วารสารข่าว วิทย์ปริทัศน์ ฉบับเดือน เมษายน 2563

Advanced Scientific Equipment : อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ขั้นสูง
ความก้าวหน้าและวิวัฒนาการของเทคโนโลยีด้านต่างๆ ในปัจจุบันได้ก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว ได้นำมาใช้ในการผลิตเครื่องมือวิจัยที่ทันสมัย ด้วยเหตุผล
หลักคือ ต้องการผลการทดสอบที่แม่นยำ ให้ผลที่รวดเร็วสามารถรองรับการประยุกต์ใช้งานใหม่ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดต้นทุน

1. Electron Microscope กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมี 2 ชนิด ได้แก่ Transmission Electron Microscope (TEM) และ Scanning Electron Microscope (SEM)

– Transmission Electron Microscope (TEM) เป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่าน เครื่อง TEM เหมาะสำหรับศึกษา รายละเอียดของ
องค์ประกอบภายในของตัวอย่าง เช่น องค์ประกอบภายในเซลล์ ลักษณะของเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งจะให้รายละเอียดสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์ชนิดอื่นๆ
เนื่องจากมีกำลังขยายและประสิทธิภาพในการแจกแจงรายละเอียดสูงมาก (กำลังขยายสูงสุดประมาณ 0.1นาโนเมตร)

– Scanning Electron Microscope (SEM) เป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องกราด ภาพที่ได้จากเครื่อง SEM นี้จะเป็นภาพลักษณะของ 3 มิติ
ดังนั้นเครื่อง SEM จึงถูกนำมาใช้ในการศึกษาสัณฐานและรายละเอียดของลักษณะพื้นผิวของตัวอย่าง เช่น ลักษณะพื้นผิวด้านนอกของเนื้อเยื่อและเซลล์
หน้าตัดของโลหะและวัสดุ

ข้อดีของเครื่อง SEM เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่อง TEM คือ ภาพโครงสร้างที่เห็นจากเครื่อง SEM จะเป็นภาพ
ลักษณะ 3 มิติ ในขณะที่ภาพจากเครื่อง TEM จะให้ภาพลักษณะ 2 มิติ อีกทั้งวิธีการใช้งานเครื่อง SEM มีความรวดเร็วและใช้งานง่ายกว่าเครื่อง TEM
มาก หลักการทำงานของเครื่องค่อนข้างคล้ายกัน คือ เครื่องจะประกอบด้วยแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน กลุ่มอิเล็กตรอนจะถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าและจะ
ผ่านเลนส์รวบรวมรังสี (condenser lens) เพื่อให้กลุ่มอิเล็กตรอน กลายเป็นลำอิเล็กตรอน จากนั้นจะเคลื่อที่ไปที่ตัวอย่างที่จะศึกษา (specimen)
สำหรับกล้องแบบ TEM จะเกิดการกระเจิงอนุภาคขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนทะลุผ่านตัวอย่างไปและอิเล็กตรอนจะถูกปรับโฟกัสของภาพ โดยเลนส์ใกล้วัตถุ
(objective lens) ซึ่งเป็นเลนส์ที่ทำหน้าที่ขยายภาพให้ได้รายละเอียดมากที่สุด จากนั้นจะได้รับการขยายด้วยเลนส์ทอดภาพไปสู่จอรับ
(projector lens)และปรับโฟกัสอนุภาคอิเล็กตรอนให้ยาวพอดีที่จะปรากฏบนฉากเรืองแสง สุดท้ายจะเกิดการสร้างภาพขึ้นมาได้

ส่วนกล้องแบบ SEM อิเล็กตรอนจะถูกปรับระยะโฟกัสโดยเลนส์ใกล้วัตถุ (objective lens) ลงไปบนผิวชิ้นงาน จะทำให้เกิดอิเล็กตรอนทุติยภูมิ
(secondary electron) ขึ้น ซึ่งสัญญานจากอิเล็กตรอนทุติยภูมินี้จะถูกบันทึกและแปลงไปเป็นสัญญาณทางอิเล็กทรอนิกส์และถูกนำไปสร้าง
เป็นภาพบนจอโทรทัศน์ต่อไป และสามารถบันทึกภาพจากหน้าจอโทรทัศน์ได้เลย

