เปลี่ยนการไทเทรตแบบแมนนวลเป็นแบบอัตโนมัติ
เปลี่ยนการไทเทรตแบบแมนนวลเป็นการไทเทรตแบบอัตโนมัติ:
ประโยชน์หลายประการที่ส่งผลต่อ
- ความแม่นยำและความเที่ยงตรงที่ดีขึ้น: ระบบอัตโนมัติสามารถควบคุมปริมาตรสารไทแทรนท์ได้แม่นยำถึงระดับไมโครลิตร ทำให้การวัดมีความสม่ำเสมอมากขึ้น
- ลดข้อผิดพลาดของมนุษย์: ไม่ต้องพึ่งพาการรับรู้สีของผู้วิเคราะห์ ลดอคติและความคลาดเคลื่อน
- ความสามารถในการทำซ้ำสูง (Reproducibility): ผลลัพธ์สามารถทำซ้ำได้โดยไม่แตกต่างจากนักวิเคราะห์คนหนึ่งไปยังอีกคนหนึ่ง
- เพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน: ลดเวลาในการดำเนินการ นักวิเคราะห์สามารถใช้เวลาทำงานอื่นๆ ไปพร้อมกันได้
- ความปลอดภัยที่ดีขึ้น: ลดความเสี่ยงจากการสัมผัสสารเคมีโดยตรง
- บันทึกข้อมูลอัตโนมัติ: ลดความผิดพลาดจากการจดบันทึกข้อมูลด้วยมือ ทำให้ผลลัพธ์มีความน่าเชื่อถือมากขึ้น ด้วยประโยชน์เหล่านี้ การเปลี่ยนไปใช้ระบบไทเทรตแบบอัตโนมัติจึงเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าและช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการอย่างมีนัยสำคัญ
การไทเทรต: วิธีการวิเคราะห์เชิงปริมาณที่เก่าแก่และง่ายที่สุด
การไทเทรตเป็นวิธีวิเคราะห์เชิงปริมาณพื้นฐานที่ทำได้ง่ายมาก โดยมีเพียงบิวเรต สารไทแทรนท์ และตัวบ่งชี้จุดสิ้นสุดที่เหมาะสม
ในปี ค.ศ. 1811 Amedeo Avogadro ได้เสนอแนวคิดว่า จำนวนโมเลกุลในปริมาตรหนึ่ง ๆ ของก๊าซจะคงที่เสมอภายใต้สภาวะมาตรฐาน ไม่ว่าก๊าซนั้นจะเป็นชนิดใด ในศตวรรษต่อมา ปี ค.ศ. 1909 Jean Perrin ได้กำหนดคำว่า "ค่าคงที่ของ Avogadro" (Avogadro constant) โดยนิยามให้เท่ากับมวล 32 กรัมของโมเลกุลออกซิเจน (หรือ 1 โมลของ O₂) ค่าคงที่นี้หมายความว่า มวลที่กำหนดของสารชนิดหนึ่งจะมีจำนวนโมเลกุลเฉพาะเจาะจง ซึ่งหมายความว่าจำนวนโมเลกุลในปริมาตรของสารละลายก็ถูกกำหนดเช่นกัน จากแนวคิดนี้ การไทเทรตจึงถือกำเนิดขึ้น เป็นเพียงการ "นับโมเลกุล" ของสารตัวอย่างในเมทริกซ์ตัวอย่าง
กระบวนการไทเทรต
การไทเทรตคือการกำหนดปริมาตรของสารไทแทรนท์ที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับสารตัวอย่าง (analyte) ปฏิกิริยาทางเคมีทั้งหมดเกิดขึ้นในอัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริก (stoichiometric ratios) ที่แน่นอน ดังนั้น ความเข้มข้นของสารตัวอย่างสามารถคำนวณได้โดยทราบความเข้มข้นที่แน่นอนของสารไทแทรนท์ และคำนวณการใช้ปริมาตร การตั้งค่าที่เห็นได้ทั่วไปบนโต๊ะทำงานสำหรับการไทเทรตแบบแมนนวลสามารถดูได้จากรูปที่ 1 ที่วัดได้จากจุดสิ้นสุด
รูปที่ 1: การเซตอุปกรณ์เบื้องต้น สำหรับการไทเทรตแบบแมนนวล โดยบิวเรตถูกเติมด้วยสารไทแทรนท์ และขวด Erlenmeyer มีสารละลายตัวอย่างที่มีสารวิเคราะห์ (analyte)
