เครื่องสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ Spectrophotometer

Tags: merck, labomed, thermo, สเปกโตมิเตอร์, prove100, เครื่องวัดการดูดกลืนแสง

สเปกโทรโฟโตรมิเตอร์ Spectrophotometer

ส่วนประกอบของเครื่องสเปกโทรโฟโตมิเตอร์
(spectrophotometer components)

         เครื่องมือที่วัดการดูดกลืนแสงของสารในช่วงความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลต และช่วงคลื่นแสงที่มองเห็นได้ เรียกว่ายูวี-วิสิเบิล สเปกโทรโฟโตมิเตอร์ (UV-Vis spectrophotometer) ในบทนี้จะอธิบายส่วนประกอบและการทำงานภายในเครื่องมือดังกล่าวโดยจะเน้น เฉพาะอุปกรณ์ที่ยังนิยมใช้ในเครื่องสเปคโทรโฟโตมิเตอร์ที่มีจำหน่ายในปัจจุบัน

         ส่วนประกอบหลักของเครื่องยูวี-วิสิเบิล สเปกโทรโฟโตมิเตอร์ มีอยู่ 5 ส่วน
ด้วยกันดังนี้คือ
1.   แหล่งกำเนิดแสง (light source)
2.   ส่วนเลือกความยาวคลื่น (wavelength selector)
3.   ภาชนะใส่สาร (cell หรือ cuvette)
4.   ตัวตรวจจับสัญญาณ (detector)
5.   ส่วนบันทึกและแปรผลสัญญาณ (recorder and processor )
โดยมีการจัดเรียงส่วนประกอบทั้งหมด ดังรูป

แผนภาพเครื่องยูวี-วิสิเบิล สเปกโทรโฟโตมิเตอร์อย่างง่าย

1. แหล่งกำเนิดแสง (light source)
         แหล่งกำเนิดแสงในเครื่องสเปกโทรโฟโตมิเตอร์จะต้องให้รังสีในช่วง
ความยาวคลื่นที่ต้องการอย่างต่อเนื่องและคงที่ตลอดเวลา รวมทั้งมีความเข้มแสง
ที่มากพอด้วย
        สำหรับความยาวคลื่นในช่วงอัลตราไวโอเลตจะใช้หลอดดิวเทอเรียม (deuterium lamp) เป็นแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งให้แสงในช่วง 185-375 nm หลักการคือทำให้อะตอมดิวเทอเรียมที่อยู่ในสภาวะเร้าคายพลังงานออกมา ส่วนหลอดทังสเตน (tungsten filament lamp) จะให้ความยาวคลื่นครอบคลุมช่วงแสงที่มองเห็นได้ คือตั้งแต่ 320-2500 nm หลักการจะคล้ายกับหลอดไฟทังสเตนธรรมดาคือ ให้กระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไปจนกระทั่งลวดทังสเตนร้อนและเปล่งรังสีออกมา
        โดยปกติจะเปิดเครื่องทิ้งไว้ก่อนใช้งานประมาณ 30 นาที เพื่อให้แน่ใจว่า
หลอดดิวเทอเรียมหรือหลอดทังสเตนให้แสงที่มีความเข้มสม่ำเสมอ

หลอดดิวเทอเรียม (ซ้าย) และหลอดทังสเตน (ขวา)

2. ส่วนเลือกความยาวคลื่น (wavelength selector)
เป็นส่วนที่ใช้แยกความยาวคลื่นที่ออกมาจากแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งเป็นแสง
ที่มีหลายๆ ความยาวคลื่น (polychromatic wavelength) ให้เป็นแถบแสงในช่วงแคบๆ หรือ เป็นความยาวคลื่นเดี่ยว (monochromatic wavelength) เครื่องมือสมัยก่อนจะใช้ปริซึมหรือ ฟิลเตอร์สำหรับแยกความยาวคลื่น แต่ปัจจุบันเปลี่ยนมาใช้โมโนโครเมเตอร์ (monochromater) แบบเกรตติ้ง (grating) สะท้อนแสงซึ่งมีลักษณะเป็นร่องเล็กๆ ขนานกันจำนวนมาก แสงจากแหล่งกำเนิดแสงจะตกกระทบลงบนผิวหน้าของร่อง แล้วสะท้อนออกมาที่มุมต่างๆ เฉพาะความยาวคลื่นที่เราเลือกเท่านั้นจึงจะผ่าน ช่องแสงออก (exit slit) ไปสู่สารตัวอย่าง

เกรตติ้งใช้แยกความยาวคลื่นที่ต้องการ
จากรูป เราต้องการแสงสีน้ำเงิน ดังนั้นเฉพาะแสงสีน้ำเงินเท่านั้น
ที่สะท้อนผ่านเกรตติ้งออกมา

รู้หรือไม่ ?

