บทความบดร.ศภมาส ดานวทยากล

หองปฏบตการวสดสำหรบผลตภณฑทปราศจากสารอนตรายหนวยวจยดานสงแวดลอม

ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาตe-mail: supamasd@mtec.or.th

สารอนนทรยเปนสารทไมสามารถยอยสลายไดตามธรรมชาต บางตวเปนพษตอสงมชวต และระบบนเวศน องคการอนามยโลก (World Health Organization: WHO) ตระหนกถง ความเปนพษและอนตรายของสารเหลานจงตงขอกำหนดคณภาพของนำไววา หามมสารอนนทรย ทมความเปนพษตอไปนปนเปอนในระดบทเกนกวา 50 สวนในพนลานสวน หรอ ppb (part per billion) ไดแก แคดเมยม (cadmium, Cd) ตะกว (lead, Pb) โครเมยม (VI) (chromium (VI), Cr(VI)) ปรอท (mercury, Hg) ซลเนยม (selenium, Se) และสารหน (arsenic, As)[1]

แผนทดสอบไอออนโลหะหนกระดบ ppb

เทคนควเคราะหทมประสทธภาพสงและนยม ใชตรวจวดโลหะหนกดงกลาว ไดแก อะตอมมก แอบซอรปชนสเปกโทรสโกป (Atomic Absorption Spectroscopy:AAS)อนดกทฟลคปเปลพลาสมาออปตคอล อมสชน สเปกโทรเมตร (InductivelyCoupledPlasmaOpticalEmissionSpectrometry: ICP-OES) และอนดกทฟล คปเปล พลาสมา แมส สเปกโทรเมตร (Inductively Coupled PlasmaMassSpectrometry:ICP-MS)อยางไรกดเทคนค เหลานตองใชเครองมอทมตนทนสง ใชผเชยวชาญ ในการวเคราะหการเกบตวอยางการเคลอนยายตวอยาง และการรกษาคณภาพตวอยางมความยงยากนอกจากน

ตวอยางอาจเกดการเปลยนแปลงไดดงนนจงมการพฒนา ชดทดสอบภาคสนามเพอลดปญหาดงกลาว

ชดทดสอบภาคสนามสามารถใชเฝาระวง คณภาพของนำดม และนำท งจากอตสาหกรรม โดยเฉพาะอยางยงในภาวะทมพบตภย นอกจากนยงใชประกอบการเรยนการสอนเพอใหความรเบองตน แกนกเรยนไดอกดวยถงแมวาความตองการชดทดสอบ ดงกลาวจะเพมสงขน แตความไวในการตรวจวดของ ชดทดสอบทมขายตามทองตลาดยงไมเปนไปตาม ขอกำหนดขององคการอนามยโลกนอกจากนนตวอยาง นำมกมการปนเปอนไอออนอนๆ ทสามารถรบกวน การตรวจวดอกดวย[2]

เมษายน - มถนายน 2558 59

แม จ ะม ก า รทดสอบอย า ง ง า ย ท อ า ศ ย การเปลยนแปลงสมบตทางแสงและทางไฟฟาทม ความไว(sensitivity)ในการตรวจวดและทดสอบไดอยาง รวดเรว แตกยงไมเพยงพอทจะตรวจวดในระดบ ppb โดยเฉพาะอยางยงเมอมไอออนรบกวนดงนนการปรบ สภาพของตวอยาง การแยกไอออนทรบกวนออกหรอการเพมความเขมขนของไอออนเปาหมาย จงเปนวธท ผพฒนาชดทดสอบนำมาปรบปรงเพมความไวและเพม ความเปนไปไดในการตรวจวดคณภาพของนำไดอยาง แทจรง[3]

การสกดโดยเฟสของแขง (solid phase extraction)เปนวธทนยมใชเพมความไวของการทดสอบ โดยเปลยนสภาพของไอออนเปาหมายทเดมอยในสาร

1 แผนรองรบในทนเปนแผนเมมเบรน (membrane) มลกษณะเปนแผนบางและมรเปดขนาดเลกมาก มสมบตไมยอมใหอนภาคสยอมนาโน ผานแตยอมใหของเหลวทเปนตวอยางนำผานได

