เรียบเรียงโดย พรรณทิพย์ ห่อศรีสัมพันธ์
NIR Spectroscopy เป็นวิธีการวิเคราะห์โมเลกุลที่ไม่ทำลาย ตัวอย่าง โดยอาศัยการตรวจวัดปริมาณแสงที่ถูกดูดกลืนโดยตัวอย่างเป็นวิธีการที่ให้ผลที่ดีและรวดเร็ว ถูกนำมาใช้ในการตรวจวัดผลิตภัณฑ์ทั้งในเชิงปริมาณและคุณภาพ ตั้งแต่การตรวจสอบวัตถุดิบไปจนถึงการตรวจสอบและปรับปรุงคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ได้
บทนำ
NIR (Near-infrared) Spectroscopy ไดถ้ ูกนำมาใชง้ านในชว่ งปลายของทศวรรษ 1970 เป็นวิธีการวิเคราะห์โมเลกุลที่ไม่ทำลายตัวอย่าง โดยการตรวจวัดปริมาณแสงที่ถูกตัวอย่างดูดกลืนในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 400-2500 นาโนเมตร NIR Spectroscopy มีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมหลายๆ ด้านโดยเฉพาะด้านอาหารและยา ซึ่งได้ถูกนำมาใช้ในการจำแนกองค์ประกอบและคุณสมบัติทางกายภาพต่างๆของตัวอย่างทั้งในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณได้เป็นอย่างดี
หลักการ
เมื่อฉายแสงในช่วงความยาวคลื่น NIR ลงไปบนตัวอย่าง แสงที่มีพลังงานเพียงพอจะถูกดูดกลืนและกระตุ้นให้เกิดการสั่นของโมเลกุลใน functional groups ต่างๆ 2 ลักษณะ คือ การยืดหด (stretching) และ การเปลี่ยนมุม (blending) ช่วงความถี่ overtones และ combination ของหมู่ฟังก์ชัน O-H, C-H, N-H และ O=H ซึ่งเป็น โมเลกุลหลักของสารอินทรีย์ ถ้าโครงสร้างโมเลกุลของสารตัวอย่างที่ตรวจวัดมีความซับซ้อนสเปคตรัมที่ได้จะยิ่งมีการซ้อนทับกันมากขึ้น เมื่อทำการวิเคราะห์สเปคตรัมเหล่านี้จึงต้องทำการแยกแยะและแสดงลักษณะเฉพาะโดยนำวิธีการทางคณิตศาสตร์และสถิติ (Chemometrics) มาใช้ในการหาค่าเฉลี่ย
เครื่องมือ
ส่วนประกอบหลักและการออกแบบเครื่องมือ Spectrometer แต่ละประเภทจะมีความคล้ายคลึงกัน โดย NIR นั้นจะประกอบไปด้วย
แหล่งกำเนิดแสง ตัวเลือกช่วงความยาวคลื่นที่ต้องการ ตำแหน่งที่วางตัวอย่าง เครื่องตรวจวัดและบันทึกผล
1. แหล่งกำเนิดรังสีในช่วง NIR นั้นโดยส่วนใหญ่จะใช้หลอดทังสเตนเพราะราคาถูกและใช้งานได้ทันที แล้วใช้ตัวฟิลเตอร์
ช่วยกรองแสงในช่วงความถี่ที่ไม่ต้องการออกเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวอย่างร้อนจนเกินไป หรือใช้ LED เป็นแหล่งกำเนิดโดยค่าความยาวคลื่นที่ได้จะขึ้นกับสารที่ใช้ทำตัว LED อย่างไรก็ตามLED ไม่สามารถให้ความยาวคลื่นในช่วง 1700-2500 นาโนเมตรได้ ซึ่งเป็นช่วงที่นิยมนำไปใช้งาน แต่ก็เหมาะสำหรับเครื่องมือแบบพกพาเพราะต้องการกำลังไฟฟ้าน้อย มีอายุการใช้งานที่ยาวนานและพลังงานของผลลัพธ์ที่ได้ก็ไม่เพิ่มสูงขึ้นแม้จะมีการเพิ่มกำลังวัตต์ของแหล่งกำเนิด
