การกระเจิงแสงแบบรามัน (Raman scattering) เป็นปรากฏการณ์ที่อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงความถี่ของแสงที่ส่องสว่างลงบนพื้นผิววัสดุและส่วนของแสงที่กระเจิงออกจากวัสดุนั้น ๆ การเปลี่ยนแปลงความถี่แสงนี้เกิดจากการสั่นในระดับโมเลกุลของวัสดุ โดยวัสดุที่แตกต่างกันจะมีการสั่นในระดับโมเกลุลที่แตกต่างกันไปด้วย ส่งผลให้การกระเจิงแสงแบบรามันเกิดขึ้นที่ความถี่แสงแตกต่างกัน จึงกล่าวได้ว่าค่าการเปลี่ยนแปลงความถี่แสงนี้เป็นเอกลักษณ์เฉพาะของแต่ละวัสดุ ซึ่งเราสามารถนำเทคนิคการกระเจิงแสงแบบรามันมาใช้ประโยชน์เพื่อระบุบ่งชี้ความแตกต่างของวัสดุต่าง ๆ กันได้
โดยปกติการตรวจวัดสัญญาณรามัน (แสดงผลในรูปของสเปกตรัม) นั้นทำได้ยากเนื่องจากการกระเจิงแสงแบบรามันนั้นมีสัญญาณอ่อน และขณะตรวจวัดมักเกิดการเรืองแสงที่กลบสัญญาณรามันเสียหมด ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้ด้วยการใช้เทคนิคใหม่ที่เรียกว่าพื้นผิวขยายสัญญาณรามัน หรือ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของรามันสเปกโตรสโกปี โดยการนำเอาพื้นผิวโครงสร้างนาโนหรือคอลลอยด์ของโลหะมาใช้ร่วมกับเทคนิคการวัดสัญญาณรามันแบบเดิม เมื่อพื้นผิวดังกล่าวได้รับการกระตุ้นของแสงที่เหมาะสม จะเกิดการขยายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการกระตุ้นของพลาสมอนบนพื้นผิวในบริเวณจำกัด จากปรากฏการณ์ดังกล่าว เทคนิค SERS สามารถเร่งขยายสัญญาณรามันได้อย่างน้อย 1010 ของขนาดสัญญาณเลยทีเดียว [1] เทคนิคการขยายสัญญาณรามันนี้จะช่วยให้สามารถตรวจวัดสเปกตรัมของสารที่ต้องการตรวจพบได้อย่างมากมายจากเดิมที่ไม่สามารถตรวจพบโดยใช้เทคนิครามันสเปกโตรสโกปีแบบเดิม
การตรวจพิสูจน์ทางนิติวิทยาศาสตร์
เทคนิคพื้นผิวขยายสัญญาณรามัน หรือ SERS นี้เป็นเครื่องมือที่มีศักยภาพเหมาะสมจะนำมาใช้เป็นประโยชน์ในขั้นตอนการตรวจพิสูจน์ทางนิติวิทยาศาสตร์ จุดเด่นของเทคนิค SERS นี้คือความสามารถเร่งเร้าขยายสัญญาณรามันได้แม้ในการตรวจพิสูจน์สารในปริมาณที่น้อยมาก ๆ จึงมีบทบาทสำคัญเมื่อนำมาประยุกต์ใช้ในคดีอันเกี่ยวข้องกับอาชญากรรมที่บ่อยครั้งไม่สามารถยึดสารต้องสงสัยในปริมาณมากเพียงพอ นอกจากนี้กระบวนการตรวจวัดด้วย SERS สามารถทำได้รวดเร็วและทำซ้ำได้ดี โดยในการศึกษาด้านนิติวิทยาศาสตร์ได้ทดลองศึกษาและประยุกต์ใช้งาน SERS มาบ้างแล้ว ตัวอย่างแรกเช่น การตรวจพิสูจน์พยานเอกสารต้องสงสัยโดยอาศัยประโยชน์จากความสามารถในการระบุชนิดหรือประเภทของหมึกปากกาและหมึกพิมพ์บนกระดาษ [1] ความสามารถในการตรวจพิสูจน์นี้ยังรวมไปถึงการแยกประเภทของสีบนเส้นใยผ้าใบหรือวัสดุอื่น ๆ ด้วย [2] อีกตัวอย่างของการประยุกต์ใช้งานก็คือการตรวจพิสูจน์เพื่อระบุวัตถุพยานประเภทระเบิด [1,3] สารเสพติด และสารต้องควบคุมตามกฏหมาย [1] นอกเหนือจากนี้ยังมีการศึกษาเป็นจำนวนมากที่พยายามประยุกต์ใช้ SERS เพื่อระบุวัสดุชีวภาพ เช่น ดีเอ็นเอ เลือด และของเหลวในร่างกาย เช่น น้ำลาย ปัสสาวะ และซีรั่ม. [1,2]