2 แผนทดสอบคอแผนรองรบทผานการเคลอบสยอมนาโนแลวมลกษณะพรอมใชในการตรวจวดไอออนโลหะหนกในนำ

ละลายใหเปนของแขงและแยกออกจากสารละลาย เรมตนวธนม2รปแบบไดแก

1) แบบอาศยปฏกรยาการเกดสของสารประกอบเชงซอน ระหวางไอออนเปาหมายทอยในนำกบสารอนดเคเตอร ทตรงไวบนแผนรองรบ1 ดงนน เมอกรองนำทม ไอออนเปาหมายละลายอยผานแผนทดสอบ2 กจะ เกดการเปลยนสทสามารถสงเกตเหนไดดวยตาเปลา

2) แบบใหไอออนเปาหมายทำปฏกรยากบสารอนด- เคเตอรเกดเปนสารประกอบเชงซอนตวใหมทเปน อนภาคของแขงกระจายในนำและมสเปลยนไปจากเดม เมอกรองนำนผานกระดาษกรองสของอนภาคนนๆ จะรวมกนอยบนแผนกระดาษกรองและเปนตวบงช ถงปรมาณของไอออนโลหะหนกทปนเปอนในนำนน[4]

แผนทดสอบทเคลอบดวยสยอมอนภาคนาโน(Dye nanoparticle-coated test strip) แผนทดสอบชนดนใชตรวจวดไอออนโลหะหนก ทมขนาดระดบนาโนเมตร โดยเคลอบแผนรองรบดวยสยอมอนดเคเตอรใหมความหนาระหวาง 400-2000 นาโนเมตร ขนกบรปรางและปรมาณของอนภาคนาโน กลาวคอถาบางเกนไปจะไมสามารถสงเกตสทเปลยนแปลง ไดเดนชด แตถาหนาเกนไปกจะไมสามารถสงเกต การเปลยนแปลงสทเกดดานลางลกลงไปได[5]นอกจากน สยอมยงยดแนนโดยไมหลดแมวาจะถดวยนวมอ หรอ จมในนำ

ภาพท 1 (A) แผนทดสอบทเคลอบดวยอนภาคสยอมขนาดระดบนาโนเมตรบนพนผว (B) แผนทดสอบแบบดงเดมทสยอมทงหมดซมลกภายในเนอวสดรองรบ และ

(C) โครงสรางจลภาคของภาคตดขวางแผนทดสอบทมความหนาของชนสยอมอนภาคนาโนหนาประมาณ 700 นาโนเมตร [6]

ภาคตดขวางของแผนทดสอบมลกษณะโครงสราง จลภาคแสดงดงภาพท 1(C) เมอเปรยบเทยบลกษณะ การมองการเปลยนแปลงสของแผนทดสอบทเคลอบสยอม อนดเคเตอรบนพนผว(ภาพท1(A))กบแผนทดสอบแบบ ดงเดมทสยอมทงหมดซมลกภายในเนอวสดรองรบ(ภาพท 1(B))พบวาสทสงเกตไดจะอยเพยงผวบนเทานนดงนน แผนทดสอบทเคลอบอนดเคเตอรบนผววสดรองรบ100% จะสามารถเพมประสทธภาพและความไวในการตรวจวด ไดดกวา

เมษายน - มถนายน 255860

การเตรยมแผนทดสอบสำหรบการตรวจวดไอออนโลหะหนก

ภาพท 2 วธการเตรยมแผนทดสอบไอออนโลหะหนกทเคลอบดวยสยอมอนดเคเตอรแบบไมชอบนำ (สวนบน) และแบบชอบนำ (สวนลาง) [6]