2. โมโนโครมาเตอร์ (Monochromator) ช่วยในการกระจายแสงโดยอาศัยเกรตติ้ง และควบคุมให้อยู่ในช่วงความยาวคลื่นที่ต้องการด้วยช่องผ่านแสงเข้า (Entrance Slit) และช่องผ่านแสงออก(Exit Slit) ตัวอย่างจะมีการดูดกลืน หรือยินยอมให้รังสีทะลุผ่านหรือสะท้อนกลับนั้น ขึ้นกับรูปแบบและองค์ประกอบของตัวอย่าง เช่น ของแข็ง ของเหลว อิมัลชัน สารแขวนลอย เป็นต้น
3. ตำแหน่งที่วางตัวอย่างจะต้องได้รับการออกแบบให้มีความเหมาะสมกับรูปแบบของการวิเคราะห์และปริมาณของ
อนุภาคที่ใช้วิเคราะห์ เช่น ถ้วยสำหรับใส่ตัวอย่างจะเหมาะสำหรับตัวอย่างที่เป็นตะกอนแห้งหรือในกรณีที่ตัวอย่างมีปริมาณมากถ้วยเหล่านี้จะมีการหมุน เป็นต้น เซลล์สำหรับใส่ตัวอย่างเหล่านี้จะต้องทำจากวัสดุที่ยอมให้แสงในช่วง NIR สามารถทะลุผ่านได้ เช่น ควอตซ์ หรือแก้ว และมีระยะทางเดินของแสงที่เหมาะสมสำหรับตัวอย่าง
4. อุปกรณ์สำหรับตรวจวัด (Detector) ใช้ในการตรวจวัดปริมาณแสงที่ทะลุผ่านตัวอย่าง โดยอาศัยหลักการทาง
Photoconductive Effect การเลือกเครื่องตรวจวัดนั้นขึ้นกับช่วงความยาวคลื่นและการออกแบบตัวแปรต่างๆ ของ Spectrometer ซึ่งซิลิกอนจะเหมาะสำหรับแสงในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้และ NIR ช่วงความยาวคลื่นสั้น (400-1100 นาโนเมตร) ในขณะที่ลีดซัลไฟด์หรือเซเลเนียม
รูปที่ 1,2 การเปลี่ยนแปลงพันธะของโมเลกุลรูปแบบต่างๆ
จะเหมาะสำหรับ NIR ในชว่ งความยาวคลื่น 1100-2500 นาโนเมตร
นอกจากนี้ผู้ผลิตบางรายอาจมีการใช้อินเดียมแกลเลียมอาเซไนด์ในการตรวจวัดความยาวคลื่นในช่วง 800-1700 นาโนเมตร สำหรับเครื่องตรวจวัดที่นิยมใช้ในเครื่องมือประเภทอื่นๆ เช่น ไดโอดอาเรย์ ก็ได้ถูกนำมาใช้ในการตรวจวัด NIR เพิ่มมากขึ้น แต่ไม่เหมาะสำหรับเครื่องมือแบบพกพาเพราะจะชำรุดได้ง่าย และเมื่อมีการเปลี่ยนอุปกรณ์บ่อยๆ จะทำให้ประสิทธิภาพในการตรวจวัดลดลง Spectrometer ขนาดเล็กๆ จะใช้ CCD เป็นเครื่องตรวจวัดแต่มีข้อจำกัดอยู่ที่สามารถตรวจวัดแสงได้เฉพาะในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้และ NIR ในช่วงความยาวคลื่นสั้นเท่านั้น
โดยทั่วไปแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้จะสามารถแบ่งได้เป็น ข้อมูล สเปคตรัม ซึ่งผู้ใช้สามารถนำไปใช้ในการสร้างแบบสอบเทียบหรือ
ใช้ตรวจวัดค่าที่สนใจต่อไป และแบบที่ให้ผลที่สนใจโดยตรงคอมพิวเตอร์และซอฟต์แวร์ได้เข้ามามีบทบาทในการรวบรวมและ
จัดการข้อมูลต่างๆ เหล่านี้
 องค์ประกอบภายในของ NIR |  เครื่อง NIR |
ข้อดีและข้อจำกัดของ NIR
ข้อดี
