รวมบทความชุดที่ ๑๘ ประสบการณ์แก๊สโครมาโทกราฟ MO Memoir : Wednesday 3 January 2561 MO Memoir

"ยิ่งผลการทดลองออกมาดีเท่าใด ยิ่งต้องตรวจสอบ วิธีการทดลอง วิธีการเก็บตัวอย่างและวิเคราะห์ตัวอย่าง และการแปลผล ให้มากขึ้นเท่านั้น"

ข้อความข้างบนคือประโยคสุดท้ายที่ผมเขียนไว้ในบทส่งท้ายของรวมบทความชุดที่ ๑๘ ครับ
 

ตอนสอบปกป้องวิทยานิพนธ์ปริญญาเอก บทที่ผมโดนกรรมการซักถามมากที่สุดคือ "วิธีการทดลองและวิธีการคำนวณ" ครับ (วิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของผมเป็นการทำการทดลองเพื่อหาค่าอัตราการเกิดปฏิกิริยา แล้วนำมาใช้สร้างแบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์เบดนิ่ง) ซึ่งก็ผ่านมาได้ด้วยดี เพราะจะว่าไปแล้วตอนที่เรียนอยู่นั้น อาจารย์ที่ปรึกษาของผมเขาให้ความสำคัญกับตรงจุดนี้มาก (ซึ่งก็คงเป็นวัฒนธรรมของการเรียนที่นั่นด้วย) สิ่งนี้ทำให้ผมได้เรียนรู้ว่า ถ้า "วิธีการ" ไม่ถูกต้อง ผลที่ได้มาก็ไม่มีค่าแก่การนำมาถกเถียงใด ๆ 
  

ที่ต้องย้ำคำว่า "วิธีการ" ก็เพราะต้องการเน้นให้เห็นว่าคำนี้มันครอบคลุมถึง การออกแบบอุปกรณ์ทดลอง การออกแบบการทดลอง การเก็บตัวอย่าง การวิเคราะห์ตัวอย่าง การแปลผลการวิเคราะห์ การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ และการแก้สมการคณิตศาสตร์

คนโบราณกล่าวว่า "สิบปากว่า ไม่เท่าตาเห็น สิบตาเห็น ไม่เท่ามือคลำ สิบมือคลำ ไม่เท่าทำเอง" ถ้าใช้อัตราส่วนตามนี้เราก็พอจะสรุปได้ว่า "ฟังพันครั้ง ไม่เท่ากับลงมือทำครั้งเดียว"
 

เนิ้อหาที่นำมารวบรวมไว้ในที่นี้เป็นเรื่องราวต่าง ๆ ที่ประสบมาในขณะทำวิจัยร่วมกับนิสิตโท-เอกในที่ปรึกษา (ที่เราต่างช่วยกันสรรหาเทคนิคในการทำให้เครื่องมีปัญหาและเทคนิคในการแก้ปัญหา) และบางเรื่องก็เป็นคำถามที่ผู้อ่าน blog ถามมาทางอีเมล์ 
  

เนื้อหาส่วนนี้เป็นคนละส่วนกับรวมบทความชุดที่ ๑๕ (ซึ่งในชุดที่ ๑๕ นั้นเป็นกรณีเฉพาะของการปรับตั้งเครื่อง GC เพื่อใช้ NH₃, SO₂ และ NO ที่หมดเวลาไปร่วม ๒ ปีเพื่อทำให้ผลการวิเคราะห์นั้นยอมรับได้) แม้ว่าตัวอย่างที่ยกมานั้นจะอิงกับเครื่อง GC Shimadzu รุ่น 8A และ 14B เป็นหลัก แต่หลากหลายเรื่องราวนั้นก็เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นกับเครื่อง GC ทั่วไปได้โดยไม่ขึ้นกับรุ่นหรือบริษัทผู้ผลิต

ท้ายสุดนี้ก็หวังว่ารวมบทความชุดนี้คงจะเป็นประโยชน์ไม่มากก็น้อยแก่ผู้ที่ขาดความรู้และประสบการณ์ในการใช้ GC แต่จำเป็นต้องมาใช้งานมันหรือต้องแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นในการใช้งาน

ดาวน์โหลดไฟล์ pdf ได้ที่ Link ข้างล่างนี้

https://drive.google.com/file/d/1we1IHRieIiJecihfJ2trb4itoe8Z5mH1/view?usp=sharing

ตรวจโครมาโทแกรม ก่อนอ่านต้วเลข (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๘๖) MO Memoir : Thursday 1 December 2559

จากประสบการณ์ทำงานกับเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ (Shimadza รุ่นเลข 8 14 และ 2014) พบว่า แม้ว่าจะมีการนำเอาคอมพิวเตอร์มาใช้ในการควบคุมการทำงาน บันทึกสัญญาณ และคำนวณขนาด (พื้นที่และ/หรือความสูง) พีคที่ได้ แต่วิธีที่ซอร์ฟแวร์ของเครื่องใช้นั้นยังอิงอยู่บน "การตัดกระดาษแล้วนำไปชั่งน้ำหนัก"
  

ใช่ว่าเทคนิค "การตัดกระดาษแล้วนำไปชั่งน้ำหนัก" จะใช้ไม่ได้ อันที่จริงถ้าเป็นพีคที่แยกออกเป็นอิสระต่อกันมันจะไม่มีปัญหาใด ๆ ปัญหามันจะเกิดเมื่อมีพีคเหลื่อมซ้อนทับกัน โดยการเหลื่อมซ้อนนั้นอาจมาในรูปแบบ 
   

(ก) เพียงแค่ส่วนหน้าของพีคหลังเหลื่อมซ้อนกับส่วนหลังของพีคหน้า (โดยส่วนท้ายของพีคหลังไม่ซ้อนทับกับส่วนท้ายของพีคหน้า) หรือ 
   

(ข) พีคหลังทั้งพีควางตัวอยู่บนส่วนหางของพีคหน้า (มักจะเป็นกรณีที่พีคหน้ามีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับพีคหลัง หรือพีคหน้าทีการลากหางที่ยาวมาก)
  

การหาพื้นที่ของพีคแต่ละพีคที่เหลื่อมซ้อนทับกันนี้ด้วยเทคนิค "การตัดกระดาษแล้วนำไปชั่งน้ำหนัก" นั้น ถ้าเป็นกรณี (ก) ก็จะใช้การหาตำแหน่งจุดที่สัญญาณวกกลับ แล้วก็ลากเส้นจากจุดนั้นลงมาในแนวดิ่งจนมาตัด base line (รูปที่ ๑) ในกรณีนี้พื้นที่ส่วนหางของพีคแรกจะกลายมาเป็นพื้นที่ของพีคหลัง และพื้นที่ส่วนหน้าของพีคหลังจะกลายเป็นพื้นที่ของพีคแรก
  

แต่ถ้าเป็นในกรณี (ข) ก็จะใช้การสร้างเส้นสัมผัสโค้งเพื่อบ่งบอกแนวส่วนหางของพีคแรก และพื้นที่พีคที่อยู่เหนือเส้นสัมผัสนี้จะแทนพื้นที่พีคที่สอง โดยความสูงของพีคที่สองจะวัดจากจุดสูงสุดของพีคที่สองนั้น ดิ่งลงมาจนถึงแนวเส้นสัมผัสนี้ (รูปที่ ๒)
  