บทความนกลาวถงการเตรยมแผนทดสอบ ทเคลอบดวยสยอม2ชนดไดแก

1. สยอมอนดเคเตอรแบบไมชอบนำ (Hydrophobic dyes)ใชวธการตกตะกอนซำใหม(reprecipitation)[7] เรมจากละลายสยอมอนดเคเตอรในตวทำละลายอนทรย ทไมชอบนำ และฉดพนสารละลายสยอมลงในนำทม การปรบพเอชใหเหมาะตอการสรางอนภาคนาโนในขณะท กวนอยางรนแรง เพอใหสารในเฟสไมชอบนำแตกเปนละอองและกระจายในตวกลางนำ จากนนทงใหสยอม เกดการตกตะกอนซำใหมไดอนภาคนาโนของสยอมทไม ละลายนำ(ภาพท2สวนบน)ขนาดอนภาคของสยอม

จะขนกบเวลาทปลอยใหสยอมเกดการเตบโตมการศกษา เวลาทเหมาะสมททำใหไดอนภาคนาโนเฉลยอยท 100นาโนเมตร เพอไมใหอนภาคดงกลาวหลดรอดระหวาง การกรอง จากนนกรองสยอมอนภาคนาโนผานแผน รองรบโดยระบบกรองแบบสญญากาศซงจะไดความหนา ของชนสยอมอยระหวาง400-700นาโนเมตรการควบคม ความหนาของชนอนภาคนาโนทำไดโดยการควบคม ปรมาตรของสารแขวนลอยอนภาคนาโนและพนทหนาตด ของแผนรองรบระหวางการกรองสวนรปรางของอนภาค นาโนทเกดขนอาจเปนไดทงทรงกลม หรอเสนใยขนกบ โครงสรางโมเลกลของสยอมแตละชนด(ภาพท3)

เมษายน - มถนายน 2558 61

ภาพท 3 ภาพถายของแผนรองรบทเคลอบดวยสยอมอนดเคเตอรและภาพโครงสรางจลภาค

ทไดจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสแกนนง [5]

2. สยอมอนดเคเตอรแบบชอบนำ (Hydrophilic dyes) ทมกมหมซลโฟน(sulfonegroups)หรอหมไพรดเนยม (pyridiniumgroups)[8]การเตรยมจะใชวธแลกเปลยน ไอออนระดบนาโน (nanoscale ion exchangers)กลาวคอ อาศยตวดดซบนาโน (nanoadsorbents)ทเปนออกไซดของโลหะ เชน ซลคอนไดออกไซดหรอซลกาทมอนภาคระดบนาโนและแขวนลอยอยในนำ อนภาคเหลานมประจลบ สวนสยอมอนดเคเตอรเปน ประจบวกเมอผสมสารละลายสยอมลงในสารแขวนลอย อนภาคนาโนจะเกดการรวมตวของประจบวกและลบ(ภาพท2สวนลาง)อนภาคทรวมตวกนจะคอยๆเตบโต

จนกระทงมขนาดเฉลยประมาณ100นาโนเมตรจากนน กรองผานแผนรองรบดวยระบบกรองแบบสญญากาศ เชนเดยวกบวธแรกแตชนสยอมแบบนจะหนาประมาณ1-2ไมโครเมตรขนกบปรมาณขนาดของตวดดซบนาโน ทใชและพนทของแผนรองรบ

สยอมอนดเคเตอรหลายชนดสามารถนำมาใช ตรวจวดไอออนโลหะหนกได เพยงแตการเตรยมโดย วธดงเดมมความไวของการทดสอบไมมากนก แตหากเตรยมดวยการเคลอบอนภาคนาโนบนแผนรองรบตาม2 วธทกลาวมาจะสามารถตรวจวดทความเขมขนตำในระดบppbได

เมษายน - มถนายน 255862

การตรวจวดไอออนโลหะหนกดวยแผนทดสอบทเคลอบดวยสยอมอนดเคเตอรอนภาคนาโน

การตรวจวดไอออนโลหะหนกทำไดทงแบบจม (immersion test)และแบบการกรองตวอยางนำผาน แผนทดสอบเพอเพมจำนวนไอออนโลหะหนกใหสมผส กบสยอมบนแผนทดสอบ (filtration enrichment)(ภาพท4)การตรวจวดแบบจมไดแกการวดคาพเอชการตรวจวดปสสาวะและการตรวจวดไอออนอยางไรกดหากใชแผนทดสอบทเคลอบดวยอนภาคสยอมนาโน แบบทกลาวมาจะใชเวลาคอนขางนานเพอใหเกดการ เปลยนแปลงสเมอเปรยบเทยบกบแผนทดสอบตาม ทองตลาดทวไป ทเปนเชนนเนองจากแผนทดสอบท

