‘นาโนเทคโนโลยี’ เพื่อการตรวจระเบิดไว-แม่นยำ

โดย...นพดล อรุณยะเดช ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สวทช.

การก่อการร้ายเป็นภัยคุกคามต่อความมั่นคงและเศรษฐกิจของประเทศ อีกทั้งยังส่งผลเสียทั้งต่อชีวิตและทรัพย์สินของประชาชนผู้บริสุทธิ์ ในแต่ละประเทศได้มีการเพิ่มมาตรการรักษาความปลอดภัยในสถานที่สาธารณะ เช่น สนามบิน ห้างสรรพสินค้าต่างๆ แต่ถึงกระนั้นก็ยังมีเหตุการณ์วางระเบิดอยู่บ่อยครั้ง

ปัจจุบันการตรวจจับวัตถุระเบิดที่นิยมใช้ ได้แก่ การใช้สุนัขในการหาวัตถุระเบิด ซึ่งต้องใช้ระยะเวลาและค่าใช้จ่ายในการฝึกสอนสุนัข อีกทั้งยังต้องมีการฝึกซ้อมอย่างสม่ำเสมอเพื่อความแม่นยำ

ในขณะที่การใช้เครื่องมือตรวจต่างๆ เช่น เครื่องมือตรวจวิเคราะห์ตามการเคลื่อนของอิออนของก๊าซ (Ion Mobility Spectrometer, IMS) ซึ่งอาจจะมีการใช้ร่วมกับ แก๊สโครมาโตกราฟ (Gas Chromatographer, GC) เพื่อใช้ในการแยกโมเลกุลของก๊าซแต่ละชนิดออกจากกันก่อนจะส่งเข้าเครื่อง IMS เพื่อความแม่นยำในการตรวจจับวัตถุระเบิด แต่ข้อเสียของวิธีการนี้คือเครื่องมือมีขนาดใหญ่ ไม่สะดวกกับเคลื่อนย้าย และต้องใช้เจ้าหน้าที่ซึ่งมีความรู้เฉพาะด้านในการตรวจจับรวมถึงการวิเคราะห์ผล

ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามคิดค้นและพัฒนาจมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose หรือ E-nose) เพื่อทำอุปกรณ์ที่มีขนาดกะทัดรัดทำให้สามารถเคลื่อนย้ายได้สะดวก และมีขั้นตอนการใช้งานที่ง่ายในการตรวจจับวัตถุระเบิด ส่งผลให้มีความไวในตรวจจับที่สูงและราคาถูกลง ด้วยการนำวัสดุระดับนาโน (Nanomaterials) เช่น ท่อนาโนคาร์บอน (Carbon Nanotubes), ลวดนาโน (Nanowires), แผ่นกราฟีน (Graphene) หรือ วัสดุนาโนแบบ 2 มิติ (2 Dimensional Nanomaterials) มาใช้สร้างจมูกอิเล็กทรอนิกส์ 

ท่อนาโนคาร์บอน ลวดนาโน แผ่นกราฟีน หรือวัสดุนาโนแบบ 2 มิติ ใช้สร้างจมูกอิเล็กทรอนิกส์ ได้ดีกว่าวัสดุอื่น

 

วิธีดังกล่าว มีข้อดีมากกว่าการใช้วัสดุฟิล์มบางหรือวัสดุขนาดใหญ่แบบอื่นๆ (Bulk materials) คืออัตราส่วนปริมาตรของวัสดุนาโนต่อพื้นผิวมีค่าสูงกว่าอัตราส่วนปริมาตรต่อพื้นผิวของวัสดุขนาดใหญ่ ทำให้จมูกอิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตจากวัสดุระดับนาโนสามารถมีพื้นที่ในการตรวจจับสารมากกว่าจมูกอิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตจากเทคโนโลยีฟิล์มบาง และยังให้ความไวในการตอบสนองต่อ
สิ่งเร้าสูงขึ้นด้วย

โดยทั่วไปจมูกอิเล็กทรอนิกส์จะประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก คือ ส่วนตรวจจับ (Sensory Array Section) ส่วนประมวลผลข้อมูล (Data Processing) และส่วนวิเคราะห์ (Data Analysis)

ส่วนแรกจะเป็นส่วนรวบรวมไอของระบบจมูกอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่รวบรวมไอเพื่อส่งต่อไปยังส่วนตรวจจับต่อไป ซึ่งอาจจะมีส่วนเพิ่มความเข้มข้นของไอ (Vapor Preconcentration) เพื่อทำให้ไอของสารที่ต้องการตรวจจับมีความเข้มข้นที่สูงขึ้น ทำให้ส่วนตรวจจับมีโอกาสที่จะตรวจพบไอของวัตถุระเบิดได้ไวขึ้นหรือ ณ ความเข้มข้นที่ต่ำๆ ได้

