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)