เคลอบดวยสยอมอนภาคนาโนใชตรวจวดไอออนทความเขมขนตำระดบppb

เนองจากแผนทดสอบท เคลอบดวยสยอม อนภาคนาโนมสมบตไมละลายนำ แตยอมใหนำเคลอน ผานได การกรองตวอยางนำเพอเพมจำนวนไอออน โลหะหนกใหสมผสกบสยอมอนภาคนาโนจงเปนวธท เหมาะสมในการตรวจวดไอออนโลหะหนกทความเขมขนตำ มากๆ เพราะสยอมอนภาคนาโนทเคลอบอยบนแผน ทดสอบทำหนาทเหมอนเปนเฟสของแขงทสกดไอออน โลหะหนกจากนำ

ภาพท 4 แผนภาพแสดงขนตอนหลกในการตรวจวดไอออนโลหะหนก [6]

การตรวจวด Zn(II) ดวยแผนทดสอบทเคลอบ ดวยอนภาคเสนใยนาโนของ PAN

การตรวจวด Zn(II) ดวยวธจมแผนทดสอบ ทเคลอบดวยเสนใยนาโนของ PAN ในนำทมพเอช

การตรวจวดไอออนทเปนพษในนำโดยแผนทดสอบทเคลอบดวยสยอมอนดเคเตอรอนภาคนาโน

8.4 พบวา สามารถมองเหนการเปลยนแปลงสไดดวย ตาเปลาอยางชดเจนท 32 ppb (ภาพท 5(A)) แตท ความเขมขนตำกวา 1 ppb ตองอาศยตรวจวดดวย วธการกรองเพอเพมความไวในการทดสอบโดยใชนำ ตวอยาง100มลลลตร(ภาพท5(B))

เมษายน - มถนายน 2558 63

การตรวจวดดวยวธการกรองเปนการขยาย สญญาณในการทดสอบเพอใหมองเหนการเปลยนแปลงสไดทความเขมขนตำกวา1ppb(sub-ppb)สบนแผน ทดสอบเกดจากสารประกอบเชงซอนของ [Zn(PAN)

2]

ทมพกการดดกลนแสงสงสดท 550 นาโนเมตร การดดกลนแสงจะเพมสงขนเมอความเขมขนของZn(II)ในตวอยางเพมมากขน หากตองการคาความเขมขนท แมนยำมากขนสามารถนำคาการดดกลนแสงไปพลอตกบ ความเขมขนของZn(II) เพอสรางเสนกราฟมาตรฐาน สำหรบใชหาคาความเขมขนของZn(II)ในนำตวอยาง[5]

ภาพท 5 การตรวจวด Zn(II) โดยใชแผนทดสอบทเคลอบดวยเสนใยนาโนของ PAN โดยวธ (A) การทดสอบโดย การจมในตวอยางนำทพเอช 8.4 ปรมาตร 10 มลลลตร นาน 15 นาท (B) การทดสอบโดยการกรองเพอเพม Zn(II) ใหสมผสกบเสนใยนาโน PAN บนแผนทดสอบ โดยใชตวอยางนำทพเอช 8.4 ปรมาตร 100 มลลลตร

ดวยอตราการกรองท 6.9 มลลลตรตอนาท [5]

การตรวจวด Hg(II) ดวยแผนทดสอบทเคลอบดวยอนภาคเสนใยนาโนของไดไทโซน (dithizone) การตรวจวดไอออนปรอทในนำ(Hg(II))ทำไดดวยวธทมประสทธภาพและความไวสงกลาวคอใชแผนทดสอบทเคลอบดวยอนภาคเสนใยนาโนของไดไทโซนท เตรยมโดยวธตกตะกอนซำใหมและกรองสารแขวนลอย ของเสนใยนาโนไดไทโซนผานแผนรองรบ ซงชนเสนใย นาโนไดไทโซนจะเคลอบแผนรองรบอยางสมำเสมอและแนบแนนมความหนาประมาณ440นาโนเมตร

