ไมโครชิปแคปิลลารีอิเล็กโทรฟอรีซีสไทยทำ

27 มกราคม 2557

 

        ในการศึกษาทางเคมีวิเคราะห์มีเทคนิคหนึ่งที่ถูกใช้กันอย่างกว้างขวาง คือ การวิเคราะห์โดยการแยก (separation analysis) เนื่องจากหลักการมีความตรงไปตรงมา ตัวอย่างที่เป็นที่รู้จักกันดีก็คือ โครมาโทกราฟี (Chromatography) แต่ยังมีอีกเทคนิคหนึ่งที่ถูกใช้ในการแยกสารเคมีโดยอาศัยผลของสนามไฟฟ้ามีชื่อว่า แคปิลลารีอิเล็กโทรฟอรีซีส (Capillary Electrophoresis, CE) และใน CE ก็ยังสามารถแบ่งซอยได้อีกหลายเทคนิคตามรายละเอียดปลีกย่อย หนึ่งในเทคนิคเหล่านี้ที่เราให้ความสนใจเป็นพิเศษเรียกว่า แคปิลลารีโซนอิเล็กโทรฟอรีซีส (Capillary Zone Electrophoresis, CZE) ซึ่งโดยปกติเครื่องมือวิเคราะห์โดยเทคนิคนี้จะมีขนาดใหญ่ กล่าวคือ ท่อแคปิลลารีแก้ว (เส้นผ่านศูนย์กลาง 30-100 ไมโครเมตร) จะมีความยาวประมาณ 50-100 เซนติเมตร ทำให้ต้องใช้ศักย์ไฟฟ้าสำหรับการแยกสูงและใช้เวลาวิเคราะห์นาน (โดยเฉลี่ยมากกว่า 10 นาที) และเมื่อรวมกับระบบตรวจวัด (เทคนิคที่เป็นที่นิยมคือการวัดการค่าดูดกลืนหรือเปล่งแสงของแสงย่านอุลตราไวโอเลต) ก็จะทำให้ระบบดังกล่าวจำเป็นต้องถูกตั้งไว้เฉพาะในห้องปฏิบัติการ เมื่อวิทยาการและเทคโนโลยีก้าวหน้ามากขึ้นจึงเกิดความคิดที่จะย่อส่วนระบบดังกล่าวมาอยู่บนชิปของไหลจุลภาค (microfluidic chips) ที่ซึ่งสามารถรวมเข้ากับระบบตรวจวัดได้ง่าย (integrable) ส่งผลให้ระบบดังกล่าวเล็กลงมาก ทำให้สามารถเคลื่อนย้ายเครื่องมือไปยังที่ต่างๆได้ (portable) และยังลดปริมาณสารที่ใช้วิเคราะห์และเวลาวิเคราะห์ลงอีกด้วย ระบบดังกล่าวเรียกว่า ไมโครชิปแคปิลลารีอิเล็กโทรฟอรีซีส (Microchip Capillary Electrophoresis, MCE) และเป็นระบบที่เราตั้งใจจะพัฒนาขึ้นเองทั้งหมด [1]

 

รูปที่ 1 (ก) การไหลของสารละลายในท่อรูเล็กเนื่องมาจากผลของปรากฏการณ์ electro-osmosis (ข) การเคลื่อนที่ของประจุในสารละลายในปรากฏการณ์ electrophoresis

 