ส่วนตรวจจับซึ่งมีการนำวัสดุนาโนมาใช้ เราอาจจะอาศัยปฏิกิริยาทางเคมีของวัสดุนาโนเหล่านั้นที่กระทำต่อไอของโมเลกุลของวัตถุระเบิดหรืออาจจะทำการติดโพรบโมเลกุล (Capture Probe) ที่มีลักษณะจำเพาะที่จะทำการจับตัวกับโมเลกุลซึ่งเป็นส่วนประกอบของวัตถุระเบิด โมเลกุลจำเพาะดังกล่าวอาจจะสังเคราะห์จากโปรตีน หรือดีเอ็นเอ ซึ่งมีโครงสร้างที่คล้ายกับโมเลกุลส่วนรับรู้ (Olfactory Molecules) ของสัตว์ที่ไวต่อวัตถุระเบิดเพื่อเพิ่มความแม่นยำในการตรวจจับวัตถุระเบิดมากขึ้น

จมูกอิเล็กทรอนิกส์ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก คือ ส่วนตรวจจับ ส่วนประมวลผลข้อมูล และส่วนวิเคราะห์

 

เมื่อโมเลกุลของวัตถุระเบิดทำปฏิกิริยาโดยตรงกับวัสดุนาโนหรือกระทำผ่านจับโพรบโมเลกุลบนพื้นผิวของวัสดุนาโน ส่งผลให้คุณลักษณะทางไฟฟ้าของวัสดุนาโนเปลี่ยนไป ทั้งนี้ส่วนมากโครงสร้างของเซ็นเซอร์จะมีลักษณะเป็นแบบคู่ขนาน (Sensor Array) เพื่อใช้เพิ่มความแม่นยำหรือเพื่อใช้ตรวจองค์ประกอบของโมเลกุลได้หลากหลายแบบในคราวเดียวกัน

หลังจากที่เราตรวจวัดคุณลักษณะทางไฟฟ้าที่เปลี่ยนไปเหล่านั้นเพื่อส่งไปยังส่วนวิเคราะห์ผล และประมวลผลต่อไป โดยข้อมูลจะถูกประมวลผลเพื่อให้เป็นชุดข้อมูลที่เหมาะสมสำหรับการวิเคราะห์ข้อมูล ซึ่งอาจประยุกต์ใช้เทคนิคการประมวลผลต่างๆ เช่น การวิเคราะห์ผลแบบโครงข่ายประสาท(Neural Network Analysis)  หรือ การวิเคราะห์หาคุณลักษณะหลัก (Principle Component Analysis, PCA) ในการหาคุณลักษณะเด่นจากชุดข้อมูลที่ได้รับและเชื่อมโยงกับฐานข้อมูลที่ทำการเก็บไว้ เพื่อแสดงผลของการตรวจจับทั้งในรูปแบบสารที่ตรวจพบและความเข้มข้นของสารนั้น

ตัวอย่างการนำวัสดุนาโนมาใช้ในการตรวจจับวัตถุระเบิด เช่น ทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียร์ใต้ (University of Southern California) ที่ประยุกต์ใช้ท่อนาโนคาร์บอนมาให้ในการตรวจจับวัตถุระเบิดที่ความเข้มข้น 8 ส่วนในพันล้านส่วน (8 ppb) และยังสามารถทำการสร้างเซ็นเซอร์ลงบนผ้าทำให้สามารถนำไปประยุกต์เป็นเซ็นเซอร์สำหรับพกพาในอนาคตได้ นอกจากนี้ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งเพนซิลเวเนีย (University of Pennsylvania) มีการใช้ประยุกต์ใช้เพิ่มดีเอ็นเอบนผิวของท่อนาโนคาร์บอนและกราฟีนเพื่อเพิ่มความจำเพาะ (Specificity) ต่อไอจากวัตถุระเบิดทำให้ได้ความแม่นยำในการตรวจจับมากขึ้น

จะเห็นได้ว่าการประยุกต์ใช้วัสดุนาโนเพื่อสร้างจมูกอิเล็กทรอนิกส์ หรือเซ็นเซอร์ตรวจวัดด้วยวัสดุนาโน สำหรับการตรวจจับวัตถุระเบิดจะทำให้ขนาดของเครื่องมือมีขนาดกะทัดรัด เคลื่อนย้ายสะดวก ใช้งานง่าย ในขณะที่ยังคงความไวและความแม่นยำในการตรวจวัด อีกทั้งการเพิ่มส่วนเพิ่มความเข้มข้นของไอโมเลกุลมีส่วนช่วยทำให้ประสิทธิภาพของการตรวจจับวัตถุระเบิดดีขึ้น และหากการประยุกต์ใช้เทคนิคการวิเคราะห์ข้อมูลสัญญาณทางไฟฟ้าที่ได้ ก็จะเพิ่มความแม่นยำและความถูกต้องของการตรวจจับให้ดียิ่งขึ้นด้วย