X-ray Tomography เปิดมิติใหม่ในการวิเคราะห์กาแฟ

X-ray Tomography เปิดมิติใหม่ในการวิเคราะห์กาแฟ

ภาพ X-ray Tomography เมล็ดกาแฟคั่วของเรา แสดงให้เห็นโครงสร้างของเซลล์ที่เปลี่ยนไปของกาแฟเมื่อผ่านความร้อนในระหว่างการคั่ว จากเนื้อเต็มของ green bean โพรงเซลล์เริ่มขยายตัวเกิดความโปร่งตัวขึ้นตามลำดับจนกระทั่งโพรงเหล่านี้กระจายตัวทั่วถึงทุกจุดของเมล็ด เราก็หยุดการคั่วพอดีเพราะกาแฟ develop ตัวสมบูรณ์...ชงอร่อย!

ภาพนี้เป็นผลงาน preliminary ของนักวิจัยจากสถาบันซินโครตรอนแห่งชาติกับเมล็ดกาแฟ Strawberry Field ของปรีดา
---
ปรีดาเป็นโรงคั่วที่โชคดีมากที่ได้มีโอกาสทำงานร่วมกับสถาบันทางวิชาการหลายแห่งอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งหลายครั้งได้เกิดเป็นความรู้อันทรงคุณค่าให้แก่พวกเรา ส่วนไหนที่เป็นประโยชน์ก็เอามาบอกเล่าแบ่งปันกันไป วงการจะได้เติบโต

เมื่อตอนต้นปี ผมได้รับการประสานงานจากทาง ดร. กรองทอง กมลสรวงเกษม และคณะนักวิจัยจากสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์กรมหาชน) ซึ่งตั้งอยู่ในมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จ.นครราชสีมา ว่าทางคณะวิจัยมีความสนใจจะมาทำการวิจัยเกี่ยวกับกาแฟไทยในแง่มุมต่างๆ โดยประเด็นหนึ่งที่ปรีดาและสถาบันฯสนใจจะทำร่วมกันก็คือเรื่องเกี่ยวกับ LTLH

หลังจากได้ประชุมหารือกันอยู่ระยะหนึ่งทางทีมวิจัยก็เริ่มต้นทำการทดสอบกาแฟแบบดูภาพรวมเบื้องต้น (preliminary)
ปรีดาได้ส่งตัวอย่างเมล็ดกาแฟ LTLH ปี 2022 ไปยังสถาบันฯ ไล่เรียงตั้งแต่สารกาแฟ ไปจนถึงกาแฟคั่วที่ระดับอุณหภูมิต่างๆ ตั้งแต่เริ่มคั่วไปจนจบการคั่ว ทางอาจารย์บอกว่าจะวิเคราะห์หลายประเด็น ซึ่งแต่ละประเด็นก็จะใช้เทคนิค เครื่องมือและทีมบุคลากรที่แตกต่างกันไป โดยการวิเคราะห์ส่วนใหญ่ก็เป็นการใช้ลำแสงซินโครตรอนที่ผลิตขึ้นด้วยเครื่องกำเนิดซินโครตรอนที่ตั้งอยู่ในสถาบันฯนั่นเอง

ว่าแต่...แสงซินโครตรอน (Synchrotron) คืออะไร?

แสงซินโครตรอนเป็นแสงความเข้มสูงที่มีค่าพลังงานต่อเนื่อง ครอบคลุมช่วงพลังงานกว้างตั้งแต่ช่วงของรังสีอินฟราเรดจนถึงรังสีเอ็กซ์ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย แสงนี้ผลิตได้โดยใช้อุปกรณ์ 3 ส่วนได้แก่
1. ปืนอิเล็กตรอนซึ่งใช้สำหรับผลิตลำอนุภาคอิเล็กตรอน

2. มีระบบเครื่องเร่งอนุภาคสำหรับเร่งความเร็วของลำอิเล็กตรอน

3. วงกักเก็บอิเล็กตรอน สำหรับเก็บลำอนุภาคอิเล็กตรอนความเร็วสูง และบังคับให้เลี้ยวโค้งด้วยสนามแม่เหล็กเพื่อให้ปลดปล่อยแสงซินโครตรอน

ภาพเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง (LINAC) และบูสเตอร์ซินโครตรอน(SYN)

หลักการคร่าวๆก็คือ เขาทำให้อิเลคตรอนวิ่งด้วยความเร็วสูงในทางตรงโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคจนมีพลังงานระดับ 40 ล้านอิเลคตรอนโวลท์ จากนั้นก็บังคับด้วยสนามแม่เหล็กให้อิเลคตรอนวิ่งเลี้ยวเป็นทางโค้งในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมที่เรียกว่า Booster Synchrotron เมื่ออิเลคตรอนวิ่งวนหลายรอบด้วยเร็วที่มากขึ้นเรื่อยๆจนถึงระดับเกือบเท่าความเร็วของแสง ทุกครั้งที่อิเลคตรอนถูกบังคับให้เลี้ยวโค้งภายใต้การใช้สนามแม่เหล็ก 2 ขั้ว อิเลคตรอนก็จะสลัดอนุภาคโฟตอนออกมา ซึ่งอนุภาคโฟตอนก็คือแสงซินโครตรอนนั่นเอง