        หลักการแยกสารที่เป็นตัวถูกวิเคราะห์ (analyte) โดยเทคนิค CZE ทั้งหมดนั้นสามารถอธิบายให้เข้าใจได้บนพื้นฐานของฟิสิกส์ หลัการดังกล่าวประกอบด้วยการไหลแบบอิเล็กโทรไคเนติกส์ (Electrokinetic effects) สองปรากฏการณ์ผสมผสานกัน คือ ระหว่าง electro-osmosis กับ electrophoresis สำหรับปรากฏการณ์ electro-osmosis คือการไหลของสารละลายที่มีประจุในท่อรูเล็กเมื่อได้รับอิทธิพลจากสนามไฟฟ้าภายนอก  ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากการมีอยู่ของ electrical double layer (EDL) ที่บริเวณรอยต่อระหว่างผนังท่อที่เป็นของแข็งกับสารละลายที่เป็นของเหลว ใน EDL (ซึ่งมีความหนาในเรือน 3 นาโนเมตรเท่านั้น) จะประกอบด้วยชั้นของประจุสองกลุ่ม คือ ชั้น Stern layer เป็นกลุ่มประจุไฟฟ้าที่จะติดแน่นอยู่กับผนังท่อเนื่องจากแรงดึงดูดคูลอมบ์ และชั้น diffuse layer ซึ่งอยู่ถัดออกมาจากชั้น Stern layer ในชั้น diffuse layer นี้กลุ่มโมเลกุลของสารละลายมีอิสระที่จะเคลื่อนที่ได้ ดังนั้นเมื่อได้รับอิทธิพลจากสนามไฟฟ้าที่ให้จากภายนอก จะมีแรงไฟฟ้ากระทำต่อโมเลกุลในชั้นนี้ให้เคลื่อนที่ ซึ่งก็ฉุดโมเลกุลข้างเคียงให้เคลื่อนที่ตามติดไปด้วย เกิดเป็นการไหลของสารละลายไปตามท่อดังกล่าวข้างต้น โดยความเร็วในการไหลขึ้นอยู่กับศักย์ไฟฟ้าของ EDL และ ความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ให้จากภายนอก (ดูรูปที่ 1ก) สำหรับอีกปรากฏการณ์หนึ่งคือ electrophoresis นั้น เป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลมีประจุที่อยู่ในของเหลว การเคลื่อนที่นี้เกิดจากแรงไฟฟ้าอันเนื่องจากสนามไฟฟ้าที่ให้จากภายนอกเช่นกัน เมื่อคิดสมดุลระหว่างแรงไฟฟ้าที่กระทำกับตัวประจุกับแรงต้านที่เกิดเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ในของเหลวตามกฎของสโตคส์แล้ว ก็จะพบว่าในระบบเดียวกันโมเลกุลต่างชนิดกันจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่เท่ากันขึ้นอยู่กับประจุไฟฟ้าและขนาดของโมเลกุลนั้นๆ (ดูรูป 1ข) ปรากฏการณ์ทั้งสองนี้เกิดขึ้นพร้อมกันในการทดลองจริง ผลคือ สารละลายทั้งหมดจะไหลไปตามท่อรูเล็กด้วยผลของปรากฏการณ์ electro-osmosis ในขณะเดียวกัน โมเลกุลของสารต่างชนิดกันก็จะเริ่มแยกออกจากกันเป็นกลุ่มหรือโซนเมื่อเคลื่อนที่ไปได้สักระยะหนึ่งอันเนื่องมาจากผลของปรากฏการณ์ electrophoresis (ดูรูปที่ 2) ทำให้สามารถใช้หลักการนี้ในการแยกสารเพื่อการวิเคราะห์ได้

 

รูปที่ 2 การแยกของตัวถูกวิเคราะห์ที่มีขนาดและ/หรือ ประจุต่างกันออกเป็นโซนอันเนื่องมาจากผลของปรากฏการณ์ electrophoresis โซนของตัวถูกวิเคราะห์จะเคลื่อนที่ไปสู่ส่วนตรวจวัดที่อยู่บริเวณใกล้ทางออกของท่อ

 