ปัญหามันมักเกิดขึ้นถ้าการแยกนั้นมันก้ำกึ่งอยู่ตรงเกณฑ์การแบ่งว่าการซ้อนของพีคเป็นรูปแบบ (ก) หรือรูปแบบ (ข) และปัญหานี้มันเกิดได้ถ้าหากว่าพีคหน้านั้นมีขนาดใหญ่กว่าพีคหลัง ดังเช่นพีคตัวอย่างในรูปที่ ๓ ที่นำมาแยกแต่ละพีคให้ดูในรูปที่ ๑ และ ๒ จะเห็นว่าอันที่จริงแล้วพีคที่สอง (ที่เวลา 1.3 นาที) นั้นไม่ได้มีขนาดที่แตกต่างกันมากเลย แต่ด้วยวิธีการลากเส้นแบ่งพีคที่แตกต่างกัน ทำให้ความสูงของพีคที่สองที่เครื่องอินทิเกรเตอร์คำนวณได้นั้นมีขนาดแตกต่างกันถึง 3 เท่า และพื้นที่ก็แตกต่างกันถึง 7 เท่า (ผลการวิเคราะห์ได้จากเครื่อง GC และอินทิเกรเตอร์ยี่ห้อ Shimadzu) โดยความแตกต่างในการแบ่งพีคนี้ตัวเครื่องเองก็ระบุเอาไว้แล้วในคอลัมน์ถัดไป (คอลัมน์ MK ที่มักจะมีเครื่องหมาย S V หรือ T ปรากฏเมื่อมีปัญหาเรื่องการแบ่งพีค ส่วนนิยามของ S V หรือ T คืออะไรนั้นต้องไปดูจากคู่มือเครื่อง)
  

อันที่จริงเครื่องอินทิเกรเตอร์ของ Shimadzu ที่แลปเราใช้นั้น หลังการประมวลผลพีคเสร็จแล้วมันยังไม่ลบข้อมูลสัญญาณทิ้ง เราสามารถตรวจสอบวิธีการแบ่งพีคที่เครื่องทำให้ว่าเป็นที่พึงพอใจหรือไม่ ถ้าเห็นว่าไม่ถูกต้องเราก็สามารถทำการกำหนดวิธีการแบ่งพีคและทำการประมวลผลใหม่ได้ เรื่องนี้ก็มีการกล่าวไว้ในคู่มือเครื่อง (ที่ไม่มีใครอ่านกัน) 
   

แต่วิธีการที่ดีกว่าในการหาพื้นที่พีคที่ซ้อนทับกันคือการนำเอาค่าตัวเลขสัญญาณที่วัดได้ไปทำการประมวลผลใหม่ด้วยซอร์ฟแวร์อื่น (ถ้าหากสามารถดึงค่าตัวเลขสัญญาณออกมาเป็น text file ได้) เช่นโปรแกรม fityk

ต้อนรับเดือนสุดท้ายของปีนี้ด้วยเรื่องเบา ๆ แค่นี้ก่อน ด้วยรูปที่นำมาจากม้วนโครมาโทแกรมที่มีคนนำมาวางทิ้งไว้บนโต๊ะทำงานผมในห้องแลป

รูปที่ ๑ การแบ่งพีคเพื่อคำนวณพื้นที่และความสูงของพีคในกรณี (ก)

รูปที่ ๒ การแบ่งพีคเพื่อคำนวณพื้นที่และความสูงของพีคในกรณี (ข)

รูปที่ ๓ โครมาโทแกรมที่มีปัญหา ลองพิจารณาพื้นที่และความสูงของพีคที่เวลา 1.31 นาที เทียบระหว่างรูปบนและรูปล่าง จะเห็นว่าแม้ว่าพีคในรูปล่างจะมีขนาดเล็กกว่า แต่ก็ไม่ได้มีความสูงเหลือเพียงแค่ 1 ใน 3 หรือมีพื้นที่เพียงแค่ 1 ใน 7 ของพีคในรูปบน เหมือนดังค่าที่เครื่องอินทิเกรเตอร์รายงาน

ผลกระทบของน้ำที่มีต่อการวัดคาร์บอนไดออกไซด์ ตอนที่ ๑ (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๗๔) MO Memoir : Monday 23 November 2558

ในการวัดปริมาณแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ด้วยเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟและใช้คอลัมน์ molecular sieve 5A นั้น สิ่งหนึ่งที่เป็นที่ทราบคือถ้าหากตัวอย่างมีไอน้ำ (H₂O) ผสมอยู่ และอุณหภูมิของคอลัมน์ต่ำเกินไป ไอน้ำนั้นจะสะสมอยู่ในคอลัมน์ และถ้าสะสมไว้มากก็จะทำให้ความแรงของพีค CO₂ นั้นลดลงไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งไม่ปรากฏได้ (ทั้ง ๆ ที่ฉีด CO₂ ในปริมาณเท่าเดิม)
  

ดังนั้นถ้า CO₂ เป็นสารตั้งต้นของปฏิกิริยา (เช่นในปฏิกิริยา dry reforming) ก็จะเห็น CO₂ ด้านขาออกต่ำกว่าที่ควรจะเป็น ก็จะทำให้หลงเข้าใจผิดได้ว่าได้ค่า conversion สูง ในทางกลับกันถ้าCO₂ เป็นผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยา (เช่นในปฏิกิริยา oxidation สารอินทรีย์) ก็จะทำให้แปลผลผิดได้ว่าได้ค่า conversion ต่ำกว่าที่ควรจะเป็น
  

ดังนั้นในกรณีที่ตัวอย่างนั้นมีน้ำปะปนอยู่ ก็ต้องปรับตั้งเครื่อง GC เพื่อให้มั่นใจว่าน้ำนั้นจะไม่ส่งผลกระทบต่อขนาดพื้นที่พีค CO₂ ที่วัดได้ อย่างน้อยก็ในช่วงเวลาที่ทำการวิเคราะห์ และควรต้องมีการ regenerate (ฟื้นคืนสภาพ) คอลัมน์เป็นระยะด้วย โดยไม่ต้องรอให้พีค CO₂ หายไปก่อน
  

รูปที่ ๑-๓ แสดงตัวอย่างการวิเคราะห์ปริมาณ CO₂ ที่ทางกลุ่มเราทำการทดลองในวันศุกร์ที่ ๑๙ พฤศจิกายนที่ผ่านมา โดยใช้เครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ Shimadzu GC-8A ติดตั้ง Thermal Conductivity Detector (TCD) ตั้งอุณหภูมิ TCD ไว้ที่ 130ºC กระแส TCD ตั้งไว้ที่ 120 mA ส่วนอุณหภูมิคอลัมน์ตั้งไว้ที่ 210ºC อัตราการไหลของ He ที่ใช้เป็น carrier gas 40 ml/min ทั้งสองคอลัมน์ คอลัมน์ที่ใช้วิเคราะห์คือ molecular sieve 5A 60/80 mesh เส้นผ่านศูนย์กลาง 3 mm ยาว 6 ฟุต คอลัมน์อ้างอิงคือ UNIBEED C 60/80 mesh เส้นผ่านศูนย์กลาง 3 mm ยาว 6 ฟุต
  

เหตุการณ์เริ่มจากวันพฤหัสบดีที่ ๑๙ ที่ได้ทำการทดลองฉีดสารละลาย NaHCO₃ เข้มข้น 1 mol/l ปริมาตร 10 microlitre ในช่วงเช้า พบว่าได้พื้นที่พีคออกมาประมาณ 100000 หน่วย จากนั้นพบว่าเกิดปัญหาพื้นที่พีคมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก และจากการตรวจสอบพบว่าปัญหาเกิดจากการมีฟองแก๊สเกิดขึ้นใน syringe (ที่เล่าไว้ใน Memoir ฉบับวันเสาร์ที่ ๒๑ พฤศจิกายน ๒๕๕๘ ที่ผ่านมา) และหลังจากปรับแก้ปัญหาฟองอากาศแล้ว พบว่าพื้นที่พีคที่ได้จากการฉีดสารตัวอย่างปริมาตรเดียวกันนั้นออกมาใกล้กัน แต่พื้นที่พีคที่ได้จากการวัดในช่วงบ่ายวันนั้นนั้น "ต่ำกว่า" ค่าที่วัดได้ในช่วงเช้าอยู่มาก (คือช่วงบ่ายพื้นที่จากระดับ 100000 เหลือประมาณ 370000 หรือเพียงแค่ 1 ใน 3 เท่านั้น)
  

