พัฒนาเซนเซอร์ปฏิกิริยาเคมีสำหรับการตรวจความเข้มข้นของไนเทรทไอออนโดยตรงในน้ำจืด
- ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
ชลภัทร วรงค์ชยกุล, อิน ตั้งสถิตชัย, ชลิดา หฤหรรษพงศ์
- อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์
อุษา จีนเจนกิจ
- โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์
- ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์
ปัจจุบัน ไนเทรทไอออน (NO3-) สามารถพบได้ตามแหล่งน้ำธรรมชาติมากมาย ทั้งน้ำใต้ดิน น้ำในมหาสมุทร แม่น้ำ ลำธาร ซึ่งสาเหตุการสะสมของไนเทรทไอออนในสิ่งแวดล้อม มาจากการขับถ่ายของเสียของสัตว์ในรูปแอมโมเนีย (NH3) และยูเรีย (NH2CONH2) แอมโมเนียและยูเรียในธรรมชาติจะเข้าสู่วัฎจักรไนโตรเจน (Nitrogen Cycle) โดยแบคทีเรียในดินหรือในน้ำที่มีชื่อว่า nitrosomonas ซึ่งจะเปลี่ยนแอมโมเนียและยูเรียให้อยู่ในรูปของไนไทรต์ไอออน (NO2-) จากนั้นแบคทีเรียอีกชนิดหนึ่งที่ชื่อ nitrobacter จะทำการเปลี่ยนไนไทรต์ไอออนเป็นไนเทรทไอออน ซึ่งไนเทรทไอออนเพียงบางส่วนเท่านั้นที่ถูกพืชและผู้ย่อยสลายในระบบนิเวศนำไปใช้ และนอกจากนี้ยังมีการใช้ปุ๋ยในการเกษตรกรรมของมนุษย์ซึ่งมีสารประกอบแอมโมเนียมไนเทรท (NH4NO3) และยูเรีย ทำให้แหล่งน้ำธรรมชาติมีการสะสมของไนเทรทไอออน เนื่องจากแหล่งน้ำธรรมชาติเป็นแหล่งน้ำสำคัญสำหรับสิ่งมีชีวิตในการดำรงชีวิตมากมาย ในบางพื้นที่บนโลก มนุษย์ก็ใช้แหล่งน้ำธรรมชาติสำหรับการอุปโภคบริโภคเช่นกัน แต่การสะสมของไนเทรทไอออนในธรรมชาตินั้น ไม่มีใครสามารถทราบถึงปริมาณไนเทรทที่สะสมมากขึ้นได้เลย จึงต้องทำการตรวจสอบถึงปริมาณไนเทรทไอออนในแหล่งน้ำธรรมชาติ ด้วยวิธีการต่างๆ
ปริมาณไนเทรทที่ยอมรับได้ในแหล่งน้ำธรรมชาติ คือไม่เกิน 10ppm NO3--N เทียบเท่ากับปริมาณไม่เกิน 45ppm NO3- ในขณะที่ตู้ปลาสวยงามและแหล่งน้ำจืดปิด เช่นทะเลสาบ หนอง บึง เป็นต้น จะอยู่ที่ไม่เกิน 100ppm NO3- และน้ำสำหรับการบริโภคของสัตว์ที่เลี้ยงในฟาร์มเช่นม้ากับวัว จะต้องอยู่ที่ไม่เกิน 2500ppm NO3- (Robert, et al. 2015)
การบริโภคไนเทรทในปริมาณที่สูงเกินไปนั้นจะเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิต โดยเมื่อไนเทรทเข้าสู่ร่างกายสัตว์ ไนเทรทจะถูกเปลี่ยนเป็นไนไทรต์ซึ่งปริมาณไนไทรต์ที่สูงเกินไปจะทำให้ฮีโมโกลบิน (Hemoglobin) ในเม็ดเลือดแดงให้กลายเป็นเมทฮีโมโกลบิน (Methemoglobin) ซึ่งไม่มีความสามารถในการจับออกซิเจน และเซลล์ในร่างกายเกิดภาวะขาดออกซิเจน (Asbury et al. 1964) อีกทั้งจะส่งผลให้การผลิตนมของวัวนมมีประสิทธิภาพลดลงอีกด้วย (Jainudeen, et al. 1964)