ข้อดีของ NIR Spectrometry ที่เหนือกว่า MIR และ FIR คือ ต้องการการเตรียมตัวอย่างเพียงเล็กน้อยหรือไม่ต้องทำ และให้ข้อมูลตามเวลาจริง นอกจากนี้ NIR ยังแตกต่างจากวิธีการวิเคราะห์แบบอื่นๆ อีกคือ ให้ผลการวิเคราะห์ที่รวดเร็ว ไม่ทำลายตัวอย่างไม่ใช้สารเคมีหรือทิ้งสารตกค้างตรวจวัดองค์ประกอบหรือตัวแปรต่างๆ ได้พร้อมๆ กันและสามารถติดตั้งเครื่องมือได้ทุกสถานที่ใช้งานง่ายโดยไม่ต้องอาศัยนักเคมี ทำงานได้โดยไม่ต้องใช้ตู้ดูดควันระบบระบายน้ำ ความแม่นยำของ NIR นั้นขึ้นกับความแม่นยำของวิธีมาตรฐานที่ใช้ในการควบคุม
NIR มีข้อดีมากกว่า MIR และ FIR อีกข้อหนึ่งก็คือ เรื่องของความร้อนรบกวน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในทุกชิ้นจะเป็นแหล่งกำเนิดความร้อนรบกวนต่อเครื่องตรวจวัดสัญญาณในช่วง MIR และ FIR แต่จะส่งผลต่อเครื่องตรวจวัด NIR เพียงเล็กน้อยหรือไม่มีผลเลย
 สเปกตรัมจำนวนมากที่ครอบคลุมการวิเคราะห์ทั้งหมด (รูปบน) การทำ Math Treatment ชนิด 2° Derivative (รูปล่าง) |  NIR ระบบ Digital Dispersive Grating (รูปบน) ส่วนประกอบเครื่อง NIR ระบบ Digital Dispersive Grating (รูปล่าง) |
ข้อจำกัด
NIR มีข้อจำกัดที่สามารถตรวจวัดได้เฉพาะโมเลกุลของสารอินทรีย์เท่านั้น เพราะโลหะ เช่น เงินหรือตะกั่ว และสารอนินทรีย์ ส่วนใหญ่ไม่สามารถดูดกลืนรังสีในช่วง NIR ได้เนื่องจาก NIR ไม่ได้เป็นระบบ stand-alone ดังนั้น การสอบเทียบส่วนประกอบหรือตัวแปรต่างๆรวมทั้งการวิเคราะห์ตัวอย่างด้วยวิธีมาตรฐานอยู่เป็นประจำจึงเป็นสิ่งที่จำเป็นมากเพื่อให้มั่นใจได้ว่าการสอบเทียบยังคงให้ความน่าเชื่อถืออยู่และจะต้องทำการปรับปรุงการสอบเทียบให้ทันสมัยอยู่เสมอ ถึงแม้ว่าวิธีการทางด้านคณิตศาสตร์และสถิติจะเข้ามาช่วยในการวิเคราะห์ข้อมูลสำคัญของสเปคตรัมที่มีการซ้อนทับแต่ก็ต้องอาศัยคอมพิวเตอร์ที่ได้รับการพัฒนาในเรื่องของความสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลของสเปคตรัมและองค์ประกอบหรือตัวแปรต่างๆ เช่น คุณสมบัติของหมู่ฟังก์ชัน ในเชิงสถิติเป็นอย่างดี ซึ่งการที่จะได้ข้อมูลเหล่านี้ก็ต้องผ่านกระบวนการวิเคราะห์มาตรฐานมาก่อนเทคโนโลยีของ NIR ในปัจจุบัน
NIR ระบบ Digital Dispersive Grating หลักการทำงานของเครื่อง NIR ระบบ Digital DispersiveGrating คือ แสงจากแหล่งให้พลังงานแสงจะถูกกระจายและควบคุมด้วยระบบโมโนโครมาเตอร์ให้อยู่ในช่วงความยาวคลื่นที่ต้องการส่งผ่านไปยังตัวอย่าง และวัดปริมาณแสงที่ตัวอย่างดูดกลืนไว้ด้วยอุปกรณ์สำหรับตรวจวัดแล้วแปลงเป็นสัญญานส่งเข้าสู่ส่วนประมวลผลตามลำดับในส่วนของโปรแกรมการทำงานจะบันทึกปริมาณแสงที่ตัวอย่างดูดกลืนไว้เทียบกับความยาวคลื่นต่างๆ เรียกว่า สเปกตรัม (Spectrum) แล้วนำมาจับคู่ (Matching) กับค่าการวิเคราะห์พารามิเตอร์ต่างๆ ที่ทราบจากห้องปฏิบัติการ
