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

การแก้ปัญหา packing ในคอลัมน์ GC อัดตัวแน่น (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๔๗) MO Memoir : Wednesay 19 June 2556

ผมผัดผ่อนไว้หลายวันว่าจะลงไปดูปัญหาความดันขาเข้าของ carrier gas แกว่งไปมาของเครื่อง GC-8A ที่สาวเมืองขุนแผนใช้อยู่ เพิ่งจะมีบ่ายวันนี้ที่มีเวลาว่างลงไปดูแล

  

เครื่องนี้เราใช้ packed column ทำจากแก้ว ปัญหาที่ได้รับแจ้งมาคือปรกติความดัน carrier gas ด้านขาเข้าจะตั้งไว้ที่ 75 kPa แต่พบว่าในบางช่วงขณะนั้น (เช่นตอนที่เพิ่มอุณหภูมิ oven) จะเห็นความดันด้านขาเข้ากระโดดสูงขึ้น และตกกลับลงมา และก็มีปัญหาเวลาที่พีคออกมานั้นเปลี่ยนแปลงไป (ออกมาช้าลง)

  

สิ่งที่สงสัยว่าจะเป็นสาเหตุคือ packing ในคอลัมน์ GC นั้นเมื่อผ่านการใช้งานไปนาน ๆ จะอัดตัวกันแน่นขึ้น โดยตัว packing เองนั้นจะถูกความดันแก๊สด้านขาเข้าดันให้เคลื่อนตัวไปยังด้านขาออก แต่เนื่องจาก packing ไม่สามารถเคลื่อนตัวออกจากคอลัมน์ได้ จึงทำให้เกิดการอัดตัวกันแน่นขึ้นเรื่อย ๆ และเมื่อใช้อุณหภูมิการวิเคราะห์ที่สูง carrier gas จะไหลผ่านได้ยากขึ้น (แก๊สร้อนจะมีความหนืดสูงกว่าแก๊สที่เย็นกว่า) สิ่งที่จะเกิดก็คือเมื่อแก๊สไหลผ่านคอลัมน์ได้ไม่สะดวก จะทำให้ความดันด้านขาออกของ pressure regulator (ที่เราใช้ปรับความดันแก๊สจ่ายเข้าคอลัมน์ โดยความดันด้านขาอออกของ pressure regulator ก็คือความดันด้านขาเข้าคอลัมน์) เพิ่มสูงขึ้น 

   

เมื่อความดันด้านขาออกจาก pressure regulator เพิ่มสูงขึ้น สิ่งที่ pressure regulator ทำก็คือมันจะปิดตัวเองลง และปล่อยให้ด้านขาออกนั้นความดันตกลงเข้าหาระดับที่ตั้งไว้ ในขณะที่ความดันด้านขาออกลดลงมันก็จะเปิดตัวขึ้นเพื่อรักษาความดันด้านขาออกให้อยู่ในระดับที่กำหนด แต่ผลที่ตามมาก็คือที่ความดันเดียวกัน อัตราการไหลของ carrier gas ผ่านคอลัมน์จะไม่เท่ากัน โดยคอลัมน์ที่มีการอัดตัวแน่นขึ้นจะมีแก๊สไหลผ่านช้าลง จะทำให้เห็นว่าพีคออกมาช้าลงแม้ว่าจะตั้งความดันแก๊สเข้าคอลัมน์ไว้เท่ากัน 

   

(พีคจะออกเร็วหรือช้าขึ้นกับอัตราการไหลของ carrier gas ผ่านคอลัมน์ ส่วนอัตราการไหลของ carrier gas ผ่านคอลัมน์ขึ้นอยู่กับความดันด้านขาเข้าคอลัมน์ อุณหภูมิแก๊ส และระดับการอัดตัวแน่นของ packing ที่ความดันขาเข้าเดียวกัน ที่อุณหภูมิสูง หรือ packing อัดตัวแน่นสูง carrier gas จะไหลช้าลง)

  

ปรกติถ้าเป็น packed column ที่ทำจากโลหะ และถ้าตัวคอลัมน์นั้นไม่ได้สวมเข้ากับ injector port หรือ detector port ของเครื่อง GC โดยตรง (packed column ของเครื่อง GC Shimadzu ที่เราใช้อยู่จะเป็นแบบนี้) ก็เคยใช้วิธีกลับด้านคอลัมน์ โดยเปลี่ยนเอาด้านที่เคยต่ออยู่กับ detector port มาต่อเข้ากับ injector port และเอาด้านที่เคยต่อกับ injector port มาต่อเข้ากับ detector port ก็พบว่ามันแก้ปัญหาได้ แต่ถ้าตัวคอลัมน์นั้นมีรูปทรงที่ต้องต่อเข้ากับ injector port และ detector port โดยตรงและไม่สามารถสลับด้านได้ ก็จะใช้วิธีถอดคอลัมน์นั้นออกมา และต่อด้าน detector port เข้ากับถังแก๊ส และเปิดแก๊สอัดให้ไหลย้อนทางลงไป (ค่อย ๆ เปิดเพิ่มความดันทีละน้อย ๆ)

  

คอลัมน์ที่เป็นปัญหานั้นเป็นคอลัมน์แก้ว และต่อเข้ากับ injector port และ detector port โดยตรง และไม่สามารถสลับด้านกันได้ (ปลายทั้งสองด้านยาวไม่เท่ากัน) คอลัมน์ตัวนี้ผ่านการใช้งานจน packing ในคอลัมน์เคลื่อนตัวไปจนติดด้าน detector port (ดูรูปที่ ๑) ตอนแรกก็กะว่าถอดคอลัมน์ออกมาก่อน จากนั้นก็จะใช้วิธีต่อท่อแก๊สเข้าทางด้าน detector port และเปิดแก๊สอัดให้ packing เคลื่อนตัวถอยหลังออกไป แต่พอคลายนอตยึดตัวคอลัมน์กลับพบว่า ferrule ด้าน detector port นั้นติดแน่นกับตัวข้อต่อของ detector port (ดูรูปที่ ๒) ก็เลยไม่อยากเสี่ยงที่จะออกแรงดึงหรือบิดมากเกินไป ด้วยเกรงว่าจะทำให้คอลัมน์แตก (จะกลายเป็นปัญหาใหญ่ขึ้นทันที)

 

รูปที่ ๑ ด้านซ้ายเป็นด้าน injector port จะเห็นว่าความดัน carrier gas ด้านขาเข้าดันจน packing เคลื่อนตัวต่ำลงไป (ตามเส้นสีแดง) ส่วนด้านขาออกนั้น packing ถูกดันไปจนสุดคอลัมน์

รูปที่ ๒ ferrule ด้าน detector port (ในกรอบสี่เหลี่ยม) ที่ติดแน่น

 

เมื่อลองดูโครงสร้างของ GC แล้วก็พบว่าไม่สามารถจะต่อท่อแก๊สเข้าด้าน detector port ได้ เพราะนั่นหมายถึงต้องทำการถอดชุด FID ออกมา ก็เลยมองหาทางเลือกอื่นคือจะลอง "ดูด" ทางด้าน injector port ดู เผื่อว่าจะทำให้ตัว packing เคลื่อนตัวถอยหลังออกมาได้

 

สิ่งที่ทดลองทำก็คือไปเอา syringe ที่กลุ่ม DeNOx ใช้ในการเก็บตัวอย่างแก๊สมาต่อเข้ากับ injector port ของเครื่อง GC (รูปที่ ๓) แล้วก็ดูดอากาศให้มันไหลเข้าทาง detector port โดยหวังว่าแรงดันอากาศจะช่วยดันให้ packing ลดการอัดตัวละมีการเคลื่อนตัวถอยหลังบ้าง ซึ่งก็พบว่าในช่วงแรก packing ก็มีการเคลื่อนตัวถอยหลังได้ดี แต่ก็เฉพาะบริเวณที่อยู่ใกล้ injector port (ด้านออกแรงดูด) ส่วนบริเวณที่อยู่ห่างออกไปนั้นแทบไม่มีการขยับตัว เกิดเป็นช่องว่างระหว่างกลาง ต้องใช้การเคาะเบา ๆ ช่วยตรงช่องว่างระหว่างกลางนั้นในระหว่างที่ทำการดูด ซึ่งก็พบว่าสามารถช่วยให้ packing ที่อยู่ตรงช่องว่างนั้นเคลื่อนตัวถอยหลังได้ดีขึ้น แม้ว่าจะเพียงเล็กน้อยก็ตาม ค่อย ๆ ดูดและเคาะคอลัมน์เบา ๆ ไปเรื่อย ๆ เสียเวลาทำดังกล่าวกว่าชั่วโมง ช่องว่างที่เกิดขึ้นก็เคลื่อนตัวไปอยู่ใกล้ทางด้าน detector port แสดงว่าการอัดตัวของ packing ทางด้าน detector port นี้ได้ลดลงแล้ว สังเกตได้จากการที่ packing ทางด้าน detector port มีการเคลื่อนตัวถอยหลังเมื่อทำการดูดด้าน injector port

รูปที่ ๓ การต่อ syringe เข้ากับ injector port เพื่อทำการดูดให้ packing เคลื่อนตัวย้อนกลับ

  

รูปที่ ๔ แสดงคอลัมน์หลังสิ้นสุดการดูด จะเห็นว่า packing ทางด้าน injector port นั้นมีการเคลื่อนตัวกลับมายัง injector port (ดูในกรอบสีแดงเทียบกับรูปที่ ๑) แต่เมื่อทำการต่อคอลัมน์คืนเดิมและเปิด carrier gas เข้าระบบก็พบว่า packing ทางด้าน injector port นั้นมีการเคลื่อนตัวต่ำลงไปเล็กน้อย แต่ไม่ถึงระดับของรูปที่ ๑

รูปที่ ๔ คอลัมน์หลังสิ้นสุดการดูด จะเห็น packing ด้าน injector port มีการเคลื่อนตัวถอยหลังกลับ (ในกรอบสีแดง)

รูปที่ ๕ เมื่อเปิด carrier gas เข้าคอลัมน์ จะเห็น packing ถูกดันกลับไปข้างหน้า (ในกรอบสีแดง)

สิ่งต่อไปที่ผมได้ให้สาวเมืองขุนแผนทดสอบก็คือ ทำการฉีดสารมาตรฐานโดยใช้ภาวะเดียวกันที่เคยทำไว้ก่อนที่จะมีปัญหาคอลัมน์ (เช่นใช้โทลูอีนหรือเอทานอล) การทดสอบนี้กระทำไปเพื่อทดสอบดูว่าเราสามารถลดการอัดตัวของคอลัมน์ได้มากแค่ไหน โดยดูจากเวลาที่พีคของสารมาตรฐานนั้นออกมาจากคอลัมน์ ที่ความดันขาเข้าเดียวกัน ถ้าเราสามารถลดระดับการอัดตัวของคอลัมน์มาอยู่ที่ระดับเดิมได้ เวลาที่สารมาตรฐานนั้นออกมาก็จะเท่าเดิม แต่ถ้าระดับการอัดตัวนั้นลดต่ำกว่าของเดิม เวลาที่สารมาตรฐานออกมานั้นจะเร็วขึ้น (เพราะ carrier gas ไหลได้เร็วขึ้น) แต่ถ้าระดับการอัดตัวหลังการลดระดับนั้นยังคงสูงกว่าระดับเดิม เวลาที่สามาตรฐานออกมาก็จะยังคงช้ากว่าเดิม

