เคมีวิเคราะห์

เคมีวิเคราะห์  () คือสาขาของวิชาเคมีที่ว่าด้วยการวิเคราะห์สารตัวอย่าง เพื่อให้เกิดความเข้าใจถึงองค์ประกอบ และโครงสร้างทางเคมีของวัสดุนั้นๆ

เคมีวิเคราะห์อาจนิยามความหมายได้อย่างกว้างขวางขึ้นอยู่กับขอบเขตที่ศึกษา หรือจุดประสงค์ของการวัดวิเคราะห์ หรือกระบวนการดำเนินการทดสอบโดยอาศัยความรู้ทางเคมี เมอร์เรย์ (Murray, 1994) ได้นิยามเคมีวิเคราะห์แบบง่าย ๆ แต่แฝงด้วยความหมายและความสำคัญอันลึกซึ้งของเคมีวิเคราะห์ตามคำกล่าวของไรเลย์ (Charles Reilley) ที่กล่าวไว้ในปี ค.ศ. 1965 ซึ่งกล่าวไว้ว่า “Analytical chemistry is what analytical chemists do.” การกำหนดนิยามอย่างใดอย่างหนึ่งอาจไม่ครอบคลุมถึงแนวคิดพื้นฐานของเคมีวิเคราะห์ได้ทั้งหมด

ประเภทของการวิเคราะห์ 
การวิเคราะห์ทางเคมีสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดอย่างกว้าง ๆ ดังนี้

1)    การวิเคราะห์เชิงคุณภาพ (qualitative analysis) คือ การวิเคราะห์ที่สนใจทราบข้อมูลเกี่ยวกับตัวอย่างว่ามีองค์ประกอบใด มีสารที่สนใจรวมอยู่หรือไม่ เป็นสารบริสุทธิ์หรือสารประกอบ เช่น ต้องการทราบว่าในตัวอย่างผงสีขาวเป็นเกลือแกงหรือไม่ จึงต้องทดสอบเพื่อยืนยันโดยอาศัยสมบัติทางกายภาพหรือทางเคมี เช่น ทดสอบการละลาย ทดสอบโดยเปลวไฟ เป็นต้น คำตอบของการวิเคราะห์เชิงคุณภาพจะระบุเป็นเพียงใช่หรือไม่ใช่ มีหรือไม่มี แต่ไม่ได้บ่งบอกถึงระดับปริมาณของสารที่สนใจ

2)   การวิเคราะห์เชิงปริมาณ (quantitative analysis) คือ การวิเคราะห์ที่ต้องการทราบระดับปริมาณของสารที่สนใจในสารตัวอย่าง เช่น ต้องการทราบปริมาณของแข็งทั้งหมด (total solid) ในตัวอย่างน้ำ ต้องการทราบปริมาณแร่ธาตุไนโตรเจน (N) ฟอสฟอรัส (P) และโพแทสเซียม (K) ในดินหรือปุ๋ย ต้องการทราบปริมาณสารหนู (As) ในข้าว ต้องการทราบปริมาณออกซิเจนละลาย (dissolved oxygen; DO) ในน้ำทิ้งหรือแหล่งน้ำธรรมชาติ เป็นต้น การหาคำตอบจะต้องทำการทดลองตามขั้นตอนการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบเพื่อให้ได้คำตอบเป็นปริมาณสารที่สนใจในสารตัวอย่างอย่างถูกต้อง และต้องมีความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้

อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์สารที่สนใจในสารตัวอย่างหนึ่ง ๆ อาจจำเป็นต้องดำเนินการทั้งที่เป็นการวิเคราะห์เชิงคุณภาพและการวิเคราะห์เชิงปริมาณควบคู่กัน โดยการวิเคราะห์เชิงคุณภาพจะเป็นการประเมินเบื้องต้นเกี่ยวกับการมีอยู่ของสารที่สนใจก่อนจะทำการวิเคราะห์เชิงปริมาณ แต่โดยส่วนใหญ่ในการวิเคราะห์ทางเคมีวิเคราะห์มักจำเป็นต้องการคำตอบที่เป็นปริมาณสารที่สนใจในสารตัวอย่าง ถึงกระนั้นไม่ได้หมายความว่าการวิเคราะห์เชิงคุณภาพจะสามารถทำได้ง่ายกว่าการวิเคราะห์เชิงปริมาณ และในบางกรณีอาจทำได้ยากกว่าเสียอีก เช่น การที่จะระบุว่าคุณภาพน้ำตัวอย่างจัดเป็นน้ำเสียหรือไม่ เนื่องจากต้องทำการวิเคราะห์ตามดัชนีที่ใช้เป็นเกณฑ์บอกระดับคุณภาพน้ำจึงจะสามารถระบุได้ว่าเป็นน้ำเสียหรือไม่เป็นน้ำเสีย หรือการทดสอบว่าสารที่สงสัยเป็นสารใดนั้นอาจจำเป็นต้องอาศัยเทคนิคและวิธีการตรวจสอบหลายวิธีจึงจะสามารถตอบได้ ซึ่งต่างกับการวิเคราะห์เชิงปริมาณที่ดำเนินการวิเคราะห์เพื่อบ่งชี้ระดับความเข้มข้นของสารที่สนใจเท่านั้น

เทคนิคการวิเคราะห์ 
เทคนิคในการวิเคราะห์ คือ หลักการพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ของวิธีการในการวัดสารที่สนใจในสารตัวอย่างเพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงคุณภาพหรือเชิงปริมาณ แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท ดังนี้  

1) การวิเคราะห์แบบแผนเดิม (classical method) คือ การวิเคราะห์ที่อาศัยเทคนิคพื้นฐานทางการวัดโดยอาจไม่ต้องใช้เครื่องมือที่ซับซ้อนมากนัก ได้แก่ 

·  การวิเคราะห์โดยน้ำหนัก (gravimetric method) ซึ่งเป็นวิธีวิเคราะห์โดยอาศัยความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักสารที่สนใจกับสารตัวอย่าง โดยอาศัยการเกิดตะกอนที่ละลายน้ำได้น้อยระหว่างสารที่สนใจกับตัวตกตะกอน โดยน้ำหนักตะกอนที่เกิดขึ้นหรือตะกอนที่ทำให้บริสุทธิ์จะสัมพันธ์กับสารตัวอย่างตามปริมาณสัมพันธ์ เช่น การวิเคราะห์แบเรียม (Ba2+) โดยตกตะกอนเป็น BaSO4 ดังสมการ

Ba2+(aq) + SO42-(aq)  ®  BaSO4(s)

·  ปริมาตรวิเคราะห์ (volumetric method) ซึ่งเป็นวิธีวิเคราะห์ที่อาศัยการเกิดปฏิกิริยาสมมูลกันระหว่างสารที่สนใจกับสารละลายมาตรฐานตามปริมาณสัมพันธ์ โดยวิธีที่นิยมใช้คือ การไทเทรต (titration) จึงอาจเรียกอีกชื่อว่า ไททริเมตรี (titrimetry) เช่น การวิเคราะห์หาปริมาณร้อยละกรดแอซีติก (CH3COOH) ในตัวอย่างน้ำส้มสายชูกลั่น โดยการไทเทรตกับสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) ที่ทราบความเข้มข้นแน่นอนโดยใช้ฟีนอล์ฟทาลีนเป็นอินดิเคเตอร์ เรียกจุดที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีว่า จุดยุติ (end point) ซึ่งปริมาตรของสารละลาย NaOH ที่ใช้ในการไทเทรตสามารถใช้คำนวณน้ำหนักของกรดแอซีติกโดยอาศัยปริมาณสัมพันธ์ได้

