เทคนิคการใช้พีเอชมิเตอร์ (pH meter) ในห้องปฏิบัติการ

         พีเอชมิเตอร์เป็นเครื่องมือสำคัญที่ใช้ในการวัดค่าความเป็นกรด-เบสของสารละลาย ซึ่งมีบทบาทสำคัญในหลายสาขาวิชา ไม่ว่าจะเป็นด้านวิทยาศาสตร์อาหาร เคมี ชีววิทยา และสิ่งแวดล้อม การใช้งานพีเอชมิเตอร์อย่างถูกต้องช่วยให้การวิเคราะห์มีความแม่นยำและลดความผิดพลาดในการวัดผล

1. ส่วนประกอบของพีเอชมิเตอร์ พีเอชมิเตอร์ประกอบด้วยสองส่วนหลัก ได้แก่:

  1) ตัวเครื่องวัดและแสดงผล - ทำหน้าที่รับสัญญาณไฟฟ้าจากอิเล็กโทรดและคำนวณค่าพีเอช

  2) อิเล็กโทรด (Electrode) – ส่วนที่สัมผัสกับสารละลายและเป็นตัวกลางในการวัดค่า อิเล็กโทรดแบ่งเป็น 2 ชนิด: 

•  อิเล็กโทรดสำหรับวัดค่าพีเอช (pH electrode) ความต่างศักย์ไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงไปตามปริมาณไอออนในสายละลายที่ต้องการวัด โดยทั่วไปส่วนปลายของอิเล็กโทรดที่ตอบสนองต่อไฮโดรเจนไอออนทำด้วยเยื่อแก้ว (glass membrane)

•  อิเล็กโทรดอ้างอิง (reference electrode) ศักย์ไฟฟ้าจะคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงไปตามความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนในสารละลาย

ในการวัดค่าพีเอชต้องใช้อิเล็กโทรดทั้ง 2 ชนิดพร้อมกันเพื่อเปรียบเทียบศักย์ไฟฟ้าที่เกิดจากปริมาณไอออนในสารละลายกับศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานที่มีค่าคงที่ ทั้งนี้ อิเล็กโทรดอ้างอิงอาจรวมอยู่กับอิเล็กโทรดสำหรับวัดค่าพีเอช เรียกว่า อิเล็กโทรดรวม (combination electrode) 

2. หลักการวัดค่าพีเอช

       พีเอชเป็นค่าที่แสดงความเป็นกรด-เบสของสารละลาย โดยค่าพีเอชมีความสัมพันธ์กับความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนในสารละลาย สารละลายที่มีตัวทำละลายเป็นน้ำ ค่าพีเอชจะอยู่ในช่วง 0-14  สารละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลายและมีความเป็นกลาง ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนเท่ากับความเข้มข้นของไฮดรอกไซด์ไอออนเท่ากับ 10^-7 มีค่าพีเอชเท่ากับ 7  สารละลายที่มีพีเอชต่ำกว่า 7 เป็นกรด และสารละลายที่มีเอชสูงกว่า 7 เป็นเบส

     การวัดค่าพีเอชใช้หลักการวัดค่าความต่างศักย์ ที่เกิดขึ้นที่ผิวสัมผัสของอิเล็กโทรดชนิดที่สามารถตอบสนองต่อไฮโดรเจนไอออน โดยวัดเปรียบเทียบกับอิเล็กโทรดอ้างอิงซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามปริมาณไฮโดรเจนไอออนในสารละลาย โดยใช้สมการของเนินสต์ (Nernst equation)  E = E₀ + (2.303 RT/nF).log(a_H+)   และคำนวณค่าพีเอช 

3. เทคนิคการวัดค่าพีเอชของสารละลาย

1) การเตรียมเครื่องมือ/อุปกรณ์/สารละลาย/สารละลายตัวอย่าง

     เปิดและอุ่นเครื่องตามคู่มือกำหนด ตรวจสอบชุดสารละลายบัฟเฟอร์ที่ใช้ การแสดงผลและอื่น ๆ เลือกสารละลายบัฟเฟอร์ 2 ค่า หรือมากกว่าที่ครอบคลุมค่าพีเอชของตัวอย่างที่วัด เพื่อการสอบเทียบอิเล็กโทรด

2) สอบเทียบอิเล็กโทรดด้วยสารละลายบัฟเฟอร์มาตรฐาน Two point calibration และ Check the result of the adjustment of the electrode ตามคู่มือผู้ผลิต

3) การวัดค่า วัดตัวอย่างที่สภาวะเดียวกับสอบเทียบ (ถ้าเป็นไปได้) วัดซ้ำตัวอย่างที่แบ่งส่วนไว้ เมื่อเปลี่ยนสารละลาย ล้างอิเล็กโทรดด้วยน้ำกลั่นหรือน้ำ DI