2. Particle Size Analyzer

เป็นเครื่องสำหรับใช้วิเคราะห์ขนาดอนุภาคที่มีการใช้อย่างแพร่หลาย มีหลากหลายรูปแบบที่ใช้หลักการแตกต่างกัน เช่น
– หลักการเลี้ยวเบนของแสง (Laser Diffraction) เช่น เครื่อง Partica LA-950V2 สามารถวิเคราะห์ขนาด
อนุภาคหรือวัตถุได้ตั้งแต่ขนาด 0.01-3,000 ไมครอน ซึ่งเป็นช่วงของขนาดที่ค่อนข้างกว้าง ตั้งแต่ไวรัสที่มีขนาด 0.01-0.3 ไมครอน ที่ตาคนเรา
ไม่สามารถมองเห็น (ปกติสายตาคนเราจะสามารถเห็นสิ่งที่เล็กที่สุดได้ที่ 50 ไมครอน) ไปจนถึงขนาด 3 มิลลิเมตร หรือประมาณความหนาของ
บัตรเครดิต 3 ใบ
– หลักการ Dynamic Light Scattering (DLS) เช่น เครื่อง Malvern Model Zetasizer (ZS) เป็นเครื่องวิเคราะห์ขนาดอนุภาคระดับนาโน
ใช้เทคนิค DLS เพื่อวัดขนาดอนุภาคที่แขวนลอยและเคลื่อนที่อยู่ภายในตัวกลางที่เป็นของเหลวโดยใช้แสงเลเซอร์ จะเกิดการแพร่กระจายอย่าง
ไร้ทิศทาง (randomly diffuse) ไปทั่วตัวกลาง

3. X-ray Spectrometer

X-ray Fluorescence (XRF) Spectroscopy เป็นเทคนิคที่นิยมใช้แพร่หลายในการวิเคราะห์ธาตุเชิงปริมาณและคุณภาพ งานด้านสิ่งแวดล้อม เช่น
การวิเคราะห์ธาตุที่มีความเป็นพิษที่อยู่ในอากาศ ด้านธรณีวิทยา เช่น การวิเคราะห์แร่ ดิน หิน โดยไม่ทำลายตัวอย่าง มีการเตรียมตัวอย่างเพียง
เล็กน้อย และให้ผลการวิเคราะห์ที่รวดเร็ว ด้านชีววิทยา/ด้าน การแพทย์ เช่น การวิเคราะห์สารที่อยู่ในเส้นผมและเล็บ ด้านอุตสาหกรรม เช่น
ใช้ในการควบคุมกระบวนการและควบคุมคุณภาพการตรวจวัดตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นพิษในน้ำมันดิบ และอื่นๆอีกมากมาย

4. Thermogravimetric Analyzer

เป็นเครื่องที่ใช้วิเคราะห์ความเสถียรของวัสดุ ศึกษาจากการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักของสารโดยอาศัยคุณสมบัติทางความร้อน
(Thermogravimetric analysis : TGA) เพื่อตรวจหาคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุทางด้านกายภาพและด้านเคมี โดยตัวอย่างจะถูกทำให้ร้อนขึ้น
หรือเย็นลงในบรรยากาศที่กำหนดไว้ และจะมีการบันทึกน้ำหนักของวัสดุที่เปลี่ยนแปลงในแต่ละช่วงอุณหภูมิเครื่องชั่งที่มีความไวสูง
TGA เหมาะสำหรับการวิเคราะห์เปลี่ยนแปลงสภาพของวัสดุที่เกี่ยวข้องกับการดูดซับแก๊สหรือระเหยของน้ำ การตกผลึก (crystallization)
อันเนื่องมาจากการเปลี่ยนเฟส การแตกตัวของวัสดุ (decomposition) ศึกษาการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชัน หรือ ปริมาณสารสัมพันธ์
(stoichiometry) ในการวิเคราะห์ตัวอย่าง เช่น ไนโตรเจน หรือแก๊สที่มีความว่องไว เช่น อากาศ หรือ ออกซิเจน การวิเคราะห์ลักษณะนี้
ใช้งานได้ในด้านต่างๆ เช่น ตัวอย่างพอลิเมอร์ โลหะและเซรามิก ตัวอย่างทางเคมีสีและพิกเมนต์ ตัวอย่างทางปิโตรเคมี และสารอินทรีย์ต่างๆ
ส่วนประกอบในอาหาร เครื่องสำอาง และยา

