ห้องปฏิบัติการระบบอุปกรณ์นาโน

ธรรมนูญความปลอดภัยด้านอาหารของประเทศไทยได้กำหนดให้อาหารและสินค้าเกษตรที่นำมาเป็นอาหารบริโภคสำหรับประชากรไทยนั้น ต้องมีความปลอดภัย ไร้สิ่งปนเปื้อนต่างๆ ตามกฎหมายว่าด้วยอาหาร และตามกฎหมายอื่นที่เกี่ยวข้อง คือต้องปราศจากจุลินทรีย์ก่อโรคหรือสิ่งที่อาจเป็นอันตรายต่อสุขภาพ และไม่มีสารหรือวัตถุเคมีเจือปนอยู่ตามกฎหมายที่เกี่ยวข้องในปริมาณที่อาจเป็นเหตุ ให้เกิดอันตราย หรือสะสมในร่างกายที่ก่อให้เกิดโรคหรือผลกระทบต่อสุขภาพได้

ห้องปฏิบัติการระบบอุปกรณ์นาโน จึงมุ่งวิจัยและพัฒนาการตรวจวัดเชิงโมเลกุลโดยใช้วัสดุนาโนและวัสดุไฮบริดนาโน เพื่อเพิ่มศักยภาพในการตรวจวัด มุ่งเน้นด้านความปลอดภัยทางโภชนาการและสิ่งแวดล้อม และมีเป้าหมายในการนำไปใช้ตรวจวิเคราะห์ไอออนโมเลกุลเคมี และชีวโมเลกุล อันได้แก่ โลหะหนักและเชื้อก่อโรคในอาหาร ความเชี่ยวชาญและความสนใจด้านเทคนิคของกลุ่ม ได้แก่ การตรวจวิเคราะห์ด้วยเทคนิคทางแสง ทั้งการมองเห็นด้วยตาเปล่าและการเรืองแสง เทคนิคไฟฟ้าเคมี เทคโนโลยีการเลียนแบบความสามารถในการจดจำและแยกแยะของมนุษย์

สมาชิก

ชื่อ	ความเชี่ยวชาญ	ติดต่อ
ดร. กมลวรรณ ธรรมเจริญ (หัวหน้า)	Supramolecular Chemistry	gamolwan@10.228.26.6
ดร. ดวงพร พลพานิช	Polymer Science	duangporn@10.228.26.6
ดร. จิตาภา สำราญจิตต์	Organic Chemistry	jitapa@10.228.26.6
นายรุ่งโรจน์ เมาลานนท์	Applied Physics: Microcontroller
นายอรรณพ คล้ำชื่น	Applied Physics: Fabrication
นายอานนท์ จินดาดวง	Organic Chemistry
นางสาวพัฐสุดา ดวงแก้ว	Material Science
นางสาวปทุมรัตน์ ทองเกตุ	Organic Chemistry
นางสาวรวีวรรณ ถิรมนัส	Biopharmaceutical

ผลงานเด่น

จมูกอิเล็กทรอนิกส์ ตรวจสอบกลิ่นแบบพกพา

จมูกมนุษย์มีข้อจำกัดในการรับรู้กลิ่นหลายประการ จึงเกิดแนวคิดในการจำลองระบบการดมกลิ่นเพื่อเลียนแบบจมูกมนุษย์ ด้วยการสร้างอุปกรณ์ที่เรียกว่า จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose) ขึ้นมา และในปัจจุบันได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้หลายด้าน เช่น ในอุตสาหกรรมอาหาร ใช้ในการตรวจสอบการเสื่อมสภาพของอาหาร หรือผลิตภัณฑ์อาหาร การปนเปื้อน หรือความเสียหายที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการผลิต ทางด้านสิ่งแวดล้อม ใช้ตรวจสอบคุณภาพอากาศจากการจำแนกก๊าซมลพิษที่เจือปนในอากาศ เป็นต้น

