เครื่อง AAS คืออะไร มีหลักการทำงานสำหรับวิเคราะห์โลหะ และธาตุหลายชนิดยังไง
เครื่อง AAS เป็นเครื่องมือวิเคราะห์ธาตุที่ใช้กันในห้องปฏิบัติการ งาน QC และงานวิเคราะห์ตัวอย่างหลายประเภท โดยเฉพาะงานที่ต้องการหาความเข้มข้นของธาตุ เช่น ตะกั่ว แคดเมียม ทองแดง เหล็ก สังกะสี นิกเกิล หรือธาตุอื่น ๆ ตามวิธีวิเคราะห์ที่เลือกใช้
หลักการสำคัญของเครื่อง AAS ไม่ได้วิเคราะห์จากลักษณะทางกายภาพของตัวอย่างโดยตรง แต่จะทำให้ธาตุที่ต้องการวิเคราะห์อยู่ในรูปของอะตอมอิสระ จากนั้นส่งแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะของธาตุนั้นผ่านกลุ่มอะตอม แล้ววัดว่าแสงถูกดูดกลืนไปมากน้อยเพียงใด ก่อนนำค่า Absorbance ไปคำนวณเป็นความเข้มข้นของธาตุในตัวอย่าง
ดังนั้น แม้ AAS มักถูกเรียกว่าเครื่องวิเคราะห์โลหะหรือเครื่องวิเคราะห์โลหะหนัก แต่ในทางปฏิบัติไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะโลหะหนักเท่านั้น การเลือกธาตุที่วิเคราะห์ได้ขึ้นอยู่กับ Lamp วิธี Atomization ช่วงความเข้มข้น และ Method ที่ใช้
เครื่อง AAS คืออะไร และวิเคราะห์ธาตุจากการดูดกลืนแสงอย่างไร
AAS ย่อมาจาก Atomic Absorption Spectroscopy ส่วนเครื่องมือที่ใช้ในการวิเคราะห์มักเรียกว่า Atomic Absorption Spectrophotometer หรือ Atomic Absorption Spectrometer เป็นเทคนิคที่วัดการดูดกลืนแสงของอะตอมอิสระ โดยอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าอะตอมของแต่ละธาตุสามารถดูดกลืนพลังงานที่ความยาวคลื่นเฉพาะของตัวเองได้
เมื่อแสงจากแหล่งกำเนิดเดินทางผ่านอะตอมของธาตุที่ต้องการวิเคราะห์ แสงบางส่วนจะถูกดูดกลืน ทำให้ความเข้มของแสงที่ไปถึง Detector ลดลง เครื่องจึงวัดความแตกต่างระหว่างแสงก่อนและหลังผ่านตัวอย่าง แล้วแปลงเป็นค่า Absorbance สำหรับใช้หาความเข้มข้นของธาตุต่อไป
หลักการทำงานของเครื่อง AAS แบบละเอียด
หากมองเป็นกระบวนการตั้งแต่เริ่มวิเคราะห์จนได้ผลความเข้มข้น หลักการทำงานของเครื่อง AAS สามารถแบ่งออกได้เป็น 5 ขั้นตอนหลัก
-
การเลือก Lamp ให้เหมาะกับธาตุที่ต้องการวิเคราะห์
การวิเคราะห์เริ่มจากการเลือกแหล่งกำเนิดแสงให้ตรงกับธาตุเป้าหมาย โดย AAS นิยมใช้ Hollow Cathode Lamp หรือ HCL ซึ่งให้เส้นสเปกตรัมที่จำเพาะกับธาตุ เช่น หากต้องการวิเคราะห์ตะกั่วก็ต้องเลือก Lamp และความยาวคลื่นสำหรับ Pb หากต้องการวิเคราะห์ทองแดงก็เลือกเงื่อนไขสำหรับ Cu
เหตุผลที่ต้องเลือก Lamp ให้ตรงกับธาตุ เป็นเพราะ AAS ต้องการแสงในช่วงความยาวคลื่นที่อะตอมของธาตุนั้นสามารถดูดกลืนได้อย่างจำเพาะ การเลือก Lamp ความยาวคลื่น กระแส Lamp และ Slit ที่ไม่เหมาะสมจึงมีผลต่อความไวและคุณภาพของสัญญาณที่วัดได้