5. High Performance Liquid Chromatography (HPLC)

โครมาโทกราฟี (Chromatography) เป็นเทคนิคที่ใช้ในการวิเคราะห์องค์ประกอบของสารผสม วิชาวิทยาศาสตร์ คือ ใช้กระดาษกรองเป็นตัวดูดซับ
ตั้งวางเป็นแนวตั้ง 90 องศากับพื้นผิวภาชนะที่บรรจุตัวทำละลาย ตัวทำละลายจะค่อยๆ แพร่ขึ้นไปบนกระดาษและนำพาสารผสมที่ต้องการแยกขึ้น
ไปด้วยหากสารที่ผสมอยู่สารใดสามารถละลายได้ดีก็จะแพร่ไปได้ดีกับตัวทำละลาย และเคลื่อนที่ไปได้สูง ส่วนสารที่อยู่ในสารผสมละลายได้ไม่ดีกับ
ตัวทำละลายผสมก็จะถูกดูดซับไว้ที่กระดาษซึ่งจะแพร่ขึ้นไปได้ต่ำกว่า HPLC สามารถวิเคราะห์สารได้หลายชนิด เช่น สารอินทรีย์ สารประกอบทาง
ชีวภาพ โพลีเมอร์ สารประกอบที่เสียสภาพได้ง่าย สารประกอบที่ระเหยยาก ไอออนขนาดเล็ก ไมโครโมเลกุลตัวอย่างที่นำมาวิเคราะห์ต้องเป็น
ของแข็งหรือของเหลวต้องละลายได้ 100% การแยกสารจะประสบความสำเร็จได้ก็ต่อเมื่อสารมีอัตราการเคลื่อนที่ที่แตกต่าง ตัวอย่างการทดสอบ
ด้วย HPLC เช่น หาปริมาณวิตามินซี ในเลือด น้ำผลไม้ วิตามินอีในอาหารสัตว์ น้ำตาลในน้ำผลไม้ กลีเซอร์ไรด์ในน้ำมัน และอื่นๆ

6. Capillary Electrophoresis (CE)

Capillary Electrophoresis : CE เป็นการแยกสารโดยอาศัยสนามไฟฟ้า
Electrophoresis หมายถึง การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุอยู่ในรูปของสารละลายหรือแขวนลอยอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ (อิเล็กโทรไลต์ คือ
สารที่สามารถแตกตัวเป็นไอออนอิสระเมื่อละลายน้ำหรือหลอมเหลว ทำให้สามารถนำไฟฟ้าได้) เมื่อมีไฟฟ้าวิ่งผ่าน ประจุบวกในสารละลาย หรือ
แคตไอออน(Cation) จะวิ่งไปที่ขั้วแคโทดซึ่งเป็นขั้วลบ ส่วนประจุลบในสารละลายแอนไออน (anion) จะไปที่ขั้วแอโนดซึ่งเป็นขั้วบวก ส่วน
อนุภาคที่เป็นกลางจะไม่วิ่งเข้าสู่ขั้วใดเลย ปัจจุบัน capillary electrophoresis (CE) จะสามารถระบายความร้อนที่เกิดขึ้นออกทางหลอดรูเล็กได้
หลักการของ CE เกี่ยวข้องกับการให้ศักย์ไฟฟ้าสูงตั้งแต่ 10 ถึง 30 กิโลโวลต์ แก่หลอดรูเล็ก (capillary tube) เมื่อมีการให้ศักย์ไฟฟ้าจะทำให้
ไอออนวิ่งไปที่ขั้วไฟฟ้า เรียกว่า electropherogramตัวอย่างการทดสอบด้วย CE เช่น การแยกกรดอะมิโน โปรตีน และ กรดนิวคลีอิก ให้บริสุทธิ์
การหาปริมาณสารกำจัดวัชพืช การตรวจสอบชิ้นส่วนของดีเอ็นเอใน polymerase chain reaction (PCR)