อย่างไรก็ตาม การทำงานของจมูกอิเล็กทรอนิกส์ยังพบปัญหาเรื่องความชื้นและอุณหภูมิขณะทำการวัดซึ่งส่งผลต่อการตอบสนองของก๊าซเซนเซอร์ที่ใช้ทำจมูกอิเล็กทรอนิกส์ทำให้ผลการวัดเกิดความผิดพลาด ได้มีการพยายามแก้ปัญหานี้ด้วยการติดตั้งระบบปั๊มเพื่อควบคุมรูปแบบการเคลื่อนที่ของกลิ่นทดสอบขณะผ่านหัววัด หากแต่วิธีการนี้ ทำให้การรับกลิ่นนั้นไม่เป็นไปตามการรับรู้กลิ่นของจมูกมนุษย์ตามสภาพจริง

คณะผู้วิจัย อันได้แก่ ดร. สิรพัฒน์ ประโทนเทพ และนายรุ่งโรจน์ เมาลานนท์ จากห้องปฏิบัติการเซนเซอร์นาโนโมเลกุล ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. ธีรเกียรติ์ เกิดเจริญ และนายไพศาล ดวงจักร์ ณ อยุธยา จากคณะวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยมหิดล ร่วมกันพัฒนาจมูกอิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาโดยใช้วิธีการวิเคราะห์ส่วนประกอบสำคัญ (Principle Component Analysis: PCA) ในการประมวลผล การวิเคราะห์วิธีนี้ช่วยเลือกความสำคัญของข้อมูล โดยสามารถตัดปัจจัยที่มีตัวแปรความชื้นและอุณหภูมิออกไปจากองค์ประกอบที่คำนวณได้ ทำให้ความชื้นและอุณหภูมิไม่มีผลกระทบต่อผลการตรวจสอบกลิ่น จากนั้นทำการสร้างเงื่อนไขหรือขอบเขตในการวิเคราะห์ขึ้นมา เพื่อใช้ในการตัดสินว่ากลิ่นที่กำลังตรวจสอบเป็นกลิ่นที่จดจำไว้หรือไม่

ต้นแบบจมูกอิเล็กทรอนิกส์

ด้วยเทคนิคการวิเคราะห์นี้ การนำพากลิ่นจะเป็นไปตามลักษณะจำเพาะของกลิ่นเอง ผลการวัดจึงใกล้เคียงสภาพความเป็นจริงที่จมูกมนุษย์ได้รับ ทั้งยังช่วยลดความซับซ้อนในการควบคุมการนำพากลิ่นจากระบบปั๊มอีกด้วย

งานวิจัยดังกล่าวได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรภายใต้ชื่อการประดิษฐ์ “วิธีการตรวจจับกลิ่นและเครื่องตรวจวัดกลิ่นที่ใช้วิธีการดังกล่าว” เมื่อวันที่ 15 สิงหาคม 2551 เลขที่คำขอ 0801004238

อนุภาคลาเทกซ์สีขนาดนาโนชนิดใหม่จากการเชื่อมต่อกันของโมเลกุลสีกับสายโซ่พอลิเมอร์ด้วยพันธะโควาเลนต์

สารที่ทำให้เกิดสีในอุตสาหกรรมสีมี 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ สีย้อมสังเคราะห์ (Synthetic dye) และสีผง (Pigment) สีย้อมสังเคราะห์เป็นสารอินทรีย์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ละลายได้ดีและกระจายตัวได้อย่างสม่ำเสมอในตัวกลาง สีของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากสีย้อมสังเคราะห์จะสว่างสดใส แต่ความคงทนของสีต่อแสงต่ำ และเกิดการเคลื่อนย้ายโมเลกุลของสีได้ง่าย ส่งผลให้สีซีดจางเร็วและอาจเกิดการแพ้หรือความเป็นพิษต่อผู้ใช้งานได้ ในขณะที่สีผงเป็นสารอินทรีย์หรืออนินทรีย์ที่มีลักษณะเป็นอนุภาคขนาดเล็กและละเอียดมาก สีผงจะทนทานต่อความร้อนและแสงได้ดีกว่าสีย้อม แต่สีไม่สว่างสดใสเท่า