เมื่อได้จำนวนตัวอย่างมากพอ (ครอบคลุมค่าการวิเคราะห์) เรียกว่า การทำ Calibration ดังรูปที่ 4 จึงทำการสร้างสมการ โดยหาความสัมพันธ์ด้วยเทคนิค Chemometric ได้แก่
1. Math Treatments แบบต่างๆ เช่น 1o, 2o Derivative (ดังรูปที่ 5)
2. Principal Component Analysis (PCA)
3. Regression Method แบบต่างๆ เช่น MLR, PLS, MPLS เป็นต้น
จากนั้นทดสอบความพร้อมของสมการสำหรับการใช้งาน (Validation) ด้วยกลุ่มตัวอย่างที่ทราบค่าการวิเคราะห์
พารามิเตอร์ต่างๆ ซึ่งเป็นตัวอย่างที่คล้ายกับตัวอย่างที่ใช้ทำสมการ หากผลการทดสอบการทำนาย/วิเคราะห์ที่ได้ใกล้เคียงกับค่าการวิเคราะห์ที่ทราบ หรือผลการทดสอบมีค่าความผิดพลาดอยู่ในเกณฑ์ที่สามารถยอมรับได้ ก็สามารถนำสมการที่ได้ไปใช้ในการทำนาย/วิเคราะห์ตัวอย่างจริงได้
การประยุกต์ใช้งาน
การตรวจสอบวัตถุดิบ
ใช้ในการจำแนกความแตกต่างของวัตถุ เช่น สารที่เป็น excipients หรือสารที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบ วิธีการจำแนกวัตถุดิบด้วย NIR นี้ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมยา ซึ่งสามารถตรวจสอบวัสดุในปริมาณมากได้โดยไม่ต้องเสียเวลาไปกับเทคนิค wet chemical หรือโครมาโตกราฟฟีแบบเดิมๆ สเปคตรัมที่ได้จากตัวอย่างใหม่ๆ จะถูกตรวจสอบแล้วนำไปเปรียบเทียบกับข้อมูลมาตรฐานเพื่อให้ได้ผลการจำแนกที่รวดเร็วการตรวจวัดความชื้นน้ำเป็นสารที่ดูดกลืนแสงในช่วง NIR อย่างรุนแรง จึงทำให้เหมาะต่อการวิเคราะห์เชิงปริมาณด้วย NIR ซึ่งสเปคตรัมจะมีการเปลี่ยนแปลงเมื่อความชื้นมีการเปลี่ยนแปลง ระดับความชื้นสามารถตรวจวัดได้ด้วยโมเดลการสอบเทียบที่ได้ถูกพัฒนาขึ้นเทียบกับวิธีการมาตรฐาน เช่น Karl Fischer Titration ความชื้นเป็นตัวแปรที่สำคัญในผลิตภัณฑ์ทางการเกษตร เคมี ยา และสิ่งทอ NIR สามารถตรวจวัดความชื้นในผลิตภัณฑ์แห้งเยือกแข็งได้โดยที่ไม่ต้องนำตัวอย่างออกจากภาชนะ ตรวจวัดปริมาณน้ำทั้งหมดในผลิตภัณฑ์ยาที่อยู่ในกระบวนการทำแห้ง หรือใช้ตรวจวัดความชื้นในกระบวนการตกผลึกเพื่อหาจุดยุติของการตกผลึก
การตรวจวัด Polymorph
การแยกแยะรูปแบบของ Polymorph ในสารประกอบของตัวยาเป็นสิ่งจำเป็นมาก เพราะ Polymorph ต่างชนิดกันจะให้ประสิทธิผลและมีพฤติกรรมที่แตกต่างกัน การวิเคราะห์ในเชิงคุณภาพด้วย NIR และวิธีการที่ใช้ในการจำแนกนั้นได้ถูกพัฒนาให้สามารถแยกแยะสาร Polymorph ที่กำลังพิจารณาออกจากสารในรูปแบบอื่นๆ ได้อย่างรวดเร็วและไวต่อสารแต่ละชนิดมากกว่าวิธีการตรวจสอบโครงสร้างผลึกด้วยรังสีเอ็กซ์การตรวจสอบผลิตภัณฑ์ยา