เย็นนี้ทราบผลการทดสอบเบื้องต้นว่าระบบกลับมาเหมือนเดิมแล้ว สิ่งที่ต้องคอยตามกันต่อไปก็คือมันจะคงอยู่เหมือนเดิมได้นานเท่าไร

เหลือแก๊สใช้ได้นานอีกเท่าไหร่ (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๔๖) MO Memoir : Thursday 30 May 2556

"อย่าใช้ความกลัวบอกว่ามันไม่พอซิ ทำไมไม่ใช้ความรู้ที่มีอยู่คำนวณออกมาล่ะว่ามันยังเหลืออยู่อีกเท่าไหร่"

  

ผมบอกกับสาวโชเฟอร์สิบล้อเมื่อเช้าวันวาน ไม่รู้ว่าเขาจะฟังข้อความได้หมดหรือเปล่า เพราะดูเหมือนว่าตอนนั้นเขาจะคุมสติไม่ค่อยจะอยู่

เรื่องมันเริ่มจากการที่เขาเปิดเครื่อง GC-2014 ECD & PDD ไปสักพัก แล้วค่อยมาเห็นว่าเข็มวัดความดันภายในถังของมันไม่กระดิกขึ้น แต่ความดันด้านขาออกนั้นยังปรับขึ้นได้อยู่ (รูปที่ ๑) ก็เลยจะปิดเครื่อง GC แล้วทำท่าออกอาการเหมือนกับจะตายเอาว่าอุตสาห์มาทำแลปแต่เช้า แต่ดันไม่มีแก๊สให้ทำแลป

รูปที่ ๑ เกจวัดความดันของ pressure regulator ถังแก๊สฮีเลียมที่เป็นปัญหาเมื่อเช้าวันวาน

เกจวัดความดันในถังของ pressure regulator มันออกแบบมาวัดความดันสูง จากรูปจะเห็นว่ามันไปได้ถึง 270 bar แต่ในความเป็นจริงแก๊สที่ส่งมามักจะบรรจุมาเพียง 125 bar หรือเทียบเท่าแก๊สประมาณ 6 m³ ที่ความดันบรรยากาศ 

   

ทีนี้พอใช้งานไปเรื่อย ๆ จนความดันในถังลดลงเหลือประมาณ 10 bar เข็มแสดงความดันภายในถังมันก็แทบจะไม่กระดิกให้เห็นแล้ว ถ้าอยากรู้ว่าความดันในถังเหลือเท่าไรก็ทำได้โดยการปิดวาล์วด้านขาออก แล้วลองหมุน pressure regulator ไปเรื่อย ๆ เราก็จะเห็นเข็มชี้วัดความดันด้านขาออกมันเพิ่มขึ้น มันเพิ่มได้แค่ไหนก็แสดงว่าความดันในถังมันเหลือแค่นั้น

  

เราสามารถประมาณได้ว่าเราเหลือแก๊สในถังให้ใช้ได้อีกเท่าไรโดยคำนวณจากค่าความดันในถังและปริมาตรของถัง ค่าความดันในถังหาได้อย่างไรก็ทำตามย่อหน้าข้างบน ส่วนปริมาตรภายในถังก็ดูที่บริเวณหัวถังจะมีการตอกตัวเลขเอาไว้ ดังที่แสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่าง

รูปที่ ๒ ที่แต่ละถังจะมีการตอกตัวเลขแสดงค่าต่าง ๆ เอาไว้ ที่ถ่ายรูปมาตัว V คือตัวระบุปริมาตรภายใน หน่วยเป็นลิตร สำหรับถังนี้คือ 47.5 ลิตร ส่วนตัว W ระบุน้ำหนักของถังเปล่า หน่วยเป็นกิโลกรัม สำหรับถังนี้คือ 54.2 กิโลกรัม

สำหรับถังที่มีปริมาตร 47.5 ลิตร ที่ความดันภายในถังประมาณ 10 bar เราก็จะมีแก๊สใช้งานคิดเป็นปริมาตรประมาณ 475ลิตรที่ความดันบรรยากาศ สำหรับเครื่อง GC-2014 ECD & PDD นั้น ในขณะนี้เราตั้งความดันด้านขาออกของ pressure regulator ไว้ที่ 5 bar แต่ตัวเครื่องนั้นจะมี pressure regulatorปรับความดันเพื่อไว้สำหรับปรับอัตราการไหลของ carrier gas ซึ่งในขณะนี้เราตั้งไว้ที่ประมาณ 1.5 bar ส่วนตัว PDD นั้นต้องการ purge gas ที่การอัตราไหลขั้นต่ำ 30 ml/min แต่ตรงนี้ตัวเครื่องจะมี restriction orifice ติดตั้งอยู่กับท่อ purge gas ของ PDD ซึ่งจะจำกัดการไหลไว้ที่ประมาณ 30 ml/min ส่วนตัวคอลัมน์ที่ต่ออยู่กับ PDD นั้นเป็นชนิด micro packed columne (OD 1/8") ผมประมาณค่าอัตราการไหลสูงสุดจากความดันที่ตั้งเอาไว้เผื่อเอาไว้ให้อย่างมากไม่เกิน 20 ml/min ดังนั้น GC เครื่องนี้จึงน่าจะใช้แก๊สฮีเลียมในอัตราประมาณ 50 ml/min หรือ 72 ลิตรต่อวันที่ความดันบรรยากาศ (ถ้าเปิดเครื่องทิ้งไว้ 24 ชั่วโมง)

  

ถ้าเราจะใช้แก๊สจนความดันในถังลดลงเหลือ 5 bar เราก็ต้องดึงแก๊สออกมาคิดเป็นปริมาตร 475/2 = 237.5 ลิตรที่ความดันบรรยากาศ ดังนั้นเราจะสามารถใช้แก๊สต่อไปได้อีก 237.5/72 = 3.3 วันหรือต่อเนื่องเป็นเวลา 79 ชั่วโมง ซึ่งก็เป็นเวลาที่เหลือเฟือสำหรับการสั่งแก๊สถังใหม่และได้ถังใหม่มาเปลี่ยน และโดยปรกติเรามักจะเปิดเครื่องประมาณ 12 ชั่วโมงต่อวัน ดังนั้นเราจะยังสามารถใช้แก๊สในถังดังกล่าวต่อไปได้อีกร่วมสัปดาห์

เรื่องตรงนี้มันไม่มีอะไรซับซ้อนเลย เพียงแต่ตั้งสติและใช้ความรู้พื้นฐานที่ได้เรียนมาแล้วก็จะหาคำตอบเองได้

GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๖ ผลกระทบจากการขยับตัวของวาล์วฉีดแก๊สตัวอย่าง MO Memoir : Saturday 1 December 2555

เราพบปัญหานี้เมื่อเริ่มให้นิสิตรหัส ๕๔ มาใช้เครื่อง GC-2014 FPD ใหม่อีกครั้ง

เมื่อทดลองฉีด SO₂ เข้าไปในตอนแรก ปรากฏว่าได้พีคที่เตี้ยและลากหางยาวไปพักหนึ่ง แล้วก็เกิดไหล่ที่ลดต่ำลงกระทันหัน (เส้นสีดำที่มีลูกศร (๑) กำกับในรูปที่ ๒ ที่อยู่ในหน้าสุดท้าย) ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับผลการวิเคราะห์ก่อนหน้านี้ก็เห็นได้ชัดว่ามันผิดแปลกไปจากเดิม

หลังจากที่วิเคราะห์หาสาเหตุของปัญหาอยู่พักหนึ่ง ก็ได้ทดลองให้เปลี่ยนเวลาปรับตำแหน่งวาล์วฉีดแก๊สตัวอย่าง คือจากเดิมที่ให้ฉีดสารตัวอย่างที่เวลา 0.01 นาที และหมุนกลับคืนสู่ตำแหน่งเก็บแก๊สตัวอย่างที่เวลา 2.00 นาที โดยคงเวลาการฉีดแก๊สตัวอย่างไว้ที่เวลา 0.01 นาทีเหมือนเดิม และทดลองปรับเวลาหมุนกลับคืนสู่ตำแหน่งเก็บแก๊สตัวอย่างมาเป็น 1.00 นาทีและ 20 วินาที (0.33 นาที)

ปรากฏว่าได้เส้นโครมาโทแกรมที่เปลี่ยนไป โดยตำแหน่งที่เป็นไหล่นั้นร่นใกล้เข้ามาและราบเรียบขึ้น

รูปที่ ๑ (บน) คอลัมน์ที่ใช้ในการวิเคราะห์ SO₂ และ SO₃ มีขนาด OD 1/16" ID 1 mm (ล่าง) ปลายด้านต่อเข้า detector ยังต้องผ่าน reducer ลดขนาดท่อลงเหลือ 1/32" อีก

สาเหตุดังกล่าวคาดว่าเกิดจากคอลัมน์ที่เราใช้นั้นมีขนาดเล็ก (ดังแสดงในรูปที่ ๑) และตัววาล์วฉีดสารตัวอย่างนั้น เมื่อขยับมาอยู่ที่ตำแหน่งฉีดแก๊สตัวอย่างจะทำให้ความต้านทานการไหลของ carrier gas สูงกว่าเมื่ออยู่ที่ตำแหน่งเก็บแก๊สตัวอย่าง ทำให้อัตราการไหลของ carrier gas ลดต่ำลงเมื่อวาล์วขยับมาอยู่ที่ตำแหน่งฉีดแก๊สตัวอย่าง

ดังนั้นเมื่อเราขยับวาล์วกลับคืนสู่ตำแหน่งเก็บแก๊สตัวอย่างเร็วขึ้น แก๊สตัวอย่างจึงถูกพัดพาออกจากคอลัมน์ได้เร็วขึ้น พีคจึงดูแหลมขึ้นและส่วนที่เป็นไหล่ก็ดูราบเรียบขึ้น

คำถามก็คือเราควรจะขยับวาล์วกลับคืนสู่ตำแหน่งเก็บแก๊สตัวอย่างที่เวลาเท่าใด

คำตอบก็คือหลังจากที่มั่นใจว่า carrer gas พัดพาเอาแก๊สตัวอย่างใน sampling loop ออกไปจนหมดแล้ว ซึ่งเวลาตรงนี้ขึ้นอยู่กับขนาดของ samplig loop และอัตราการไหลของ carrier gas