เครื่องรุ่นที่รองรับหลาย Lamp สามารถติดตั้ง Lamp ของหลายธาตุไว้พร้อมกัน แล้วสลับ Lamp ตาม Method ที่กำหนดไว้ ตัวอย่างเช่น SavantAA รองรับระบบ Lamp Turret 8 ตำแหน่งและสามารถเลือก Lamp อัตโนมัติสำหรับการวิเคราะห์หลายธาตุแบบ Sequential ได้
-
ทำให้ตัวอย่างกลายเป็นอะตอมอิสระด้วย Atomization
หลังจากกำหนดธาตุและแหล่งกำเนิดแสงแล้ว ขั้นตอนสำคัญคือ Atomization หรือการทำให้ธาตุในตัวอย่างกลายเป็นอะตอมอิสระที่สามารถดูดกลืนแสงได้
สำหรับ Flame AAS ตัวอย่างของเหลวจะถูกดูดผ่าน Nebulizer ให้เกิดเป็นละอองขนาดเล็ก ก่อนเข้าสู่เปลวไฟ ซึ่งจะทำให้ตัวทำละลายระเหย สารประกอบแตกตัว และเกิดอะตอมอิสระ ส่วน Graphite Furnace AAS จะนำตัวอย่างปริมาณเล็กน้อยเข้าสู่ Graphite Tube แล้วควบคุมอุณหภูมิเป็นลำดับจนถึงขั้น Atomization
Atomization จึงมีผลต่อผลวิเคราะห์โดยตรง เพราะเครื่องไม่ได้วัดธาตุจากสารละลายในสภาพเดิม แต่ต้องสร้างสภาวะที่ทำให้อะตอมของธาตุเป้าหมายอยู่ในรูปที่พร้อมดูดกลืนแสงเสียก่อน ระบบ Flame Atomization ของ เครื่อง AAS จึงต้องควบคุมทั้งการนำตัวอย่าง การสร้างละออง และสภาวะของเปลวไฟให้เหมาะกับ Method ที่ใช้
-
การวัดค่า Absorbance ของธาตุที่ความยาวคลื่นเฉพาะ
เมื่อเกิดอะตอมอิสระแล้ว แสงจาก Lamp จะเดินทางผ่านบริเวณที่มีอะตอมของตัวอย่างอยู่ อะตอมของธาตุเป้าหมายจะดูดกลืนแสงในความยาวคลื่นที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนระดับพลังงานของธาตุนั้น ทำให้ความเข้มของแสงหลังผ่านตัวอย่างลดลง
เครื่องจะเปรียบเทียบความเข้มของแสงที่เข้าสู่ระบบกับแสงที่เหลือหลังผ่านอะตอม และแสดงผลออกมาเป็นค่า Absorbance ยิ่งมีอะตอมของธาตุเป้าหมายอยู่ใน Optical Path มาก การดูดกลืนแสงก็จะเพิ่มขึ้นภายในช่วงการวิเคราะห์ที่เหมาะสม หลักการนี้เป็นจุดสำคัญที่ทำให้ AAS สามารถนำสัญญาณจากการดูดกลืนแสงมาใช้วิเคราะห์เชิงปริมาณได้
-
การแยกและตรวจวัดสัญญาณด้วย Monochromator และ Detector
แสงที่เข้าสู่ระบบ Optical ไม่ได้มีเฉพาะสัญญาณที่ต้องการวิเคราะห์ จึงต้องมี Monochromator ทำหน้าที่แยกช่วงความยาวคลื่น และเลือกสัญญาณที่เหมาะกับธาตุเป้าหมายก่อนส่งไปยัง Detector
Detector จะรับความเข้มของแสงและเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าสำหรับนำไปประมวลผล โดยระบบ AAS สามารถใช้ Photomultiplier Tube หรือ PMT เป็น Detector สำหรับตรวจวัดสัญญาณแสงได้
ตัวอย่างระบบ Optical ของ SavantAA ใช้ Ebert-Fastie Monochromator ร่วมกับ Photomultiplier Tube และเป็นระบบ Double Beam ซึ่งช่วยให้เครื่องติดตามทั้งสัญญาณตัวอย่างและสัญญาณอ้างอิงระหว่างการวัดได้
จึงอาจมองได้ว่า Monochromator ทำหน้าที่ “เลือกแสงที่ต้องการวัด” ส่วน Detector ทำหน้าที่ “วัดว่าแสงนั้นเหลืออยู่เท่าไร” ก่อนส่งข้อมูลไปยัง Software ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของ เครื่องมือ Spectrometer