การตรวจวด Hg(II) ใชวธกรองตวอยางนำ ผานแผนทดสอบเพอเพมปรมาณ Hg(II) และใหเกด ปฏกรยากบเสนใยไดไทโซนบนแผนทดสอบ พบวาแม Hg(II) จะมความเขมขนเพยง 2 ppb กยงเหน การเปลยนแปลงเปนสแดงอมนำตาลไดดวยตาเปลา(ภาพท6)และเมอตรวจวดHg(II)ความเขมขน10ppbทพเอช2.7พบวาไมมการรบกวนจากไอออนอนเชนNa+(10000ppm)K+(5000ppm)Ca(II)(5000ppm)Al(III)(500ppm)Cr(III)(200ppm)Mn(II)(100ppm)Fe(III)(100ppm)Ni(II)(100ppm)Cd(II)(10ppm)และPb(II)(100ppm)(ตารางท1)

ในกรณทตวอยางมCu(II) และZn(II) ปะปน จะตองกำจดไอออนทงสองกอนโดยเตมEDTA(Ethyl-enediaminetetraaceticacid)เพอทำใหเกดสารประกอบ เชงซอนทสามารถกรองผานแผนทดสอบและไมตกคาง สวนAg(I)แยกออกไดโดยเตมโซเดยมไอโอไดด (NaI) เพอใหเกดเปนสารประกอบของแขงซลเวอรไอโอไดด (AgI) และกรองแยกออกจากนำกอนการตรวจวดนอกจากนนCr(VI)และFe(II)กำจดไดโดยอาศยปฏกรยา ออกซเดชน-รดกชน

แผนทดสอบทเคลอบดวยไดไทโซนอนภาค เสนใยนาโนน สามารถใชในการตรวจวดนำเสยจำลองนำแมนำและนำทะเลทมการเตมHg(II)ทความเขมขน10 ppb ไดด โดยเทยบความเขมขนกบเสนกราฟ มาตรฐานสรางจากการตรวจวด Hg(II) ในสารละลายมาตรฐานทหลายความเขมขน ตรวจวดทปรมาตรนำ100มลลลตรสวนขดตำสดของการตรวจวด(LimitofDetection,LOD)3มคา0.057ppb[9]

นอกจากแผนทดสอบสำหรบZn(II)และHg(II) ทกลาวมาขางตนแลว ยงมการเตรยมแผนทดสอบ ในลกษณะเดยวกนเพอใชในการตรวจวด Cd(II) และPb(II)ในชวงความเขมขนระดบppbไดอกดวยโดยใช สารคอมโพสตอนภาคนาโนของTMPy/ซลกาเคลอบลง บนแผนรองรบ และใชวธการกรองในการตรวจวดเพอ เพมความไวของการทดสอบซงไดผลดเชนเดยวกน

3Limitofdetection(LOD)=3sโดยทs คอคาเบยงเบนมาตรฐาน

เมษายน - มถนายน 255864

ตารางท 1การทดสอบไอออนรบกวนตอการตรวจวดHg(II)ความเขมขน10ppb[9]ทเตมบฟเฟอรไกลซน0.01โมลตอลตร

ภาพท 6 แผนทดสอบทใชตรวจวดสารละลายมาตรฐาน Hg(II) ทความเขมขนตางๆ

ดวยการกรองนำ 100 มลลลตร ทพเอช 2.7 [9]

a เตมกรดแอสคอรบก0.01โมลตอลตรเพอเปลยนCr(VI)ใหเปนCr(III)b เตมEDTA2x10-4โมลตอลตรc เตมKBrO

35x10-3โมลตอลตร

d กำจดAg(I)กอนการตรวจวดโดยการเตมNaI1x10-4โมลตอลตรและกรองผานเมมเบรนทรเปด0.1ไมโครเมตร

Cations Concentration (ppm) Recovery (%)

