เครื่องวัดการดูดกลืนแสง (Spectrophotometer)

                เครื่องวัดการดูดกลืนแสงใช้หาปริมาณสารใดสารหนึ่ง โดยวิธีการวัดความเข้มของสี หรือการวัดความเข้มของแสง โดยการเปรียบเทียบกับสารละลายมาตรฐานที่ทราบค่า
                เครื่องวัดความเข้มของแสง แบ่งออกเป็น 3 กลุ่มใหญ่คือ การวัดแสงที่เปล่งออกมา การวัดแสงที่ถูกดูดกลืน และการวัดแสงฟลูออเรสเซนซ์ที่เปล่งออกมา
                เครื่องวัดการดูดกลืนแสงและเครื่องวัดแสงฟลูออเรสเซนซ์ มีองค์ประกอบที่คล้ายกันแต่ตำแหน่งการวางอุปกรณ์ต่างกัน

การทำงานของเครื่องวัดการดูดกลืนแสง

    เครื่องวัดการดูดกลืนแสง (Spectrophotometer) ทำงานโดยการวัดปริมาณแสงที่ถูกดูดกลืนโดยสารละลายหรือสารตัวอย่างในช่วงความยาวคลื่นที่กำหนด โดยกระบวนการทำงานของเครื่องวัดการดูดกลืนแสงสามารถแบ่งออกเป็นขั้นตอนหลักๆ ดังนี้:

  1. แหล่งกำเนิดแสง (Light Source)
    • เครื่องจะมีแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งอาจเป็นหลอดไฟที่ปล่อยแสงในช่วงต่างๆ เช่น แสง UV (อัลตราไวโอเลต) หรือแสงที่มองเห็น (Visible light) ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับการวัดที่ต้องการ โดยแสงนี้จะส่องไปที่ตัวอย่างผ่านระบบแสงที่มีความยาวคลื่นที่ต้องการ
  2. การเลือกความยาวคลื่น (Monochromator)
    • แสงที่ถูกส่งออกมาจากแหล่งกำเนิดจะถูกส่งผ่านอุปกรณ์ที่เรียกว่า โมโนโครมาทอร์ (Monochromator) ซึ่งทำหน้าที่เลือกแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะเจาะจงที่ต้องการวัด เช่น ความยาวคลื่นที่สารในตัวอย่างสามารถดูดกลืนได้มากที่สุด
  3. การส่องผ่านตัวอย่าง (Sample Cell)
    • แสงที่ถูกเลือกจะถูกส่งผ่านตัวอย่างที่บรรจุในหลอดคิวเวต (Cuvette) ซึ่งเป็นหลอดใสทำจากวัสดุเช่นแก้วหรือพลาสติกชนิดพิเศษ ตัวอย่างนี้อาจเป็นสารละลายที่มีสารเคมีเจือปนหรือสารตัวอย่างที่ต้องการวิเคราะห์
  4. การวัดความเข้มแสง (Detector)
    • เมื่อแสงส่องผ่านตัวอย่าง จะมีบางส่วนของแสงที่ถูกดูดกลืนไว้ (Absorption) และบางส่วนที่ส่องผ่านออกไป (Transmission) ตัวตรวจจับแสง (Detector) จะทำหน้าที่ตรวจวัดความเข้มของแสงที่ผ่านตัวอย่างออกมา

      5. การคำนวณค่าการดูดกลืนแสง (Absorbance Calculation)

    • เครื่องจะนำค่าความเข้มแสงที่ตรวจวัดได้มาเปรียบเทียบกับความเข้มแสงก่อนที่จะผ่านตัวอย่าง แล้วคำนวณค่าการดูดกลืนแสงโดยใช้สูตร:

       6. การวิเคราะห์ผลลัพธ์

    • ค่าการดูดกลืนแสงที่คำนวณได้สามารถใช้ในการวิเคราะห์ความเข้มข้นของสารในตัวอย่างได้ โดยอาศัยกฎของเบียร์-แลมเบิร์ต (Beer-Lambert Law) ซึ่งบอกว่า ค่าการดูดกลืนแสงจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้นของสารและระยะทางที่แสงผ่านในตัวอย่าง