2) การวิเคราะห์แบบแผนใหม่ (modern method) คือ การวิเคราะห์ที่อาศัยหลักพื้นฐานทางเคมี และการพัฒนาการวัดด้วยเครื่องมือวิเคราะห์ หรือที่เรียกว่า วิธีวิเคราะห์โดยเครื่องมือวิเคราะห์ (instrumental method) ซึ่งวิธีนี้อาศัยการวัดสมบัติทางกายภาพ และ/หรือ สมบัติทางเคมีของสารที่สนใจ หรือการวัดสัญญาณตอบสนองอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงอย่างหนึ่งอย่างใดที่เกิดขึ้นระหว่างการวัด ซึ่งสัญญาณตอบสนองที่เกิดขึ้นสัมพันธ์กับปริมาณของสารที่สนใจในสารตัวอย่าง การวิเคราะห์แบบแผนใหม่อาจแบ่งได้ตามลักษณะเฉพาะ ได้แก่ 

2.1) เทคนิคการวิเคราะห์ทางเคมีไฟฟ้า (electrochemical techniques) เป็นวิธีวิเคราะห์โดยการวัดสมบัติทางไฟฟ้าที่สัมพันธ์กับชนิดหรือปริมาณสารที่สนใจ เช่น 

·    เทคนิคโพเทนชิออเมตรี (potentiometry) เป็นเทคนิคการวัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าซึ่งสัมพันธ์กับความว่องไว (activity) ของไอออนตามสมการเนินสต์ 

·    เทคนิคคอนดักโตเมตรี (conductometry) เป็นเทคนิคการวัดค่าการนำไฟฟ้าของสารละลาย 

·    เทคนิคแอมเพอโรเมตรี (amperometry) เป็นเทคนิคที่ให้ศักย์ไฟฟ้าที่คงที่กับขั้วไฟฟ้าใช้งานที่เพียงพอในการทำให้เกิดปฏิกิริยาของสารตัวอย่างที่ผิวหน้าของขั้วไฟฟ้าได้ แล้ววัดค่ากระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่สัมพันธ์กับเวลา ซึ่งค่ากระแสไฟฟ้าที่วัดได้จะแปรผันโดยตรงกับความเข้มข้นของสารที่เกิดปฏิกิริยา

·    เทคนิคคูลอเมตรี (coulometry) เป็นการวัดปริมาณประจุไฟฟ้าทั้งหมดที่ใช้ทำให้สารตัวอย่างเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์อย่างสมบูรณ์ โดยอาศัยความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณประจุไฟฟ้ากับจำนวนกรัมสมมูลของสารนั้นตามกฎฟาราเดย์ 

·    เทคนิคโวลแทมเมตรี (voltammetry) เป็นเทคนิควิเคราะห์ที่ให้ศักย์ไฟฟ้าแก่วงจร เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีของสารตัวอย่าง การจัดเซลล์ของวงจรเป็นแบบเซลล์ อิเล็กโทรไลต์และการไหลของกระแสอยู่ภายใต้สภาวะการเกิดโพลาไรเซชันที่ขั้วไฟฟ้า แล้ววัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้น ณ ศักย์ไฟฟ้าต่าง ๆ ที่ให้แก่วงจร 

2.2) เทคนิคทางสเปกโทรเมตรี (spectrometric techniques) หรือที่เรียกว่า วิธีทางแสง (optical method) ซึ่งอาศัยหลักการเกิดอันตรกิริยา (interaction) ระหว่างสสารของอนุมูลสารที่สนใจกับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า โดยอันตรกิริยาที่เกิดขึ้นจะเป็นสมบัติเฉพาะของสสารกับพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น 