หลังจากเปิดเครื่องทิ้งไว้ทั้งคืนโดยคงอุณหภูมิคอลัมน์ไว้ที่ 210ºC แล้วมาทำการทดลองใหม่ซ้ำเดิมในเช้าวันศุกร์พบว่าพื้นที่พีคที่ได้นั้นกลับมีค่ามากขึ้นไปเท่ากับค่าที่วัดได้ในช่วงเช้าวันพฤหัสบดี แต่เมื่อทำการฉีดสารตัวอย่างซ้ำปริมาตรเดิม (คือฉีด 5 microlitre 3 ครั้ง (รูปที่ ๑) ตามด้วย 3 microlitre 3 ครั้ง (รูปที่ ๒) และ 7 microlitre 3 ครั้ง (รูปที่ ๓) ส่วนเวลาที่ทำการฉีดสารตัวอย่างดูได้จากโครมาโทแกรม) พบว่าพื้นที่พีคที่ได้นั้นมีแนวโน้มลดต่ำลงเรื่อย ๆ ในขณะที่แนวเส้น base line นั้นมีแนวโน้มเคลื่อนต่ำลงอย่างช้า ๆ ตลอดเวลา
  

การแก้ปัญหาเบื้องต้นด้วยการเพิ่มอุณหภูมิคอลัมน์ขึ้นอีก 10ºC และลดปริมาตรตัวอย่างที่ฉีดลงเหลือระดับต่ำกว่า 1 microlitre ที่ได้กระทำไปเมื่อเย็นวันศุกร์ที่ผ่านมา ทำให้ดูเหมือนว่าจะสามารถแก้ไขปัญหาที่เกิดจากน้ำได้ แต่อย่างไรก็ตามก็ต้องรอผลการทดลองยืนยันที่จะต้องกระทำกันต่อไป

รูปที่ ๑ โครมาโทแกรมจากการฉีดสารละลาย NaHCO₃ 1 mol/l 5 microlitre

รูปที่ ๒ โครมาโทแกรมจากการฉีดสารละลาย NaHCO₃ 1 mol/l 3 microlitre
 

รูปที่ ๓ โครมาโทแกรมจากการฉีดสารละลาย NaHCO₃ 1 mol/l 7 microlitre

สิ่งปนเปื้อนในน้ำ DI MO Memoir : Sunday 18 January 2558

อาทิตย์ ๒๕ มกราคม ๒๕๕๘

เรื่องนี้มีการทดสอบต่อเนื่อง  และมีบันทึกเพิ่มเติมในเรื่อง "พีคที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างน้ำกับ packing ในคอลัมน์ GC" ใน Memoir ฉบับวันอาทิตย์ที่ ๒๕ มกราคม ๒๕๕๘  ดังนั้นถ้าท่านใดมาอ่านเรื่องนี้ก็ขอให้ตามไปอ่านบันทึกฉบับวันที่ ๒๕ มกราคม ๒๕๕๘ นั้นด้วย (กดที่ลิงค์ได้เลย)

เรื่องนี้สืบต่อมาจากฉบับเมื่อวาน คือยังคงเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในวันพฤหัสบดีที่ผ่านมา

  

ตอนที่หาตำแหน่งพีคโทลูอีนนั้น ก็พบว่ามันมีออกมาเพียงพีคเดียว แต่ตอนที่วัดค่าการละลายอิ่มตัวของโทลูอีนในน้ำปราศจากไอออนหรือที่เรียกว่าน้ำ DI (ย่อมาจาก Deionized water) นั้นกลับพบพีค ๒ พีคด้วยกัน คือมีพีคเล็ก ๆ หนึ่งพีคปรากฏอยู่หน้าพีคโทลูอีน ขนาดของพีคนี้ (ไม่ว่าจะเป็นพื้นที่หรือความสูง) ไม่ขึ้นกับขนาดพีคโทลูอีนที่ปรากฏ (ดูรูปที่ ๑ ตรงลูกศรสีแดงชี้)

  

Flame Ionisation Detector (หรือที่เรียกแบบย่อ ๆ ว่า FID) นั้นมองเห็นเฉพาะสารอินทรีย์ที่เผาไหม้ได้ ในกรณีนี้คำถามที่ต้องตอบก็คือสารอินทรีย์อีกตัวที่เห็นนั้นมันมาจากไหน สมมุติฐานที่ลองตั้งเอาไว้ในใจตอนนั้นก็คือ

ข้อ ๑ สารปนเปื้อนนั้นมาจากภาชนะที่ใช้ในการทดลองหรือไม่ก็ตัวอุปกรณ์ที่ใช้ (magnetic bar ที่ใช้ปั่นกวน ท่อเก็บสารตัวอย่าง เข็มที่ปนเปื้อน)

ข้อ ๒ สารปนเปื้อนนั้นมาจากน้ำ DI ที่นำมาใช้ในการทดลอง

ข้อ ๓ สารนั้นอยู่ในตัวโทลูอีนเองอยู่แล้ว แต่มีอยู่ในปริมาณน้อยมาก (trace amount) เมื่อฉีดโทลูอีนบริสุทธิ์จากขวดก็เลยถูกพีคโทลูอีนบดบังเอาไว้ แต่เมื่อนำโทลูอีนมาผสมกับน้ำ DI สารปนเปื้อนนี้ละลายน้ำได้ดีกว่าโทลูอีนมากก็เลยมาปรากฏให้เห็นชัดเมื่อนำน้ำ DI ที่ต้องการวัดค่าการละลายของโทลูอีนมาฉีดวิเคราะห์

เพื่อทำการทดสอบหาว่าพีคดังกล่าวมาจากไหน จึงได้ให้ไปนำน้ำ DI ที่ใช้ในการทดลองนั้นมาฉีด GC ดู โดยใช้ภาชนะใบใหม่ไปบรรจุน้ำ (ล้างภาชนะนั้นด้วยน้ำ DI ก่อน ก่อนเติมน้ำ DI มาทดลองฉีด) ในรูปที่ ๒ นั้นโครมาโทแกรมรูปบนได้มาจากการฉีดน้ำที่มีโทลูอีนละลายอยู่ โครมาโทแกรมรูปกลางได้มาจากการนำเอาน้ำ DI จากถังมาฉีด จะเห็นว่ายังปรากฏพีคสารปนเปื้อนนั้นเหมือนเดิม และขนาดพีคสารปนเปื้อน (ไม่ว่าจะเป็นพื้นที่หรือความสูง) ก็ประมาณเดียวกับที่เห็นก่อนหน้านี้ในรูปที่ ๑ ส่วนพีคโทลูอีนที่ปรากฏนั้นเป็นโทลูอีนที่ปนเปื้อนอยู่ที่เข็ม (เพราะใช้เข็มตัวเดิมในการฉีด) ก็เลยให้ทำการล้างเข็มใหม่อีกด้วยน้ำ DI และฉีดซ้ำอีกครั้ง ก็ได้โครมาโทแกรมดังที่ปรากฏในภาพล่างที่ยังคงมีพีคสารปนเปื้อนปรากฏในขนาดประมาณเท่าเดิม ส่วนพีคโทลูอีนนั้นมีขนาดเล็กลงไปมาก จึงสรุปได้ว่าพีคดังกล่าวมาจากสารที่ปนเปื้อนอยู่ในน้ำ DI ที่ใช้ในการทดลอง

ผลการทดลองนี้ยังแสดงให้เห็นถึงความว่องไวในการตรวจวัดสารอินทรีย์ของตัวตรวจวัดชนิด FID แม้ว่าจะทำการล้างเข็มฉีดด้วยน้ำ DI ซ้ำหลายครั้งก็ยังปรากฏพีคโทลูอีน (ที่ติดมากับน้ำ DI ที่ทดสอบวัดค่าการละลาย) ให้เห็น สาเหตุหนึ่งอาจเป็นเพราะโทลูอีนละลายน้ำได้น้อย จึงไม่สามารถล้างโทลูอีนที่เกาะติดอยู่ที่เข็มฉีดให้หมดไปได้ง่าย ๆ ในกรณีนี้วิธีการที่ดีกว่าคือการล้างเข็มด้วยตัวทำละลายที่ละลายได้ทั้งในน้ำและในโทลูอีนก่อน (เช่นอะซีโทนหรือเอทานอล) เพื่อล้างโทลูอีนออกจากเข็ม จากนั้นจึงค่อยล้างเข็มด้วยน้ำ DI อีกทีหนึ่ง เพื่อล้างตัวทำละลายนั้นออกไป