7. Total Organic Carbon (TOC) Analyzer

สารอินทรีย์ที่ปนเปื้อนในน้ำสามารถใช้เป็นตัวชี้วัดคุณภาพของน้ำ น้ำที่มีการปนเปื้อนของสารอินทรีย์มาก จะส่งผลให้มีการละลายของออกซิเจน
น้อยลง ทำให้สิ่งมีชีวิตในน้ำไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ การปนเปื้อนของสารอินทรีย์อาจเกิดจากแหล่งกำเนิดหลากหลาย เนื่องจากสารอินทรีย์
เป็นส่วนประกอบ เช่น น้ำตาลซูโครส แอลกอฮอล์ สารเคมี ปิโตรเลียม แป้งเซลลูโลส แบคทีเรีย หรือกลุ่มผลิตภัณฑ์พลาสติก การหาปริมาณ
สารอินทรีย์ในน้ำมีหลายวิธี เช่น การตรวจวัดค่าบีโอดี (biochemical oxygen demand:Bod) ซีโอดี (chemical oxygen demand:COD)
และ ทีโอซี (total organic carbon:TOC) การตรวจวัดด้วย BOD ใช้เวลา 5 วันในการทราบผล ส่วน COD ต้องใช้สารเคมีที่รุนแรงใน
การออกซิไดซ์ ซึ่งเป็นพิษกับสิ่งแวดล้อม ดังนั้น TOC จึงเป็นทางเลือกในการวิเคราะห์หาปริมาณสารอินทรีย์คาร์บอนทั้งหมด เพราะใช้เวลาน้อย
และไม่ต้องใช้สารเคมีที่เป็นพิษกับสิ่งแวดล้อม การวิเคราะห์ค่า TOC ยังถูกนำไปใช้ในการควบคุมคุณภาพน้ำในอุตสาหกรรมการผลิตน้ำดื่ม ยา
และชิ้นส่วน อิเล็กโทรนิกส์ ควบคุมคุณภาพน้ำเสียจากโรงงานอุตสาหกรรมก่อนปล่อยสู่แหล่งน้ำธรรมชาติ หรือใช้ในการวัดปริมาณ
อินทรีย์วัตถุในดินเพื่อประโยชน์ทางการเกษตรโดยทั่วไปแล้ว สารอินทรีย์ปนเปื้อนไม่มีประจุ จึงไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยการวัดค่าการนำ
ไฟฟ้ามาตรฐาน ดังนั้น การวัดค่าการนำไฟฟ้าในระบบน้ำบริสุทธิ์สูง อาจไม่สามารถตรวจพบ TOC ระดับสูงได้

8. Differential Scanning Calorimeter

เทคนิค Differential Scanning Calorimetry (DSC) เป็นเทคนิคที่นำมาใช้วิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงทางความร้อน (thermal transition)
ของสารตัวอย่าง วัดการเปลี่ยนแปลงพลังงาน (การดูดหรือคายพลังงาน) ของสารตัวอย่าง เมื่อถูกเพิ่มหรือลดอุณหภูมิในบรรยากาศที่ถูกควบคุม
DSC เป็นเครื่องมือวิเคราะห์ที่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย ตั้งแต่ในอุตสาหกรรมเคมี พลาสติก อิเล็กทรอนิกส์ ยานยนต์ อากาศยาน ไปจนถึง
อาหารและยา โดยถูกนำไปประยุกต์ใช้ ทั้งสำหรับการวิเคราะห์คุณภาพผลิตภัณฑ์ และสำหรับงานวิจัย