ความก้าวหน้าของเทคนิค SERS อาศัยการพัฒนาโครงสร้างพื้นผิวของโลหะที่ที่เหมาะสมในการขยายสัญญาณรามัน โดยนักวิจัยห้องปฏิบัติการวิจัยเทคโนโลยีฟิล์มบางเชิงแสง ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค) ประสบความสำเร็จในการประดิษฐ์ชิปขยายสัญญาณรามัน เรียกว่า OnSpec ซึ่งเป็นแท่งเงินนาโนบนแผ่นรองรับซิลิกอน (แสดงในรูปที่ 2) นักวิจัยเนคเทคยังพัฒนาพื้นผิวชนิดลวดลายนาโนที่ปรับปรุงพื้นผิวด้วยเงินหรือทองหรือวัสดุอื่น ๆ อย่างต่อเนื่อง จากงานพัฒนาวิจัยดังกล่าวนี้ นักวิจัยเนคเทคได้ทดลองนำชิป OnSpec ที่พัฒนาขึ้นไปใช้ตรวจพิสูจน์หมึกปากกา สารระเบิด สารเสพติด ยาฆ่าแมลง และสารชีวโมเลกุล (เช่น ไวรัสซิกา ไวรัสไข้เลือดออก และวัณโรค) ในบทความแรกของซีรีส์ OnSpec นี้จะนำเสนอการพัฒนาตรวจสอบหมึกปากกาด้วยเทคนิค SERS ต่างๆ
การตรวจสอบหมึกปากกาด้วยเทคนิค SERS
ในการศึกษาของการตรวจสอบหมึกปากกาด้วย SERS นั้น นักวิจัยเนคเทคเริ่มจากการเก็บข้อมูลสัญญาณรามันของหมึกด้วยการวัดรามันสเปกโตรสโกปีบนหมึกโดยตรง และการวัดสัญญาณขยายรามันของหมึกที่ถูกเขียนลงบนกระดาษและถูกสกัดลงไปบนชิป OnSpec ในการศึกษานี้ หมึกปากกาจำนวน 150 ด้ามที่นำมาศึกษาประกอบไปด้วยปากกาประเภทฐานน้ำ น้ำมัน หรือเจล โดยแบ่งออกเป็นปากกาสีแดง สีดำ และสีน้ำเงิน การวัดสัญญาณรามันนั้นอาศัยเครื่องรามันสเปกโตรมิเตอร์สามชนิด (รูปที่ 3) ได้แก่ รามันสเปกโตรมิเตอร์ชนิดมือถือ ชนิดพกพา และ ระบบระดับห้องปฏิบัติการ (เครื่องหนึ่งตั้งอยู่ที่เนคเทคอีกเครื่องหนึ่งตั้งอยู่ที่สถาบันนิติวิทยาศาสตร์ กระทรวงยุติธรรม) จากการศึกษาเบื้องต้นพบว่าสัญญาณรามันที่วัดโดยตรงจากหมึกปากกาถูกรบกวนจากสารเรืองแสงและยังพบอัตราสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนต่ำเป็นอย่างมาก อย่างไรก็ตาม เมื่อนำเอา OnSpec มาใช้ร่วมกับหมึกปากกา การวัดสัญญาณรามันได้ผลเป็นที่น่าพอใจ กล่าวคือ สเปกตรัมสัญญาณรามันถูกขยายได้เห็นชัดเจนโดยไม่ถูกรบกวนจากการเรืองแสงนั้นอีก (แสดงในรูปที่ 4)
นักวิจัยเนคเทคพบว่าสเปกตรัมของหมึกเมื่อวัดจากชิป OnSpec เปลี่ยนแปลงไปตามเวลา นี่เป็นความท้าทายในการพัฒนาการใช้งานเมื่อต้องตรวจพิสูจน์ตัวอย่างที่ควรจะวัดทันทีเพื่อเพิ่มความมั่นใจในการวัดและลดปัญหาความไม่แน่นอนอื่น ๆ แต่ในขณะเดียวกันสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงได้ตามเวลาอาจถูกนำมาใช้ระบุอายุของหมึกในการสืบสวนสอบสวนวัตถุพยานได้ ซึ่งจะเป็นประโยชน์มากในกรณีการตรวจพิสูจน์การปลอมแปลงเอกสาร