ในกรณีนี้เราใช้ sampling loop ขนาด 0.1 ml และอัตราการไหลของ carrier gas 15 ml/min ดังนั้นถ้าให้วาล์วคงอยู่ที่ตำแหน่งฉีดตัวอย่างนาน 20 วินาทีก็จะมี carrier gas ไหลผ่าน sampling loop เป็นปริมาตร 5 ml หรือ 50 เท่าของปริมาตร samplig loop ซึ่งก็ถือได้ว่ามากพอที่จะพัดพาเอาแก๊สตัวอย่างออกจาก samplig loop จนหมด

แต่ยังมีอีกจุดที่ผมสงสัยอยู่ก็คือ เครื่อง GC-2014 FPD เครื่องนี้เรามีระบบควบคุมอัตราการไหลของ carrier gas ไม่ใช่หรือ ดังนั้นถ้าหากความต้านทานการไหลเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลให้อัตราการไหล carrier gas ลดต่ำลง ตัวเครื่องก็ควรที่จะปรับเพิ่มความดัน carrier gas เข้าระบบเพื่อให้ได้อัตราการไหลคงเดิม

แต่สิ่งที่พบปรากฏว่าอัตราการไหลมีการเปลี่ยนแปลง ซึ่งก็อาจเป็นเพราะ

 

(ก) ระบบปรับความดันเพื่อปรับอัตราการไหลนั้นเสีย แต่ผมยังไม่คิดว่าจะเป็นด้วยสาเหตุนี้ หรือ

 

(ข) ความดันด้านขาเข้าที่จ่ายให้กับ carrier gas นั้นต่ำเกินไป แม้ว่าระบบจะเพิ่มความดันจนเต็มที่แล้วก็ยังไม่สามารถปรับอัตราการไหลให้คงเดิมได้ ซึ่งผมสงสัยว่าปัญหานั้นเกิดจากสาเหตุนี้หรือเปล่า ซึ่งถ้าเป็นเช่นนี้เราก็ควรแก้ไขด้วยการเพิ่มความดันที่จ่ายให้กับ carrier gas ให้สูงขึ้น (ความดันแก๊สเข้าเครื่อง ไม่ใช่ความดันที่ pressure regulator ที่หัวถังแก๊ส)

ดังนั้นถ้าจะใช้เครื่อง GC-2014 FPD นี้อีกครั้งเมื่อใด ก็ขอให้ช่วยตรวจสอบตรงนี้ด้วย

รูปที่ ๒ โครมาโทแกรมแสดงพีค SO₂ ตรงตำแหน่งไหล่ (ลูกศรชี้) คือผลที่เกิดจากการเปลี่ยนตำแหน่งวาล์วฉีดสารตัวอย่าง จากตำแหน่ง "ฉีด" ตัวอย่างมาเป็น "เก็บ" ตัวอย่าง ซึ่งพบว่าตำแหน่งนี้เปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่งเวลาที่สั่งให้วาล์วฉีดตัวอย่างขยับตัว ไม่ได้เป็นสิ่งที่เกิดจากการที่มีพีคขนาดเล็กซ้อนอยู่บนส่วนหางพีคขนาดใหญ่แต่อย่างใด

การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๔๑ เมื่อปรับความดัน carrier gas ไม่ได้ MO Memoir : Tuesday 6 November 2555

เรื่องสไตล์เดิม ๆ เกิดซ้ำ ๆ ขึ้นอยู่กับว่าจะมาสงสัยเอาตอนไหน

เหตุการณ์ทำนองเดียวกับที่เกิดขึ้นเมื่อเช้าวันวานเคยเล่าเอาไว้แล้วใน Memoir ก่อนหน้านี้สองฉบับคือ

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๔๖ วันพฤหัสบดีที่ ๒๐ มกราคม ๒๕๕๔ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๐ เมื่อพีค GC หายไป"

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๖๕ วันอังคารที่ ๑ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๕ เมื่อพีค GC ออกมาผิดเวลา"

ที่แตกต่างกันคือตอนที่รู้ว่ามันมีเรื่องผิดปรกตินั้น เขารู้จากข้อมูลที่แตกต่างกัน แต่ทุกเรื่องมีสาเหตุมาจากเรื่องเดียวกัน คือ "การรั่วไหลของ carrier gas ก่อนเข้าคอลัมน์"

เมื่อวานตอนเช้าระหว่างที่ทางสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนที่ ๓) (อันที่จริงเรายังมีคนที่ ๔ ๕ และ ๖ อีก) ทำการเปิดเครื่อง Shimadzu GC-8A FID ให้กับน้องซีเนียร์โปรเจตนั้น เขาก็มาถามผมว่าไม่สามารถปรับความดัน carrier gas ให้สูงขึ้นได้ ผมก็เลยไปตรวจดู

รูปที่ ๑ เกจย์วัดความดันของ pressure regulator ของแก๊สที่ไหลเข้า GC-8A FID ของเรา

ระบบ GC-8A ของเรานั้น carrier gas ที่ออกมาจากถัง N₂ นั้นจะถูกลดความดันลงก่อนด้วย pressure regulator ที่ต่ออยู่กับหัวถังแก๊ส และเมื่อแก๊สดังกล่าวไหลเข้าเครื่อง ก็จะต้องผ่าน pressure regulator ที่ระบุว่า PRIMARY (ดูรูปที่ ๑) ตัวนี้ลดความดันลงอีกที และความดันแก๊สที่ไหลเข้าคอลัมน์นั้นจะถูกลดลงอีกครั้งด้วย pressure regulator ที่ระบุว่า CARRIER GAS 1 และ CARRIER GAS 2 ซึ่งใช้เป็นตัวปรับอัตราการไหลของ carrier gas ที่ไหลผ่านคอลัมน์ที่ต่ออยู่กับ port 1 และ port 2 ตามลำดับ

ตอนแรกที่ผมไปดูนั้นเห็นความดัน primary นั้นต่ำอยู่ ก็เลยลองไปหมุนปรับให้เพิ่มความดัน แต่พบว่าไม่สามารถเพิ่มได้ ก็เลยลองไปตรวจดูความดันที่ถังแก๊ส พบว่าเกจวัดความดันทั้งด้านความดันสูงและด้านความดันต่ำนั้นต่ำผิดปรกติ ก็เลยตรวจสอบดูว่าวาล์วหัวถังแก๊สเปิดอยู่หรือไม่ ที่พบก็คือวาล์วหัวถังแก๊สปิดอยู่

ผมสงสัยว่าในการปิดเครื่องก่อนหน้านี้อาจจะไม่รอให้ความดันในระบบท่อลดลงก่อน จึงทำให้แม้ว่าปิดวาล์วหัวถังแก๊สแล้ว ความดันในท่อแก๊สที่อยู่ระหว่างวาล์วหัวถังแก๊สและ pressure regulator นั้นอยู่ที่ระดับเดียวกันกับความดันในถัง และความดันในระบบท่อด้านขาออกจาก pressure regulator ไปยังเครื่อง GC นั้นค้างอยู่ที่ระดับความดันด้านขาออกในระหว่างการใช้งานปรกติ ดังนั้นถ้าเราไม่ได้ตรวจสอบว่าในความเป็นจริงแล้ววาล์วหัวถังและ pressure regulator นั้นเปิดอยู่จริงหรือไม่ เราก็อาจหลงเข้าใจได้ว่าวาล์วหัวถังและ pressure regulator นั้นเปิดอยู่ (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ)

รูปที่ ๒ วาล์วหัวถังแก๊สและ pressure regulator ที่หัวถังแก๊ส

เวลาที่เราไปปิดวาล์วหัวถังแก๊สและปิดระบบการไหลด้านขาออกของแก๊สโดยที่ไม่มีการลดความดันในท่อแก๊สด้านขาออกลงเหลือศูนย์นั้น สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ pressure regulator จะปิดตัวเองเพื่อป้องกันไม่ให้ความดันแก๊สด้านขาออกเพิ่มสูงขึ้น ซึ่งถ้า pressure regulator ปิดได้สนิทก็ไม่น่าจะเกิดปัญหาอะไร แต่โดยหลักแล้วเราไม่ควรคาดหวังว่า pressure regulator จะปิดได้สนิท เพราะมีโอกาสอยู่เสมอที่ pressure regulator ไม่สามารถปิดได้สนิท ทำให้มีแก๊สด้านความดันสูงค่อย ๆ รั่วไปสะสมในด้านความดันต่ำ ถ้าระบบท่อด้านความดันต่ำไม่สามารถทนความดันสูงดังกล่าวได้ก็จะเกิดความเสียหายได้ หรือไม่ก็เกจวัดความดันด้านขาออกนั้นขึ้นจนสุดสเกล (หมุนรอบไปจนติดอีกฝั่งหนึ่ง) ทำให้เกจวัดความดันด้านขาออกเกิดความเสียหาย

ตรงข้อต่อระหว่างวาล์วหัวถังแก๊สและ pressure regulator นั้นแม้ว่าจะมีปริมาตรเล็กน้อยก็จริง แต่การที่แก๊สในปริมาตรดังกล่าวมีความดันสูงมาก และความต้องการ carrier gas ของเครื่อง GC ก็ไม่ได้สูง ทำให้แม้ว่าวาล์วหัวถังแก๊สจะปิดอยู่ และมีการเปิด pressure regulator ให้แก๊สไหลเข้าเครื่อง GC เกจวัดความดันสูงก็จะยังไม่ตกลงให้เห็นทันที จะใช้เวลาสักพักแล้วค่อยลดลง

ต้นตอของปัญหาที่เกิดเมื่อเช้าวันวานตอนแรกพบว่าเกิดขึ้นที่นี่

พอเปิดวาล์วหัวถังแก๊สและปรับความดันด้านขาออกของ pressure regulator ให้สูงพอ ก็พบว่าให้กลายเป็น 380 kPa เท่าที่ใช้ตามปรกติได้ แต่กลับพบว่าไม่สามารถเพิ่มความดัน CARRIER GAS 2 ให้สูงขึ้นได้

ลักษณะเช่นนี้เกิดจากการที่ด้านขาออกนั้นไม่มีความต้านทานการไหล หรือความต้านทานการไหลต่ำมาก ซึ่งเป็นเรื่องปรกติถ้าเป็นการระบายแก๊สออกสู่บรรยากาศ 

 

แต่ในกรณีของเรานั้นเรามี packed column อยู่ทางด้านขาออก ซึ่ง packed column นั้นมีความต้านทานการไหลที่สูง ดังนั้นการที่พบว่าไม่สามารถความดันด้านขาออกจาก regulator CARRIER GAS 2 ให้สูงได้ก็แสดงว่าต้องมีการรั่วไหลก่อนไหลเข้าคอลัมน์

รูปที่ ๓ Injcetion port ตัวขวาเป็นตัวสำหรับฉีดเข้าคอลัมน์ ๒ ซึ่งพบว่าขันเอาไว้ไม่แน่น ทำให้แก๊สรั่วออกที่นี้

