารที่ต้องการวิเคราะห์และตัวทำละลายนั้นไม่ควรที่จะเกิดพีคซ้อนทับกัน วิธีการหนึ่งที่เราใช้ก็คือเลือกใช้ตัวทำละลายที่มีจุดเดือดแตกต่างไปจากสารที่เราต้องการวัด โดยถ้าสารที่ต้องการวัดนั้นมีจุดเดือดสูง เราก็มักจะเลือกตัวทำละลายที่มีจุดเดือดต่ำกว่า ในทางกลับกันถ้าสารที่ต้องการวัดนั้นมีจุดเดือดต่ำ เราก็จะเลือกตัวทำละลายที่มีจุดเดือดสูงแทน 

 

และถ้า detector ที่ใช้ในการวิเคราะห์นั้นไม่ตอบสนองต่อตัวทำละลายที่ใช้ก็จะเป็นการดีมาก ด้วยเหตุนี้ในกรณีที่เราต้องการฉีดสารอินทรีย์ในปริมาณต่ำและตรวจวัดด้วย FID (Flame ionisation detector - FID) และถ้าสารนั้นละลายน้ำได้ เราก็จะใช้น้ำเป็นตัวทำละลาย 

 

ในกรณีที่สารที่ต้องการวัดนั้นเป็นไฮโดรคาร์บอน เราก็จะเลือกใช้ตัวทำละลายที่มีจุดเดือดแตกต่างไปจากไฮโดรคาร์บอนที่เราต้องการวัด ตัวอย่างเช่นสมมุติว่าเราต้องการฉีด toluene ในปริมาณน้อย ๆ (จุดเดือด 111ºC) เราก็อาจเลือกใช้แอลกอฮอล์เช่นethanol (จุดเดือด 78ºC) หรือ isopropanol (จุดเดือด 82.5ºC) หรือ hexane (จุดเดือด 69ºC) เป็นตัวทำละลาย ซึ่งสารเหล่านี้มีจุดเดือดที่ต่ำกว่าและพีคของสารเหล่านี้จะออกมาก่อนพีค toluene

แต่ในกรณีที่เราต้องการเจือจางที่ความเข้มข้นต่ำมากนั้น (เช่นสัก 100 เท่า) เราอาจพบว่าพีคของตัวทำละลายนั้นมีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับพีคของสารที่เราต้องการวัด สิ่งที่เกิดขึ้นคือพีคของตัวทำละลายจะกว้างและพีคของสารที่ต้องการวัดนั้นจะซ้อนอยู่บนส่วนหางของพีคตัวทำละลาย นี่คือสิ่งที่นิสิตซีเนียร์โปรเจคประสบอยู่ในช่วงที่ผ่านมาในการเจือจาง toluene 10 เท่าด้วย isopropanol (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ พีคสารละลาย toluene เข้มข้น 10% (vol/vol) ใน propanol อุณหภูมิคอลัมนเริ่มต้น 80ºC เพิ่มขึ้นด้วยอัตรา 4ºC/min Detector ชนิด FID

เนื่องจากไฮโดรคาร์บอนนั้นละลายน้ำได้น้อยมาก แถมค่าการละลายยังเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิ ดังนั้นการละลายไฮโดรคาร์บอนโดยตรงลงในน้ำจึงมีปัญหา วิธีการที่เหมาะสมกว่าคือการใช้ตัวทำละลายที่ละลายได้ทั้งในน้ำและไฮโดรคาร์บอนเป็นตัวประสานเฟส^(๑) ดังเช่นในกรณีของโทลูอีนที่กล่าวมานี้เราอาจใช้ isopropanol หรือ ethanol เป็นตัวประสานเพื่อช่วยให้ toluene ละลายเข้าไปในเฟสน้ำได้

เช่นในงานที่เรากำลังจะทำต่อไปนั้น ในการเจือจางนั้นเราจะเริ่มจากการละลาย toluene ใน isopropanol (หรือ ethanol) ก่อน เช่นเราอาจนำเอา toluene มา 0.5 ml^(๒) ใส่ลงใน volumetric flask ขนาด 100 ml จากนั้นเติม isopropanol ลงไปสักประมาณ 5 ml เขย่าให้ toluene และ isopropanol ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกัน จากนั้นค่อยเติมน้ำลงไปเป็นระยะ (อย่าเติมทีเดียวจนเต็ม) แล้วเขย่า flask เพื่อให้สารละลายใน flask นั้นละลายเป็นเนื้อเดียวกัน 

 

ถ้าพบว่ามีการแยกชั้นเกิดขึ้นก็แสดงว่าเราเติม isopropanol น้อยเกินไป ก็ให้เติม isopropanol เพิ่มลงไปเพิ่มทีละน้อยจนกว่าสารละลายกลายเป็นเนื้อเดียวกัน จากนั้นก็ค่อยเติมน้ำลงไปปรับปริมาตรจนได้ 100 ml ซึ่งก็จะทำให้เราได้สารละลาย toluene เจือจาง 100 เท่า

ถ้าเราต้องการสารละลาย toluene เจือจางลงไปอีกเราก็เอาสารละลาย toluene ที่เจือจางเอาไว้แล้ว 100 เท่านี้มาเจือจางต่อ เช่นอาจปิเปตเอาสารละลาย toluene เจือจาง 100 เท่ามา 5 ml ใส่ลงใน volumetric flask ขนาด 250 ml จากนั้นจึงเติมน้ำกลั่นลงไปปรับปริมาตรให้เป็น 250 ml เราก็จะได้สารละลาย toluene เจือจาง 5000 เท่า (เราอาจจำเป็นต้องทำสารละลายเข้มข้นขนาดนี้เพราะเรากำลังจะทำการทดลองวัดค่าการละลายของ toluene ในน้ำ)

อีกวิธีการหนึ่งที่เราเคยใช้ก็คือใช้การปรับค่า pH ของน้ำด้วยกรดหรือเบสที่เหมาะสม ตอนที่เราเตรียมสารละลายphenol ในน้ำที่ความเข้มข้นต่ำ ๆ เพื่อสร้าง calibration curve ของ GC ก็ใช้วิธีนี้ แม้ว่าที่อุณหภูมิห้อง phenol จะละลายน้ำได้ แต่ก็ละลายได้ยาก แต่เนื่องจากหมู่ -OH ของ phenol มีคุณสมบัติที่เป็นกรด เราจึงใช้วิธีปรับน้ำให้กลายเป็นเบสก่อนด้วยการเติม NH₄OH ลงไปเพื่อช่วยดึง phenol เข้าไปในเฟสน้ำ เหตุผลที่เราเลือกใช้ NH₄OH ในการปรับค่า pH ก็เพราะมันไม่มีไอออน (เช่น Na⁺ ในกรณีที่ใช้ NaOH) เข้าไปตกค้างในคอลัมน์ GC เพราะมันสามารถสลายตัวออกมาเป็นแก๊สได้หมด

หมายเหตุ

(๑) โดยหลักการแล้ว สารที่ใช้ในการประสานเฟสจะเป็นโมเลกุลที่มีโครงสร้างส่วนที่มีขั้วและไม่มีขั้วอยู่ในโมเลกุลเดียวกัน

(๒) ถ้าเกรงว่าจะมีปัญหาในการตวง toluene ปริมาตรน้อย ๆ ก็ให้ใช้วิธีการชั่งน้ำหนัก toluene แทน แล้วค่อยคำนวณปรับความเข้มข้นเป็น mol/l)