เมื่อได้แสงที่มีความเข้มสูงและย่านความถี่กว้าง เขาก็สามารถจะเลือกเอาย่านความถี่ไหนก็ได้ไปใช้ประโยชน์ในงานวิเคราะห์วิจัย โดยเฉพาะการดูโครงสร้างหรือองค์ประกอบของวัสดุต่างๆ ในระดับที่มีความละเอียดสูงมากๆ อย่างเช่นการเอาแสงในย่านความถี่ของรังสี X ไปส่องกระทบวัตถุ พอวัตถุเจอรังสี X ก็จะมีการดูดกลืนแสง มีการกระเจิงของแสง หรือมีบางสิ่งที่หลุดออกมาจากวัตถุ เขาก็เอาค่าที่ตรวจวัดได้หลังการทำ interaction นั้นไปวิเคราะห์ต่อไป

สิ่งที่ทำการวัดหลังจากการกระตุ้นด้วยแสงซินโครตรอน จะให้ข้อมูลที่แตกต่างกันไป เช่น หากวัดรังสีเอกซ์ที่กระเจิงออกมาจากวัสดุ จะได้ข้อมูลของขนาดและรูปร่างของโมเลกุล หรือขนาดและรูปร่างของอนุภาคนาโน หรือหากวัดอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากวัสดุ จะได้ข้อมูลลักษณะพื้นผิวของโลหะ หรือสารกึ่งตัวนำ

หากวัดการดูดกลืนรังสีเอกซ์ของวัสดุ จะได้ข้อมูลรูปฟอร์มและระยะห่างของอะตอมที่เป็นองค์ประกอบในวัสดุหากวัดการดูดกลืนแสงอินฟราเรดของวัสดุ จะได้ข้อมูลชนิดพันธะเคมีในวัสดุ
หรือหากวัดรังสีเอกซ์ที่ปล่อยออกมาจากวัสดุ จะได้ข้อมูลชนิดของธาตุที่เป็นองค์ประกอบของวัสดุนั้น เป็นต้น

นอกจากนั้น แสงซินโครตรอนยังสามารถใช้ในการสร้างเบ้าหล่อขนาดเล็กระดับไมครอน เพื่อสร้างชิ้นส่วนขนาดจิ๋ว
รอบๆเครื่องกำเนิดซินโครตรอนก็จะเป็นสถานีทดลองต่างๆเยอะแยะไปหมดครับ ลองตามเข้าไปดูเพื่อทำความรู้จักกับงานของสถาบันฯได้ที่ลิงค์นี้เลย https://bit.ly/3WucfFS

ส่วนงานวิเคราะห์เมล็ดกาแฟ LTLH ชิ้นที่จะพูดถึงต่อไปนี้คือการทำ Synchrotron Radiation X-ray Tomography (SRXTM) ครับ
----
X-ray Tomography คืออะไร?
คือการถ่ายภาพรังสีเอ๊กซ์โดยค่อยๆหมุนตัวอย่างไปทีละน้อย จนได้ภาพถ่ายหลายๆภาพซ้อนกันแล้วภาพเหล่านี้จะถูกนำไปสร้างใหม่ด้วยโปรแกรม เพื่อสร้างภาพ 3D ซึ่งคล้ายหลักการทำ CT Scan (Computed Tomography) ที่คนไข้ต้องเข้าไปในเครื่องนี้แล้ว X-ray ภายในเครื่องจะ expose ที่อวัยวะที่ต้องการถ่าย โดยที่เครื่องจะหมุนรอบๆ วัตถุ แต่ในกรณีของซินโครตรอน เราหมุนเครื่องไม่ได้เลยต้องหมุนวัตถุเอง

เมื่อเราใช้ X-Ray ที่ได้มาจากลำแสงซินโครตรอน เทคนิคนี้ก็เลยเรียกว่า Synchrotron Radiation X-ray Tomography (SRXTM)

รู้จักห้องวิจัย SRXTM เข้าเว็บไซต์นี้เลย https://xtmbeamline.wixsite.com/home
ผมอธิบายเบื้องต้นได้แค่นี้นะ ให้พูดลึกกว่านี้ละก็สงสัยพูดผิดพูดถูกแน่ๆ เพราะเกินภูมิรู้แล้ว 555

เอาเป็นว่าเขาเอากาแฟเราไปถ่ายดูโครงสร้างในจุดต่างๆตลอดทั้งเมล็ดได้โดยสามารถสร้างออกมาเป็นภาพ 3D โดยไม่ต้องตัดต้องเฉือนเมล็ดแต่อย่างใด และหากต้องการทราบสารองค์ประกอบที่จุดใดๆก็ยังสามารถจะทำได้ต่อไปอีกโดยใช้เทคนิคอื่นๆ (ก็โดยการใช้แสงซินโครตรอนวิเคราะห์ต่อ)