        หลังจากสารที่เป็นตัวถูกวิเคราะห์ถูกแยกออกอยู่กันคนละโซนแล้ว แต่ละโซนก็จะเคลื่อนที่ไปสู่ส่วนตรวจวัด เทคนิคที่ใช้ในการตรวจวัดนั้นมีมากมาย แต่สำหรับในงานวิจัยนี้ได้เลือกเทคนิค C4D (Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection) ซึ่งเป็นการวัดสภาพนำไฟฟ้าของตัวถูกวิเคราะห์ในแต่ละโซนเทียบกับสารละลายพื้นหลังโดยไม่มีการสัมผัสกันระหว่างขั้วตรวจวัดที่เป็นโลหะกับสารละลาย ทำให้ไม่มีการกัดกร่อนของขั้วตรวจวัดที่อาจเกิดขึ้นเมื่อถูกใช้ไปเป็นระยะเวลานานเนื่องจากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี สำหรับขั้วตรวจวัดนั้นจะประกอบด้วยขั้วกระตุ้น (excitation electrode) ที่ต่อกับแหล่งจ่ายสัญญาณกระแสสลับและขั้วรับสัญญาณ (pick-up electrode) ขั้วตรวจวัดทั้งสองนี้ไม่ได้ต่อถึงกันโดยตรง เพราะมีฉนวนพอลิเมอร์ และสารละลายคั่นอยู่ระหว่างกลาง ซึ่งเมื่อประกอบกับผลของ EDL ดังกล่าวข้างต้น ทำให้บริเวณขั้วตรวจวัดทั้งสองแสดงพฤติกรรมเป็นตัวคาปาซิเตอร์หรือตัวเก็บประจุ ดังนั้นสัญญาณที่จะส่งจากขั้วกระตุ้นไปยังขั้วรับสัญญาณจึงเป็นสัญญาณไฟกระแสตรงไม่ได้ ต้องเป็นสัญญาณไฟกระแสสลับซึ่งได้พบว่าสัญญาณคลื่นรูปซายน์ (sine wave) นั้นเหมาะสมที่สุด แต่ในขณะเดียวกันสัญญาณก็ต้องวิ่งผ่านสารละลายที่มีสภาพนำไฟฟ้าเฉพาะตัว ดังนั้นถ้าสารละลายเปลี่ยนไป สภาพนำไฟฟ้าก็จะเปลี่ยนไปด้วย แต่สภาพนำไฟฟ้านั้นแปรผกผันกับความต้านทานไฟฟ้า จึงสามารถกล่าวได้สั้นๆว่าสารละลายคนละชนิดก็จะมีความต้านทานไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ดังนั้นกระแสสัญญาณที่ออกมาจากขั้วรับสัญญาณจึงมีแอมปลิจูดแตกต่างกัน ภาคอิเล็กทรอนิกส์ที่ต่ออยู่กับขั้วรับสัญญาณจะวิเคราะห์ความสูงต่ำของค่ากระแสที่ผ่านออกมาแล้วแปลงเป็นค่าที่สามารถบันทึกและแสดงผลได้

        หน่วยวิจัย Microfluidic Research Unit ภายใต้การสนับสนุนของศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ ได้ทำการวิจัยเพื่อที่จะสร้างระบบ MCE-C4D ขึ้นเองทั้งหมดเพื่อเป็นเครื่องต้นแบบสำหรับการพัฒนาให้เป็นเครื่องมือวิเคราะห์ที่มีประสิทธิภาพในอนาคต โดยได้ทำการเสนอวิธีสร้าง MCE device ที่ใช้สำหรับการแยกสาร โดยสร้างท่อสำหรับการไหลของสารละลายคล้ายรูปไม้กางเขนประกอบด้วยส่วนจ่ายสารละลายที่ต้องการวิเคราะห์กับส่วนแยกโมเลกุลหรือไอออน โดยมีขนาดความกว้างของท่อ 200 ไมครอน ลึก 30 ไมครอน และยาว 45 มิลลิเมตรจากพอลิเมอร์ PDMS โดยการลอกแบบจากแม่พิมพ์ที่สร้างโดยเทคนิค EWBT ที่คิดค้นพัฒนาขึ้นเองอีกเช่นกัน ท่อไมครอนดังกล่าววางอยู่บน detection platform สร้างจาก PCB ที่มีขั้วตรวจวัดอยู่และเคลือบด้วย PDMS บางๆ จากนั้นทำให้ติดกันโดยอาศัยพลาสมาออกซิเจน โดยอุปกรณ์นี้ (ดูรูปที่ 3) จะสามารถเชื่อต่อกับอุปกรณ์ตรวจวัดได้อย่างง่ายดาย แหล่งจ่ายไฟฟ้าศักย์สูงที่ปรับค่าได้ระหว่าง 0-2500 โวลต์ ได้ถูกออกแบบและสร้างเพื่อใช้สำหรับสร้างสนามไฟฟ้าในท่อไมครอนสำหรับการแยก นอกจากนี้ยังได้ทำการออกแบบและสร้างหน่วยตรวจวัดโดยความถี่กระตุ้นมีค่าระหว่าง 0-250 กิโลเฮิรตซ์ และมีความต่างศักย์ 25 โวลต์ พีค-ทู-พีค หน่วยตรวจวัดนี้ (ดูรูปที่ 4) ถูกเชื่อต่อกับคอมพิวเตอร์สำหรับการควบคุม แสดงผล และบันทึกผลการวัด โดยซอฟท์แวร์ที่พัฒนาขึ้นมาโดยเฉพาะที่ทำให้สามารถเห็นผลการทดลองตามเวลาจริง