      กฎของเบียร์-แลมเบิร์ต (Beer-Lambert Law)
A = εcl

โดยที่:

      • คือ ค่าการดูดกลืนแสง
      • คือ ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืน (Absorption Coefficient)
      • คือ ความเข้มข้นของสาร
      • ll คือ ความยาวของเส้นทางแสงที่ผ่านตัวอย่าง (Path Length)

จากกระบวนการนี้ เครื่องวัดการดูดกลืนแสงจะช่วยให้เราสามารถวิเคราะห์ความเข้มข้นของสารในตัวอย่างได้อย่างแม่นยำ

การวิเคราะห์เชิงปริมาณ

การวัดค่าการดูดกลืนแสงเพื่อนำมาคำนวณหาปริมาณสารนิยมวัดอยู่ 2 วิธี คือ
                1. การวัดค่าการดูดกลืนแสงสมบูรณ์ เป็นการวัดค่าการดูดกลืนแสงของสารเมื่อเทียบกับอากาศ หรือน้ำกลั่นในคิวเวทท์ ที่มีความกว้าง 1 เซนติเมตร หลังจากนั้นหารค่าการดูดกลืนแสงที่ได้ด้วย ε จะได้ค่าความเข้มข้นของสาร
                2. การวัดค่าการดูดกลืนแสงสัมพัทธ์ เป็นการวัดค่าการดูดกลืนแสงเปรียบเทียบกันระหว่างสารละลายมาตรฐานที่ทราบค่า กับสารละลายที่ต้องการหาปริมาณ การวัดค่าการดูดกลืนแสงอาจแบ่งตามปฏิกิริยาเคมีได้ 2 แบบ คือ
                     2.1 แบบปฏิกิริยาสมดุล
                     2.2 แบบปฏิกิริยาจลน์

องค์ประกอบและคุณสมบัติ

                1. ภาคจ่ายกระแสไฟฟ้า มีความสำคัญต่อเครื่องวัดการดูดกลืนแสงมาก เพราะความไม่คงที่ของกระแสไฟฟ้าทำให้อ่านค่าการดูดกลืนแสง หรือค่าแสงส่องผ่านไม่คงที่ แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าแบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ
                     1.1 แบตเตอรี่
                     1.2 กระแสไฟฟ้าสลับ
                2. หลอดไฟกำเนิดแสง ต้องเลือกใช้ให้ถูกต้องเหมาะสมกับของเหลวที่นำมาวัดค่าการดูดกลืนแสง สำหรับหลอดไฟกำเนิดแสงที่นิยมใช้ในปัจจุบันมีดังนี้
                     2.1 หลอดไฮโดรเจน
                     2.2 หลอดทังสเตน
                     2.3 หลอดทังสเตนฮาโลเจน
                     2.4 หลอดเนินสต์-โกลเวอร์
                     2.5 หลอดโกลบาร์
                3. ตัวแยกแสง ตัวแยกแสงที่ใช้ในเครื่องวัดการดูดกลืนแสงมีอยู่ 3 ชนิดคือ
                     3.1 ตัวกรองแสง แบ่งออกได้เป็นอีก 3 ชนิด คือ
                                3.1.1 กระจกสี
                                3.1.2 ตัวกรองแสงแบบอินเตอร์เฟียเรนซ์ หรือเรียกอีกชนิดหนึ่งว่าตัวกรองแสงแบบไดอิเล็กทริก
                                3.1.3 ตัวกรองแสงแบบลิ่ม