เพื่อรวมจุดเด่นของสีย้อมและสีผงไว้ด้วยกัน ได้มีการสังเคราะห์ลาเทกซ์สี (Colored latex) จากกระบวนการพอลิเมอร์ไรเซชั่น ลาเทกซ์สีที่สังเคราะห์ขึ้นจะประกอบไปด้วยอนุภาคของพอลิเมอร์ที่กักเก็บสีไว้ภายใน หากแต่สีจะมีแรงดึงดูดกับพอลิเมอร์โดยปราศจากพันธะโควาเลนท์ (Non-covalent interaction) ทำให้โมเลกุลสีเคลื่อนย้ายออกจากอนุภาคพอลิเมอร์ได้ในเวลาต่อมา

ดร. ดวงพร พลพานิช นางสาวรวีวรรณ ถิรมนัส จากห้องปฏิบัติการระบบอุปกรณ์นาโน และ ดร. อุดม อัศวาภิรมย์ นางสาวพิมพ์วิภา ปิยกุละวัฒน์  Mr. Joerg Wlosnewski จากห้องปฏิบัติการวัสดุนาโนเฉพาะทางและโครงสร้างพื้นผิว ได้ร่วมกันพัฒนาออกแบบและสังเคราะห์โมเลกุลอินทรีย์ชนิดใหม่ขึ้น ซึ่งมีหมู่อัลลิล (Allyl group) ที่ปลายของโมเลกุล หมู่ดังกล่าวสามารถทำปฏิกิริยาพอริเมอไรเซชั่นแบบเรดิคอล (Radical polymerization) กับไวนิลมอนอเมอร์ชนิดต่างๆ เกิดเป็นพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างของโมเลกุลสีเชื่อมต่อกับสายโซ่พอลิเมอร์ด้วยพันธะโควาเลนต์ ช่วยให้โมเลกุลสีไม่เคลื่อนย้ายออกจากอนุภาคลาเทกซ์

ต้นแบบอนุภาคลาเทกซ์สี

อนุภาคที่ได้มีขนาดประมาณ 100 นาโนเมตร ลาเทกซ์จึงมีสีสันสดใส เนื่องจากไม่เกิดการกระเจิงของแสงบนอนุภาค และโครงสร้างของโมเลกุลช่วยให้สีไม่ซีดจางเร็ว

ลาเทกซ์สีที่พัฒนาขึ้นนี้มีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมหลากหลายด้าน เช่น การผลิตพลาสติกสี หมึกพิมพ์ เป็นต้น

งานวิจัยดังกล่าวยังได้ยื่นขอจดสิทธิบัตร 2 ฉบับ ภายใต้ชื่อการประดิษฐ์ “ลาเทกซ์สีและกระบวนการสังเคราะห์ลาเทกซ์สีดังกล่าว” เลขที่คำขอ 0901000619 และ “โมเลกุลสีจากอนุพันธ์ของ 1,4,5,8-แนฟทาลีนเตตระคาร์บอกซีลิคไดอิมิด และกรรมวิธีการสังเคราะห์โมเลกุลสีดังกล่าว” เลขที่คำขอ 0901000620 เมื่อวันที่ 13 กุมภาพันธ์ 2552

ขั้วไฟฟ้าโลหะออกไซด์ผสมท่อคาร์บอนนาโน เพิ่มประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดย้อมสีไวแสง

การคิดค้น วิจัย และพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่เพื่อลดต้นทุนการผลิต เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดย้อมสีไวแสง (Dye-sensitized Solar Cell) เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่ได้รับความสนใจมากในปัจจุบัน  จุดเด่นของเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทนี้คือวัสดุและเครื่องมือที่ใช้มีราคาถูก เทคโนโลยีในการผลิตไม่ซับซ้อน อีกทั้งยังสามารถพัฒนาเป็นเซลล์แสงอาทิตย์แบบโค้งงอได้ (Flexible Solar Cell) เพื่อให้เหมาะกับสภาพการใช้งาน อย่างไรก็ตาม เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดย้อมสีไวแสงนี้ยังมีประสิทธิภาพในการแปรพลังงานและความเสถียรต่ำกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทซิลิกอน

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดย้อมสีไวแสงมีหลักการทำงานคล้ายเซลล์ไฟฟ้าเคมี ซี่งประกอบด้วยขั้วบวก (Anode) ขั้วลบ (Cathode) และสารละลายอิเล็กโตรไลต์ (Electrolyte) ขั้วบวกประกอบด้วยสีย้อมเคลือบบนโลหะออกไซด์ โดยสีย้อมจะทำหน้าที่รับพลังงานแสงเกิดอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ไปยังโลหะออกไซด์และต่อเนื่องไปยังวงจรภายนอก กลายเป็นกระแสไฟฟ้าสำหรับนำไปใช้งาน

คณะผู้วิจัยจากห้องปฏิบัติการระบบอุปกรณ์นาโน ประกอบด้วย ดร. สิรพัฒน์ ประโทนเทพ ดร. กมลวรรณ ธรรมเจริญ นายอานนท์ จินดาดวง  นางสาวธัญญารัตน์ สวัสดิ์สุข และนางสาวพัฐสุดา ดวงแก้ว จับมือกับนายชัยยุทธ แซ่กัง นักวิจัยจากสถาบันพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ ร่วมกันพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดย้อมสีไวแสง โดยการพัฒนาขั้วบวกให้มีประสิทธิภาพดีมากขึ้น จากการเตรียมขั้วไฟฟ้าที่มีสารผสมระหว่างโลหะออกไซด์และท่อคาร์บอนนาโนแบบผนังหลายชั้น (Multi-wall Carbon Nanotube)

ต้นแบบเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดย้อมสีไวแสง

จากผลการทดสอบพบว่าขั้วไฟฟ้าไททาเนียมไดออกไซด์ที่มีท่อคาร์บอนนาโนแบบผนังหลายชั้นปริมาณ 0.1% ของปริมาณรวมของของแข็งทั้งหมดโดยน้ำหนัก

ประสิทธิภาพการแปรพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าเพิ่มขึ้นถึง 1.5 เท่า เมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดย้อมสีไวแสงแบบทั่วไป

งานวิจัยดังกล่าวได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรภายใต้ชื่อการประดิษฐ์ “กระบวนการเตรียมขั้วไฟฟ้าด้านหน้าของเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ชนิดย้อมสีไวแสงโดยการผสมท่อคาร์บอนนาโนแบบผนังหลายชั้นด้วยเทคนิคการผสมโดยตรง” เมื่อวันที่ 7 ธันวาคม 2550 เลขที่คำขอ 0701006249

ผลงานตีพิมพ์

– Wacharasindhu, S., Montha, S., Boonyiseng, J., Potisatityuenyong, A., Phollookin, C.,Tumcharern,G., Sukwattanasinitt, M., “Tuning of Thermochromic Properties of Polydiacetylene toward Universal Temperature Sensing Materials through Amido Hydrogen Bonding” Macromolecules (2010) 43(2), 716-724.
– Yooprasert, N., Pongprayoon, T., Suwanmala, P., Hemvichian, K., Tumcharern, G., “Radiation-induced admicellar polymerization of isoprene on silica: Effects of surfactant’s chain length” Chemical Engineering Journal (2010) 156, 193-199.
– W. Anancharungsuk, D. Polpanich, K. Jangpatarapongsa and P. Tangboriboonrat, “In vitro Cytotoxicity Evaluation of Natural Rubber Latex Film Surface Coated with PMMA” Nanoparticles Colloid Surface B (2010) 78, 328-333.
– C. Kaewsaneha, D. Polpanich, S. Smanmoo and P. Tangboriboonrat, “Preparation of Core-Shell Particle of Disinfectant Agent Nanocapsules – Skim Rubber Particles by the Heterocoagulation Technique” Macromol. Research. (2010) 18, 876-883.