-
การคำนวณความเข้มข้นของธาตุจาก Absorbance และ Calibration Curve
ค่า Absorbance เพียงอย่างเดียวยังไม่ใช่ค่าความเข้มข้นของธาตุ การวิเคราะห์เชิงปริมาณจึงต้องเตรียมสารมาตรฐานที่ทราบความเข้มข้น แล้ววัด Absorbance ภายใต้เงื่อนไขเดียวกับตัวอย่างเพื่อสร้าง Calibration Curve
ภายในช่วงการตอบสนองที่เหมาะสม ค่า Absorbance จะสัมพันธ์กับความเข้มข้นของธาตุตามหลัก Beer’s Law แต่ในการใช้งานจริง Calibration Curve อาจเบี่ยงเบนจากความเป็นเส้นตรงได้จากหลายปัจจัย จึงต้องกำหนดช่วง Calibration และตรวจสอบ Standard ให้เหมาะกับ Method แทนการสมมติว่าทุกช่วงความเข้มข้นเป็นเส้นตรงเสมอ
เมื่อวัดตัวอย่าง Software จะนำค่า Absorbance ไปเปรียบเทียบกับ Calibration Curve แล้วคำนวณเป็นค่าความเข้มข้น รวมถึงนำ Dilution Factor หรือข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับการเตรียมตัวอย่างมาคำนวณตาม Method ที่ตั้งไว้ ระบบ Software ของ เครื่อง AAS สำหรับงานวิเคราะห์ธาตุ ยังรองรับการจัดการ Calibration, Standard, Sample และ QC ภายในกระบวนการวิเคราะห์ได้
เครื่อง AAS วิเคราะห์โลหะและธาตุหลายชนิดได้อย่างไร
จุดที่ควรเข้าใจก่อนคือ AAS สามารถใช้วิเคราะห์ธาตุได้หลายชนิด แต่การวิเคราะห์แบบดั้งเดิมมักเป็น Element-specific analysis กล่าวคือ เครื่องจะเลือก Lamp ความยาวคลื่น และ Method ให้ตรงกับธาตุที่กำลังวัด แล้วจึงเปลี่ยนไปวิเคราะห์ธาตุตัวถัดไป
เครื่องที่มี Lamp Turret และระบบอัตโนมัติจึงสามารถวิเคราะห์หลายธาตุแบบ Sequential ได้สะดวกขึ้น แต่หลักการยังต่างจากเครื่องมือที่วัดสเปกตรัมของหลายธาตุพร้อมกันในครั้งเดียว
ส่วนการเลือกว่าจะใช้ Flame, Graphite Furnace หรือระบบ Hydride ขึ้นอยู่กับธาตุ ระดับความเข้มข้น Matrix ของตัวอย่าง และ Detection Limit ที่งานต้องการ
Flame AAS สำหรับการวิเคราะห์ด้วยเปลวไฟ
Flame AAS เป็นรูปแบบที่ใช้กันแพร่หลาย ตัวอย่างของเหลวจะถูกดูดเข้าสู่ Nebulizer และ Spray Chamber ก่อนเข้าสู่เปลวไฟเพื่อสร้างอะตอมอิสระ จากนั้นจึงวัดการดูดกลืนแสงของธาตุเป้าหมาย
เปลวไฟที่ใช้สามารถแตกต่างกันตาม Method เช่น Air-Acetylene หรือ Nitrous Oxide-Acetylene เนื่องจากธาตุแต่ละชนิดต้องการสภาวะ Atomization ไม่เหมือนกัน
Flame AAS เหมาะกับงาน Routine ที่มีตัวอย่างจำนวนมากและระดับความเข้มข้นอยู่ในช่วงที่เทคนิคสามารถตรวจวัดได้ เช่น งานควบคุมคุณภาพวัตถุดิบ งานสิ่งแวดล้อม อาหาร น้ำมัน หรือสารละลายจากตัวอย่างโลหะที่ผ่านการเตรียมอย่างเหมาะสม
Graphite Furnace สำหรับธาตุที่ต้องการตรวจในระดับความเข้มข้นต่ำ
Graphite Furnace AAS หรือ GFAAS ใช้ Graphite Tube เป็นบริเวณ Atomization แทนเปลวไฟ โดยนำตัวอย่างปริมาณเพียงเล็กน้อยเข้าสู่ Tube แล้วเพิ่มอุณหภูมิตามโปรแกรม เช่น Drying, Ashing และ Atomization