การวัดค่า pH ด้วยตัวบ่งชี้สำหรับการไทเทรต
การไทเทรตมีหลายรูปแบบ โดยการไทเทรตแบบ pH เป็นที่แพร่หลายมากที่สุด ค่า pH ที่จุดสิ้นสุด (endpoint) อาจแตกต่างกันไป เนื่องจากค่าคงที่การแตกตัวของกรด (pKa) จะแตกต่างกันไปตามกรดแต่ละชนิด รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างตัวบ่งชี้ pH ที่ครอบคลุมช่วง pH ตั้งแต่ 0–14
จุดสิ้นสุดของการไทเทรตประเภทอื่น ๆ เช่น รีดอกซ์ (Redox), คอมเพลกโซเมตริก (Complexometric) หรือ อาร์เจนโตเมตริก (Argentometric) สามารถกำหนดได้โดยการเปลี่ยนแปลงสีของตัวบ่งชี้ที่เหมาะสมได้เช่นกัน ตัวอย่างตัวบ่งชี้ที่ใช้สำหรับปฏิกิริยาเหล่านี้มีระบุไว้ใน ตารางที่ 1
Type of Titration |
Indicator |
Complexometric |
Eriochrome black T Murexide |
Argentometric |
Potassium dichromate Ammonium iron(III) sulfate |
Redox |
Change of color from titrant (e.g., potassium permanganate) Starch solution |
ตารางที่ 1: ตัวบ่งชี้จุดสิ้นสุดทั่วไปที่ใช้กับปฏิกิริยาประเภทต่างๆ
การเปลี่ยนสีของตัวบ่งชี้แต่ละชนิด โดยเฉพาะในการไทเทรตแบบคอมเพลกโซเมตริก (Complexometric Titration) นั้นเป็นเรื่องยากที่จะคาดการณ์ได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากขึ้นอยู่กับทั้งค่า pH และชนิดของโลหะที่เกิดสารประกอบเชิงซ้อน
ความท้าทายของการไทเทรตแบบแมนนวล
แม้ว่าการไทเทรตแบบแมนนวลจะมีอายุเกือบ 200 ปีแล้ว แต่ก็ยังคงใช้กันอยู่ทั่วไปและเป็นที่กล่าวถึงในมาตรฐานต่าง ๆ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อจำกัดบางประการ:
การรับรู้สีของจุดสิ้นสุด
แต่ละคนมองเห็นสีและความเข้มของสีแตกต่างกัน ซึ่งอาจนำไปสู่ความคลาดเคลื่อนหรืออคติจากการมองเห็นของนักวิเคราะห์ ที่ทำการไทเทรตแบบแมนนวล รูปที่3 แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างในจุดนี้ และความยากในการกำหนดจุดสิ้นสุดด้วยการมองเห็น
ความเข้มของสีที่ปรากฏในรูปที่ 3 (ภาพ 1–5) แตกต่างกันเพียงประมาณ 50 µL ของสารไทแทรนท์ NaOH ในแต่ละกรณี ทำให้เกิดคำถามว่าควรเลือกจุดสิ้นสุดที่ "ถูกต้อง" ตรงไหน หากนักวิเคราะห์แต่ละคนไม่ได้ดำเนินการในลักษณะเดียวกันทุกครั้ง จะส่งผลต่อความเที่ยงตรงของการวัดได้
ขนาดของหยดน้ำยา
ในไทเทรตแบบแมนนวล ความถูกต้องของผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับขนาดของหยดที่เล็กที่สุดจากบิวเรต ในอุตสาหกรรมยา ขนาดของหนึ่งหยดถูกกำหนดให้เท่ากับ 50 μL ซึ่งหมายความว่าความแม่นยำสูงสุดที่สามารถทำได้จะขึ้นอยู่กับขนาดหยด 50 μL โดยสมมติว่ามีการใช้สารไทแทรนต์ประมาณ 5 mL อาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดได้สูงถึง 1%
ข้อผิดพลาดของบิวเรต