4. การบำรุงรักษาอิเล็กโทรด

1) เลือกใช้อิเล็กโทรดให้เหมาะสมกับสารละลายตัวอย่าง

2) รักษาความสะอาดกระเปาะแก้วปลายอิเล็กโทรด

3) Calibration ด้วยสารละลายบัฟเฟอร์ทุกครั้งก่อนการใช้งาน

4) ตรวจสอบไม่ให้มีฟองอากาศในสารละลายอิเล็กโทรด ซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าผ่านไม่ได้

5) หลังการใช้งานล้างอิเล็กโทรดให้สะอาด และเก็บในสารละลายที่เหมาะสม

6) อิเล็กโทรดอ้างอิงควรมีสารละลายอิเล็กโทรไลต์บรรจุอยู่ในระดับต่ำกว่าช่องเติมเล็กน้อย และต้องสูงกว่าระดับสารละลายตัวอย่างของเหลวที่วัด

7) เลือกใช้สารล้างอิเล็กโทรดที่เหมาะสม ควรทราบสิ่งปนเปื้อนในตัวอย่างก่อน เพื่อที่จะได้เลือกใช้ตัวทำละลายที่เหมาะสม และช่วยให้อิเล็กโทรดให้สะอาดมากขึ้น สารที่ใช้ล้างอิเล็กโทรด

8) ตัวอย่างเป็นไขมัน/สารอินทรีย์ ให้กลั้วด้วยเอธิลแอลกอฮอล์หรืออะซิโตนตามด้วยน้ำกลั่น

9) มีโปรตีนสูง เช่น นม โยเกิร์ตเลือดและอาหารสำเร็จรูป แช่ในสารละลายเปปซินร้อยละ 5 ในสารละลายของกรดเกลือ HCl 0.1 M ประมาณ 2 ชั่วโมง แล้วตามด้วยน้ำกลั่น

10) สารละลายบัฟเฟอร์หรือน้ำ ให้ล้างด้วยน้ำกลั่น

11) ตัวอย่างที่ทำละลายไม่ใช้น้ำ ล้าด้วยตัวทำละลายที่เป็นกลาง ตามด้วยน้ำกลั่น

5. การเก็บรักษาอิเล็กโทรดและสารละลายบัฟเฟอร์

• การเก็บรักษาอิเล็กโทรดแก้วระหว่างวันในสารละลาย 3 M KCl หรือบัฟเฟอร์ที่มีความเป็นกรด-เล็กน้อย ที่ pH 4-7 หรือสารละลายตามที่บริษัทผู้ผลิตเครื่องพีเอชแนะนำ 
• การเก็บอิเล็กโทรดอ้างอิงและอิเล็กโทรดรวมเป็นระยะเวลานาน ควรแช่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ชนิดเดียวกับที่เติมในอิเล็กโทรดโดยใช้หมวกยางสวม
• ในกรณีที่ไม่ได้ใช้งานเกิน 1 สัปดาห์ ควรเก็บอิเล็กโทรดในสารละลายที่เหมาะสม และระวังไม่ให้สารละลายที่เก็บอิเล็กโทรดแห้ง
• สารละลายบัฟเฟอร์ ควรปิดฝาขวดให้สนิท ไม่ใช้มีการปนเปื้อน เก็บรักษาที่อุณหภูมิห้องและไม่โดดนแสงแดด และไม่ควรใช้สารละลายบัฟเฟอร์ที่หมดอายุ

    ปัญหาระหว่างการวัดพีเอช เช่น อ่านค่าได้สูง/ต่ำ หรืออ่านค่าไม่ได้ ค่าความชันต่ำ เกิดการ drift ค่าที่วัดได้ ให้ทำการตรวจสอบเครื่องวัดความต่างศักย์ อิเล็กโทรด สาระลายบัฟเฟอร์  การเชื่อมต่อของอุปกรณ์ รวมไปถึงตัวอย่างที่นำมาวัด

6. ปัญหาที่พบบ่อยในการวัดพีเอชและแนวทางแก้ไข

• ค่าอ่านได้ผิดปกติ (สูงหรือต่ำเกินไป): ตรวจสอบการสอบเทียบและสภาพของอิเล็กโทรด
• ค่าความชันต่ำ: ทำความสะอาดอิเล็กโทรดและสอบเทียบใหม่
• เกิดการ Drift ของค่า: ตรวจสอบสารละลายบัฟเฟอร์และอิเล็กโทรดว่ายังอยู่ในสภาพดีหรือไม่

สรุป

    พีเอชมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่มีความสำคัญอย่างยิ่งในการวิเคราะห์สารละลายในห้องปฏิบัติการ การใช้งานอย่างถูกต้องต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับหลักการทำงาน วิธีสอบเทียบ เทคนิคการวัด และแนวทางการบำรุงรักษา การอบรมเกี่ยวกับพีเอชมิเตอร์ช่วยให้สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการปฏิบัติงานในห้องปฏิบัติการและการเรียนการสอนด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีชีวภาพ