เครื่องมือวิจัยทางด้านวิทยาศาสตร์

Infrared Spectro Microscope (IR-Microscope) เป็นเครื่องมือที่ใช้สำหรับวิเคราะห์หาหมู่ฟังก์ชันของสารอินทรีย์หรือสารอนินทรีย์นิยมวิเคราะห์ในเชิงคุณภาพ โดยอาศัยหลักการของการดูดกลืนคลื่นรังสีอินฟราเรดช่วงกลาง (middle infrared region) ประมาณ 400-4000 cm^-1 เมื่อสารตัวอย่างได้รับพลังงานจากคลื่นรังสีอินฟราเรดที่เหมาะสมจะเกิดการสั่น (vibration) ของโมเลกุล ทําให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าโมเมนต์ขั้วคู่ (dipole moment) ทำให้โมเลกุลเกิดการดูดกลืนแสงอินฟราเรด แล้ววัดแสงที่ส่งผ่านออกมาแสดงผลเป็นความสัมพันธ์ระหว่างความถี่หรือ wave number กับค่าการส่งผ่านของแสง (transmittance) เรียกว่า IR spectrum โดยเครื่อง IR-Microscope แตกต่างกับเครื่อง FT-IR แบบธรรมดาตรงที่มีกล้อง Microscope ที่มีความสามารถในด้านของการตรวจสอบภาพและสามารถทดสอบตัวอย่างที่มีขนาดเล็กมากระดับไมครอนได้

การวิเคราะห์ด้วยเทคนิค FT-IR สามารถทดสอบได้กับตัวอย่างของแข็ง ของเหลว และแก๊ส สามารถวิเคราะห์ตัวอย่างที่มีปริมาณน้อยได้ มีระบบการสแกนตัวอย่างที่รวดเร็ว ได้ผลทดสอบเป็นสเปกตรัม ที่มีการแจกแจงชัดเจน และไม่มีพื้นหลัง โดยสามารถศึกษารูปแบบของสเปกคตรัมทั้งแบบสะท้อนและแบบดูดกลืน ซึ่งจุดเด่นของการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคนี้ คือ วิธีการเตรียมตัวอย่างไม่ยุ่งยากซับซ้อน จัดเป็นเทคนิคการตรวจวิเคราะห์ตัวอย่างแบบไม่ทำลาย (Non-destructive) เนื่องจากแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้มีพลังงานค่อนข้างต่ำจนไม่เกิดการทำลายพันธะทางเคมี หรือการทำให้เกิดปฏิกิริยาการแตกตัวของโมเลกุลในการระหว่างการทดสอบ เทคนิคดังกล่าวจึงถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานวิจัยด้านวิทยาศาสตร์การแพทย์ วิทยาศาสตร์ชีวภาพ รวมถึงทางด้านประวัติศาสตร์โบราณคดี

SEM เป็นเครื่องมือวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้สำหรับศึกษาโครงสร้างจุลภาค (Microstructure) ของตัวอย่าง โดยมีกำลังขยายสูงสุด 300,000 เท่า เหมาะสำหรับทั้งตัวอย่างทางวัสดุและชีววิทยา สามารถถ่ายภาพตัวอย่างที่ไม่นำไฟฟ้า (Non-conductive materials) มีความชื้น (Moist) และมีลักษณะเปียก (Wet) ตัวอย่างที่มีไอระเหย ตัวอย่างสดหรือไม่ผ่านการเตรียมเบื้องต้นมาก่อน เช่น ใบ ดอกของพืช แมลง เป็นต้น โดยสามารถเลือกสภาวะการทดสอบได้ทั้งสภาวะสุญญากาศสูง (High vacuum,<1.5x10-3 Pa) และสภาวะสุญญากาศต่ำ (Low vacuum, 6-650 Pa)

EDX เป็นเครื่องมือสำหรับวิเคราะห์องค์ประกอบธาตุของชิ้นทดสอบ โดยเมื่อธาตุบริเวณผิวหน้าของตัวอย่างถูกกระตุ้นด้วยลำแสงอิเล็กตรอนแล้วปลดปล่อยพลังงานรังสีเอ็กซ์ออกมา ด้วยคุณลักษณะจำเพาะของรังสีเอ็กซ์ ซึ่งแต่ละธาตุมีค่าพลังงานรังสีเอ็กซ์ที่แตกต่างกัน จึงสามารถจำแนกธาตุด้วยเทคนิค Energy Dispersive X-ray Spectrometry สามารถวิเคราะห์หาธาตุองค์ประกอบที่ผิวหน้าตัวอย่างได้ทั้งเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ

Micro-XRF microscope เป็นเครื่องมือสำหรับวิเคราะห์องค์ประกอบธาตุของชิ้นทดสอบ โดยวัดรังสีเอกซ์ที่เปล่งออกมา จากวัสดุเป้าหมาย โดยขั้นตอนการทดสอบเริ่มต้นด้วยการฉาย X-Ray ตั้งต้น (Primary X-ray)ไปยังวัตถุที่ต้องการตรวจสอบ เมื่อรังสีเอกซ์ กระทบวัตถุเป้าหมายแล้ว พลังงานของรังสีเอกซ์ส่วนหนึ่งจะถูก ดูดซับ และที่เหลือจะกระจัดกระจายไป หากรังสีเอกซ์ตั้งต้นมีพลังงานมากพอ อิเล็กตรอนของวัตถุเป้าหมายจะหลุดออกมาจากวงแหวนชั้นใน (inner shell) ซึ่งจะทําให้เกิดภาวะไม่เสถียร (unstable state) ของอะตอม โดยอะตอมจะพยายามทําให้เกิดความเสถียรด้วยการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกออกไปเข้ามาตามลําดับชั้น การย้ายตําแหน่งของอิเล็กตรอน เพื่อให้เกิดภาวะเสถียรนี้ทําให้อิเล็กตรอนคายพลังงานออกมาด้วยการแผ่รังสีเอกซ์ออกมา ซึ่งรังสีเอกซ์ดังกล่าวมีพลังงาน เท่ากับความแตกต่างของพลังงานของชั้นตั้งต้นและชั้นปลายทางของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ปรากฏการณ์ย้ายตําแหน่งของอิเล็กตรอนพร้อมทั้ง ปล่อยรังสีเอกซ์ (Secondary X-Ray) ออกมาดังกล่าวเรียกว่า X-Ray Fluorescence ซึ่งจะสามารถวิเคราะห์ธาตุในตัวอย่าง ได้ตั้งแต่ Na - U เรียงตาม Atomic number สามารถวิเคราะห์ได้ทั้งเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ ในกรณีวิเคราะห์เชิงปริมาณต้องทำกราฟมาตรฐาน สภาพแวดล้อมในการทดสอบ คือ สุญญากาศ หรือบรรยากาศ วิเคราะห์ตัวอย่างได้ทั้งของแข็ง ผง ตัวอย่างที่ขึ้นรูปแล้ว หรือตัวอย่างของเหลว

เครื่องเลเซอร์รามานไมโครสโคป RAMANforce เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สังเกตและวิเคราะห์ตัวอย่าง ที่อยู่ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัล สามารถทำการวิเคราะห์สเปกตรัมในพื้นที่ตั้งแต่ขนาดอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าระดับไมครอนไปจนถึงขนาดหลาย มิลลิเมตร การวิเคราะห์สเปกตรัมทำได้โดยการฉายรังสีด้วยเลเซอร์และวัดการกระเจิงแสงของปรากฏการณ์รามาน ที่กระเจิงจากตัวอย่าง ซึ่งเป็นการวัดการเปลี่ยนระดับพลังงานของสารตัวอย่างที่เกี่ยวข้องกับการสั่น (Vibration) และการหมุน (Rotation) ของพันธะในโมเลกุล คือเป็นการวัดการกระเจิงของคลื่นแสงหลังจากชนกับโมเลกุลที่กําลังสั่นและหมุนอยู่ ในรามานสเปกโทรสโกปีพลังงานที่เกี่ยวข้องกับแทรนซิชันจะตรงกับคลื่นแสงที่มีความถี่ในช่วงมองเห็นได้ (Visible) เมื่อพิจารณาถึงการปรากฏขึ้นของแอ็กทิฟรามาน (Raman active) จะเห็นว่าเกี่ยวข้องกับการสั่นของโมเลกุลโดยเป็นการสั่นในลักษณะที่ทำให้ค่าของสภาพโพลาไรซ์ (Polarizability) ของโมเลกุลนั้นเปลี่ยนไปโดยที่สภาพโพลาไรซ์นั้นเกิดจากการบิดเบี้ยว (Distortion) ของโมเลกุลอันเนื่องมาจากการกระจายของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน (Electron cloud) รอบๆพันธะเคมีในโมเลกุล ซึ่งการที่โมเลกุลจะอยู่ในรูปบิดเบี้ยว (Distorted form) ได้นั้นเป็นผลจากการที่โมเลกุลถูกเหนี่ยวนําด้วยสนามไฟฟ้า และเกิดสภาพขั้วขึ้นมาชั่วคราว และสภาพขั้วจะหายไปเมื่อโมเลกุลคายคลื่นแสงออกมาโดยการผ่อนคลาย (Relaxation) การกระเจิงของแสงจะขึ้นอยู่กับว่าพันธะเคมีในโมเลกุลนั้นสามารถถูกทําให้เกิดการบิดเบี้ยวไปจากตำแหน่งสมดุลเดิมมากน้อยเพียงใด นอกจากนี้การบิดเบี้ยวของโมเลกุลจะเหนี่ยวนําให้เกิดโมเมนต์ขั้วคู่ขึ้น ซึ่งจะแปรผันโดยตรงกับความเข้มของสนามฟ้าและสภาพโพลาไรซ์ โดยผลต่างของพลังงาน (หรือความถี่) ของแสงที่ตกกระทบกับพลังงานที่แสงกระเจิง เรียกว่า Raman shift และการกระเจิงแสงของปรากฏการณ์รามานเรียกว่าสเปกตรัมของรามาน เนื่องจากสเปกตรัมของรามานเป็นคุณลักษณะเฉพาะของโมเลกุลและโครงสร้างผลึก ซึ่งสามารถใช้เพื่อระบุชนิดโมเลกุลและโครงสร้างผลึกได้

รังสีเอกซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง สามารถเลี้ยวเบนได้เช่นเดียวกับคลื่นทั่วๆไป เมื่อรังสีเอกซ์ขนานตกกระทบลงบนระนาบของผลึก การเลี้ยวเบนจะเกิดขึ้นเมื่อเส้นทางเดินของรังสีทั้งสองต่างกันเป็นจำนวนเท่าของความยาวคลื่น โดยผลึกแต่ละชนิดมีขนาดของหน่วยเซลล์ไม่เท่ากัน และประกอบด้วยอะตอมที่แตกต่างกัน เมื่อรังสีเอกซ์ความยาวคลื่นเดียว (monochromatic) ตกลงบนผลึกจะเกิดการเลี้ยวเบน pattern การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction pattern) ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมุมของการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์กับความเข้มสัมพัทธ์ของพีคการเลี้ยวเบนของสารประกอบแต่ละชนิดจึงมีลักษณะเฉพาะตัว ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับ pattern การเลี้ยวเบนของสารมาตรฐานที่เก็บรวบรวมไว้แล้ว จะสามารถจำแนกชนิดของสารประกอบนั้นได้ไม่ว่าสารนั้นจะอยู่ในรูปสารประกอบตัวเดียวหรือของผสมก็ตาม

เอกซเรย์พลังงานสูงกระทบสารตัวอย่าง ทำให้ธาตุต่าง ๆ ที่อยู่ในสารตัวอย่างปล่อยพลังงานในรูปโฟตอน หรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา มีความยาวคลื่น/พลังงานในช่วงของเอกซเรย์ และเป็นความยาวคลื่น/พลังงานที่เป็นลักษณะเฉพาะสำหรับธาตุนั้น ๆ ทำให้สามารถบ่งชี้ชนิดของธาตุที่มีอยู่ในสารตัวอย่างได้จากพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากธาตุนั้นๆ ความเข้มของเอกซเรย์ที่ปล่อยออกมาขึ้นอยู่กับปริมาณของธาตุนั้นๆ ในตัวอย่าง โดยข้อมูลนี้สามารถนำมาวิเคราะห์หาชนิด และปริมาณของธาตุแต่ละชนิดในตัวอย่างได้
การวิเคราะห์ด้วยเทคนิค X - Ray Fluorescence Spectrometry (XRF) มี 2 ระบบคือ
1. ระบบที่วัดเป็นความยาวคลื่น (Wavelength Dispersive System)
2. ระบบที่วัดเป็นพลังงาน (Energy Dispersive System )
การวิเคราะห์เชิงคุณภาพ วิธีการวิเคราะห์ที่นิยม คือ ระบบ Energy Dispersive System เพราะทดสอบได้ง่ายและรวดเร็ว ส่วน XRF ชนิด Wavelength Dispersive System จะยุ่งยากและใช้เวลาทดสอบมากกว่า ทั้งนี้เพราะต้องกำหนดค่าตัวแปรต่าง ๆ (parameter) ในการวิเคราะห์ให้เหมาะสม เช่น คอลลิเมเตอร์ ดีเทคเตอร์ และผลึกวิเคราะห์ เป็นต้น สำหรับความสามารถในการแยกแยะชนิดธาตุ (resolution) โดยธาตุที่มีค่าเลขอะตอม (atomic number) ตํ่าถึงกลาง ระบบ Wavelength dispersive system จะมีความสมารถในการแยกได้สูงกว่า ระบบ Energy Dispersive System เนื่องจากมีผลึกวิเคราะห์ที่มีความสามารถในการแยกได้สูง