ในปัจจุบันนี้ เทคนิคการวัดสัญญาณรามันจากชิป SERS ยังคงมีประเด็นสำคัญที่ควรให้ความสนใจพิเศษ ประเด็นแรกคือการตรวจพิสูจน์หมึกที่ถูกเขียนลงบนกระดาษยังอาจก่อให้เกิดความเสียหายบนเอกสารได้ ทั้งนี้เนื่องจากในปัจจุบันการตรวจวัดยังต้องอาศัยขั้นตอนการหยดตัวทำละลายลงบนพยานเอกสารเพื่อสกัดหมึกปากกาออกมาก่อนจะถ่ายโอนลงไปบนผิวหน้าของชิป OnSpec ในทางอุดมคติแล้วการตรวจพิสูจน์ด้วยเทคนิค SERS ไม่ควรก่อให้เกิดความเสียหายต่อพยานเอกสารเนื่องจากอาจหลักฐานสำคัญ ดังนั้นการพัฒนาวิจัยเพื่อหาวิธีการตรวจพิสูจน์พยานเอกสารโดยไม่ทำลายหลักฐานจึงเป็นเรื่องสำคัญเร่งด่วน นอกจากนี้ยังมีประเด็นที่สองคือเทคนิค SERS ยังควรเร่งพัฒนาความสามารถในการแยกประเภท (Discriminating Power) เพื่อให้เป็นที่ยอมรับโดยแพร่หลาย เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคมาตรฐานที่ได้รับการยอมรับว่าแม่นยำถูกต้องซึ่งรวมถึงเทคนิคโครมาโตกราฟีหรือการใช้ความชำนาญพิเศษของผู้เชี่ยวชาญในการพิจารณาการปลอมแปลงพยานเอกสาร ดังนั้นความถูกต้องแม่นยำรวมทั้งการตรวจวัดที่ง่ายและสะดวกโดยไม่สร้างความเสียหายแก่พยานเอกสารจึงเป็นแนวทางหลักของทีมวิจัยเนคเทคเพื่อส่งเสริมให้เทคนิคการวัดสัญญาณรามานด้วย SERS เป็นที่ยอมรับในการตรวจพิสูจน์หมึกปากกาในเชิงนิติวิทยาศาสตร์ในอนาคต
ขณะนี้ นักวิจัยเนคเทคได้เริ่มพัฒนาชิป SERS รุ่นใหม่โดยใช้พอลีเมอร์ โดยมุ่งเน้นแนวทางใหม่ ๆ ในการพัฒนาการใช้งานในการตรวจพิสูจน์หมึกปากกาโดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายใด ๆ บนเอกสารเลย อย่างไรก็ตามยังคงต้องมีการพัฒนาวิจัยอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงชิปรุ่นใหม่ ๆ ให้สามารถใช้งานได้สะดวกแม่นยำในการจำแนกประเภทหมึกและการพัฒนาฐานข้อมูลหมึกปากกาในประเทศให้มีความสมบูรณ์พร้อมอีกด้วย
ผู้ที่สนใจองค์ความรู้เทคโนโลยีด้านการผลิต OnSpec : NECTEC SERS Chips และสนใจต่อยอดธุรกิจ สามารถรับการถ่ายทอดเทคโนโลยีได้แล้ววันนี้
เอกสารอ้างอิง
- [1] C. Muehlethaler, M. Leona, and J. R. Lombardi, Anal. Chem. 2016, DOI: 10.1021/acs.analchem.5b04131.
- [2] B. Sharma, R. Frontiera, A. Henry, E. Ringe, and R. Van Duyne, SERS: Materials, applications and the future, Materials Today, Vol. 15, No. 1-2, Jan-Feb 2012.
- [3] N. Nuntawong, P. Eiamchai, S. Limwichean, B. Wong-ek, M. Horprathum, V. Patthanasettakul, A. Leelapojanaporn, S. Nakngoenthong, P. Chundaudom, Forensic Sci. Int. 2013, 233, 174-178.
วิจัยพัฒนาโดย
- ดร. นพดล นันทวงศ์, ดร. ณัฏฐ์ธมน สุวรรณมรรคา, ดร. พิทักษ์ เอี่ยมชัย
ห้องปฏิบัติการวิจัยเทคโนโลยีฟิล์มบางเชิงแสง (OTL)
ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (NECTEC)
https://www.facebook.com/OTL.NECTEC/
สนใจผลงาน/ถ่ายทอดเทคโนโลยี
- ฝ่ายพัฒนาธุรกิจและถ่ายทอดเทคโนโลยี (BTT)
ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (NECTEC)
โทร. 0 2564 6900 ต่อ 2346, 2351-2354, 2357, 2382, 2383, 2399
email: business[at]nectec.or.th