การใช้แสงซินโครตรอนกับเทคนิค FTIR Spectrometer และ Microscope
ในงานวิเคราะห์และวิจัยด้านต่าง ๆ

ดร. กาญจนา ธรรมนู
สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

เทคนิคทางด้าน Infrared (IR) Spectroscopy เป็นเทคนิคที่นิยมใช้ในการวิเคราะห์ตรวจสอบเกี่ยวกับโมเลกุลของสาร โดยอาศัยหลักการเกี่ยวกับการสั่น (Vibration) ของโมเลกุล แสงอินฟราเรดช่วงกลาง (2.5-25 m) มีความถี่ตรงกับความถี่ของการสั่นของพันธะโควาเลนซ์ในโมเลกุลของสาร เมื่อสารตัวอย่างได้รับพลังงานจากคลื่นรังสีอินฟราเรดที่พอเหมาะจะเกิดการสั่นของโมเลกุล ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าโมเมนต์ขั้วคู่ (Dipole Moment) ของโมเลกุล

ทำให้โมเลกุลเกิดการดูดกลืนแสงแล้ววัดแสงที่ส่งผ่านออกมาแสดงผลเป็นความสัมพันธ์ของความถี่หรือ Wave Number กับค่าการส่งผ่านของแสง เรียกว่า IR Spectrum ซึ่งลักษณะสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของสารแต่ละชนิดจะมีคุณสมบัติเฉพาะ โมเลกุลของสสารจึงสามารถดูดกลืนแสงอินฟราเรดได้ที่ความถี่ต่างกันขั้นอยู่กับความแข็งแรงของพันธะและน้ำหนักของอะตอมของ Functional Groups ในโมเลกุลนั้น ๆ

การนำแสงซินโครตรอนย่านพลังงานอินฟราเรดมาใช้กับเทคนิค IR Spectroscopy ร่วมกับการใช้กล้องจุลทรรศน์ หรือที่เรียกว่า Synchrotron Radiation-based IR Spectromicroscopy เป็นการช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเทคนิค IR Spectroscopy ให้มีความสามารถนำไปใช้ตรวจวิเคราะห์สารตัวอย่างที่มีขนาดเล็ก หรือสารตัวอย่างที่มีความเข้มข้นต่ำมาก ๆ 

เนื่องมาจากคุณสมบัติของแสงซินโครตรอนที่ให้ความเข้มและความสว่างจ้าของแสงสูงกว่าแหล่งกำเนิดแสงทั่วไปมาก นอกจากนี้ยังช่วยให้ผลการวิเคราะห์ที่ได้มีอัตราส่วนระหว่างสัญญาณและสัญญาณรบกวน (Signal/Noise Ratio) ที่ดีขึ้นโดยไม่สูญเสียรายละเอียดเชิงพื้นที่ (Spatial Resolution) และยังช่วยลดระยะเวลาในการตรวจวิเคราะห์เมื่อเทียบกับการใช้ Conventional IR Source

รูปที่ 1 แสดงไดอะแกรมของเทคนิค FTIR Spectrometer และ Synchrotron Radiation-based IR Spectromicroscopy

ในทางชีวภาพช่วงที่จะใช้ประโยชน์ในการวิเคราะห์ส่วนใหญ่เป็นช่วงอินฟราเรดกลางเป็นส่วนใหญ่ สเปคตรัมการดูดกลืนของแสงอินฟราเรดจะมีประโยชน์อย่างมากในงานวิจัยทางด้านตัวอย่างทางชีววิทยา โดยสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของ โปรตีน ไขมัน หรือกรดนิวคลีอิก ซึ่งจะมีสเปคตรัมการดูดกลืนอยูในช่วงที่แตกต่างกัน

การใช้ประโยชน์จึงมีประโยชน์อย่างมากในการศึกษาองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างที่มีขนาดเล็กมาก ๆ ของสารชีวโมเลกุลได้ ข้อดีอีกประการหนึ่งของการใช้เทคนิคนี้คือ การเตรียมตัวอย่างสำหรับการวิเคราะห์ไม่มีความยุ่งยากซับซ้อน ทำให้สามารถใช้ในการตรวจวิเคราะห์ตัวอย่างแบบไม่ทำลาย (Non-destructive) ได้