สิ่งที่ผมทดลองทำก็คือทดลองขันนอตที่ Injcetion port 2 (รูปที่ ๓) ซึ่งก็พบว่ามันคลายอยู่ และเมื่อขันให้มันแน่นก็พบว่าความดันที่ CARRIER GAS 2 เพิ่มสูงขึ้น และทุกอย่างก็กลับมาเป็นปรกติเหมือนเดิม

การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๓๐ เมื่อพีค GC ออกมาผิดเวลา (อีกแล้ว) MO Memoir : Saturday 16 July 2554

จะว่าไปแล้วเครื่อง GC Shimadzu 9A ที่เราใช้อยู่นี้ ให้บทเรียนในการทำงานแก่เราไว้เยอะมาก

ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๔๖ วันพฤหัสบดีที่ ๒๐ มกราคม ๒๕๕๔ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๐ เมื่อพีค GC หายไป" ผมได้กล่าวถึงปัญหาเมื่อฉีดสารเข้าไปแล้วไม่มีพีคปรากฎ

ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๖๕ วันอังคารที่ ๑ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๕ เมื่อพีค GC ออกมาผิดเวลา" ได้กล่าวถึงปัญหาพีคที่ออกมาล่าช้าไปเรื่อย ๆ และมีขนาดเล็กลงไปเรื่อย ๆ

ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๓๑๗ วันพุธที่ ๑๕ มิถุนายน ๒๕๕๔ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๒๑ เมื่อความแรงของพีค GC ลดลง" ได้กล่าวถึงปัญหาพีคที่ออกมาตรงเวลาแต่มีขนาดเล็กลง

มาคราวนี้ทราบมาจากสาวน้อยนักแสดงและสาวเทคนิคเมืองนครศรีฯ ว่าขนาดของพีคออกมาเท่าเดิม แต่เวลาที่พีคปรากฎนั้นเอาแน่เอานอนไม่ได้ บางครั้งก็เร็วขึ้น บางครั้งก็ช้าลง ทั้ง ๆ ที่เป็นการฉีดสารต่อเนื่องกันในการเปิดเครื่องครั้งเดียว

รูปที่ ๑ โครมาโทแกรมของการฉีดตัวอย่าง ๓ ครั้ง ซึ่งพบปัญหาตำแหน่งของพีคมีการเปลี่ยนแปลงแบบเอาแน่เอานอนไม่ได้ ในรูปบนนั้นจะเห็นว่าระยะห่างระหว่างพีคแต่ละพีคเปลี่ยนแปลงไป (ลองสังเกตดูคู่แรกกับคู่ที่สอง) โดยบางพีค ออกมาเร็วขึ้นในขณะที่บางพีคออกมาช้าลง ส่วนรูปล่างที่มีเฉพาะสองพีคหลังจะเห็นว่าออกมาเร็วขึ้น

สำหรับคอลัมน์เดียวกันนั้นเวลาที่สารตัวอย่างตัวใดตัวหนึ่งจะออกมาจากคอลัมน์ GC นั้นขึ้นอยู่กับ

(ก) อัตราการไหลของ carrier gas

ซึ่งถ้าไหลเร็วจะทำให้ออกมาเร็วขึ้น และถ้าไหลช้าลงก็จะออกมาช้าลง ถ้ามีการรั่วไหลก่อนเข้าคอลัมน์ก็จะเห็นออกมาช้าลงหรืออาจไม่เห็นออกมาเลย (ถ้ารั่วออกหมด) แต่ถ้ามีการรั่วไหลทางด้านขาออกก็จะเห็นออกมาที่เวลาเดิม แต่ขนาดจะลดลงหรืออาจจะไม่เห็นเลย (ถ้ารั่วออกหมด)

(ข) อุณหภูมิการทำงานของคอลัมน์

ที่อุณหภูมิสูงพีคจะออกมาเร็วกว่าที่อุณหภูมิต่ำ

ถ้าเป็นกรณีอัตราการไหลไม่คงที่ ซึ่งโดยปรกติมักจะเป็นการรั่วไหลหรือการตั้งอัตราการไหลที่ผิด เราก็ควรจะเห็นการเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ในกรณีนี้การควบคุมการไหลเป็นระบบ manual และเป็นแบบ mechanic (ไม่ใช่ electronic) มี flow meter ที่เป็นลูกลอยวัดอัตราการไหล ซึ่งลูกลอยดังกล่าวก็แสดงว่าแก๊สไหลนิ่ง

เมื่อมาตรวจสอบดูการควบคุมอุณหภูมิการทำงานของ "oven" ก็พบว่าระบบควบคุมการทำงาน (ซึ่งเป็น electronic) ทำงานเป็นปรกติ การเปลี่ยนอุณหภูมิ oven เป็นไปตามจังหวะเวลาและอัตราการเปลี่ยนแปลงที่ตั้งเอาไว้ (คือคงไว้ที่ 80ºC ก่อนเป็นเวลา 5 นาที จากนั้นเพิ่มขึ้นเป็น 230ºC ด้วยอัตราที่กำหนด)

ในกรณีนี้เนื่องจากเวลาที่พีคออกมานั้นมีทั้งเร็วขึ้นและช้าลง ผมจึงไม่สงสัยประเด็นที่ว่า carrier gas มีการรั่วไหล สิ่งที่ผมสงสัยมากกว่าคืออุณหภูมิการทำงานของ "คอลัมน์"

ช่วยสังเกตหน่อยนะว่าผมบอกว่าเวลาที่พีคจะออกมาจากคอลัมน์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทำงานของ "คอลัมน์" แต่ในการตรวจสอบนั้นผมตรวจสอบการควบคุมอุณหภูมิการทำงานของ "oven"

ผมไม่เคยเห็นเครื่อง GC เครื่องไหนมีการวัดอุณหภูมิ "คอลัมน์" แม้ว่าตัวเครื่องจะบอกว่าอุณหภูมิที่แสดงนั้นเป็นอุณหภูมิ "คอลัมน์" แต่อุณหภูมิที่วัดกันนั้นเป็นอุณหภูมิ "oven" ซึ่งก็คืออุณหภูมิของอากาศใน oven นั่นเอง และมักจะสมมุติว่าอุณหภูมิ "คอลัมน์" เท่ากับหรือใกล้เคียงกับอุณหภูมิ "oven" ถ้าสงสัยก็ลองไปดูตำแหน่งเทอร์โมคัปเปิลใน oven ดูก็ได้

อุณหภูมิของคอลัมน์นั้น ถ้าเป็นการวิเคราะห์ที่อุณหภูมิคงที่ก็มักจะไม่เห็นปัญหาใด ๆ เพราะถ้าเราเปิดเครื่องทิ้งเอาไว้นานพอ อุณหภูมิของคอลัมน์ก็จะปรับเข้าหาอุณหภูมิอากาศร้อนใน oven และคงอยู่ที่อุณหภูมินั้นตลอดการวิเคราะห์

แต่ถ้าเป็นการวิเคราะห์แบบมีการเพิ่มอุณหภูมิ (ที่เรามักเรียกกันติดปากว่า temp programmed) อุณหภูมิของคอลัมน์จะวิ่งไล่ตามอุณหภูมิของอากาศร้อนใน oven ส่วนจะวิ่งตามได้เร็วหรือช้านั้นก็ขึ้นอยู่กับ (ก) ขนาดของคอลัมน์และ (ข) ชนิดของวัสดุที่ใช้ทำคอลัมน์

คอลัมน์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ ตัว packing ในคอลัมน์จะใช้เวลามากกว่าในการปรับอุณหภูมิเมื่อเทียบกับคอลัมน์ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่า เพราะต้องใช้เวลาในการนำความร้อนจากผิวด้านนอกของคอลัมน์เข้าไปยัง packing ที่อยู่บริเวณแกนกลางของคอลัมน์

และ packing ในคอลัมน์ที่ทำจากโลหะก็จะร้อนเร็วกว่า packing ที่อยู่ในคอลัมน์ที่ทำจากแก้ว เพราะโลหะนำความร้อนได้ดีกว่าแก้ว

ในกรณีของเรานั้นเราใช้ packed column ที่ทำจากแก้ว

เราลองมาดูเหตุการณ์โดยเริ่มจากเปิดเครื่อง โดยตั้งอุณหภูมิของ oven เอาไว้ที่ 80ºC ก่อน ถ้าเราเปิดเครื่องทิ้งไว้นานพอ อุณหภูมิคอลัมน์ก็จะปรับตัวเข้าหาอุณหภูมิ oven

พอเราเริ่มทำการวิเคราะห์แบบมีการเพิ่มอุณหภูมิ เครื่องจะเพิ่มอุณหภูมิอากาศใน oven ให้เพิ่มสูงขึ้นตามอัตราที่กำหนดไว้ ความร้อนจากอากาศก็จะถ่ายเทให้กับ packing ในคอลัมน์ ทำให้อุณหภูมิคอลัมน์เพิ่มสูงขึ้นตามอุณหภูมิอากาศรอบ ๆ ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิอากาศรอบคอลัมน์กับอุณหภูมิที่แท้จริงของคอลัมน์นั้นจะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับปัจจัยที่กล่าวมาข้างต้น ในกรณีของเราที่เป็นคอลัมน์แก้วนั้นความแตกต่างนี้ควรมีนัยสำคัญในระดับหนึ่ง เมื่อเครื่องเพิ่มอุณหภูมิ oven ไปจนถึง 230ºC และคงไว้ที่อุณหภูมินั้น อุณหภูมิคอลัมน์จะเพิ่มขึ้นถึง 230ºC หลังจาก oven เล็กน้อย

ทีนี้พอเราเริ่มการวิเคราะห์ใหม่ เราก็ต้องลดอุณหภูมิ oven จาก 230ºC ให้เหลือ 80ºC ก่อน ซึ่งการลดอุณหภูมินั้นอาจลดลงโดย

(ก) ปล่อยให้เครื่องจัดการของมันเอง โดยให้มันระบายความร้อนตามระบบที่มันได้รับการออกแบบ

(ข) เปิดประตู oven เลย อุณหภูมิจะได้ลดลงอย่างรวดเร็ว (ผมชอบจะใช้วิธีนี้)

การปล่อยให้เครื่องจัดการลดอุณหภูมิเองนั้น เครื่องมักจะระบายแก๊สร้อนออกและเฝ้าตรวจดูอุณหภูมิไม่ให้ลดลงไปต่ำกว่าอุณหภูมิเริ่มต้น ซึ่งในที่นี้คือ 80ºC ดังนั้นในช่วงนี้อุณหภูมิของคอลัมน์ก็จะลดลงตามอุณหภูมิของอากาศร้อนใน oven แต่อุณหภูมิของคอลัมน์จะสูงกว่าอุณหภูมิของอากาศร้อนใน oven และตัวเครื่องมักจะควบคุมไม่ให้อุณหภูมิอากาศใน oven ลดลงต่ำกว่าอุณหภูมิเริ่มต้นการวิเคราะห์