ผลการทดลองนี้ยังแสดงให้เห็นปัญหาที่อาจเกิดถ้าทำการวัดความบริสุทธิ์ของน้ำด้วยการวัดค่าการนำไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว น้ำบริสุทธิ์นั้นมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำมาก และถ้ามีไอออนละลายอยู่ก็จะมีค่าการนำไฟฟ้าสูงขึ้น แต่ถ้าสารที่ปนเปื้อนอยู่ในน้ำนั้นมีค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าน้ำ (เช่นพวกสารอินทรีย์ที่ไม่มีขั้วหรือมีขั้วน้อย) การวัดค่าการนำไฟฟ้าก็จะไม่ฟ้องให้เห็นการปนเปื้อนสารเหล่านี้

รูปที่ ๑ พีคเล็ก ๆ ที่เวลาประมาณ 1.2-1.3 นาทีปรากฏอยู่หน้าพีคโทลูอีน ขนาดพีคนี้ค่อนข้างสม่ำเสมอและไม่ขึ้นกับขนาดพีคโทลูอีนที่ปรากฏ

รูปที่ ๒ โครมาโทแกรมรูปบนเป็นผลการฉีดก่อนทำการล้างเข็ม รูปกลางเป็นการฉีดน้ำ DI หลังจากล้างเข็มฉีดแล้ว รูปล่างเป็นการฉีดน้ำ DI เช่นกันแต่ให้ทำการล้างเข็มฉีดใหม่อีกครั้ง พบว่าพีคสารปนเปื้อนนั้นมีขนาดประมาณเท่าเดิมทั้งสามครั้ง

วันนี้เป็นวันที่สาวน้อยที่เคยเป็นสมาชิกรายหนึ่งของกลุ่มที่สำเร็จการศึกษาไปหลายปีแล้ว จะมีพิธีแต่งงานที่บ้านเกิดที่ประจวบคีรีขันธ์ ก็ขออวยพรให้คู่บ่าวสาวประสบแต่ความสุขความเจริญในชีวิตครอบครัวที่กำลังจะสร้างขึ้นมาใหม่นี้ตลอดไปชั่วกาล สวัสดี :)

ทำความรู้จักกับ Chromatogram ตอนที่ ๖ MO Memoir : Saturday 17 January 2558

เมื่อวันพฤหัสบดีที่ ๑๕ ที่ผ่านมา ทางกลุ่มได้มีการฝึกการใช้เครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ (Gas Chromatograph - GC)ให้กับสมาชิกปี ๑ (นิสิตป.โท จำนวน ๕ ราย) เครื่องที่ใช้คือ Shimadzu GC-8A ติดตั้งตัวตรวจวัดชนิด Flame Ionisation Detector (FID) และบันทึกผลด้วยเครื่องอินทิเกรเตอร์ Shimadzu CR-8A โดยให้ทดลองวัดปริมาณความเข้มข้นอิ่มตัวของโทลูอีน (Toluene C₆H₅-CH₃) ที่ละลายในน้ำ ในช่วงเช้าเริ่มจากการนำโทลูอีนบริสุทธิ์มาฉีดเพื่อหาตำแหน่งพีค (เวลาที่โทลูอีนออกมาจากคอลัมน์) จากนั้นก็ปล่อยให้ทดลองหาภาวะที่เหมาะสมในการตั้งเครื่อง GC และอินทิเกรเตอร์ (พวก Range, Attenuation) เพื่อให้ได้รูปพีคโทลูอีนที่มีขนาดที่เหมาะสมบนกระดาษ และสัญญาณจาก FID ไม่เกิดการอิ่มตัว จากนั้นในช่วงบ่ายก็เป็นการฝึกฝีมือในการฉีดตัวอย่างของสมาชิกกลุ่มแต่ละคน เพื่อทดสอบว่าด้วยการใช้อุปกรณ์ตัวเดียวกัน ตัวอย่างตัวเดียวกัน ผลการวิเคราะห์ที่ได้นั้นจะออกมาอย่างไร
 

ในตอนแรกก็พบว่าฝีมือการฉีดแต่ละรายนั้นเอาแน่เอานอนไม่ได้ (เรื่องปรกติของมือใหม่) ไม่ว่าคนเดิมจะทำการฉีดซ้ำหรือเปรียบเทียบผลการวัดระหว่างแต่ละคน แต่บ่ายวันนั้นมันก็มีอะไรที่น่าสนใจหลายอย่าง ตัวอย่างเช่นผลการทดลองฉีดตัวอย่าง ๓ ครั้งที่เอามาให้ดูในรูปที่ ๑ ในหน้าถัดไป พีคที่เวลา 2.2-2.3 นาทีคือพีคของโทลูอีน ส่วนพีคเล็ก ๆ ก่อนหน้าหน้า (ที่เวลาประมาณ 1.2-1.3 นาที) นั้นค่อยว่ากันต่อในฉบับหน้า (มันมีเรื่องของพีคนี้โดยเฉพาะว่ามันมาจากไหน) ตรงนี้อยากให้สังเกตตรงค่าพื้นที่พีคและความสูงที่เครื่องอินทิเกรเตอร์วัดได้ดังนี้

ครั้งที่ ๑ พื้นที่พีค 795880 ความสูง 18323

ครั้งที่ ๒ พื้นที่พีค 938411 ความสูง 18186

ครั้งที่ ๓ พื้นที่พีค 734722 ความสูง 18928

ปรกตินั้นเราชอบที่จะใช้พื้นที่พีคมากกว่าที่จะใช้ความสูงของพีคในการบ่งบอกปริมาณสาร เพราะถ้า carrier gas ไหลไม่นิ่ง จะทำให้รูปความสูงของพีคนั้นเปลี่ยนไปตามอัตราการไหลของ carrier gas กล่าวคือถ้าไหลเร็วก็จะได้พีคแคบและสูง ถ้าไหลช้าก็จะได้พีคที่เตี้ยและกว้าง แต่พื้นที่จะประมาณเดิม 
   

ในกรณีของตัวอย่างที่ยกมานั้น จะเห็นว่าพื้นที่ของการฉีดครั้งที่ ๒ นั้นมากกว่าพื้นที่ของการฉีดครั้งที่ ๓ อยู่ 1.28 เท่า (938411/734722) และพื้นที่ของการฉีดครั้งที่ ๑ นั้นมากกว่าพื้นที่ของการฉีดครั้งที่ ๓ อยู่ 1.08 เท่า (795882/734722) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการฉีดครั้งที่ ๑ และ ๓ นั้นให้ผลที่ใกล้เคียงกัน แต่ถ้าพิจารณาความสูงแล้วจะพบว่าการฉีดครั้งที่ ๒ ที่ให้พื้นที่มากที่สุดนั้นกลับให้ค่าความสูงพีคที่น้อยที่สุด 
   

แต่ถ้าพิจารณาจากความสูงจะพบว่าความสูงของพีคของการฉีดครั้งที่ ๓ มากกว่าของการฉีดครั้งที่ ๒ อยู่ 1.04 เท่า (18928/18186) และความสูงของพีคของการฉีดครั้งที่ ๑ มากกว่าของการฉีดครั้งที่ ๒ อยู่ 1.01 เท่า (18323/18186) ซึ่งจะเห็นว่าพีคความสูงของการฉีดทั้ง ๓ ครั้งใกล้เคียงกันมาก และถ้าพิจารณาจากรูปร่างของพีคที่ได้แล้วจะเห็นว่าขนาดของพีคทั้งสามใกล้เคียงกันมาก