เช่นเดียวกับเครื่องแก้วอื่นๆ บิวเรตมีค่าความคลาดเคลื่อนที่กำหนดไว้โดยเฉพาะ สำหรับบิวเรตขนาด 50 mL ค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้คือ 50 μL อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดเพียงอย่างเดียวที่เกิดขึ้นจากการใช้บิวเรต ตัวอย่างเช่น ข้อผิดพลาดจากมุมมอง (Parallax error) ข้อผิดพลาดนี้เกิดขึ้นเมื่อผู้วิเคราะห์ไม่ได้มองเมนิสคัส (meniscus) ในแนวระนาบ แต่ดูจากมุมที่เฉียง ซึ่งการอ่านค่าจากเมนนิสคัสจะแตกต่างกันขึ้นอยู่กับมุมมอง ดังที่แสดงใน รูปที่ 4
ประเด็นที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ทั้งหมดแสดงให้เห็นว่าการไทเทรตแบบแมนนวลนั้นทำได้ง่าย แต่ได้รับอิทธิพลจากผู้ใช้ นอกจากนี้ การไทเทรตแบบแมนนวลยังไม่มีคุ้มค่าในเชิงต้นทุน เนื่องจากต้องใช้เวลามากในการทำความสะอาด เติมสารลงในบิวเรต และคำนวณผลลัพธ์ด้วยตนเอง
ความปลอดภัยของเจ้าหน้าที่ในห้องปฏิบัติการก็ไม่สามารถรับประกันได้ เพราะสารเคมีอาจหกเลอะเทอะได้ง่ายระหว่างการเติมสารลงในบิวเรต. อีกประเด็นที่ต้องพิจารณาสำหรับการไทเทรตแบบแมนนวลคือ ความถูกต้องของข้อมูล (Data Integrity) เนื่องจากข้อมูลทั้งหมดต้องถูกถ่ายโอนด้วยตนเองลงในสมุดบันทึกหรือคอมพิวเตอร์ และการคำนวณไม่ได้ดำเนินการโดยอัตโนมัติ จึงเพิ่มความเสี่ยงต่อความผิดพลาด ซึ่งข้อผิดพลาดจากมนุษย์ (Human error) มีโอกาสเกิดขึ้นสูงในสถานการณ์นี้
การพัฒนาไทเทรตแบบกึ่งอัตโนมัติ
เพื่อแก้ไขข้อจำกัดด้านความแม่นยำและความเที่ยงตรงของการไทเทรตแบบแมนนวล สามารถใช้บิวเรตอิเล็กทรอนิกส์ได้ ซึ่งประกอบด้วยแกนหมุนที่ควบคุมด้วยมอเตอร์และกระบอกแก้วที่บรรจุสารไทแทรนต์ นอกจากนี้ บิวเรตรุ่นใหม่ยังมาพร้อมกับเครื่องกวนในตัว และช่วยให้ผู้ใช้สามารถคำนวณผลลัพธ์โดยอัตโนมัติ รวมถึงบันทึกข้อมูลลงในอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล (เช่น USB หรือคอมพิวเตอร์) หรือพิมพ์ผลลัพธ์ได้โดยตรงหลังจากทำการวิเคราะห์
ไทเทรตแบบกึ่งอัตโนมัติ: แม่นยำยิ่งขึ้น
เมื่อเปลี่ยนจากวิธีแมนนวลมาเป็นการไทเทรตแบบกึ่งอัตโนมัติ การปรับปรุงหลักอยู่ที่ ความแม่นยำและความเที่ยงตรง บิวเรตอิเล็กทรอนิกส์สามารถจ่ายสารได้แม่นยำถึง 2.5 μL สำหรับกระบอกขนาด 50 mL ซึ่งช่วยเพิ่มความแม่นยำได้ถึง 20 เท่า เมื่อเทียบกับการไทเทรตแบบแมนนวล
อย่างไรก็ตาม ข้อเสียที่สำคัญยังคงอยู่ นั่นคือ ความเป็นอัตวิสัยของการรับรู้ทางสายตา (subjectivity of visual perception) ดังนั้น ขั้นตอนต่อไปของการพัฒนาไทเทรต ก็คือ การไทเทรตแบบอัตโนมัติด้วยศักย์ไฟฟ้า (automated potentiometric titration)
การไทเทรตแบบอัตโนมัติด้วยศักย์ไฟฟ้า: แก้ไขข้อเสียที่เหลืออยู่
การไทเทรตแบบอัตโนมัติด้วยศักย์ไฟฟ้าได้รับการพัฒนาในช่วงกลางทศวรรษ 1960 ซึ่งช่วยให้สามารถ รวบรวมข้อมูล กำหนดจุดสมมูล และประเมินผลได้โดยอัตโนมัติ