                     3.2 ปริซึม ปริซึมที่นิยมใช้ในเครื่องวัดความเข้มของแสงมีอยู่ 2 แบบคือ แบบสามเหลี่ยมมุมเท่า และแบบสามเหลี่ยมมุมฉาก
                     3.3 เกรตติง เกรตติงมีอยู่ 2 แบบ คือแบบแสงส่องผ่าน และแบบสะท้อนแสง
                4.ช่องแสง ช่องแสงอาจคงที่หรือปรับเลื่อนได้ด้วยกลไก มี 2 ชนิดคือ
                     4.1 ช่องแสงเข้า
                     4.2 ช่องแสงออก
                5. ช่องใส่คิวเวทท์
                6. คิวเวทท์ คิวเวทท์เป็นภาชนะสำหรับใส่ของเหลวที่จะนำไปวัดความเข้มของแสง มีอยู่หลายแบบ หลายขนาด เพื่อให้เหมาะสมกับงานแต่ละประเภท
                     6.1 วัสดุที่ใช้ทำคิวเวทท์ ในอดีตนิยมใช้เฉพาะคิวเวทท์ที่ทำจากแก้ว หรือควอทซ์ แต่ในปัจจุบันได้เพิ่มความนิยมในการใช้คิวเวทท์พลาสติกมากขึ้น แต่อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์ที่ต้องการความถูกต้องและความแม่นยำสูงควรใช้คิวเวทท์ที่ทำจากแก้วหรือควอทซ์
                                6.1.1 แก้ว
                                6.1.2 ควอทซ์
                                6.1.3 พลาสติก
                     6.2 ชนิดของคิวเวทท์ แบ่งชนิดตามความจุของคิวเวทท์ซึ่งแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิด คือ
                                6.2.1 ไมโครคิวเวทท์
                                6.2.2 เซมิไมโครคิวเวทท์
                                6.2.3 คิวเวทท์มาตรฐาน
                     6.3 การเลือกใช้คิวเวทท์ ควรพิจารณาถึง
                                6.3.1 เลือกชนิดของเนื้อคิวเวทท์ให้เหมาะสมกับช่วงคลื่นแสงที่จะใช้งาน
                                6.3.2 ใช้คิวเวทท์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม. สำหรับการวัดทั่ว ๆ ไป ใช้คิวเวทท์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20-40 มม. หรือมากกว่าสำหรับวัดของเหลวที่มีค่าการดูดกลืนแสงต่ำมาก และใช้คิวเวทท์ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 1 – 5 มม. สำหรับการวัดของเหลวที่มีค่าการดูดกลืนแสงมาก หรือใช้สารเคมีราคาแพง
                                6.3.3 ควรใช้คิวเวทท์สี่เหลี่ยมที่มีผนังขนานกัน เพื่อลดการหักเห หรือการสะท้อนแสงจากผนังโค้งของคิวเวทท์ชนิดกลม ซึ่งจะช่วยเพิ่มความถูกต้องและความแม่นยำในการวัดค่าการดูดกลืนแสง
                                6.3.4 การวิเคราะห์ที่ต้องใช้คิวเวทท์หลายอัน ควรเลือกใช้คิวเวทท์ที่มีค่าการดูดกลืนแสงหรือค่าแสงส่องผ่านแตกต่างกันไม่มาก
                     6.4 การล้างคิวเวทท์ เนื่องจากคิวเวทท์ส่วนใหญ่มีราคาแพงจึงควรระวังการเกิดรอบขีดข่วนในขณะล้าง
                7. ตัวไวแสง ตัวไวแสงเป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนความเข้มของแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า แล้วจึงส่งต่อไปยังภาคขยายสัญญาณและวงจรอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ เพื่อให้สามารถแสดงค่าออกมาในรูปค่าการดูดกลืนแสงหรือแสงส่องผ่าน ตัวไวแสงมีอยู่หลายชนิด คือ
                     7.1 โฟโตเซลล์
                     7.2 โฟโตทิวบ์
                     7.3 โฟโตมัลติพลายเออร์ทิวบ์
                     7.4 สารกึ่งตัวนำ
                     7.5 ภาคขยายสัญญาณ
                     7.6 ภาคแสดงผล มีหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นหน่วยวัดที่ต้องการ
                                7.6.1 มิเตอร์
                                7.6.2 ตัวเลข
                     7.7 ระบบไมโครโพรเซสเซอร์

ชนิดของเครื่องวัดการดูดกลืนแสง

                เครื่องวัดการดูดกลืนแสงแบ่งตามระบบทางเดินแสงเป็น 2 ชนิด คือ
                1. ชนิดลำแสงเดี่ยว
                2. ชนิดลำแสงคู่
                3. ชนิดลำแสงแยก