แผ่น CDก็อาศัยหลักการสะท้อน
เช่นเดียวกันกับเกรตติ้ง เพราะบน
แผ่น CD เต็มไปด้วยร่อง (track)
ซึ่งเปรียบเสมือนร่องบนเกรตติ้ง
นั่นเอง โดย 1 มิลลิเมตรบน CD ประกอบด้วยร่องมากถึง 625 ร่อง

3. ภาชนะใส่สารตัวอย่าง (cell หรือ cuvette)
ภาชนะใส่สารตัวอย่างสำหรับสเปกโทรโฟโตมิเตอร์จะเรียกว่า เซลล์หรือ
คิวเวทท์ (cuvette) มีหลายแบบหลายขนาดด้วยกันขึ้นกับการใช้งาน หลักสำคัญในการเลือกใช้ก็คือ การวัดในช่วงแสงอัลตราไวโอเลต จะต้องใช้เซลล์ที่ทำจากควอตซ์ (quartz) เท่านั้น เนื่องจากแก้วสามารถดูดกลืนแสงในช่วงอัลตราไวโอเลตได้ ส่วนเซลล์ที่ทำจากแก้วจะใช้วัดในช่วงแสงที่มองเห็นได้ นั่นหมายความว่าถ้าเราต้องการวัดสารในช่วงแสงที่มองเห็นได้ก็ควรจะใช้เซลล์ที่ทำจากแก้ว การใช้เซลล์ควอตซ์ไม่ได้มีผลให้การวัดแสงดีขึ้น แต่จะสิ้นเปลืองเปล่า ประโยชน์เพราะควอตซ์ราคาแพง กว่าแก้วมาก

ตัวอย่าง cuvettes แบบต่างๆ

นอกจากนี้การวิเคราะห์โดยใช้ spectrophotometric detection ถ้างาน
วิเคราะห์นั้นมี ความไว (sensitivity) ต่ำ เราสามารถเพิ่มความไวให้สูงขึ้นได้ง่ายๆ โดยใช้เซลล์ที่มีความกว้างมากขึ้น เพราะจากกฎของเบียร์-แลมเบิร์ต
ค่าการดูดกลืนแสงของสารยังขึ้นกับความหนาของตัวกลางที่แสงเดินทางผ่าน (l)
ดังสมการ A = cl ซึ่งเซลล์ที่ใช้ในงานทั่วไปมีความกว้างตั้งแต่ 1-10 cm
หรือถ้าสารมีราคาแพงและปริมาณน้อย ก็มีเซลล์ขนาดเล็กที่ปริมาตรต่ำกว่า 1 mL
ส่วนการทำความสะอาดเซลล์เพียงแค่กลั้วด้วยน้ำกลั่นหรือกลั้วด้วยตัวทำ
ละลายที่เหมาะสมตามด้วยน้ำกลั่นก็เพียงพอ ห้ามขัดถูเพราะจะทำให้เซลล์มีรอย
ขีดข่วน

4. ตัวตรวจจับสัญญาณ (detector)
          เครื่องตรวจจับสัญญาณที่ดีต้องมีสภาพไวสูง คือแม้ปริมาณแสงจะเปลี่ยนไปเล็กน้อย ก็สามารถตรวจจับสัญญาณความแตกต่างได้ ปัจจุบันเครื่องสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ส่วนใหญ่ นิยมใช้ตัวตรวจจับสัญญาณ 2 ชนิดคือ
         4.1 หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ (photomultiplier tube; PMT)
         หลอด PMT ประกอบไปด้วยแคโทด (cathode) ที่ฉาบผิวด้วยสารที่สามารถให้อิเล็กตรอนได้เมื่อถูกแสงจำนวน 9 ชุด เรียกว่า ไดโนด (dynode) แต่ละ
ไดโนดจะมีศักย์ไฟฟ้าสูงขึ้นเรื่อยๆ เมื่อแสงตกกระทบกับไดโนดตัวที่หนึ่งสารที่ฉาบผิวจะเกิดอิเล็กตรอนขึ้น แล้ววิ่งไปกระทบไดโนดที่สอง สาม สี่ จนครบทั้งเก้าตัว
ดังนั้นปริมาณอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นถึง 10⁶-10⁷ เท่า แล้วจึงชนแอโนดให้กระแสไฟฟ้าออกมาเข้าเครื่องขยายสัญญาณต่อไป

(ซ้าย) ภาพตัดขวางของหลอด PMT
(ขวา) ลักษณะหลอด PMT ในสเปกโทรโฟโตมิเตอร์

4.2 โฟโตไดโอดอาร์เรย์ (photodiode arrays; PDA)
ตัวตรวจจับสัญญาณชนิดนี้สามารถจับสัญญาณได้ครอบคลุมทั้งสเปกตรัมโดยใช้ไดโอดนี้ มาเรียงต่อกันเป็นแถว ซึ่งสามารถวัดครอบคลุมสเปกตรัมได้ตั้งแต่ 200-1100 nm ตัวตรวจจับสัญญาณนี้ประกอบไปด้วยโฟโตไดโอดและตัวเก็บประจุ (capacitor) ประมาณ 200- 4000 ตัวเรียงต่อกันเป็นแถว หลักการเริ่มต้นด้วยการให้ประจุผ่านผิวหน้าไดโอด ซึ่งไดโอดก็จะเก็บประจุไว้ที่ตัวเก็บประจุ เมื่อแสงตกลงบนไดโอดจะทำให้เกิดประจุไฟฟ้าไปทำลายประจุที่เก็บไว้ที่ตัวเก็บประจุ ทำให้ต้องใส่ประจุเพิ่มเข้าไปใหม่ซึ่งเป็นช่วงของการสแกนแต่ละครั้งนั่นเอง ปริมาณของประจุที่ต้องใส่เข้าไปใหม่ จะเป็นปฏิภาคโดยตรงกับความเข้มแสงที่วัดได้ของแต่ละไดโอด ดังนั้นจากการวัดปริมาณแสงที่แตกต่างกันตลอดช่วงความยาวคลื่นจะได้เป็นสเปกตรัมการดูดกลืนของสารนั้นออกมา