ประโยชน์ของวิธีนี้มีมากมาย ได้แก่:
- การปรับปรุงทั้งความแม่นยำและความเที่ยงตรง
- การลดเวลาจากกระบวนการที่ทำด้วยมือที่ยุ่งยาก
- การลดโอกาสในการเกิดข้อผิดพลาดจากมนุษย์
การปรับปรุงความแม่นยำและความเที่ยงตรง
สามารถบรรลุความละเอียด 10,000–100,000 ขั้นตอนด้วยเครื่องไทเทรตอัตโนมัติสมัยใหม่ ซึ่งเท่ากับความเที่ยงตรง 5 μL ถึง 0.5 μL สำหรับบิวเรตขนาด 50 มล. ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ ความเที่ยงตรงสามารถปรับปรุงเพิ่มเติมได้โดยการใช้บิวเรตที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ที่มีปริมาณน้อยลง
การรับรู้ทางสายตาไม่สำคัญอีกต่อไป
การไทเทรตอัตโนมัติไม่สามารถเกิดขึ้นได้หากไม่มีการพัฒนาเซ็นเซอร์ ในปี 1909, อิเล็กโทรดแก้วตัวแรกสำหรับการไทเทรตแบบพอเตนเชียโอมิเตอร์ได้ถูกสร้างขึ้น เซ็นเซอร์พอเตนเชียโอมิเตอร์ช่วยให้สามารถกำหนดจุดสิ้นสุดหรือจุดยุติได้โดยไม่ขึ้นกับการเปลี่ยนแปลงสีหรือความผิดพลาดจากนักวิเคราะห์
เนื่องจากตัวอย่างต่างๆ ต้องการคุณสมบัติของอิเล็กโทรดที่แตกต่างกัน จึงมีเซ็นเซอร์จำนวนมากในปัจจุบัน ตัวอย่างบางประการสำหรับประเภทต่างๆ ของการไทเทรตได้ถูกระบุไว้ในตารางที่ 2
เซ็นเซอร์ตัวหนึ่งที่ต้องกล่าวถึงเมื่อพูดถึงการทำให้การไทเทรตอัตโนมัติคือ Optrode เนื่องจากการไทเทรตที่มีการเปลี่ยนแปลงสียังคงเป็นที่นิยม, Optrode ได้ถูกพัฒนา ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์ที่สามารถตรวจจับความแตกต่างของสีที่ละเอียดโดยการวัดการเปลี่ยนแปลงการดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นเฉพาะ และแปลงการดูดซับนี้เป็นค่าศักย์ที่สามารถวัดได้ ด้วยวิธีนี้ การไทเทรตแบบสีจึงกลายเป็นมีความแม่นยำและความเที่ยงตรงมากขึ้น เนื่องจากไม่ต้องพึ่งพาการรับรู้ทางสายตาของนักวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการอีกต่อไป
ผลลัพธ์ที่สามารถตรวจสอบได้เพื่อความสมบูรณ์ของข้อมูล
ในกระบวนการไทเทรตด้วยมือ, ผลลัพธ์ทั้งหมดจะถูกอ่านจากบิวเรตและบันทึกลงในสมุดบันทึกห้องปฏิบัติการหรือพิมพ์ลงในซอฟต์แวร์ด้วยมือ กระบวนการนี้มีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดสูง เนื่องจากมีโอกาสที่ค่าที่ถูกรายงานจะถูกโอนข้อมูลผิดพลาด เพื่อแก้ปัญหานี้, การไทเทรตอัตโนมัติจะบันทึกค่าที่วัดได้ลงในรายการจุดวัด และการคำนวณผลลัพธ์จะถูกทำโดยอัตโนมัติบนอุปกรณ์ ผลลัพธ์เหล่านี้สามารถส่งออกเป็นไฟล์ PDF หรือพิมพ์พร้อมกับวันที่และเวลาที่บันทึก
ปริมาณตัวอย่างที่น้อยลง
เพื่อให้ได้ค่าความแม่นยำและความเที่ยงตรงที่ยอมรับได้ในการไทเทรตด้วยมือ, จำเป็นต้องใช้ปริมาณตัวอย่างมากเพื่อให้ได้การใช้สารไทเทรตในช่วงที่กำหนด เพื่อลดข้อผิดพลาดจากการเพิ่มปริมาณที่อาจสูงถึง 0.05 มล.