ด้วยเหตุนี้จึงทำให้เกิดคำถามว่าถ้าเช่นนั้นอะไรทำให้การคำนวณพื้นที่พีคของการฉีดครั้งที่ ๒ นั้นได้มากกว่าของการฉีดครั้งแรกกับครั้งที่ ๓ ถึง 20%
  

คำตอบของคำถามดังกล่าวอยู่ที่ผลที่เครื่องพิมพ์ออกมาคือช่อง MK (ย่อมากจา Marks หรือหมายเหตุ) ซึ่งจะเห็นว่าในกรณีของการฉีดครั้งที่ ๑ และ ๓ นั้นมีการพิมพ์สัญญลักษณ์ V ที่ตำแหน่งพีคประมาณ 1.25 และ 2.2-2.3 นาที ในขณะที่การฉีดครั้งที่ ๒ นั้นมีการพิมพ์สัญญลักษณ์ V ที่ตำแหน่งพีค2.2-2.3 นาทีเพียงที่เดียว
 

รูปที่ ๑ โครมาโทแกรมที่ได้มาจากการฉีดน้ำที่มีโทลูอีนละลายอยู่
    
รูปที่ ๒ และ ๓ ข้างล่างเป็นคำอธิบายความหมายของสัญญลักษณ์ที่ปรากฏในช่อง MK ผมนำมาจากคู่มือของเครื่องอินทิเกรเตอร์ Shimadzu CR-5A แต่ของเครื่อง CR-8A ก็เหมือนกัน

  

รูปที่ ๒ คำอธิบายความหมายของสัญญลักษณ์ต่าง ๆ ในช่อง MK ของรูปที่ ๑

รูปที่ ๓ สำหรับพีคที่เหลื่อมซ้อนกัน ด้วยค่า Drift ที่แตกต่างกันจะทำให้คำนวณพื้นที่พีคได้แตกต่างกันเนื่องจากมีการลาก base line ที่แตกต่างกัน

ขอให้พิจารณาวิธีการลาก base line ที่อยู่ในกรอบสีแดงของรูปที่ ๓ ในกรณีของการฉีดครั้งที ่๑ และ ๓ นั้นเครื่องอินทิเกรเตอร์ทำการลาก base line ตามแบบที่ (2) คือลากจากจุดเริ่มเกิดพีคแรกไปจนถึงจุดที่สัญญาณเกิดการวกกลับที่เป็นจุดที่เครื่องระบุว่าเป็นตำแหน่งเริ่มเกิดพีคที่สอง และใช้เส้นนี้เป็นฐานในการคำนวณพื้นที่พีคแรก และลากเส้นจากจุดที่สัญญาณเริ่มวกกลับไปจนถึงตำแหน่ง base line เดิมที่เป็นจุดที่พีคที่สองสิ้นสุด และใช้เส้นนี้เป็นฐานในการคำนวณพื้นที่พีคที่สอง ในขณะที่ในการฉีดครั้งที่ ๒ นั้นเครื่องทำการลาก base line ตามแบบที่ (1) กล่าวคือเริ่มจากจุดเริ่มต้นเกิดพีคแรกไปจนถึงจุดสิ้นสุดพีคที่สอง และลากเส้นในแนวดิ่งจากตำแหน่งสัญญาณเริ่มวกกลับลงมาตัด base line ที่ลากขึ้น และใช้เส้นนี้เป็นตัวแบ่งพื้นที่ที่จะใช้ในการคำนวณพื้นที่พีคแรกและพื้นที่พีคที่สอง
  

ซึ่งจะเห็นว่าถ้าลาก base line ตามแบบที่ (2) จะมีพื้นที่พีคหายไปส่วนหนึ่ง ในกรณีของการฉีดครั้งที่ ๑ และ ๓ ที่พื้นที่พีคที่สองหายไปมากก็เพราะตำแหน่งจุดสัญญาณเริ่มวกกลับนั้นอยู่ค่อนข้างสูงและตำแหน่งสิ้นสุดของพีคที่สองนั้นอยู่ห่างออกมาจากตำแหน่งจุดสัญญาณวกกลับค่อนข้างมาก จึงทำให้เห็นพื้นที่พีคที่สองจากการฉีดครั้งที่ ๑ และครั้งที่ ๓ นั้นน้อยกว่าที่ได้จากการฉีดครั้งที่ ๒ มาก
  

กรณีนี้เกิดค่าของคำสั่ง DRIFT (อัตราการเปลี่ยนแปลงสัญญาณที่ถือว่าสัญญาณกลับมาที่ base line แล้ว) ถ้าเกิดกรณีที่พีคซ้อนกันดังรูป ที่ DRIFT มีค่าต่ำนั้นเครื่องจะลากแนว base line ตามแบบที่ (1) แต่ถ้า DRIFT มีค่าสูงเครื่องจะลากแนว base line ตามแบบที่ (2) ในการทดลองเมื่อวันพฤหัสบดีที่ผ่านมานั้นได้กำหนดให้เครื่อง CR-8A เลือกค่า DRIFT อย่างอัตโนมัติ 
   

แต่จากตัวอย่างที่ยกมาให้นี้ไม่ได้หมายความว่าไม่ว่าในกรณีใดก็ควรจะต้องตั้งค่า DRIFT ไว้ต่ำ มันขึ้นอยู่กับรูปแบบการเหลื่อมซ้อนทับกันของพีค ซึ่งต้องพิจารณาเป็นกรณีไปว่าการเหลื่อมซ้อนทับกันของพีคนั้นเกิดที่ไหน ตัวคู่มือเองก็ระบุเอาไว้เช่นนั้นด้วย ด้วยเหตุนี้ตัวเครื่องอินทิเกรเตอร์จึงบันทึกข้อมูลเอาไว้เพื่อให้ผู้ใช้สามารถนำข้อมูลนั้นมาทำการคำนวณใหม่ได้
  

ปัญหาเช่นนี้เกิดขึ้นเป็นประจำ แต่เนื่องจากเครื่องอินทิเกรเตอร์ที่เราใช้มันจะเก็บข้อมูลได้เพียงแค่การวัดครั้งสุดท้ายเพียงครั้งเดียว พอทำการวัดครั้งต่อไปข้อมูลเก่าจะถูกลบทิ้ง และเวลาใช้นั้นเรามักต้องทำการวัดต่อเนื่องกันหลายครั้ง ทางผมจึงมักจะแนะนำให้บันทึกข้อมูลตัวเลขของโครมาโทแกรมลงแผ่นดิสก์เอาไว้ เพื่อนำมาประมวลผลใหม่ด้วยโปรแกรมสำหรับใช้แยกพีค (เช่น fityk ที่กลุ่มเราใช้เป็นประจำ) ที่ใช้หาพื้นที่พีคของแต่ละพีคที่เหลื่อมซ้อนทับกันได้ดีกว่า 
  

ในกรณีของตัวอย่างที่ยกมานี้โดยส่วนตัวแล้วผมเห็นว่าผลการวิเคราะห์ที่น่าเชื่อถือมากกว่าคือผลที่ได้จากการฉีดครั้งที่ ๒ ในขณะที่ผลที่ได้จากการฉีดครั้งที่ ๑ และ ๓ นั้นแม้ว่าจะได้ค่าใกล้เคียงกัน แต่ก็เป็นค่าที่มีความคลาดเคลื่อนสูงทั้งคู่

ตัวอย่างที่ยกมาในวันนี้เป็นการแสดงให้เห็นว่า เสียงข้างมากก็ใช่ว่าจะถูกต้องเสมอไป เพราะมันอาจเกิดจากการทำผิดซ้ำเดิม ๆ

โครมาโทกราฟแยกสารได้อย่างไร MO Memoir : Wednesday 14 January 2558

เอกสารฉบับนี้จัดทำขึ้นเพื่อเป็นพื้นฐานสำหรับให้นิสิตทำความเข้าใจว่าเทคนิค Gas chromatograph หรือ Liquid chromatograph นั้นแยกสารที่ผสมกันอยู่ออกจากกันได้อย่างไร

การแยกสารด้วยเทคนิคโครมาโทกราฟนั้นอาศัยความสามารถในการดูดซับสารแต่ละชนิดที่อยู่ในเฟสเคลื่อนที่ (mobile phase) ได้ไม่เท่ากันของเฟสอยู่กับที่ (stationary phase) ซึ่งเฟสอยู่กับที่นี้อาจเป็นของแข็งหรือของเหลวที่ถูกของแข็งมีรูพรุนดูดซับเอาไว้ ถ้าเฟสเคลื่อนที่ (ที่มีสารที่ต้องการแยกละลายอยู่) มีสถานะเป็นของเหลว ก็จะเป็นเทคนิคที่เรียกว่า Liquid chromatograph ถ้าเฟสเคลื่อนที่มีสถานะเป็นแก๊ส ก็จะเป็นเทคนิคที่เรียกว่า Gas chromatograph
  

ในที่นี้เพื่อให้เห็นภาพจะขอยกตัวอย่างที่เป็นกรณีของแก๊สโครมาโทกราฟ
  

เริ่มจากรูปที่ ๑ สมมุติว่าเราต้นเรามีแก๊ส (mobile phase) ที่มีสาร A และสาร B อยู่ชนิดละ 1000000 หน่วย และเรานำเอาแก๊สนี้ไปบรรจุในภาชนะใบที่หนึ่ง (Stage 1) ที่บรรจุสารดูดซับ (stationary phase) เอาไว้ แล้วปล่อยให้สารดูดซับนั้นเกิดการดูดซับสาร A และ B จนเข้าสู่สภาวะสมดุล โดยสมมุติให้ที่สภาวะสมดุลนั้น อัตราส่วนความเข้มข้นของสาร A ในเฟสแก๊สและที่สารดูดซับดูดซับเอาไว้ได้คือ 3:1 และอัตราส่วนความเข้มข้นของสาร B ในเฟสแก๊สที่สารดูดซับดูดซับเอาไว้ได้คือ 1:3 ดังนั้นที่สภาวะสมดุล

ปริมาณสาร A ที่ถูกสารดูดซับดูดซับเอาไว้คือ = 250000

ที่ยังคงอยู่ในเฟสแก๊ส = 750000

ปริมาณสาร B ที่ถูกสารดูดซับดูดซับเอาไว้คือ = 750000

ที่ยังคงอยู่ในเฟสแก๊ส = 250000

 

รูปที่ ๑ นำแก๊สผสมที่ประกอบด้วยสาร A และ B ในปริมาณที่เท่ากันใส่ในภาชนะที่บรรจุสารดูดซับที่มีความสามารถในการดูดซับสาร A และ B ได้ไม่เท่ากัน สาร A ที่ถูกดูดซับได้น้อยกว่าจะคงค้างอยู่ในเฟสแก๊สได้มากกว่าสาร B ที่ถูกดูดซับได้มากกว่า

ต่อไปขอให้พิจารณารูปที่ ๒ สมมุติว่าเรานำเอาเฉพาะส่วนแก๊สจากภาชนะใบที่ 1 (Stage 1) ไปบรรจุในภาชนะใบที่สอง (Stage 2) ที่บรรจุสารดูดซับเช่นเดียวกันกับภาชนะใบที่หนึ่ง ในภาชนะใบที่หนึ่งนั้นเมื่อสาร A และ B หายไปจากเฟสแก๊ส สาร A และ B ที่ถูกตัวดูดซับดูดซับเอาไว้ก็จะระเหยออกมาจากตัวดูดซับ ส่วนในภาชนะใบที่สองนั้นสาร A และ B ในเฟสแก๊สจะถูกสารดูดซับที่บรรจุอยู่ในภาชนะใบที่สองดูดซับเอาไว้ และเมื่อการดูดซับในภาชนะทั้งสองใบนั้นเข้าสู่สภาวะสมดุล สัดส่วนการกระจายตัวของสาร A (ที่อยู่ในเฟสแก๊สต่อที่ถูกดูดซับเอาไว้ด้วยตัวดูดซับ) จะเท่ากับ 3:1 และในทำนองเดียวกัน สัดส่วนการกระจายตัวของสาร A (ที่อยู่ในเฟสแก๊สต่อที่ถูกดูดซับเอาไว้ด้วยตัวดูดซับ) จะเท่ากับ 1:3

 

รูปที่ ๒ (บน) เมื่อนำส่วนที่เป็นแก๊สจากภาชนะใบที่หนึ่งไปใส่ในภาชนะใบที่สอง (ล่าง) การกระจายตัวของสาร A และ B ในเฟสแก๊สและบนตัวดูดซับในภาชนะทั้งสอง เมื่อระบบเข้าสู่สภาวะสมดุล

ในขั้นตอนถัดไป (รูปที่ ๓) ถ้าเรานำเอาสาร A และ B ที่อยู่ในเฟสแก๊สออกจากภาชนะใบที่สอง ไปใส่ในภาชนะใบที่สาม (Stage 3 ที่บรรจุสารดูดซับเอาไว้เช่นเดียวกัน) จากนั้นก็ย้ายเอาสาร A และ B ที่อยู่ในเฟสแก๊สออกจากภาชนะใบที่หนึ่ง ไปใส่ไว้ในภาชนะใบที่สาม การกระจายตัวของสาร A และ B ในภาชนะทั้งสามใบก็จะเป็นดังรูปที่ ๓ (บน) ก่อน

 

รูปที่ ๓ (บน) เมื่อนำส่วนที่เป็นแก๊สจากภาชนะในที่สองไปใส่ในภาชนะใบที่สาม และนำส่วนที่เป็นแก๊สจากภาชนะในภาชนะใบที่หนึ่งไปใส่ในภาชนะใบที่สอง (ล่าง) การกระจายตัวของสาร A และ B ในเฟสแก๊สและบนตัวดูดซับในภาชนะทั้งสาม เมื่อระบบเข้าสู่สภาวะสมดุล
  

จากนั้นปล่อยให้ระบบในภาชนะทั้งสามทำการปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุล ส่วนหนึ่งของ A และ B ที่อยู่ในเฟสแก๊สในภาชนะใบที่สามจะถูกสารดูดซับดูดซับเอาไว้ และส่วนหนึ่งของ A และ B ที่ถูกดูดซับเอาไว้ในภาชนะใบที่หนึ่งจะระเหยออกมา ส่วนในภาชนะใบที่สองนั้น A ที่ถูกสารดูดซับดูดซับเอาไว้จะระเหยออกมาเพื่อเพิ่มสัดส่วนปริมาณ A ในเฟสแก๊สต่อของแข็งให้เป็น 3:1 และ B ที่อยู่ในเฟสแก๊สจะถูกสารดูดซับดูดซับเข้าไปเพื่อลดปริมาณ B ในเฟสแก๊สต่อของแข็งให้เหลือ 1:3 และเมื่อการดูดซับในภาชนะทั้งสามใบเข้าสู่สภาวะสมดุล ปริมาณสารต่าง ๆ ในแต่ละเฟสจะมีค่าดังแสดงในรูปที่ ๓ (ล่าง)
  

ตรงนี้ถ้าเราคำนวณสัดส่วนปริมาณของสาร A ที่อยู่ในเฟสแก๊สต่อที่ถูกดูดซับเอาไว้ จะมีค่าเท่ากับ 3:1 ในภาชนะทั้งสามใบ และในทำนองเดียวกันถ้าเราคำนวณสัดส่วนปริมาณของสาร B ที่อยู่ในเฟสแก๊สต่อที่ถูกดูดซับเอาไว้ จะมีค่าเท่ากับ 1:3 ในภาชนะทั้งสามใบ โดยที่ปริมาณรวมของสาร A (หรือ B) ในทุกภาชนะรวมกันมีค่าเท่ากับค่าเริ่มต้นคือ 1000000
  