เนื่องจากแสงที่ใช้อยู่ในย่านพลังงานที่ค่อนข้างต่ำเกินกว่าที่จะทำให้เกิดการทำลายพันธะทางเคมี หรือการทำให้เกิดปฏิกิริยาการแตกตัวของโมเลกุล (Ionization) ได้ การใช้ประโยชน์ของเทคนิคดังกล่าวมีประโยชน์อย่างมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานวิจัยด้านวิทยาศาสตร์การแพทย์และวิทยาศาสตร์ชีวภาพ เช่น การตรวจสอบสอบโครงสร้างของเนื้อเยื่อ  

อาทิเช่น เส้นผม, ผิวหนัง, กระดูก เป็นต้น ใช้เป็นเครื่องมือทางการแพทย์ในการตรวจวินิจฉัยโรค อาทิเช่น การวินิจฉัยเนื้อเยื่อมะเร็งปากมดลูกในระยะเริ่มต้น, การตรวจสอบความผิดปกติของเซลล์สมองที่เป็นสาเหตุของโรคอัลไซเมอร์, การตรวจวินิจฉัยโรคกระดูกพรุน รวมไปถึงงานวิจัยทางด้านเซลล์ต้นกำเนิด (Stem Cell)

ปัจจุบันนี้มีการนำเทคนิคนี้ Synchrotron IR-mapping ร่วมกับการทำ Multivariate Analysis และ Cluster Analysis มาใช้ในการวิเคราะห์ตัวอย่างไข่หนูในระยะบลาสโตซีสต์ ซึ่งสามารถบอกความแตกต่างขององค์ประกอบของสารชีวเคมีของตัวอย่างไข่หนูได้

ซึ่งตัวอย่างไข่หนูในระยะบลาสโตซีสต์ประกอบด้วยส่วนของ Blastocoel Cavity, Trophectroderm และส่วนของ Inner Cell Mass (ICM) ซึ่งจากงานวิจัยนี้พบว่าปริมาณของโครงสร้างทุติยภูมิแบบบีตาชีต (eta-sheet Secondary Structure) มีปริมาณสูงในส่วนของ Trophectroderm

ในขณะที่ส่วน Blastocoel Cavity จะพบว่ามีปริมาณโครงสร้างแบบเกลียวแอลฟาหรือแอลฟาเฮลิกซ์ (Alpha-helix Secondary Structure) ในปริมาณที่สูง สำหรับในส่วนของ ICM นั้นจะพบว่า ปริมาณของไขมันสูงที่สูด ซึ่งปริมาณไขมันที่สูงนี้มีส่วนสำคัญในกระบวนการกระตุ้นการส่งสัญญานในการฝังตัวที่มดลูกของไข่หนูระยะระยะบลาสโตซีสต์ (กาญจนาและคณะ, 2009)

รูปที่ 2 แสดงการใช้เทคนิค Synchrotron IR-mapping ร่วมกับการทำ Multivariate Analysis และ Cluster Analysis ในการวิเคราะห์องค์ประกอบทางชีวเคมีของไข่หนูในระยะบลาสโตซีสต์

ปัจุบันนี้สถาบันวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ได้ทำการติดตั้งเครื่อง IR Spectroscopy และ Microscope โดยใช้แหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดจาก Globar Source ซึ่งสามารถติดต่อให้บริการการวิเคราะห์ตัวอย่างได้อย่างหลากหลาย เช่น การวิเคราะห์โครงสร้างโครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีน,

การวิเคราะห์ตัวอย่างโดยใช้เทคนิค Attenuated Total Reflectance (ATR) เป็นต้น นอกจากนี้ที่สถาบันฯ ได้เริ่มโครงการก่อสร้างระบบลำเลียงแสงและสถานีทดลองทางด้าน Infrared Microspectroscopy ซึ่งคาดว่าจะแล้วเสร็จและสามารถทดสอบความพร้อมของระบบได้ภายในปี พ.ศ. 2554

สำหรับนักวิจัยทั้งจากภาครัฐ และเอกชนที่มีความสนใจในเทคนิคดังกล่าว โดยสามารถติดต่อขอใช้บริการได้ที่ ส่วนงานบริการผู้ใช้ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) โทรศัพท์ 044-217040 ต่อ 605-607 โทรสาร 044-217040 ต่อ 605 อีเมล์ useroffice@slri.or.th

Thumanu, K. Tanthanuch, W., Lorthongpanich, J, Heraud, P and Parnpai, R. (2009) FTIR Microspectroscopic Imaging as a New Tool to Distinguish the Chemical Composition of Mouse Blastocyst. J. of Mol. Struc. 933 (1-3): 104-111