วิธีใช้เครื่องวัดการดูดกลืนแสง

                1. ถอดถุงคลุมเครื่องมือออก
                2. เปิดสวิตช์ไฟฟ้าเพื่ออุ่นเครื่องนาน 10-20 นาที
                3. ปิดแสงจากภายในหรือภายนอกไม่ให้ตกกระทบตัวไวแสง โดยการปิดฝาครอบช่องใส่คิวเวทท์และปิดช่องแสงออก
                4. ปรับ 0%T ด้วยปุ่มปรับศูนย์ ค่าความเข้มของแสงควรจะคงที่ ถ้าไม่คงที่อาจเกิดจากการอุ่นเครื่องไม่พอ หรือเครื่องมือมีความผิดปกติ
                5. เลือกความยาวคลื่นแสงที่ต้องการวัดโดยหมุนปุ่มเลือกความยาวคลื่น
                6. เลือกตัวกรองตัดแสงรบกวนที่เหมาะสม
                7. ใส่รีเอเจนต์อ้างอิงลงในช่องคิวเวทท์ ปิดฝาช่องใส่คิวเวทท์
                8. ปรับ 100%T หรือ 0A ด้วยปุ่มควบคุมการปรับ ในขั้นตอนนี้ต้องกระทำทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนความยาวคลื่นแสงที่ใช้วัด
                9. ใส่สารตัวอย่างลงในช่องใส่คิวเวทท์ ปิดฝาช่องใส่คิวเวทท์
                10. อ่านค่า %T หรือ A
                11. ปิดสวิตช์ไฟฟ้า ปล่อยให้เครื่องเย็นก่อนคลุมเครื่องด้วยถุงคลุมเครื่องมือ

ข้อควรปฏิบัติในการใช้งาน

                1. เลือกใช้วิธีวิเคราะห์ที่เหมาะสม
                2. เลือกสารตัวอย่างที่เหมาะสม
                3. ปฏิบัติตามคำแนะนำในคู่มือการใช้งานอย่างเคร่งครัด
                4. ตั้งเครื่องมือในที่มีฝุ่นน้อย ความชื้นต่ำอุณหภูมิไม่สูง และควรตั้งห่างจากผนังเพื่อให้ความร้อนระบายออกได้ดี
                5. ใช้เครื่องควบคุมโวลต์
                6. อุ่นเครื่องควบคุมโวลต์
                7. ตรวจดูความเสื่อมสภาพของหลอดไฟกำเนิดแสงเป็นระยะ ๆ พร้อมกับดูตำแหน่งที่ถูกต้องด้วย
                8. ปิดหลอดไฟกำเนิดแสงเมื่อไม่ได้ใช้งาน
                9. ปิดช่องแสงออกเมื่อไม่ได้วัดความเข้มของแสง เพื่อกันการล้า
                10. ใช้ความกว้างของช่องแสงออกแคบ เพื่อสร้างแสงสีเดียวที่มีช่วงความยาวคลื่นแคบ
                11. ควรอ่านค่าความเข้มของแสงในช่วง 15-80 %T เนื่องจากการตอบสนองของตัวไวแสงส่วนใหญ่เป็เส้นตรง
                12. ใช้คิวเวทท์ที่สะอาดและมีค่าความแตกต่างของ %T ต่ำ
                13. ในกรณีที่มีคิวเวทท์น้อยจำเป็นต้องใช้ร่วมกัน ควรวัดสารละลายที่มีความเข้มข้นน้อยก่อนสารละลายที่มีความเข้มข้นมากตามลำดับ
                14. ตรวจสอบความไวของตัวไวแสงเป็นระยะ ๆ
                15. ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลง 100 %T หรือ OA เป็นระยะ ๆ ในขณะที่ใช้งานเครื่องมือ
                16. มีการบำรุงรักษาเครื่องมือเป็นระยะ ๆ และสม่ำเสมอ