ในขณะที่อุณหภูมิของอากาศร้อนใน oven เย็นลงเข้าสู่ระดับเริ่มต้นแล้ว อุณหภูมิที่แท้จริงของคอลัมน์จะยังคง "สูงกว่า" อุณหภูมิของอากาศใน oven (ความร้อนถ่ายเทจากอุณหภูมิสูงไปอุณหภูมิต่ำนะ) ถ้าเราไม่ให้เวลานานพอก่อนจะเริ่มการวิเคราะห์ครั้งถัดไป อุณหภูมิของ packing ในคอลัมน์เมื่อเราเริ่มต้นการวิเคราะห์ครั้งที่สองนั้นจะ "สูงกว่า" อุณหภูมิของคอลัมน์ที่เราใช้ในการวิเคราะห์ครั้งแรก (คือ 80ºC)

แต่การใช้วิธีเปิดประตู oven ให้อากาศร้อนระบายออกมาและให้อากาศเย็นใหม่เข้าไปแทนที่นั้น อุณหภูมิของอากาศใน oven จะลดลงต่ำกว่าอุณหภูมิเริ่มต้นการทำงาน ด้วยวิธีนี้จะทำให้ packing ในคอลัมน์สามารถลดอุณหภูมิลงสู่อุณหภูมิเริ่มต้นการวิเคราะห์ได้ง่ายกว่าและรวดเร็วกว่า และอาจลงไปต่ำกว่าด้วย และเมื่อเราปิดประตู oven กลับ เครื่องก็จะทำการให้ความร้อนแก่ oven เพื่อปรับอุณหภูมิให้เข้าสู่อุณหภูมิเริ่มต้นการวิเคราะห์

แต่ถ้าเราปล่อยให้ packing ในคอลัมน์เย็นตัวลงต่ำกว่าอุณหภูมิเริ่มต้นการวิเคราะห์ โดยไม่ให้เวลานานพอที่จะทำให้มันปรับตัวจนมีอุณหภูมิสูงถึงอุณหภูมิเริ่มต้น แล้วเริ่มการวิเคราะห์ การวิเคราะห์ในครั้งที่สองนี้จะเริ่มที่อุณหภูมิคอลัมน์ที่ "ต่ำกว่า" อุณหภูมิของอากาศใน oven

ปัญหานี้จะลดลงถ้าหากเรารอนานเพียงพอระหว่างการวิเคราะห์แต่ละครั้ง เพื่อให้อุณหภูมิเริ่มต้นการทำงานของคอลัมน์เท่ากันทุกครั้ง และโดยปรกติก็มักจะไม่เกิดถ้าหากอากาศร้อนใน oven มีการหมุนเวียนที่ดี

ในกรณีของเรานั้นเรามีปัญหาอีกเรื่องหนึ่งเสริมเข้ามาคือพัดลมระบายความร้อนและหมุนเวียนอากาศร้อนภายใน oven ไม่ทำงาน

ตอนแรกที่เขามาปรึกษาผมนั้นผมก็ถามเขากลับไปว่าพัดลมหมุนหรือเปล่า (ผมทราบมาก่อนแล้วว่าพัดลมของ GC เครื่องนี้ค่อนข้างมีปัญหา) เขาก็ตอบกลับมาว่าไม่ทราบ ผมก็ถามกลับไปว่าได้ยินเสียงอะไรบ้างไหม คำตอบก็คือไม่ได้ยิน เนื่องจากพัดลมมีปัญหาเรื่องลูกปืน เวลาหมุนจะมีเสียงดังได้ยิน ดังนั้นถ้าเขาไม่ได้ยินเสียงอะไร ผมก็เลยคิดว่าพัดลมคงไม่หมุน และเมื่อไปตรวจสอบที่เครื่องก็พบว่าพัดลมไม่หมุนจริง ๆ

พอไปจัดการหล่อลื่นจนพัดลมหมุนได้แล้ว (ด้วยการเอา Sonax ไปฉีด) ก็ทราบมาว่าปัญหาเรื่องพีคออกมาที่เวลาเอาแน่เอานอนไม่ได้นั้นหายไปแล้ว

แต่ที่น่าเสียดายคือดูเหมือนว่าตอนนี้ตัวพัดลมจะเสียอย่างถาวร ไม่สามารถหมุนได้อีกต่อไป

ในสัปดาห์ที่ผ่านมาสาวน้อยนักแสดงก็มาถามปัญหาผมอีกว่าทำไมใช้ความดันขาเข้าคอลัมน์เพียงเล็กน้อยก็ทำให้ได้อัตราการไหล carrier gas ตามต้องการ ผมก็เลยแวะไปดูที่เครื่องและก็ถ่ายรูปข้างล่างมา

รูปที่ ๒ เกจย์ความดันแก๊สเข้าคอลัมน์คือตัวซ้ายสุด อัตราการไหลของ carrier gas คือ flow meter ตัวที่มีคาดชมพู

พอจะเดาสาเหตุได้ไหมว่าเกิดจากอะไร ถ้านึกไม่ออกก็แนะนำให้ไปดูรูปที่ ๑ ของ Memoir ฉบับที่ ๒๔๖ วันพฤหัสบดีที่ ๒๐ มกราคม ๒๕๕๔ หรือรูปที่ ๒ ของ Memoir ฉบับที่ ๒๖๕ วันอังคารที่ ๑ มีนาคม ๒๕๕๔

เห็นแล้วอยากเขกหัวเป็นการลงโทษที่สอนเท่าไรก็ไม่รู้จักจำ แต่เอาเข้าจริง ๆ คงไม่กล้าหรอก เพราะแฟนของเขาตัวบังผมมิด แถมยังมาคอยรับคอยส่งอยู่เป็นประจำเสียอีก

MO Memoir ตอบคำถาม ตอน GC-2014 MO Memoir : Saturday 14 May 2554

ผมได้รับอีเมล์ฉบับหนึ่งส่งมาที่ mo.memoir@gmail.com เมื่อวันพฤหัสบดีที่ ๑๒ ที่ผ่านมา แต่พึ่งจะมาเห็นเมื่อวาน (ศุกร์ ๑๓ วันดีซะด้วย) เนื้อหามีใจความว่า (ดัดแปลงเล็กน้อยเพื่อความเป็นส่วนตัวของผู้ส่ง แต่ความหมายดังเดิม)

สวัสดีค่ะ ดิฉันชื่อ ...... ทำงานอยู่บริษัทสารเคมีเกี่ยวข้องกับการเกษตร ซึ่งต้องใช้เครื่อง GC ในการวิเคราะห์หาเปอร์เซนต์ยากำจัดศัตรูพืช-ป้องกันและกำจัดแมลงค่ะ

ดิฉันมีปัญหาในหาทำความเข้าใจเกี่ยวกับการตั้ง INJ Program / Rate Pressure HoldTime ของ Software รุ่นใหม่ของเครื่อง เครื่อง Shimadzu GC-2014 ว่าต้องพิจารณายังไงบ้าง

รบกวนด้วยนะค่ะซึ่งหนูเข้ามาอ่านบล็อก เอกสารคู่มือการใช้เครื่อง Shimadzu GC-2014 (FPD) แล้วเข้าใจที่สอนดีค่ะ

ขอบคุณค่ะ

ไหน ๆ จะตอบคำถามแล้ว และผมก็จะหายตัวไปเที่ยวซะหลายวัน (จะไปอยู่ป่าอยู่เขา) กลับมาอีกทีก็วันพุธแล้ว ดังนั้นก็ขออนุญาตนำคำตอบมาลงใน blog เพื่อเป็นการเผยแพร่ เพราะคิดว่าน่าจะเป็นประโยชน์ต่อคนอื่นได้ด้วย และถ้าคุณผู้ถามคำถามยังมีข้อสงสัยใด ๆ อยู่ ก็ถามเพิ่มเติมมาได้ ยินดีช่วยเท่าที่ทำได้ (ถือเสียว่าเป็นการแลกเปลี่ยนประสบการณ์ เราต่างเรียนรู้ซึ่งกันและกันเผื่อว่าประสบการณ์ของคน ๆ หนึ่งจะนำไปใช้ได้/ไม่ได้กับงานที่แตกต่างกันที่อีกคนหนึ่งทำอยู่) แต่ผมจะไม่กลับมาตอบเมล์จนกว่าจะวันพุธ

๑๔ พฤษภาคม ๒๕๕๔

เรียนคุณ .....

เนื่องจากคุณให้รายละเอียดมาไม่ชัดเจนนัก และผมเองก็ไม่ทราบว่าคุณมีประสบการณ์กับเครื่อง GC มากเท่าใด ดังนั้นผมขอให้ความเห็นคร่าว ๆ จากประสบการณ์ของผมก่อนเป็นข้อ ๆ ดังนี้

๑. ตัวเครื่อง GC แต่ละเครื่องนั้นจะประกอบด้วยอะไรบ้าง ขึ้นอยู่กับความต้องการของผู้ใช้งาน ดังนั้นสิ่งที่เครื่องหนึ่งมีนั้น อาจจะไม่มีในเครื่องอื่นได้ แต่โดยหลัก ๆ แล้วจะประกอบด้วยส่วนต่าง ๆ ต่อไปนี้

๑.๑ ระบบฉีดสารตัวอย่าง

๑.๒ ตัว Oven และคอลัมน์

๑.๓ Detector

๑.๔ ระบบความคุมการไหลของแก๊ส

๑.๕ ระบบควบคุมการทำงานของเครื่อง

๑.๖ ระบบบันทึกข้อมูลและประมวลผล

๒. ระบบฉีดสารตัวอย่างมีหลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน ระบบที่เป็นแก๊ส (ที่ผมใช้งานอยู่) จะฉีดผ่าน sampling valve หรือไม่ก็ฉีดโดยใช้ syringe

ในกรณีของตัวอย่างที่เป็นของเหลว (ผมเดาว่างานของคุณคงเป็นกรณีนี้) อาจฉีดโดยใช้ syringe หรือด้วยเครื่อง autosampler ที่ผู้ใช้ทำเพียงวางตัวอย่างลงในช่อง แล้วเครื่องก็จัดการใช้ syringe ดูดตัวอย่างไปฉีดให้เอง ตัวผมเองไม่เคยมีประสบการณ์กับเครื่อง autosampler ในการฉีดตัวอย่างที่เป็นของเหลว เคยใช้แต่เฉพาะ syringe และ gas sampling loop

๓. Injector port สำหรับฉีดสาร ถ้าเป็นกรณี packed column ก็จะฉีดสารตัวอย่างทั้งหมดเข้าคอลัมน์ แต่ถ้าเป็นกรณีของ capillary column จะมีการ vent ตัวอย่างส่วนใหญ่ทิ้งไป มีเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่ไหลเข้าคอลัมน์