ข้อได้เปรียบสำคัญคืออะตอมของธาตุเป้าหมายอยู่ใน Optical Path ได้นานและตัวอย่างไม่ได้ถูกพัดผ่านเปลวไฟอย่างต่อเนื่อง จึงสามารถตรวจวัดธาตุในระดับความเข้มข้นที่ต่ำกว่า Flame AAS ได้ โดย GFAAS ถูกใช้งานสำหรับธาตุหลายชนิดในระดับ ppb และระบบ Graphite Furnace บางรุ่นรองรับการวิเคราะห์ต่ำกว่าระดับ ppb ตาม Method และธาตุที่ตรวจวัด
อย่างไรก็ตาม ความไวที่สูงขึ้นก็มาพร้อมกับความต้องการควบคุม Matrix, Temperature Program, Chemical Modifier และการปนเปื้อนของตัวอย่างให้เหมาะสมมากขึ้น
Hydride Generation และ Mercury Analysis สำหรับธาตุบางกลุ่ม
ธาตุบางชนิดสามารถเพิ่มความไวในการวิเคราะห์ด้วย Hydride Generation โดยเปลี่ยนธาตุเป้าหมายให้เป็นสารประกอบ Hydride ที่ระเหยได้ แล้วนำเข้าสู่ Absorption Cell สำหรับวัดสัญญาณ
ตัวอย่างธาตุที่สามารถวิเคราะห์ด้วยระบบ Hydride Generation ได้แก่ Arsenic (As), Selenium (Se), Antimony (Sb), Bismuth (Bi), Tellurium (Te), Tin (Sn), Germanium (Ge) และ Lead (Pb) ภายใต้ Method ที่เหมาะสม ส่วน Mercury สามารถวิเคราะห์ด้วย Cold Vapour Technique ซึ่งเป็นเทคนิคที่ออกแบบมาสำหรับ Hg โดยเฉพาะ
ระบบเหล่านี้จึงช่วยขยายความสามารถของ เครื่อง AAS สำหรับวิเคราะห์ธาตุและโลหะ ให้เลือกวิธีนำตัวอย่างและ Atomization ได้เหมาะกับธาตุและ Detection Limit ที่ต้องการมากขึ้น
ปัจจัยที่มีผลต่อความแม่นยำของการวิเคราะห์ด้วย AAS
แม้หลักการของ AAS จะตรงไปตรงมา แต่คุณภาพของผลวิเคราะห์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับตัวเครื่องเพียงอย่างเดียว ซึ่งขั้นตอนตั้งแต่การเตรียมตัวอย่างจนถึง Calibration สามารถทำให้ผลคลาดเคลื่อนได้
ปัจจัยสำคัญที่ควรควบคุม ได้แก่
- การเตรียมตัวอย่าง โดยเฉพาะตัวอย่างของแข็งที่มักต้องทำให้อยู่ในรูปสารละลายก่อนวิเคราะห์ หากการย่อยไม่สมบูรณ์หรือมีการสูญเสียธาตุ ผลที่ได้อาจไม่แม่นยำ
- Matrix ของตัวอย่าง เพราะองค์ประกอบอื่นในสารละลายสามารถรบกวนกระบวนการ Atomization หรือการดูดกลืนแสงได้
- สภาวะ Atomization เช่น อัตราการไหลของแก๊ส ตำแหน่ง Burner อัตราการดูดตัวอย่าง และ Temperature Program ของ Graphite Furnace
- Lamp และ Optical Setting ได้แก่ Lamp ที่ใช้ กระแส Lamp ความยาวคลื่น Slit และการ Alignment ของระบบ Optical
- Calibration Standard และ Blank ซึ่งต้องเตรียมให้เหมาะกับช่วงความเข้มข้นและ Matrix ของตัวอย่าง และควรมี QC Sample สำหรับตรวจความถูกต้องระหว่างการวิเคราะห์
- Background และ Interference ซึ่งอาจทำให้สัญญาณที่วัดไม่ได้เกิดจากอะตอมของธาตุเป้าหมายเพียงอย่างเดียว จึงต้องเลือก Background Correction และ Method ให้เหมาะสม
- การปนเปื้อนและ Carryover โดยเฉพาะงานระดับ Trace ซึ่งสิ่งปนเปื้อนจากภาชนะ น้ำยา หรือขั้นตอนเตรียมตัวอย่างสามารถส่งผลต่อค่าที่วัดได้อย่างชัดเจน
การ Optimise Lamp, Burner และระบบนำตัวอย่าง รวมถึงการตรวจสอบ Blank, Standard และ Calibration เป็นส่วนสำคัญของการควบคุมคุณภาพผล AAS ไม่ต่างจากการเลือกเครื่องมือที่เหมาะสมตั้งแต่ต้น
สำหรับห้องแล็ปที่ต้องพัฒนา Method หรือกำหนด Configuration ของ เครื่อง AAS สำหรับงานวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการ จึงควรเริ่มจากชนิดธาตุ ช่วงความเข้มข้น Matrix ของตัวอย่าง จำนวนตัวอย่างต่อวัน และ Detection Limit ที่ต้องการ มากกว่าพิจารณาจาก Specification ของเครื่องเพียงอย่างเดียว
AAS ต่างจากเครื่องวิเคราะห์โลหะอย่าง OES และ XRF อย่างไร
AAS, OES และ XRF ต่างสามารถใช้หาชนิดหรือปริมาณธาตุได้ แต่ใช้หลักการวิเคราะห์และเหมาะกับงานคนละลักษณะ จึงไม่ควรเลือกจากคำว่า “เครื่องวิเคราะห์โลหะ” เพียงอย่างเดียว
| หัวข้อ | AAS | OES แบบ Arc/Spark | XRF |
| หลักการ | วัดแสงที่อะตอมอิสระดูดกลืน | วัดแสงที่อะตอมปล่อยออกมาหลังถูกกระตุ้นด้วย Arc/Spark | วัดรังสี X-ray Fluorescence ที่ตัวอย่างปล่อยออกมา |
| ตัวอย่างที่พบทั่วไป | สารละลายหรือตัวอย่างที่เตรียมให้อยู่ในรูปเหมาะกับระบบนำตัวอย่าง | ชิ้นงานโลหะที่เตรียมผิว | ของแข็ง ผง หรือของเหลว ขึ้นกับชนิดเครื่องและ Method |
| การวิเคราะห์หลายธาตุ | โดยทั่วไปวิเคราะห์เฉพาะธาตุและสลับเป็นลำดับ | วิเคราะห์หลายธาตุจากสเปกตรัมของโลหะได้รวดเร็ว | วิเคราะห์หลายธาตุได้ในหนึ่งการวัด |
| งานที่เหมาะ | วิเคราะห์ธาตุเฉพาะ โดยเฉพาะงาน Trace ในตัวอย่างที่เตรียมเป็นสารละลาย | ตรวจองค์ประกอบโลหะ ยืนยันเกรด และควบคุมส่วนผสมในงานโลหะ | Screening และวิเคราะห์องค์ประกอบวัสดุโดยต้องการความรวดเร็ว |
| การเตรียมตัวอย่าง | มักมีขั้นตอนเตรียมหรือย่อยตัวอย่าง | ต้องเตรียมผิวโลหะให้เหมาะกับการ Spark | โดยทั่วไปเตรียมตัวอย่างไม่ซับซ้อนเท่า AAS แต่ขึ้นกับความแม่นยำที่ต้องการ |
| ผลกระทบต่อตัวอย่าง | ใช้ตัวอย่างบางส่วนและมักผ่านกระบวนการเตรียมตัวอย่าง | เกิดรอยบริเวณที่ Spark | เป็นเทคนิค Non-destructive |
สำหรับ OES ที่ใช้กับโลหะโดยตรง หลักการคือกระตุ้นอะตอมบนพื้นผิวด้วย Arc Spark แล้ววิเคราะห์สเปกตรัมของแสงที่ปล่อยออกมา จึงเหมาะกับการตรวจส่วนประกอบทางเคมีและยืนยันเกรดของโลหะ
ส่วน XRF ใช้รังสี X-ray กระตุ้นอะตอม แล้ววิเคราะห์รังสี X-ray Fluorescence ที่เกิดขึ้น จุดเด่นคือสามารถวิเคราะห์ตัวอย่างได้รวดเร็วและเป็นการตรวจแบบ Non-destructive จึงเหมาะกับงานคัดแยก ตรวจรับวัสดุ หรืองานที่ต้องการรักษาชิ้นงานไว้หลังการวิเคราะห์