การบำรุงรักษา

                การบำรุงรักษาประกอบด้วยขั้นตอนของการทำความสะอาด การตรวจสอบประสิทธิภาพ การปรับให้ถูกต้อง และการทดสอบระบบความปลอดภัย สำหรับเครื่องวัดการดูดกลืนแสงมีกิจกรรมที่ควรกระทำทุก ๆ เดือน คือ ตรวจสอบความถูกต้องของความยาวคลื่น ความถูกต้องของการวัดความเข้มของแสง ความแม่นยำของการวัดความเข้มของแสง เสถียรภาพ 100%T ความเป็นเส้นตรงของการวัดความเข้มของแสง แสงรบกวน ส่วนเวลาในการตอบสนอง ความกว้างของลำแสง และความแม่นยำของความยาวคลื่นแสง ควรตรวจสอบทุก ๆ 6 เดือน

การเลือกเครื่องวัดการดูดกลืนแสง

                1. ชนิดของระบบแสง ควรดูว่าเป็นชนิดลำแสงเดี่ยว ชนิดลำแสงคู่ หรือชนิดลำแสงแยก เพื่อพิจารณาข้อดีข้อเสียของแต่ละชนิดให้สอดคล้องกับงานที่ต้องใช้
                2. การจัดการสารตัวอย่าง ควรดูว่าใช้สารตัวอย่างในการวัดเท่าไร มีการปนกันระหว่างการวัดที่ต่อเนื่องหรือไม่ มีระบบการดูดปล่อยสารละลายแบบใด
                3. ช่องใส่คิวเวทท์ ควรดูว่าเป็นแบบมาตรฐานใส่คิวเวทท์ทั่ว ๆ ไปได้หรือไม่ มีชุดควบคุมอุณหภูมิสำหรับการวิเคราะห์แบบจลน์หรือไม่
                4. ความสะดวกและความง่ายในการใช้งาน ควรพิจารณาจากสิ่งอำนวยความสะดวกของเครื่องมือ
                5. ประสิทธิภาพของเครื่องมือ
                6. อุปกรณ์ประกอบเครื่องที่จะอำนวยความสะดวกและการประยุกต์ใช้งานต่าง ๆ
                7. ราคา ซึ่งรวมถึงราคาของตัวเครื่อง อะไหล่ ค่าบริการ การฝึกอบรม และอุปกรณ์ปประกอบอื่น ๆ

ปัญหาและสาเหตุ

                1. เครื่องมือไม่มีการตอบสนอง
                                - ฟิวส์ขาด
                                - หลอดไฟขาด
                                - ตัวไวแสงเชื่อม
                                - ทางเดินของแสงถูกปิดกั้น หรือเคลื่อนที่
                2. ปรับ 100%T ไม่ได้
                                - หลอดไฟกำเนิดแสงขาด
                                - หลอดไฟกำเนิดแสงเสื่อม
                                - ตำแหน่งหลดไฟกำเนิดแสงไม่ถูกต้อง
                                - ภาคขยายสัญญาณเสีย
                                - ช่องแสงออกถูกปิดกั้น
                                - ตัวไวแสงเสื่อม
                                - มีการลัดลงไฟฟ้า
                3. ความแม่นยำในการวัดต่ำ
                                - สารตัวอย่างมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา
                                - ใช้ตัวกรองแสงไม่ถูกต้อง
                                - ใช้ความกว้างของช่องแสงไม่เท่ากัน
                                - ใช้เทคนิคการวิเคราะห์ที่ต่างกัน
                                - อุ่นเครื่องไม่เพียงพอ
                4. ปรับ 0%T ไม่ได้
                                - ฟิวส์ขาด
                                - ตัวไวแสงเสื่อม
                                - มีแสงรั่วเข้ามาจากภายนอก
                5. ค่าไม่นิ่ง
                                - ขั้วต่อหลอดไฟกำเนิดแสงหลวม
                                - มีสัญญาณรบกวนจากภายนอก
                                - มีการสั่นสะเทือน
                6. มีแสงรบกวนมาก
                                - กระจกสะท้อนแสงหรือตัวแยกแสงสกปรก
                                - มีแสงรั่วเข้ามาจากภายนอก

Reference: 

ชูชาติ อารีจิตรานุสรณ์. (2544).  เครื่องมือวิทยาศาสตร์. ขอนแก่น: โรงพิมพ์คลังนานาวิทยา