·   การดูดกลืน (absorption) เป็นวิธีวิเคราะห์ที่อาศัยหลักการดูดกลืนรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าของสสาร เช่น วิธียูวี-วิสิเบิลสเปกโทรเมตรี (UV-visible spectrometry; UV-vis) วิธีอะตอมมิกแอบซอร์บชันสเปกโทรเมตรี (atomic absorption spectrometry; AAS) วิธีอินฟราเรดสเปกโทรเมตรี (infrared spectrometry; IR) วิธีรามานสเปกโทรเมตรี (Raman spectrometry) วิธีนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (nuclear magnetic resonance; NMR)  เป็นต้น

·    การเปล่งออก (emission) เป็นวิธีวิเคราะห์ที่อาศัยหลักการเปล่งพลังงานออกมา เมื่ออนุมูลของสารที่สนใจเกิดอันตรกิริยากับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น เทคนิคอะตอมมิกอีมิสชันสเปกโทรเมตรี (atomic emission spectrometry; AES) เทคนิคอินดักทีฟลีคัปเปิล-พลาสมาออพติคอลอีมิสชันสเปกโทรเมตรี (inductively coupled plasma optical emission spectrometry; ICP-OES) เทคนิคเอกซเรย์ฟลูออเรสเซนต์สเปกโทรเมตรี (X-ray fluorescence; XRF) และเทคนิคลูมิเนสเซนต์สเปกโทรเมตรี (luminescence spectrometry) เป็นต้น

·    การกระเจิงแสง (scattering ) เป็นการวัดการกระเจิงแสงของสาร เช่น วิธีเทอบิดิเมตรี (turbidimetry)

·    การหักเหของรังสี (refraction) ใช้หลักการหักเหเมื่อรังสีผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่างกัน เช่น เทคนิครีแฟรกโตเมตรี (refractometry)

·    การเลี้ยวเบนของรังสี (diffraction) อาศัยหลักการเลี้ยวเบนของรังสีเมื่อกระทบกับตัวอย่าง เช่น การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของเทคนิคเอกซเรย์ดิฟแฟรกโตเมตรี (X-ray diffractometry) เป็นต้น

2.3) เทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการแยก (separation techniques) โดยส่วนใหญ่จะอาศัยวิธีโครมาโทกราฟี (chromatography) เป็นหลัก โดยอาศัยหลักการแยกสารที่สนใจออกจากสารตัวอย่าง อันเนื่องมาจากสารมีปฏิกิริยากับสองวัฏภาค (phase) ที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน เช่น ระหว่างวัฏภาคของแข็งกับของเหลว (solid/liquid) ของเหลวกับของเหลว (liquid/liquid) และของเหลวกับแก๊ส (liquid/gas) ตัวอย่างวิธีวิเคราะห์ เช่น 

·    เทคนิคแก๊สโครมาโทกราฟี (GC) เป็นเทคนิคที่ใช้สำหรับแยกสารตัวอย่างที่เป็นสารผสมที่สามารถระเหยเป็นไอได้ โดยไอระเหยที่เกิดขึ้นจะถูกนำเข้าสู่คอลัมน์โดยอาศัยการพาของวัฏภาคเคลื่อนที่ (mobile phase) ที่เป็นแก๊ส และไอสารตัวอย่างถูกแยกด้วยวัฏภาคคงที่ (stationary phase) ในคอลัมน์ โดยสารตัวอย่างจะถูกแยกเป็นส่วนในคอลัมน์ ตามสมบัติทางเคมี โครงสร้าง น้ำหนักโมเลกุล จุดเดือด เป็นต้น

·    เทคนิคโครมาโทกราฟีของเหลว (LC) เป็นเทคนิคที่ใช้สำหรับแยกสารตัวอย่างที่เป็นสารผสมโดยอาศัยการพาของวัฏภาคเคลื่อนที่ที่เป็นของเหลว และสารตัวอย่างถูกแยกด้วยวัฏภาคคงที่ในคอลัมน์ที่เป็นของแข็ง หรือของเหลว 