ในปัจจุบัน ชุดทดสอบไนเทรทนั้น มีการใช้ nitrate sensitive electrode ซึ่งมีประสิทธิภาพและราคาสูง (R Del Toro Deniz, et al. 1997) ชุดทดสอบที่อาศัยปฏิกิริยาเคมีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือ Griess Test นั่นคือการรีดิวซ์ไนเทรทไอออนให้เป็นไนไทรต์ไอออน แล้วไนไทรต์ไอออนจะเข้าทำปฏิกิริยากับสารทดสอบ ซึ่งคือ sulfanilic acid และ alpha-naphthylethylenediamine ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีความอันตรายต่อมนุษย์สูง ทั้งมีฤทธิ์กัดกร่อนและเป็นสารก่อมะเร็ง โดยสารประกอบที่ได้จากปฏิกิริยาจะเป็น azo dye ซึ่งเป็นสีย้อม (Amitava, et al. 2014) ชุดทดสอบทั่วไปมักทดสอบได้ถึงความเข้มข้นสูงสุดเพียง 500ppm NO3- (Precision Laboratories, 2015) โดยทั่วไปผลการทดสอบมักจะได้สารละลายสีแดงที่ความยาวคลื่นดูดกลืนแสงสูงสุดเท่ากับ 540nm โดยความเข้มของสีแสดงถึงปริมาณไนเทรท
การทำงานของชุดทดสอบที่ใช้หลักการรีดิวซ์ไนเทรทไอออน มักจะใช้เอนไซม์ที่มีชื่อว่า nitrate reductase ซึ่งจะรีดิวซ์ไนเทรทไอออนไปเป็นไนไทรต์ไอออน โดยมีประสิทธิภาพในการทำปฏิกิริยารีดักชั่นเพียง 60-70% บางชุดทดสอบใช้โลหะแคดเมียม ซึ่งมีประสิทธิภาพในการรีดิวซ์ไนเทรทไอออนไปเป็นไนไทรต์ไอออนได้ถึง 88% (Leo M.L. Nollet, et al., 2011) แต่ไม่นิยมใช้เนื่องจากแคดเมียมเป็นโลหะหนัก เมื่อทำความสะอาดชุดทดสอบแล้ว โลหะหนักนี้อาจไปปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมได้ ซึ่งประสิทธิภาพการรีดิวซ์ไนเทรทไอออนเป็นไนไทรต์ไอออนนั้น ไม่เต็มที่ 100% จึงทำให้การตรวจวัดนั้นคลาดเคลื่อน
จากงานวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อปี พ.ศ. 2559 โดย Ing Hua Tang และคณะ ค้นพบว่า คุณสมบัติของ polyvinylpyrrolidone เป็นโพลิเมอร์ที่ละลายน้ำและไม่มีระบบคอนจูเกตในโมเลกุล สามารถตรวจจับไนเทรทได้ โดยค่าการดูดกลืนแสงจะลดลงเมื่อความเข้มข้นไนเทรทเพิ่มขึ้นที่ 407nm แต่เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น เกิด red shift ทำให้ค่าการดูดกลืนแสงสูงสุดเปลี่ยนไป เมื่อนำไปคำนวณความเข้มข้น เซนเซอร์ยังคงมีความคลาดเคลื่อนอยู่บ้าง อีกทั้งโพลิเมอร์ชนิดนี้ยังมีความจำเพาะต่อไนเทรทมากที่สุดที่ความเข้มข้น 7%w/v เมื่อเทียบกับไอออนอื่นๆที่อาจพบได้ในแหล่งน้ำเช่น ไบคาร์บอเนตไอออน ซัลเฟตไอออน และคลอไรด์ไอออน
ทางคณะผู้วิจัยจึงต้องการพัฒนาเซนเซอร์สำหรับการหาความเข้มข้นไนเทรทในแหล่งน้ำจืดใดๆ โดยอาศัยการตรวจกับไนเทรทไอออนโดยตรง ไม่ต้องผ่านกระบวนการรีดักชั่นก่อน ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ตรวจจับได้ในช่วงความเข้มข้นที่กว้างมากขึ้น ลดต้นทุนที่ต้องใช้ในการตรวจจับไนเทรท และใช้สารเคมีที่ปลอดภัยต่อผู้ใช้ ด้วยการให้ polyvinylpyrrolidone มาจับกับสีย้อม เพื่อให้มีค่าความยาวคลื่นการดูดกลืนแสงสูงสุดคงที่ ซึ่งโครงงานนี้ต้องหาสีย้อมที่เหมาะสม จากนั้นนำสารละลายไปทำปฏิกิริยากับไนเทรทไอออน