ในกรณีของ capillary column ต้องมีการตั้ง split ratio ซึ่งก็คือสัดส่วนปริมาณสารที่ระบายทิ้งต่อปริมาณสารที่ฉีดเข้าคอลัมน์ เช่นถ้าตั้ง split ratio ไว้ที่ 90 ก็แสดงว่าจากปริมาณตัวอย่างทั้งหมดที่ฉีดเข้าไป 90 ส่วนถูกระบายทิ้ง มีเพียง 1 ส่วนเท่านั้นที่ไหลเข้าคอลัมน์

๔. การตั้งอุณหภูมิของ Injector port นั้น ถ้าตัวอย่างเป็นแก๊สก็ไม่ค่อยมีปัญหาใด ๆ แต่ถ้าตัวอย่างเป็นของเหลว ปรกติก็จะตั้งเอาไว้ในสูงพอที่จะมั่นใจได้ว่าสารตัวอย่างที่ฉีดเข้าไปในรูปของเหลวนั้นจะระเหยกลายเป็นไอได้หมดทันที

แต่ในกรณีที่เราต้องการวิเคราะห์สารที่มีจุดเดือดสูงแต่มีความเข้มข้นต่ำในตัวทำละลายนั้น สมมุติว่าคุณต้องการวิเคราะห์สาร B ที่มีจุดเดือด 150ºC ที่ละลายอยู่ในตัวทำละลาย A ที่มีจุดเดือด 100ºC โดยความเข้มข้นของสาร B ในตัวทำละลาย A นั้นต่ำมาก เราก็อาจตั้งอุณหภูมิคอลัมน์ให้สูงเกินแค่ 100ºC แต่ต่ำกว่า 150ºC เพราะถึงแม้ว่าอุณหภูมิ Injector port จะต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของสาร B แต่ถ้าความดันไอของสาร B ที่ระเหยเป็นไอนั้นมีค่าต่ำ สาร B ก็จะกลายเป็นแก๊สได้ (เหมือนกับบรรยากาศที่อุณหภูมิห้องก็มีความชื้นจากไอน้ำอยู่ได้)

ข้อควรระวังในการตั้งอุณหภูมิ Injector port คือ อุณหภูมิสูงสุดที่ septum จะทนได้ (เครื่องอาจจะยอมให้ตั้งอุณหภูมิ Injector port ได้ถึง 400ºC แต่ถ้าใช้ septum ที่เป็นพอลิเมอร์ก็ต้องระวังให้ดี เพราะพอลิเมอร์มักจะทนอุณหภูมิสูงมากไม่ได้ แต่ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับว่าใช้ septum ทำจากพอลิเมอร์ชนิดไหน ที่ผมเคยใช้ก็สูงไม่เกิน 250ºC

๕. ผมเดาว่าคุณคงมีปัญหาเรื่องการปรับอุณหภูมิและอัตราการไหลของ carrier gas เพื่อให้แยกพีคได้ ผมพอให้แนวทางคร่าว ๆ ได้ก่อนดังนี้

อุณหภูมิของ oven (ซึ่งเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิคอลัมน์) ควรสูงพอที่จะให้ทุกสิ่งที่ฉีดเข้าไปออกมาจากคอลัมน์หมด

ในกรณีที่มีสารที่ต้องการวิเคราะห์อยู่หลายชนิด การใช้อุณหภูมิคงที่ตลอดการวิเคราะห์อาจเกิดปัญหาได้ กล่าวคือ

ถ้าใช้อุณหภูมิต่ำตลอดการวิเคราะห์ จะแยกพีคที่ออกมาในช่วงแรกได้ดี แต่พีคของสารที่มีจุดเดือดสูงกว่าจะออกมาแบบเตี้ยและกว้าง หรือไม่ก็ไม่ออกมาเลย โดยคงตกค้างอยู่ในคอลัมน์

ถ้าใช้อุณหภูมิสูงตลอดการวิเคราะห์ จะทำให้พีคสารที่มีจุดเดือดสูงมีรูปร่างที่สูงและแคบมากขึ้น แต่พีคสารที่มีจุดเดือดต่ำอาจซ้อนทับกันและอาจรวมเป็นพีคเดียวกันได้

วิธีการแก้ปัญหาดังกล่าวคือการตั้งอุณหภูมิ oven ให้เพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป โดยในช่วงแรกจะตั้งเอาไว้ต่ำก่อนเพื่อให้สารพวกแรก ๆ ที่ออกมาจากคอลัมน์แยกจากกันได้ดี จากนั้นจึงค่อยเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นเพื่อให้สารที่มีจุดเดือดสูงออกมาจากคอลัมน์ด

๖. การปรับอุณหภูมิ oven ให้เปลี่ยนแปลงอย่างไรนั้นไม่มีสูตรตายตัว ต้องทดลองทำเองแล้วค่อย ๆ ปรับไป ผมพอให้จุดเริ่มต้นง่าย ๆ ก่อนคืออุณหภูมิเริ่มต้นควรมีค่าประมาณจุดเดือดของสารที่มีจุดเดือดต่ำสุด (พิจารณาจุดเดือดตัวทำละลายด้วย) จากนั้นค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิ oven ไปจนถึงอุณหภูมิจุดเดือดของสารที่มีจุดเดือดสูงสุด แล้วคงไว้ที่อุณหภูมินั้นจนกว่าตัวอย่างที่ฉีดเข้าไปจะออกมาทั้งหมด

จากนั้นจึงค่อยนำ chromatogram ที่ได้มาวิเคราะห์ว่าควรจะปรับแต่งกันอย่างไร ตรงไหนพีคทิ้งห่างกันเกินไปก็ลองเพิ่มอัตราการเพิ่มอุณหภูมิ ตรงไหนพีคอยู่ใกล้กันเกินไปหรือซ้อนทับกันก็ให้ลดอัตราการเพิ่มอุณหภูมิหรือตั้งให้ช่วงนั้น ovenทำงานที่อุณหภูมิคงที่

๗. อัตราการไหลของ carrier gas ก็ส่งผลต่อความสามารถในการแยกพีคด้วย และสำหรับ detector บางชนิดนั้นยังส่งผลทำให้ความว่องไวของ detector เปลี่ยนแปลงได้มากด้วย (เช่นพวก TCD - thermal conductivity detector) ดังนั้นในการสร้าง calibration curve ควรต้องใช้อัตราการไหลเดียวกันกับที่ใช้ในการวิเคราะห์ด้วย

๘. เครื่อง GC ที่ผมเคยใช้นั้น การปรับอัตราการไหลของ carrier gasส่วนใหญ่จะใช้วิธีปรับความดันแก๊สขาเข้าคอลัมน์ และใช้ความดันด้านขาเข้าคอลัมน์เป็นตัวบอกว่า carrier gas ไหลเร็วหรือไหลช้า ถ้าใช้ความดันด้านขาเข้าสูงแก๊สก็จะไหลเร็ว ถ้าใช้ความดันด้านขาเข้าต่ำแก๊สก็จะไหลช้า ส่วนอัตราการไหลที่แท้จริงเป็นเท่าใดนั้นต้องไปวัดทางด้านขาออกของคอลัมน์ (อาจวัดผ่าน detector หรือต้องปลดด้านขาออกออกจาก detector) ยกเว้นรุ่น GC-2014 นี่แหละที่มีระบบปรับอ้ตราการไหลและแสดงค่าอัตราการไหลเป็น ml/min

๙. สิ่งที่ต้องพึงระลึกไว้โดยเฉพาะเมื่อใช้ packed column ก็คือ "อัตราการไหลของ carrier gas (ml/min)" ส่งผลต่อความสามารถในการแยกของคอลัมน์ ไม่ใช่ "ความดันด้านขาเข้าคอลัมน์" จากประสบการณ์พบว่าในกรณีของ packed column นั้นเมื่อใช้งานไปนาน ๆ ตัว packing อาจอัดตัวแน่นมากขึ้น ทำให้แม้ว่าจะตั้งค่าความดันด้านขาเข้าเท่าเดิมเหมือนวัน (หรือเดือน) ก่อน ๆ ค่าอัตราการไหล (ml/min) จะลดลง สิ่งที่เห็นก็คือพีคจะออกมาช้าลง

๑๐. แต่ถ้าเป็น capillary column ก็ต้องคอยตรวจด้วยว่ามีการปรับเปลี่ยน split ratio หรือเปล่า ดังนั้นสำหรับผู้ใช้ capillary column จึงควรต้องรู้ว่าเดิมนั้นใช้ split ratio เท่าใด

๑๑. ถ้าเป็นเครื่องที่มีระบบวัดอัตราการไหลโดยตรง (เข้าใจว่า GC-2014 ที่ต่อกับระบบคอมพิวเตอร์ก็เป็นเช่นนี้) ปัญหาในข้อ ๙ และ ๑๐ ก็จะหมดไป

๑๒. ในกรณีที่ใช้คอมพิวเตอร์ควบคุมก็ต้องระวังอย่าเชื่อสิ่งที่อยู่หน้าจอมากเกินไป โดยเฉพาะในเรื่องการปรับความดัน เครื่อง GC-2014 ที่ผมใช้นั้นสามารถปรับความดันอากาศและไฮโดรเจนที่ป้อนเข้า detector ได้ โดยใช้การป้อนคำสั่งผ่านคอมพิวเตอร์ แต่การควบคุมดังกล่าวจะทำได้ก็ต่อเมื่อเราตั้งความดันด้านขาเข้าเครื่อง GC-2014 ให้สูงกว่าช่วงที่เราต้องการควบคุม สมมุติว่าเราตั้งความดันด้านขาเข้าไว้ 2.0 bar เราจะสามารถปรับความดันผ่านคอมพิวเตอร์ในช่วงที่ไม่เกิน 2.0 bar ได้ แต่ถ้าเราเผลอไปสั่งให้เครื่องเพิ่มความดันเป็น 2.5 bar ตรงหน้าจอคอมมันก็แสดงว่าความดันเป็น 2.5 bar (มันแสดงค่าความดันที่เราต้องการให้เป็น ไม่ได้แสดงค่าความดันที่แท้จริง) แต่เครื่องก็ปรับความดันได้แค่สูงสุด 2.0 bar ตามที่เราตั้งไว้ที่เครื่อง GC เท่านั้น (สาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรเคยเจอปัญหานี้แล้ว)

จากข้อมูลที่ได้มาก็คงตอบได้เท่านี้ก่อน (โดยต้องเดาเอาส่วนหนึ่งว่าผู้ถามต้องการอะไร) ไม่รู้เหมือนกันว่าจะช่วยได้แค่ไหน แต่ก็ขอให้โชคดีก็แล้วกัน (จะรอฟังข่าว)

GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๓ ข้อสังเกตเกี่ยวกับ PDD (Pulsed Discharge Detector) MO Memoir : Sunday 10 April 2554

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้นำมาจากเอกสาร Pulsed Discharge Detector Model D-4-I-SH17-R Instruction Manual ซึ่งเป็นคู่มือของตัว detector ที่ติดตั้งมากับเครื่อง GC-2014 ECD & PDD ที่เราใช้งานอยู่