Na+ 10,000 99

K+ 5,000 101

Ca(II) 5,000 99

AI(III) 500 102

Cr(III) 200 95

Cr(VI) a 3 98

Mn(II) 100 99

Fe(III) 100 98

Ni(II) 100 104

Cd(II) 10 100

Pb(II) 100 100

Cu(II) b 6.4 102

Zn(II) b 100 98

Fe(II) c 70 102

Ag+ d 0.05 105

เมษายน - มถนายน 2558 65

เอกสารอางอง[1] WorldHealthOrganization,GuidelineforDrinkingWaterQuality,fourthed.,WHO,Geneva,Switzerland,2011.[2] I.Oehme,O.S.Wolfbeis,Opticalsensorsfordeterminationofheavymetalions,Mikrochim.Acta126(1997)177-193.[3] J.Minczewski,J.Chwastowska,R.Dybczynski,SeparationandPreconcentrationMethodsinInorganicTraceAnalysis,EllisHorwoodPubl.,

Chichester,1982,pp.283-502.[4] D.B.Gazda,J.S.Fritz,M.D.Porter,Determinationofnickelasthenickelglyoximecomplexusingcolorimetricsolidphaseextraction,Anal.

Chim.Acta508(2004)53-59.[5] Y.Takahashi,H.Kasai,H.Nakanishi,T.M.Suzuki,Teststripsforheavy-metalionsfabricatedfromnanosizeddyecompounds,Angew.Chem.

Int.Ed.45(2006)913-916.[6] Y.Takahashi,Dyenanoparticle-coatedteststripsfordetectionofpppp-levelionsinwater,inNanotechnologyApplicationsforCleanWater,

ElsevierInc.,2014,pp.63-72.[7] H.Kasai,H.S.Nalwa,H.Oikawa,S.Okada,H.Matsuda,N.Minami,etal.,Anovelpreparationmethodoforganicmicrocrystals,Jpn.J.

Appl.Phys.31(1992)L1132-L1134.[8] K.K.Latt,Y.Takahashi,Fabricationandcharacterizationofaα,β,γ,δ-tetrakis(1-methylpyridinium-4-yl)porphine/silicananocompositethin-layer

membranefordetectionofppb-levelheavymetalions,Anal.Chim.Acta689(2011)103-109.[9] Y.Takahashi,S.Danwittayakul,T.M.Suzuki,Dithizonenanofiber-coatedmembraneforfiltration-enrichmentandcolorimetricdetectionoftrace

Hg(II)ion,Analyst134(2009)1380-1385.

แผนทดสอบทเคลอบดวยชนบางของอนภาค นาโนของสยอมอนดเคเตอรหรอคอมโพสตอนภาคนาโน ของสยอมกบตวดดซบน กบการตรวจวดดวยวธการ กรองเพอเพมปรมาณไอออนเปาหมายใหสมผสกบ สารอนดเคเตอรทเคลอบ เปนวธใหมทมความไวใน การตรวจวดสง เตรยมไดงาย เหมาะกบการนำไปใช ประโยชนตอไป

การพฒนาตอยอดจากแผนทดสอบทมความไว ในการทดสอบสงใหเปนชดทดสอบอยางงายทอาศย การเปลยนแปลงปฏกรยาเคมและเกดการเปลยนแปลง ทมองเหนไดดวยตาเปลาตองคำนงถงวธการเกบตวอยาง

การปรบสภาพตวอยางกอนการตรวจวดเชนการกรอง เพอแยกอนภาคเลกๆทปนเปอนออกการใชสารบฟเฟอร ทเหมาะสม การเตมสารทกำจดไอออนรบกวนกอน การตรวจวดการใชหลอดฉดยาประกอบกบแผนรองรบ ท เหมอนกบแซนดวซนาจะเปนทางเลอกท ใช ใน การพฒนาเพอใหไดเปนชดทดสอบสำเรจรป ถาหากใช การเปลยนแปลงสของแผนทดสอบประกอบกบเครอง สเปกโทรมเตอรหรอรเฟลกโทมเตอรเลกๆจะสามารถ ชวยเพมประสทธภาพของการตรวจวดโดยการอานคา เชงปรมาณไดอกดวย