·    เทคนิคไอออนโครมาโทกราฟี (ion chromatography; IC) เป็นเทคนิคที่ใช้แยกแคตไอออนหรือแอนไอออน โดยอาศัยการแลกเปลี่ยนไอออน (ion exchange) ที่เกิดจากการดักจับไอออนที่มีประจุตรงกันข้ามกับวัฏภาคคงที่ที่อยู่ภายในคอลัมน์ ซึ่งเป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างประจุที่แตกต่างกัน 

2.4) เทคนิคเกี่ยวข้องกับความร้อน (thermal analytical techniques) เป็นวิธีที่อาศัยการเปลี่ยนแปลงทางเคมี หรือทางกายภาพ เมื่อสารได้รับความร้อน เช่น วิธีการวิเคราะห์โดยน้ำหนักด้วยความร้อน (thermogravitric analysis; TGA) ซึ่งเป็นการวัดมวลที่เปลี่ยนแปลงเมื่อสารได้รับความร้อนที่ระดับอุณหภูมิแตกต่างกัน

2.5) เทคนิคเกี่ยวกับการวิเคราะห์มวล (mass analysis) เช่น เทคนิค แมสสเปกโทรสโกปี (mass spectroscopy) เป็นวิธีวิเคราะห์โดยอาศัยค่ามวลต่อประจุของไอออนที่เกิดการแตกตัวเป็นไอออนย่อย (fragment ion)

2.6) วิธีวิเคราะห์ทางจลนพลศาสตร์ (kinetic method) เป็นวิธีการวิเคราะห์อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี การหาอันดับของปฏิกิริยา รวมทั้งศึกษาปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีด้วย และนำมาใช้ตรวจสอบความเข้มข้นของสารที่สนใจ

เคมีวิเคราะห์เป็นการบูรณาการความรู้พื้นฐานทางเคมี และประยุกต์ใช้ความรู้พื้นฐาน หรือพัฒนาองค์ความรู้เป็นเทคนิคการวิเคราะห์ เพื่อหาคำตอบของสารที่สนใจในสารตัวอย่างทั้งเชิงคุณภาพ และ/หรือ เชิงปริมาณ โดยมีกระบวนการวิเคราะห์อย่างเป็นขั้นตอน คือ การพิจารณาปัญหาที่เกิดขึ้นหรือเหตุผลในการวิเคราะห์สารที่สนใจ ชนิดสารตัวอย่าง การเลือกวิธีวิเคราะห์ที่เหมาะสมกับชนิดและระดับความเข้มข้นของสารที่สนใจ วิธีการชักตัวอย่างที่เป็นตัวแทนของตัวอย่างทั้งหมด การเก็บรักษาตัวอย่างเพื่อรักษาสภาพหรือสมบัติทางเคมีและกายภาพไม่ให้เปลี่ยนแปลงก่อนดำเนินการเตรียมตัวอย่างโดยวิธีที่เหมาะสมและก่อนดำเนินการวิเคราะห์สารที่สนใจ การวัดด้วยวิธีมาตรฐานหรือเลือกเทคนิคการวิเคราะห์ที่มีความแม่นและความเที่ยงที่ยอมรับได้ และผู้ทดลองต้องสามารถแปรผลข้อมูล หรือสัญญาณตอบสนองที่ได้จากการทดลองเพื่อเป็นคำตอบที่ต้องการของสารที่สนใจที่สัมพันธ์กับตัวอย่าง เพื่อแสดงคำตอบที่แท้จริงในสารตัวอย่างนั้น ๆ ดังนั้น การวิเคราะห์นั้นต้องมีความแม่น เพื่อแสดงความใกล้กับค่าแท้จริงให้มากที่สุดและต้องคำนึงถึงความคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้นจากกระบวนการวิเคราะห์ในแต่ละขั้นตอน

อ้างอิง 
[1] วรวิทย์ จันทร์สุวรรณ. 2563. เคมีวิเคราะห์: หลักการและเทคนิคการคำนวณเชิงปริมาณ. สำนักพิมพ์จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. 

วัสดุศาสตร์