Pulsed Discharge Detector (ต่อไปจะเรียกสั้น ๆ ว่า PDD) ตัวนี้เราใช้ในการวิเคราะห์ NH₃ ที่ระดับความเข้มข้นต่ำเกินกว่าจะวิเคราะห์ได้ด้วย Thermal Conductivity Detector (TCD) (ที่ระดับไม่เกิน 2 ppm)

ไฟลที่ส่งแนบมาพร้อมกับ Memoir ฉบับนี้มี

๑. Pulsed Discharge Detector Model D-4-I-SH17-R Instruction Manual ซึ่งเป็นคู่มือของตัว detector ที่ติดตั้งมากับเครื่อง GC-2014 ECD & PDD และ

๒. Forsyth, D.S., "Pulsed discharge detector : theory and applications", Journal of Chromatography A, 1050 (2004) 63-68. ซึ่งเป็น review paper เกี่ยวกับ PDD

PDD จัดว่าเป็นตัวตรวจวัดแบบใหม่สำหรับเครื่อง GC บทความแรกที่กล่าวถึงตัวตรวจวัดตัวนี้น่าจะเป็นบทความของ Dr. Wayne E. Wentworth, S.V. Vasnin, S.D. Stearns and C.J. Meyer, "Pulsed Discharge Helium Ionization Detector ", Chromatographia, Volume 34, September/October 1992, Numbers 5-8, Pages 219-225 :7 ซึ่งในบทความของ Forsyth (ไฟล์ที่ ๒ ข้างบน) ได้กล่าวยกย่องไว้ใต้ชื่อบทความว่า Dr. Wayne E. Wentworth เป็นผู้บุกเบิกความรู้ทางด้านนี้ และได้เสียชีวิตไปแล้วระหว่างการเตรียมบทความ (ปีพ.ศ. ๒๕๔๗)

เลขที่หน้าที่กล่าวอ้างอิงถึงใน Memoir นี้คือเลขที่หน้าที่ปรากฏทางมุมด้านซ้าย/ขวาบนของแต่ละหน้าในไฟล์ pdf ซึ่งเลขที่หน้าดังกล่าวจะตรงกับเลขที่หน้าที่ปรากฏในเอกสารเมื่อพิมพ์ออกมา ไม่ใช่เลขที่หน้าที่นับตามไฟล์ pdf อย่างเช่นหน้า 1 ของเอกสารจะตรงกับหน้า 5 ของไฟล์ pdf

๑. ลักษณะทั่วไปและหลักการทำงาน (Description and operating principle)

(จากหน้า 1 และ 2) PDD ที่เราใช้นั้นบางทีในคู่มือจะเรียกว่าเป็น Pulsed Discharge Ionization Detector หรือเรียกย่อว่า PDID ตัวตรวจวัดชนิดนี้เป็นตัวตรวจวัดชนิดที่ไม่มีการแผ่รังสี และทางบริษัทผู้ผลิตก็ได้กล่าวเอาไว้ว่าออกแบบมาเพื่อใช้กับ Shimadzu GC-17 GC-2010 และ GC-2014 โดยเฉพาะ โครงสร้างของตัวตรวจวัดชนิดนี้แสดงไว้ในรูปที่ ๑ ในหน้าถัดไป

ตัวตรวจวัดชนิดนี้ทำงานโดยใช้การจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงพลังงานต่ำและมีเสถียรภาพออกมาเป็นพัลส์ (pulse) ในแก๊สฮีเลียม (He) เมื่อแก๊สฮีเลียมได้รับพลังงานอะตอมของฮีเลียมจะถูกกระตุ้นไปเป็น He₂ (diatomic helium) He₂ นี้จะพยายามกลับคืนสู่ภาวะ ground state (dissociative helium หรือ He) ด้วยการคายโฟตอนออกมาดังสมการ

He₂ → 2He + โฟตอน

โฟตอนที่ปลดปล่อยออกมานี้มีพลังงานในระดับ 13.5-17.7 eV ซึ่งสามารถทำให้อะตอมของสารตัวอย่างเกิดการแตกตัวเป็นไอออน (เพียงแค่ 0.01-0.1% ของตัวอย่างที่ไหลผ่านเท่านั้นที่เกิดการแตกตัว) ตัวตรวจวัดจะทำการวัดปริมาณไอออนที่เกิดขึ้น (ซึ่งขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของตัวอย่างและชนิดของสาร)

รูปที่ ๑ โครงสร้างของ PDD รุ่นที่ติดตั้งใน GC-2014 ที่เราใช้งานอยู่ บริเวณตีกรอบสีเขียวดูภาพขยายในรูปที่ ๒

ตัวตรวจวัดชนิดนี้เป็นชนิดที่ไม่จำเพาะเจาะจง (universal) ข้อดีของตัวตรวจวัดชนิดไม่เจาะจงคือตรวจวัดอะไรก็ได้ แต่ก็มีข้อเสียคือมันมองเห็นสิ่งที่เราไม่ต้องการตรวจวัด (เช่น N₂ ในกรณีของเราที่ต้องการวัดเฉพาะ NH₃) แก๊สที่มีการตอบสนองต่อตัวตรวจวัดชนิดนี้ต่ำมากคือ Ne (เพราะต้องการพลังงงาน 21.56 eV ในการทำให้แตกตัวเป็นไอออน)

นอกจากนี้ถ้าหากผสมแก๊สบางชนิด (ทำหน้าที่เป็น dopant) เข้าไปใน He ที่ใช้เป็นแก๊สทำให้เกิดการเปล่งโฟตอน ก็จะทำให้ตัวตรวจวัดชนิดนี้เป็นตัวตรวจวัดชนิดจำเพาะเจาะจงได้ เช่นการผสม Ar เข้าไปจะทำให้ตัวตรวจวัดมีความจำเพาะเจาะจงกับสารอินทรีย์ต่าง ๆ การผสม Kr จะทำให้ตัวตรวจวัดมีความจำเพาะเจาะจงกับสารประกอบไม่อิ่มตัว หรือการผสม Xe ทำให้ตัวตรวจวัดมีความจำเพาะเจาะจงต่อสารประกอบ poly aromatic ต่าง ๆ

ในกรณีที่ใช้แก๊สฮีเลียม (ความบริสุทธิ์ 99.999% หรือที่เรียกว่า 9 ห้าตัว) เป็น discharge gas ก็อาจเรียกว่าเป็นตัวตรวจวัดแบบ Pulsed discharge helium ionization detector (PDHID) แต่ถ้าเป็นแก๊สฮีเลียมผสมแก๊สตัวอื่นก็อาจเรียกว่าเป็นตัวตรวจวัดแบบ Pulsed discharge photoinonization detector (PDPID) ตัว GC-2014 ที่เราใช้อยู่นั้นตัวตรวจวัดเป็นแบบ PDHID ซึ่งถัดจากนี้จะขอเรียกสั้น ๆ ว่า PDD

คำเตือน

๑) ในระหว่างการทำงานจะมีการเปล่งรังสีอัลตร้าไวโอเล็ต (UVA และ UVB) ออกมา ดังนั้นไม่ควรจ้องมอง อาร์ค (arc) ที่เกิดขึ้นในตัวตรวจวัดโดยไม่มีการป้องกันดวงตา

๒) ในระหว่างการทำงาน อุณหภูมิของตัวตรวจวัดอาจสูงเกิน 250ºC ได้

รูปที่ ๒ ภาพขยายแสดงการไหลของแก๊สบริเวณตัวตรวจวัด แก๊สไหลออกจากคอลัมน์ตามลูกศรสีแดง จากนั้นจะถูกทำให้แตกตัวเป็นไอออนด้วยโฟตอน ทำให้เกิดสัญญาณการตรวจวัด และไหลย้อนลงทางด้านล่างตามลูกศรสีเขียว ออกไปทางรูระบายทิ้ง (vent)

๒. ความต้องการของระบบ (System requirements)

(จากหน้า 4 และ 5) ในคู่มือระบุความต้องการของตัวตรวจวัดเอาไว้ดังนี้

- แก๊ส He ความบริสุทธิ์ 99.999% เป็นอย่างน้อย หรืออาจเป็นแก๊สHe ความบริสุทธิ์ 99.999% เป็นอย่างน้อยผสมกับแก๊สตัวอื่นที่เหมาะสม (พวกที่มี dopant เช่น Ar Kr หรือ Xe)

- Ultra high purity grade gas pressure regular ที่มีแผ่นไดอะแฟรมเป็นเหล็กกล้าไร้สนิม (stainless steel) ซึ่งแสดงว่า pressure regulator แบบธรรมดาที่เราใช้อยู่นั้นไม่เหมาะสม

- ข้อต่อชนิดพิเศษสำหรับเชื่อมต่อ gas pressure regulator (ตรงนี้นึกไม่ออกว่ามันเป็นส่วนไหนของระบบเรา และมันจำเป็นต้องมีหรือไม่)

- ท่อเชื่อมต่อไปยัง GC ต้องเป็นท่อเหล็กกล้าไร้สนิม

- อุปกรณ์อื่น (ถ้ามี เช่น flow controller) ไม่ควรมีชิ้นส่วนที่สัมผัสกับ He ที่เป็นพอลิมอเมอร์หรือมีการใช้สารหล่อลื่น

เนื่องจากตัวตรวจวัดมีความว่องไวสูงมาก ดังนั้นสิ่งปนเปื้อนใด ๆ ที่อยู่ในแก๊ส He ที่ใช้เป็น discharge gas จึงทำให้ตัวตรวจวัดส่งสัญญาณออกมาได้ แม้ว่าจะไม่มีตัวอย่างใด ๆ ออกมาจากคอลัมน์ ดังนั้นคู่มือจึงระบุให้ต้องใช้เครื่อง helium purifier เพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อน

แหล่งที่มาของสิ่งปนเปื้อนที่สำคัญคืออากาศและแก๊สต่าง ๆ ที่ถูกดูดซับอยู่บนผิวท่อที่ใช้เป็นท่อนำแก๊ส โอกาสหนึ่งที่อากาศจะเข้าไปในระบบท่อได้คือช่วงที่ทำการเปลี่ยนถังแก๊ส

๓. การเชื่อมต่อท่อแก๊ส (Gas connection)

เนื่องจากตัว GC มีการติดตั้งตัวตรวจวัดและคอลัมน์สำหรับการวัดมาเรียบร้อยแล้ว ดังนั้นจะขอข้ามส่วนนี้ไป จะกล่าวถึงเฉพาะการต่อถังแก๊สเข้ากับตัวเครื่องเท่านั้น เพราะเป็นสิ่งที่เราคงต้องทำเสมอ (หน้า 8 และ 9)