 

รูปที่ 3

รูปที่ 4

รูปที่ 3 ไมโครชิป MCE-C4D ที่พัฒนาขึ้นเอง หนักเพียง 10 กรัม มีราคาต้นทุนไม่เกิน 100 บาท / ชิ้น จึงสามารถใช้ครั้งเดียวแล้วทิ้งได้ ตามเป้าประสงค์ที่ตั้งไว้ตั้งแต่ต้น

รูปที่ 4 ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่พัฒนาขึ้นควบคู่กัน หนักประมาณ 1 กิโลกรัม มีราคาต่ำและสามารถใช้งานภาคสนามได้

 

        ระบบดังกล่าวได้ถูกทดสอบโดยการวัดสัญญาณของสารละลายไอออนิกสามชนิดคือ โพแทสเซียมคลอไรด์ โซเดียมคลอไรด์ และ ลิเธียมคลอไรด์ ซึ่งเตรียมในน้ำบริสุทธิ์ สารละลายพื้นหลังที่ใช้คือ สารละลาย MES/His ที่มีค่า pH เท่ากับ 6.1 โดยไอออนบวกทั้งสามชนิดในสารละลายมาตรฐานดังกล่าวจะถูกทำให้เคลื่อนที่ไปในท่อไมครอนและเกิดการแยกเนื่องจากไอออนบวกทั้งสามของโพแทสเซียม โซเดียม และ ลิเธียม มีขนาดต่างกัน ในการนี้ได้ทำการศึกษาผลของพารามิเตอร์สำคัญสามพารามิเตอร์ที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการแยก (efficiency) และความไวในการตรวจวัด (sensitivity) ซึ่งประกอบด้วย ความเข้มข้นของสารละลายพื้นหลัง ศักย์แยก และความเข้มข้นของตัวถูกวิเคราะห์ โดยพบว่าค่าความเข้มข้นของสารละลายพื้นหลังมีผลอย่างมากต่อการแยก ทั้งนี้เนื่องจากค่าความเข้มข้นของสารละลายพื้นหลังที่ต่างกันทำให้ค่าความเร็วอิเล็กโทรออสโมติก (electro-osmotoc velocity) ต่างกัน ดังนั้นความเข้นข้นของสารละลายพื้นหลังจึงเป็นสิ่งแรกที่ต้องทำการหาค่าที่เหมาะสมให้ได้ก่อนทำการทดลองอื่นต่อไป สำหรับระบบที่ศึกษาพบว่าค่าความเข้มข้นของสารละลาย MES/His ที่เหมาะสมมีค่า 20 มิลลิโมลาร์ (รูปที่ 5) เมื่อได้ค่าความเข้มข้นของสารละลายพื้นหลังที่เหมาะสมแล้วก็จะสามารถศึกษาพารามิเตอร์อื่นต่อไป นั่นคือ ศักย์แยก ซึ่งเป็นความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ให้คร่อมระหว่างสองปลายของท่อแยกเพื่อทำให้เกิดสนามไฟฟ้าสำหรับการขับเคลื่อนและแยกสารละลายที่ความเข้มสนามต่างๆกัน ศักย์แยกส่งผลต่อ migration time ซึ่งก็คือเวลาที่สารแต่ละโซนเคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้นมาถึงตำแหน่งของตัวตรวจวัด นอกจากนี้ยังส่งผลต่อความกว้างของแต่ละโซน เนื่องจากขณะสารเคลื่อนที่นั้นยังมีผลอันเนื่องจากการแพร่ที่ขึ้นกับเวลา ซึ่งทำให้อำนาจการแยก (resolution) ลดลงด้วย ดังนั้นค่าศักย์แยกควรจะมีค่าที่เหมาะสมเพื่อให้ผลที่ได้มีอำนาจการแยกสูงที่สุด รูปที่ 6 แสดงผลการทดลองที่ใช้ความต่างศักย์ต่างๆกันซึ่งพบว่าที่ศักย์แยก 800 โวลต์ ให้คุณภาพการแยกดีที่สุด พารามิเตอร์สุดท้ายคือ ความเข้มข้นของตัวถูกวิเคราะห์ ซึ่งตามการศึกษาของ J. G. A. Brito-Neto et al. [2]  พบว่าค่าสภาพนำไฟฟ้าที่วัดได้ของสารละลายมีค่าขึ้นกับความเข้มข้นของสารละลาย เพื่อที่จะศึกษาถึงผลดังกล่าวได้ทำการเตรียมสารละลายที่มีความเข้มข้นของตัวถูกวิเคราะห์ไม่เท่ากันเพื่อใช้สำหรับการตรวจวัดและพบว่าขนาดของสัญญาณขึ้นกับความเข้มข้นของสารละลายดังแสดงในรูปที่ 7 การทดลองดังกล่าวยังสามารถขยายผลต่อไปเพื่อศึกษาผลการวัดในเชิงปริมาณ ซึ่งจะทำให้สามารถทราบถึงข้อจำกัดของการวัดและความไวในการวัดของเครื่องวัด