การตรวจสอบผลิตภัณฑ์สุดท้ายในรูปของยาอัดเม็ดสามารถทำได้โดยการให้แสงในช่วง NIR ทะลุผ่านหรือสะท้อน ซึ่งการใช้ NIR ในการตรวจวัดนั้นจะช่วยรักษาความสมบูรณ์ของตัวยา ทำให้สามารถนำกลับมาตรวจสอบเพิ่มเติมหรือเก็บไว้ใช้วิเคราะห์ต่อไปได้สเปคตรัมที่ได้จะถูกนำมาใช้ในการพัฒนาวิธีการจำแนกตัวยาเชิงคุณภาพได้ เช่น ใช้ในการตรวจวัดค่าความแข็ง
การวิเคราะห์ขนาดอนุภาค
NIR มักจะใช้วิเคราะห์ขนาดอนุภาคที่อยู่ในระหว่างกระบวนการทำให้เป็นเม็ดเล็กๆ แล้วนำมาผสมกัน ตัวอย่างที่มีขนาดอนุภาคแตกต่างกันจะให้ผลของการกระเจิงแสงที่ไม่เหมือนกัน ซึ่งเป็นสาเหตุหลักให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสเปคตรัมและสามารถใช้หาขนาดเฉลี่ยของตัวอย่างได้
การตรวจวัดปฏิกิริยา
NIR จะให้ข้อมูลความเข้มข้นของสารตัวอย่าง การเกิดรูปแบบของกาก และจุดยุติของปฏิกิริยา เช่น การรวมตัวกับไฮโดรเจน การหมักเป็นต้น ซึ่งจะเป็นตัวช่วยลดอันตรายที่อาจจะเกิดขึ้นจากปฏิกิริยา
บทสรุป
ด้วยความยืดหยุ่นในการใช้งาน ปราศจากการใช้สารเคมี ใช้งานง่าย และให้ผลการวิเคราะห์ที่รวดเร็ว รวมถึงการพัฒนาตัวเครื่องมือและซอฟต์แวร์ให้สามารถนำ NIR Spectrometer ไปใช้งานได้อย่างหลากหลายมากยิ่งขึ้น ทำให้ NIR Spectrometer เข้ามามีบทบาทในเรื่องของการรับประกันคุณภาพของวัตถุดิบและผลิตภัณฑ์ในอุตสาหกรรมต่างๆ เป็นอย่างมาก
เอกสารอ้างอิง
1. http://www.chemistry.adelaide.edu.au/external/soc-rel/content/nir.htm
2. http://www.princetoninstruments.com/spectroscopy/nir.aspx
3. James B. Reeves, III, Near Infrared Instrumentation, http://nte-serveur.
univ-lyon1.fr/nte/spectroscopie/reeves/internet.html
4. Introduction to NIR Technology, http://www.asdi.com/ASD-600510_ NIR_
Introduction.pdf
5. Katherine A. Bakeev, Near-Infrared Spectroscopy as a Process Analytical
Tool, Part I: Laboratory Applications, Spectroscopy, 18(11), November
2003, pp. 32-35, http://www.spectroscopymag.com/spectroscopy/article/
articleDetail.jsp?id=74624
6. Katherine A. Bakeev, Near-Infrared Spectroscopy as a Process Analytical
Tool, Part II: At-line and On-line Applications and Implementation Strategies,
Spectroscopy, 19(1), January 2004, pp. 39-42, http://www.spectroscopymag.com/
spectroscopy/article/articleDetail.jsp?id=84376
ขอขอบคุณ
คุณ กนกพร ชัยวุฒิกุล, บริษัท สิทธิพรแอสโซซิเอส จำกัด เอื้อเฟื้อข้อมูล