สิ่งที่ในย่อหน้าแรกของคู่มือหน้า 8 กล่าวไว้คือ

(ก) พื้นผิวที่สัมผัสกับแก๊สต้องเป็นวัสดุชนิด fused silica หรือเหล็กกล้าไร้สนิม

(ข) ไม่ควรใช้ท่อ/ข้อต่อที่ทำจากทองแดงหรือทองเหลือง

(ค) ท่อทุกชิ้นต้องมีพื้นผิวที่สะอาด และควรผ่านการทำความสะอาดและการ "bake" ก่อนการใช้งาน

("bake" ในที่นี้หมายถึงการให้ความร้อน เป็นการกระทำเพื่อไล่แก๊สที่ถูกดูดซับอยู่บนพื้นผิวออกไป ตัวอย่างเช่นตอนที่เรานำท่อเหล็กกล้าไร้สนิมมาต่อเข้ากับถัง He ในท่อจะมีอากาศอยู่ ดังนั้นพื้นผิวท่อด้านในจะมีแก๊สบางชนิดถูกดูดซับเอาไว้อยู่ (คิดว่าน่าจะเป็นออกซิเจนและไอน้ำ) ถ้าเราไม่ไล่แก๊สเหล่านี้ออกไปก่อน แก๊สเหล่านี้จะค่อย ๆ หลุดออกมาผสมกับ He ที่ไหลไปยังตัวตรวจวัด ทำให้เกิดสัญญาณรบกวน การแก้ปัญหาทำได้โดยการให้ความร้อน (เช่นการใช้ heating tape พันหรือใช้เครื่องเป่าลมร้อน) แก่ท่อในขณะที่มี He ไหลผ่าน โดยทางออกให้ระบายแก๊สทิ้ง (อย่าต่อเข้าเครื่อง GC))

หลังจากการติดตั้งและทำการไล่สิ่งปนเปื้อนในระบบท่อแล้ว โอกาสที่จะมีสิ่งปนเปื้อนเข้าไปในระบบท่ออีกครั้งก็คือตอนที่เปลี่ยนถังแก๊ส เพราะเราต้องทำการถอด pressure regulator ออกจากถังเดิม เพื่อที่จะนำไปขันเข้ากับถังใหม่ ดังนั้นในขณะนี้จะมี "อากาศ (รวมไอน้ำด้วย)" ค้างอยู่ในระบบท่อระหว่างวาล์วหัวถังแก๊สและด้านขาเข้าของ pressure regulator ซึ่งจำเป็นต้องมีการไล่อากาศส่วนนี้ออกไปก่อน ก่อนที่จะทำการเปิดจ่ายแก๊สฮีเลียมจากถังใหม่ไปยัง GC

วิธีการที่เขียนไว้ในคู่มือหน้า 8 นั้นเขาให้ทำดังนี้

(๑) คลายเกลียวข้อต่อท่อที่ต่ออยู่กับด้านขาออกของ pressure regulator ออกก่อน เพื่อให้แก๊สรั่วไหลออกมาได้ และคลาย pressure regulator ออกจนสุด (ความดันด้านขาออกเป็นศูนย์)

(๒) เปิดหัวถังแก๊สเพียงเล็กน้อยแล้วปิดทันที ดังนั้นในขณะนี้จะมีฮีเลียมจากในถังออกมาผสมกับอากาศที่ค้างอยู่ในท่อระหว่างวาล์วหัวถังแก๊สและด้านขาเข้าของ pressure regulator

(๓) ขันวาล์วที่ pressure regulator เพื่อระบายแก๊สผสมระหว่างฮีเลียมกับอากาศออกจากด้านความดันสูง แก๊สที่ระบายออกมาจะรั่วออกสู่อากาศด้านนอกทางเกลียวข้อต่อที่คลายไว้ตาม (๑) จากนั้นให้คลายเกลียววาล์วที่ pressure regulator เพื่อปิดการไหลของแก๊ส

(๔) ทำซ้ำข้อ (๒) และ (๓) ประมาณ 8-10 ครั้ง เพื่อให้มั่นใจว่าไล่อากาศออกมาได้หมด

(๕) ขันเกลียวข้อต่อท่อด้านขาออกของ pressure regulator ให้แน่นเหมือนเดิม

ผมคิดว่าเราอาจดัดแปลงวิธีการไล่อากาศของเขาให้ง่ายขึ้นโดยการติดตั้งวาล์วสามทางเข้ากับท่อทางด้านขาออกของ pressure regulator ระบบที่ผมออกแบบไว้แสดงในรูปที่ ๓ ข้างล่าง

รูปที่ ๓ ระบบสำหรับไล่อากาศที่ค้างอยู่ในท่อเชื่อมต่อระหว่างวาล์วหัวถังแก๊สและด้านขาเข้าของ pressure regulator

คือทางด้านขาออกของ pressure regulator (ด้านความดันต่ำ) ควรต้องติดวาล์ว 3 ทาง ไม่ใช่ข้อต่อตัว T กับ on-off valve เหตุผลก็เพราะการใช้ข้อต่อตัว T กับ on-off valve จะทำให้เกิด dead volume ในระบบ tubing ได้ แต่การใช้วาล์ว 3 ทางจะกำจัด dead volume ส่วนนี้ออกไป และด้านระบายออกสู่อากาศของวาล์ว 3 ทางควรต่อท่อปล่อยทิ้งให้ยาวออกมาซักหน่อยด้วย เพื่อป้องกันการแพร่กลับของอากาศและ/หรือสิ่งสกปรกเข้าไปปนเปื้อนในตัววาล์ว 3 ทาง

เมื่อเราเปลี่ยนถังแก๊ส เราก็ต้องถอด pressure regulator ออกจากถังแก๊สเดิม นำถังแก๊สเดิมออกไปและนำถังแก๊สใหม่มาวางแทน จากนั้นก็ทำการขัน pressure regulator เข้ากับหัวถังแก๊สใหม่ ดังนั้นในขณะนี้เราจะมีอากาศค้างอยู่ในท่อเชื่อมระหว่างวาล์หัวถังแก๊สและด้านขาเข้าของ pressure regulator (บริเวณสีแดงในรูปที่ ๓)

การไล่อากาศทำโดย

(๑) ปรับการไหลของวาล์ว 3 ทางให้แก๊สไหลระบายออกสู่อากาศ

(๒) เปิดหัวถังแก๊สเพียงเล็กน้อยแล้วปิดทันที ดังนั้นในขณะนี้จะมีฮีเลียมจากในถังออกมาผสมกับอากาศที่ค้างอยู่ในท่อระหว่างวาล์วหัวถังแก๊สและด้านขาเข้าของ pressure regulator

(๓) หมุนวาล์วที่ pressure regulator เพื่อระบายแก๊สผสมระหว่างฮีเลียมกับอากาศออกจากด้านความดันสูง แก๊สที่ระบายออกมาจะรั่วออกสู่อากาศด้านระบายออกสู่อากาศของวาล์ว 3 ทาง (ตามเส้นสีเขียวและเส้นสีน้ำเงิน) จากนั้นให้คลายเกลียววาล์วที่ pressure regulator เพื่อปิดการไหลของแก๊ส

(๔) ทำข้อ (๒) และ (๓) ซ้ำหลาย ๆ ครั้งเพื่อให้มั่นใจว่าไล่อากาศออกมาได้หมด

(๕) จากนั้นปรับทิศทางการไหลของวาล์วให้แก๊สฮีเลียมไหลไปยังเครื่อง GC ได้

คำเตือน

๓) ในคู่มือระบุไว้ว่า การตรวจหารอยรั่วที่ข้อต่อต่าง ๆ นั้นไม่ควรใช้ของเหลว (เช่นน้ำสบู่) เป็นตัวตรวจสอบ แต่ควรใช้ electronic helium detector (อันนี้เราไม่มี) เหตุผลผมคิดว่าเป็นเพราะเขาต้องการป้องกันไม่ให้มีของเหลวรั่วเข้าไปในระบบท่อจ่ายแก๊ส He ไปยังตัวตรวจวัด

๔) โดยปรกติเมื่อเราได้คอลัมน์ GC มาใหม่นั้น เราต้องทำการเตรียมคอลัมน์ก่อนการใช้งาน (ที่เรียกว่า conditioning หรือ aging หรือ bakeout) ซึ่ง ทำโดยการเพิ่มอุณหภูมิให้กับคอลัมน์เพื่อไล่สารที่ระเหยออกมาได้ ณ อุณหภูมิการทำงานออกมาให้หมด ในระหว่างกระบวนการนี้คู่มือระบุไว้ว่าให้ปลดคอลัมน์ออกจากตัวตรวจวัด เหตุผลคือเพื่อป้องกันไม่ให้สารที่หลุดออกมาจากคอลัมน์เข้าไปตกค้างในตัว ตรวจวัด ซึ่งจะทำให้ตัวตรวจวัดปนเปื้อนได้ (อยู่ในคู่มือหน้า 10) สารที่หลุดออกมาจากคอลัมน์ในระหว่างการ conditioning คอลัมน์จะทำให้เกิดสัญญาณที่ค่อย ๆ ลดลง (เรียกว่า column bleeding) ในกรณีของเรานั้นคอลัมน์ของเรายังค่อนข้างใหม่อยู่ ดังนั้นเราอาจต้องทำการ conditioning คอลัมน์ซ้ำใหม่อีกครั้งถ้ายังเห็นเส้น base line เคลื่อนตัวต่ำลงไปเรื่อย ๆ

๔. อื่น ๆ

๔.๑ ก่อนติดตั้งคอลัมน์ ควรเปิดให้ฮีเลียมไหลด้วยอัตรา 30 ml/min เป็นเวลาอย่างน้อย 15 นาที เพื่อทำการไล่อากาศออกจากเครื่อง helium purifier ก่อน

๔.๒ อุณหภูมิการทำงานของตัวตรวจวัดควรสูงกว่าอุณหภูมิการทำงานของคอลัมน์ 20ºC แต่ต้องไม่ต่ำกว่า 100ºC

๔.๓ เมื่ออุณหภูมิของตัวตรวจวัดสูงถึงค่าที่ตั้งไว้ ให้บันทึกค่าสัญญาณที่ตัวตรวจวัดส่งออกมาด้วย เพื่อให้เป็นข้อมูลในการแก้ปัญหาในภายหลัง

๔.๔ กระแสที่ PDD ส่งออกมาควรอยู่ในช่วง 6.0-20.0 mV ที่ 100ºC กระแสที่ออกมาต่ำแสดงว่าระบบ PDD ปราศจากการปนเปื้อนและ/หรือการรั่วไหลของสารออกมาจากคอลัมน์

๔.๕ ในกรณีที่ยังไม่คิดที่จะทำการวิเคราะห์ ควรที่จะปิดการทำงานของ PDD เอาไว้

๔.๖ ห้ามปิดแก๊สที่เข้าตัวตรวจวัดในขณะที่ตัวตรวจวัดยังคงร้อนอยู่ แม้ว่าจะปิดเครื่องแล้วก็ตาม การปิดแก๊สควรกระทำหลังจากที่ได้ปิดเครื่อง และรอจนตัวตรวจวัดเย็นลง