9. DNA Thermal Cycler หรือ PCR machine

ดีเอ็นเอ หรือ Deoxyribonucleic (DNA) คลังข้อมูลพันธุกรรมทำหน้าที่ควบคุมและถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต โดย
ดีเอ็นเอ จะประกอบด้วยหน่วยย่อยพื้นฐานที่เรียกว่า นิวคลีโอไทด์ (nucleotide) ซึ่งเป็นชุดโมเลกุลฟอสเฟต น้ำตาลเพนโตส และเบสหรือ
สารเคมีที่มีคุณสมบัติเป็นด่าง 1 ตัว ซึ่งเบสมีอยู่ 4 ประเภท คือ adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T)
ลักษณะโครงสร้างของดีเอ็นเอประกอบขึ้นจากสายชุดนิวคลีโอไทด์ 2 สายพันเข้าด้วยกันเป็นลักษณะเกลียวคู่ (double helix) หรือ
บันไดเวียน ทำหน้าที่ยึดจับระหว่างสายทั้งสอง สายส่วนที่มีเบส A จะจับคู่สร้างพันธะกับเบส T และส่วนที่มีเบส G จะจับคู่เบส C ซึ่งการ
จับคู่นี้เรียกว่าเป็นเบสคู่สม และแต่ละส่วนบนสายดีเอ็นเอนี้ที่เป็นที่อยู่ของยีน (gene) ซึ่งเป็นส่วนที่บรรจุข้อมูลสำหรับการสร้างโปรตีนชนิดใด
ชนิดหนึ่ง โดยยีนที่ต่างกันก็จะมีตำแหน่งที่อยู่และเรียงลำดับของเบสบนตัวมันแตกต่างกันไป Polymerase Chain Reaction หรือ (PCR)
เป็นเทคนิคสำหรับเพิ่มปริมาณดีเอ็นเอ อาศัยหลักการ DNA Replication ซึ่งเป็นการสังเคราะห์สายดีเอ็นเอสายใหม่จากดีเอ็นเอต้นแบบใน
หลอดทดลอง เทคนิคนี้พัฒนาเมื่อปี 2528 โดย Kary Mullis และคณะแห่งบริษัท Cetus Coporation จุดเด่นของเทคนิค PCR คือ สามารถ
เพิ่มปริมาณดีเอ็นเอได้อย่างเฉพาะเจาะจงโดยมีขั้นตอนการทำงานน้อยและใช้เวลาน้อย การยอมรับว่าเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญมากต่องานด้าน
อณูชีวโมเลกุล สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ทั้งกับงานวิจัยทางชีวโมเลกุลและพันธุวิศวกรรม เช่น การเพิ่มปริมาณยีน (gen cloning)
การวิเคราะห์ลำดับเบสของยีน (gene sequencing)การสร้างดีเอ็นเอติดตาม (DNA probe) และการวิจัยประยุกต์

10. NMR Spectrometer

NMR (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) เป็นเทคนิคเกี่ยวข้องกับการวัดระดับพลังงานที่แตกต่างกันของนิวเคลียสที่อยู่
ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก ใช้ศึกษาเกี่ยวกับนิวเคลียสของธาตุที่มีสมบัติของแม่เหล็ก ตลอดจนสภาวะข้างเคียงรอบนิวเคลียสนั้นๆ
เทคนิคนี้มีประโยชน์มากในการศึกษาอะตอมในโมเลกุลสูตรโครงสร้างและพลวัตของสาร การวิเคราะห์ด้วยเทคนิค NMR นั้น ตรวจวัดได้ง่าย
รวดเร็ว แม่นยำ และมีความจำเพาะเจาะจงสูง
– เทคนิค NMR ใช้ในงาน อุตสาหกรรมอาหารแช่แข็ง มีการนำสารกลุ่มโพลีฟอสเฟตเข้ามาใช้ผสมเคลือบผิวของอาหารก่อนนำไปแช่แข็ง
เพื่อช่วยลดการสูญเสียน้ำหนัก รักษาคุณภาพของเนื้อสัตว์ได้ เช่น ช่วยเพิ่มความสามารถในการอุ้มน้ำของเนื้อ ช่วยให้เนื้อมีคุณภาพทาง
เนื้อสัมผัสและประสาทสัมผัสที่ดีขึ้น(ความนุ่ม ความฉ่ำน้ำ สี กลิ่น และรส) การอนุญาตให้ใช้สารประกอบฟอสเฟตในอุตสาหกรรมอาหาร
ให้ใช้ในระดับที่ไม่มีอันตรายต่อผู้บริโภค
– เทคนิค NMR ยังได้ใช้ในวงการแพทย์ที่รู้จักกันในชื่อว่า Magnetic Resonance Imaging (MRI) โดยอาศัยหลักที่ว่าเราสามารถ
สร้างภาพ 2 มิติ หรือ3 มิติของวัตถุโดยการปรับเปลี่ยนสนามแม่เหล็ก NMR ที่ระดับความลึกต่างๆ กันของวัตถุ เหตุผลหนึ่งที่ทำให้
เทคนิค MRI นิยมใช้อย่างกว้างขวางในวงการแพทย์ เพราะว่าเทคนิคนี้ใช้รังสีที่มีความถี่หรือพลังงานต่ำ จึงไม่ทำอันตรายต่อเนื้อเยื่อ
หรืออวัยวะของสิ่งมีชีวิต

ติดตามอ่านเพิ่มเติมได้ที่ : https://waa.inter.nstda.or.th/stks/pub/2020/ost-sci-review-apr2020.pdf