        จากผลการทดลองพบว่าระบบ MCE-C4D ที่หน่วยวิจัยได้พัฒนาขึ้นมามีประสิทธิภาพอยู่ในระดับเป็นที่น่าพึงพอใจ คือสามารถใช้ในการวิเคราะห์และตรวจวัดสารตัวอย่างมาตรฐานที่เตรียมขึ้นมาได้ อย่างไรก็ดีระบบนี้เป็นระบบต้นแบบที่ถูกพัฒนาขึ้นมาเป็นครั้งแรก ซึ่งยังต้องการการศึกษาและการทดลองเพื่อที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพให้สูงขึ้น และในอนาคตเราอาจมีเครื่องมือวิเคราะห์และตรวจวัดราคาถูกสำหรับใช้กันเองในประเทศโดยไม่ต้องพึ่งพาเครื่องมือราคาแพงจากต่างประเทศอีกต่อไป

 

(ก)

(ข)

(ค)

รูปที่ 5 Electrophoregrams แสดงผลของความเข้มข้นของสารละลายพื้นหลัง MES/His (ก) 5 mM (ข) 10 mM และ (ค) 20 mM ที่มีต่อคุณภาพการแยกของตัวถูกวิเคราะห์ที่เป็นสารละลายมาตรฐานที่มีความเข้มข้นเท่ากันเท่ากับ 20 mM ของ LiCl/NaCl/KCl

 

(ก)

(ข)

(ค)

รูปที่ 6 Electrophoregrams แสดงผลของศักย์แยก (ก) 400 โวลต์ (ข) 600 โวลต์ และ (ค) 800 โวลต์ ที่มีต่อคุณภาพการแยกของตัวถูกวิเคราะห์ที่เป็นสารละลายมาตรฐานที่มีความเข้มข้นเท่ากันเท่ากับ 20 mM ของ LiCl/NaCl/KCl

 

(ก)

(ข)

รูปที่ 7 Electrophoregrams แสดงผลของความเข้มข้นของตัวถูกวิเคราะห์ (ก) 5 mM KCl + 20 mM NaCl/LiCl (ข) 5 mM NaCl + 20 mM KCl/LiCl

 

เอกสารอ้างอิง           

[1] M. Jitvisate, “Development of Compact System of Microchip Capillary Electrophoresis with Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection for the Detection of Caffeine in Beverages”, M.S. thesis, Chiang Mai University, Chiang Mai, 2013.

[2] J. G. A. Brito-Neto, J. A. F. da Silva, L. Blanes and C. L. do Lago, “Understanding Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection in Capillary and Microchip Electrophoresis. Part 1. Fundamentals”, Electroanalysis, 17(13), 2005, 1198-1206.

 

รายงานโดย

นาย มนต์ชัย จิตรวิเศษ และ รองศาสตราจารย์ ดร. สมศร สิงขรัตน์

Microfluidic Research Unit ศูนย์วิจัยฟิสิกส์ของพลาสมาและลำอนุภาค ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์  คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จ. เชียงใหม่ 50200

โทรศัพท์ : 053-943379,  E-mail : mjitvisate@gmail.com, somsorn.s@gmail.com