ในทางตรงกันข้าม การเพิ่มปริมาณด้วยบิวเรตที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์อาจลดลงถึง 0.5 μL ซึ่งช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถลดขนาดตัวอย่างและใช้สารเคมีให้น้อยลงได้ โดยแนะนำให้ใช้ปริมาณระหว่าง 10–90% ของปริมาตรของบิวเรตและปรับขนาดตัวอย่างให้เหมาะสม
การไทเทรตกลายเป็นคุ้มค่ามากขึ้น
ส่วนที่มีค่าใช้จ่ายสูงที่สุดในการไทเทรตด้วยมือคือค่าจ้างแรงงาน เจ้าหน้าที่ห้องปฏิบัติการต้องได้รับการฝึกอบรมอย่างถูกต้องและต้องทำงานเต็มเวลาในระหว่างการไทเทรต แต่สิ่งนี้จะเปลี่ยนไปโดยสิ้นเชิงกับการไทเทรตอัตโนมัติ วิธีการบนเครื่องออโตไทเทรเตอร์จะถูกโปรแกรมไว้เพียงครั้งเดียวและสามารถเรียกใช้งานได้ทุกเมื่อโดยผู้ใช้ทุกคนเพียงแค่กดปุ่ม
| Automated titration | Manual titration* | |
|---|---|---|
| Mean value | 10.0023 mL | 9.92 mL |
| Standard dev. abs. | 0.009 mL | 0.04 mL |
| Standard dev. rel. | 0.09% | 0.4% |
| Total duration | 32 min 33 s | 14 min 53 s |
| Duration with needed presence of analyst | 1 min 33 s | 14 min 53 s |
* For manual titrations, phenolphthalein was used as the indicator.
ตารางที่ 3 สรุปผลการวิเคราะห์ห้าครั้งของ 10 มล. c(NaOH) = 0.1 `mol/L กับ c(HCl) = 0.1 mol/L การไทเทรตทั้้งหมดทำโดยใช้สารละลายและปิเปตเดียวกัน
ได้มีการทำการเปรียบเทียบเพื่อหาค่าเวลาการวิเคราะห์ที่จำเป็นสำหรับการไทเทรตชุดห้าครั้งที่ทำทั้งด้วยมือและอัตโนมัติ ผลลัพธ์สรุปไว้ใน ตารางที่ 3 ในกรณีนี้ การไทเทรตด้วยมือนั้นเร็วกว่าวิธีอัตโนมัติ แต่ผลลัพธ์มีความแม่นยำน้อยกว่า เวลาค่าเฉลี่ยในการวิเคราะห์ต่อการไทเทรตอัตโนมัติถูกวัดไว้ที่ 6 นาที 12 วินาที ซึ่งหมายความว่าในการวิเคราะห์ห้าครั้ง นักวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการใช้เวลาเพียงประมาณ 1 นาที 33 วินาทีต่อการวิเคราะห์ เมื่อเทียบกับการไทเทรตด้วยมือที่ต้องการนักวิเคราะห์ตลอดระยะเวลาการไทเทรตทั้งหมด ซึ่งช่วยประหยัดเวลาได้อย่างมากเวลาในระหว่างการวิเคราะห์แต่ละครั้งสามารถนำไปใช้ในการเตรียมตัวอย่างถัดไปหรือทำงานกับระบบอื่นๆ ในขณะเดียวกัน ด้วยวิธีนี้ การผลิตจะเพิ่มขึ้นและต้นทุนต่อการวิเคราะห์จะลดลง
บทความที่เกี่ยวข้อง การเปลี่ยนจาก manual titration เป็นระบบไทเทรตอัตโนมัติ:
ติดต่อขอใบเสนอราคา
กรุณากรอกข้อมูลให้ครบถ้วน เพื่อการติดต่อกลับได้อย่างถูกต้อง
ช่องที่มีสัญลักษณ์ (*) เป็นข้อมูลที่ต้องกรอก หากมีความประสงค์เพิ่มเติมหรือข้อสอบถาม โปรดใส่ข้อมูลที่ช่อง 'ข้อมูลเพิ่มเติม'
Please complete this form and submit it to us so we can get in touch with you. The fields marked with an asterisk (*) are mandatory.
If you have a specific request or query, please enter this information in the Remarks box.
การไทเทรตแบบแมนนวล vs อัตโนมัติ : ประโยชน์และข้อดีของการเปลี่ยนมาใช้ระบบอัตโนมัติ
เอกสารประกอบนี้ได้บอกถึงข้อดีจากการเปลี่ยนจากการไทเทรตแบบแมนนวลเป็นแบบอัตโนมัติ และความแม่นยำในการวัดของการไทเทรตทั้งสองแบบ ช่วยให้ผู้ใช้งานตัดสินใจในการใช้ได้ดียิ่งขึ้น