ถ้าเราทำการคำนวณต่อโดยเพิ่มภาชนะใบที่สี่เข้ามา ย้ายส่วนที่เป็นแก๊สจากภาชนะใบที่สามไปใส่ในภาชนะใบที่สี่ จากนั้นย้ายส่วนที่เป็นแก๊สจากภาชนะใบที่สองมาใส่ในภาชนะใบที่สาม และย้ายส่วนที่เป็นแก๊สจากภาชนะใบที่หนึ่งมาใส่ในภาชนะใบที่สอง และทำการคำนวณการกระจายตัวของสาร A และ B ในภาชนะแต่ละใบ โดยสัดส่วนปริมาณของสาร A ที่อยู่ในเฟสแก๊สต่อที่ถูกดูดซับเอาไว้จะต้องมีค่าเท่ากับ 3:1 และสัดส่วนปริมาณของสาร B ที่อยู่ในเฟสแก๊สต่อที่ถูกดูดซับเอาไว้ จะต้องมีค่าเท่ากับ 1:3 ในภาชนะทั้งสี่ใบ จากนั้นก็เพิ่มภาชนะใบที่ห้าเข้ามาและทำซ้ำเดิมไปเรื่อย ๆ รูปที่ ๔ ข้างล่างเป็นกราฟผลการคำนวณเมื่อเพิ่มภาชนะจนถึงใบที่สิบ

รูปที่ ๔ การกระจายของสาร A และ B ใน Mobile phase และ Stationary phase หลังจากผ่านไป 10 ขั้นตอน
  

จากรูปที่ ๔ จะเห็นว่าในเฟสแก๊สนั้น A จะวิ่งนำหน้าสาร B และเมื่อทำการคำนวณซ้ำต่อไปเรื่อย ๆ จนถึงภาชนะใบที่ยี่สิบ ก็จะได้กราฟการกระจายตัวของสาร A และ B ในเฟสแก๊สและที่ถูกสารดูดซับดูดซับเอาไว้ในภาชนะต่าง ๆ ดังแสดงในรูปที่ ๕ ข้างล่าง พึงสังเกตว่าเมื่อเราเพิ่มจำนวนภาชนะให้มากขึ้น การเหลื่อมซ้อนทับกันของกราฟความเข้มข้นของสาร A และ B ในเฟสแก๊สนั้จะลดลง (ดูเส้นทึบสีส้มและสีเขียว) โดยที่กราฟการกระจายตัวนั้นจะมีลักษณะเป็นพีคที่เตี้ยลงไปเรื่อย ๆ แต่กว้างขึ้น ส่วนตารางที่ ๑ ที่แนบท้ายมานั้นเป็นตัวเลขผลการคำนวณ อันที่จริงผมคำนวณเอาไว้ถึง 20 ขั้นตอน แต่ตัดเอามาให้ดูเพียงแค่ 10 ขั้นตอนแรก
  

ถ้าเราคำนวณต่อไปเรื่อย ๆ เราจะพบว่าตำแหน่งยอดพีคของสาร A และ B นั้นจะมีการเคลื่อนตัวไปทางขวา และจะแยกห่างออกจากกัน ถ้าหากความสามารถของสารดูดซับในการดูดซับสาร A และ B นั้นแตกต่างกันมาก เราจะเห็นพีคสาร A และ B แยกออกจากกันอย่างรวดเร็ว แต่ถ้าแตกต่างกันน้อย จะพบว่าต้องมีจำนวนขั้นตอนที่มากขึ้นจึงจะเกิดการแยกกันอย่างชัดเจน แต่ละขั้นตอน (stage) ที่กล่าวในที่นี้เปรียบเสมือนความยาวคอลัมน์ที่ใช้ในการแยกสารนั่นเอง ยิ่งคอลัมน์ยาวมากขึ้นก็เปรียบเสมือนมีขั้นตอนมากขึ้น

รูปที่ ๕ การกระจายของสาร A และ B ใน Mobile phase และ Stationary phase หลังจากผ่านไป 20 ขั้นตอน

มาถึงจุดนี้หวังว่าคงจะพอมองภาพเห็นแล้วว่าทำไมสารที่เคลื่อนออกจากคอลัมน์ของแก๊สโครมาโทกราฟจึงมีลักษณะเป็นพีคที่มีการกระจายตัว แต่ในทางปฏิบัตินั้นพีคมักมีการลากหาง ซึ่งเรื่องนี้ได้อธิบายไว้แล้วใน Memoir ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๗๔๔ วันศุกร์ที่ ๗ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๗ เรื่อง "ทำไมพีคจึงลากหาง"

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๕ (ตอนที่ ๒๘) MO Memoir 2557 Feb 26 Wed

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog

เนื้อหาในเอกสารฉบับนี้เป็นภาพสรุปโครมาโทแกรมการวัดการเกิด N₂O

ทำไมพีคจึงลากหาง MO Memoir : Friday 7 February 2557

ผู้ที่ใช้เครื่องมือวิเคราะห์พวกโครมาโทกราฟ (chromatograph) หรือ Temperature Programmed Desorption (TPD) ต่าง ๆ (เช่น NH₃-TPD) มักพบว่าพีคที่ได้นั้นไม่ได้มีลักษณะเป็นพีค Gaussian ที่สมมาตร แต่มีลักษณะเป็นพีค Gaussian ที่ด้านขาขึ้นมักจะชันกว่าด้านขาลง หรือเป็นพีค Gaussian ที่ไม่สมมาตร (ดูรูปที่ ๑) หรือที่เรียกว่ามีการลากหาง
  

ถ้าเป็นผลจากการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคโครมาโทกราฟ การแปลผลว่าพีคที่ปรากฏนั้นเป็นของสารใดจะใช้เวลาที่สารนั้นหลุดออกมาจากคอลัมน์เป็นหลัก ส่วนพีคมันจะสมมาตรหรือไม่สมมาตรไม่ใช่ปัญหา ปัญหามันจะไปเกิดถ้าหากมีพีคของสารมากกว่าหนึ่งสารซ้อนทับกันอยู่ และต้องการแยกสัญญาณพีคนั้น (peak deconvolution) ว่าประกอบด้วยพีคย่อยกี่พีค ที่แต่ละพีคมีความสูงและความกว้างเท่าใด เพราะในการแยกสัญญาณพีคนั้น สิ่งแรกที่เราต้องทำก็คือกำหนดรูปร่างพีคด้วยฟังก์ชันที่เข้ากับสภาพพีคที่เป็นจริงมากที่สุด ซึ่งก็ควรเป็นฟังก์ชัน Gaussian ที่ไม่สมมาตร แต่ปัญหาที่พบเห็นประจำคือซอร์ฟแวร์ส่วนใหญ่นั้นจะใช้ฟังก์ชันเริ่มต้นเป็น Gaussian ที่สมมาตร ทำให้โครมาโทแกรมผลรวมที่เมื่อพิจารณาด้วยสายตาแล้วเห็นว่าควรมีพีคย่อยเพียงไม่กี่พีค เช่นแค่ 2 พีค แต่เมื่อทำ peak fitting ด้วยฟังก์ชัน Gaussian ที่สมมาตรกลับพบว่าต้องมีพีคย่อยเป็นจำนวนมากจึงจะสามารถปรับผลการทำ peak fitting เข้ากับข้อมูลจริงได้ ซึ่งไม่ถูกต้อง

 รูปที่ ๑ เส้นสีน้ำเงินแสดงพีค Gaussian ที่สมมาตร ส่วนเส้นสีส้มแสดงพีค Gaussian ที่ไม่สมมาตร ซึ่งเป็นลักษณะพีคการคายซับที่พบเห็นทั่วไปจากโครมาโทแกรมและการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค Temperature Programmed Desorption (TPD) ต่าง ๆ

 

สำหรับการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคตระกูล TPD ต่าง ๆ นั้น การแยกพีคด้วยฟังก์ชันที่ไม่เหมาะสมมักนำไปสู่การแปลผลการวิเคราะห์ที่ผิดพลาด ตัวอย่างเช่นในกรณีของ NH₃-TPD ที่บ่งบอกความแรงของตำแหน่งที่เป็นกรดบนพื้นผิวของแข็งด้วยพีค NH₃ ที่ปรากฏที่อุณหภูมิต่าง ๆ แม้ว่าพื้นผิวของแข็งนั้นจะมีตำแหน่งที่เป็นกรดที่มีความแรงอยู่เพียงชนิดเดียว แต่พีค NH₃ ที่คายออกมาจากตำแหน่งกรดเพียงชนิดเดียวนี้ก็มีลักษณะเป็นพีค Gaussian ที่ไม่สมมาตร

สาเหตุก็เพราะของแข็งที่ดูดซับ NH₃ นั้นเป็นของแข็งที่มีรูพรุน

รูปที่ ๒ แบบจำลองการคายโมเลกุลออกจากพื้นผิวของแข็ง รูปบนเป็นกรณีของของแข็งที่ไม่มีรูพรุน ส่วนรูปล่างเป็นกรณีของของแข็งที่มีรูพรุน โดยสมมุติให้พื้นผิวของแข็งดูดซับแก๊สเอาไว้ด้วยความแรงเท่ากันทุกตำแหน่ง

รูปที่ ๒ ข้างบนเป็นแบบจำลองเพื่อแสดงให้เห็นภาพ สมมุติว่าเรามีของแข็งที่มีตำแหน่งที่เป็นกรดที่มีความแรง (strength) เท่ากันหมดอยู่บนพื้นผิว เริ่มแรกนั้นเราให้พื้นผิวดูดซับโมเลกุล NH₃ จนอิ่มตัวก่อน จากนั้นจึงค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิของแข็งนั้นให้สูงขึ้น เมื่ออุณหภูมิสูงเพียงพอตำแหน่งที่เป็นกรดเหล่านี้จะคายโมเลกุล NH₃ ที่มันจับเอาไว้พร้อมกันทั้งหมด สำหรับของแข็งที่ไม่มีรูพรุนนั้น (รูปที่ ๒ บน) โมเลกุล NH₃ ที่หลุดออกมาจากพื้นผิวก็จะมาอยู่ในกระแสแก๊สที่ไหลผ่านทันที และจะถูกแก๊สพัดพาออกไปจากตัวของแข็ง โมเลกุล NH₃ ในกระแสแก๊สที่พัดพามันไปจะมีการกระจายความเข้มข้นเนื่องจากการแพร่ ทำให้ความเข้มข้นของ NH₃ ในกระแสแก๊สมีการกระจายแบบ Gaussian ที่สมมาตร
 

แต่ถ้าเป็นของแข็งที่มีรูพรุน (รูปที่ ๒ ล่าง) การดูดซับจะเกิดขึ้นทั้งตำแหน่งที่อยู่ใกล้ปากรูพรุนหรือภายในรุพรุน เมื่ออุณหภูมิสูงพอ ตำแหน่งเหล่านี้ก็จะปล่อยโมเลกุล NH₃ ออกจากพื้นผิวพร้อม ๆ กัน แต่ในกรณีของแข็งที่มีรูพรุนนี้ โมเลกุล ที่เดิมเกาะอยู่บนพื้นผิวด้านนอกหรือใกล้กับปากรูพรุนจะแพร่เข้าสู่เฟสแก๊สที่ไหลผ่านของแข็งและถูกพัดพาออกไป แต่โมเลกุลที่อยู่ในรูพรุนจะใช้เวลามากกว่าในการแพร่ออกมาถึงปากรูพรุนและเข้าสู่กระแสแก๊สที่ไหลผ่าน ยิ่งรูพรุนมีความลึกมาก (เช่นในกรณีของอนุภาคที่มีขนาดใหญ่) แม้ว่าโมเลกุล NH₃ ที่อยู่ที่ปากรูพรุนหรือที่ก้นรูพรุนจะหลุดออกมาจากพื้นผิวของแข็งที่อุณหภูมิเดียวกัน แต่โมเลกุล NH₃ ที่อยู่ลึกเข้าไปในรูพรุนจะใช้เวลาเดินทางมากกว่า ทำให้ได้พีคการกระจายความเข้มข้นมีลักษณะที่เป็นพีคที่ลากหาง (คือตอนขาขึ้นนั้นขึ้นเร็ว ในขณะที่ขาลงนั้นตกลงช้ากว่าและใช้เวลานานกว่าจะหมด แบบเส้นสีส้มในรูปที่ ๑)
 

รูปที่ ๓ ในหน้าถัดไปแสดงการทดสอบการทำ peak fitting กับพีค Gaussian ที่ไม่สมมาตร (เส้นสีส้มในรูปที่ ๑ ซึ่งมีตำแหน่งจุดสูงสุดอยู่ที่ x = 4.0 และความสูง 0.9) ด้วยการใช้ฟังก์ชัน Gaussian ที่สมมาตร พีค Gaussian ที่ไม่สมมาตรในที่นี้สร้างขึ้นจากฟังก์ชัน Gaussian ที่มีพารามิเตอร์ความกว้างด้านซ้ายและด้านขวาของจุดสูงสุดของพีคที่ไม่เท่ากัน โปรแกรมที่นำมาใช้ทำ peak fitting คือ fityk version 0.9.8 จะเห็นว่าต้องใช้ฟังก์ชัน Guassian ที่สมมาตรถึง 4 ฟังก์ชันจึงสามารถปรับผลรวมฟังก์ชันให้เข้ากับพีคตั้งต้นได้ แต่ถ้าใช้ฟังก์ชัน Guassian ที่ไม่สมมาตร (ในโปรแกรม fityk เรียกว่าฟังก์ชัน SplitGuassian) พบว่าจะใช้เพียงฟังก์ชันเดียว

รูปที่ ๓ ฟังก์ชันเส้นสีส้มในรูปที่ ๑ เมื่อนำไปทำ peak deconvolution ด้วยโปรแกรม fityk 0.9.8 และใช้ฟังก์ชัน Gaussian ในการทำ peak fitting พบว่าต้องใช้ฟังก์ชัน Gaussian ถึง 4 ฟังก์ชันเพื่อจะปรับให้เข้ากับข้อมูล แต่ถ้าใช้ฟังก์ชัน Gaussian ที่ไม่สมมาตร (โปรแกรมดังกล่าวเรียก SplitGaussian) พบว่าจะใช้เพียงฟังก์ชันเดียวเท่านั้น

การที่สารที่อยู่ในรูพรุนต้องใช้เวลาในการแพร่ออกมาสู่ของไหลที่ไหลผ่านอยู่ภายนอกก็เป็นคำอธิบายว่าทำไมในการวิเคราะห์ด้วยเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ เวลาที่ใช้ packed column ที่ใช้อนุภาคขนาดใหญ่ พีคที่ได้จึงมีการลากหางมาก แต่พอเป็น capillary column กลับได้พีคที่มีความแหลมคมมาก เพราะ capillary column นั้นไม่ได้ใช้อนุภาคของแข็งที่มีการกระจายขนาดอนุภาคในการดูดซับอย่างที่ packed column ใช้ แต่ใช้ชั้นฟิล์มที่มีความบางกว่ามากและมีความสม่ำเสมอมากกว่า สำหรับแก๊สโครมาโทกราฟ เราสามารถลดการลากหางได้ด้วยการเพิ่มอุณหภูมิของ oven ให้ไต่ขึ้นเรื่อย ๆ ในระหว่างการวิเคราะห์

แต่ก็มีเหมือนกันที่จะเห็นพีคที่ปรากฏในโครมาโทแกรมที่มีด้านขาขึ้นลาดชันน้อยกว่าด้านขาลง เช่นในกรณีของพีคขนาดเล็กจาก capillary column ที่ออกมาในขณะที่มีการเพิ่มอุณหภูมิคอลัมน์ให้สูงขึ้นอย่างต่อเนื่องในระหว่างการวิเคราะห์