ฟีนอลเรด ตัวบ่งชี้ค่า pH และการประยุกต์ใช้ในทางชีววิทยา

ฟีนอลเรด (Phenol red) หรือมีชื่อทางเคมีว่า ฟีนอลซัลโฟนฟทาลีน (Phenolsulfonphthalein หรือ PSP) เป็นสารบ่งชี้ค่า pH (pH indicator) ที่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการด้านชีววิทยาของเซลล์ โดยทำหน้าที่เปลี่ยนสีตามระดับความเป็นกรด-ด่างของสารละลาย เพื่อให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมในตัวอย่างได้ด้วยตาเปล่า

คุณสมบัติทางเคมีและโครงสร้าง

ฟีนอลเรดมีลักษณะเป็นผลึกสีแดงที่มีความเสถียรในอากาศ มีค่าการละลายในน้ำอยู่ที่ 0.77 กรัมต่อลิตร และละลายในเอทานอลได้ 2.9 กรัมต่อลิตร สารนี้เป็นกรดอ่อนที่มีค่า pKa เท่ากับ 8.00 ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส

การเปลี่ยนแปลงสีของฟีนอลเรดจะเกิดขึ้นในช่วง pH 6.8 ถึง 8.2 โดยมีรายละเอียดดังนี้:

• สีเหลือง: ปรากฏเมื่อค่า pH ต่ำกว่า 6.8 (ความยาวคลื่นสูงสุด $\lambda_{max} = 443$ นาโนเมตร)
• สีแดง: ปรากฏในช่วง pH 6.8 ถึง 8.2 (ความยาวคลื่นสูงสุด $\lambda_{max} = 570$ นาโนเมตร)
• สีชมพูเข้ม (Fuchsia): ปรากฏเมื่อค่า pH สูงกว่า 8.2

ในสภาวะที่เป็นกรดจัดหรือในรูปแบบผลึก สารนี้จะอยู่ในรูปของซวิตเตอร์ไอออน (Zwitterion) ซึ่งมีกลุ่มซัลเฟตเป็นประจุลบและกลุ่มคีโตนมีโปรตอนส่วนเกิน เมื่อค่า pH เพิ่มขึ้น โปรตอนจากกลุ่มคีโตนจะหลุดออกทำให้สารกลายเป็นไอออนประจุลบสีเหลือง และเมื่อ pH สูงขึ้นไปอีก กลุ่มไฮดรอกซีของฟีนอลจะเสียโปรตอน ส่งผลให้สารเปลี่ยนเป็นไอออนสีแดง

การประยุกต์ใช้งาน

การใช้เป็นตัวบ่งชี้ในการเพาะเลี้ยงเซลล์

เนื้อเยื่อที่มีชีวิตส่วนใหญ่เจริญเติบโตได้ดีในสภาวะที่มีค่า pH ใกล้เคียงกับค่ากลาง (ประมาณ 7) เช่น เลือดของมนุษย์ที่มีค่า pH ระหว่าง 7.35 ถึง 7.45 ในการเพาะเลี้ยงเซลล์ในห้องปฏิบัติการ จึงมีการเติมฟีนอลเรดในปริมาณเล็กน้อย (โดยทั่วไปคือ 15 มิลลิกรัมต่อลิตร) ลงในอาหารเลี้ยงเซลล์เพื่อให้มีสีชมพู-แดง ซึ่งเป็นสัญญาณว่าสภาวะเหมาะสม

การเปลี่ยนสีของอาหารเลี้ยงเซลล์สามารถบอกสถานะของเซลล์ได้ดังนี้:

• การปนเปื้อนของแบคทีเรีย: มักทำให้เกิดสภาวะเป็นกรดอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้อาหารเลี้ยงเซลล์เปลี่ยนเป็นสีเหลือง
• ของเสียจากเซลล์: เมื่อเซลล์เจริญเติบโตและผลิตของเสีย ค่า pH จะค่อยๆ ลดลง ทำให้อาหารเปลี่ยนจากสีแดงเป็นสีส้มและสีเหลือง ซึ่งเป็นสัญญาณว่าต้องเปลี่ยนอาหารเลี้ยงเซลล์ใหม่

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสีของฟีนอลเรดอาจรบกวนการวัดค่าด้วยเครื่องสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ (Spectrophotometer) หรือการทดสอบการเรืองแสง (Fluorescent assays) จึงมีอาหารเลี้ยงเซลล์บางชนิดที่ผลิตออกมาโดยไม่มีส่วนผสมของฟีนอลเรด

การทดสอบการทำงานของไต (ในอดีต)

ในปี ค.ศ. 1911 เลนเนิร์ด ราวน์ทรี (Leonard Rowntree) และ จอห์น เกรากตี้ (John Geraghty) ได้ใช้ฟีนอลเรดในการทดสอบที่เรียกว่า Phenolsulfonphthalein test เพื่อประมาณการไหลเวียนของเลือดผ่านไต ซึ่งถือเป็นการทดสอบการทำงานของไตครั้งแรกๆ ของโลก โดยอาศัยหลักการที่ว่าฟีนอลเรดจะถูกขับออกทางปัสสาวะเกือบทั้งหมด จึงสามารถวัดปริมาณสารที่ขับออกมาเพื่อประเมินประสิทธิภาพของไตได้ แต่ในปัจจุบันการทดสอบนี้ล้าสมัยและไม่ได้ใช้งานแล้ว

การเลียนแบบฮอร์โมนเอสโตรเจน

ฟีนอลเรดมีคุณสมบัติเป็นสารเลียนแบบเอสโตรเจนอย่างอ่อน (Weak estrogen mimic) ซึ่งสามารถกระตุ้นการเจริญเติบโตของเซลล์ที่มีตัวรับเอสโตรเจน (Estrogen receptor) ได้ มีการนำมาใช้ในการเหนี่ยวนำเซลล์เยื่อบุรังไข่จากผู้หญิงวัยหมดประจำเดือนให้เปลี่ยนสภาพเป็นเซลล์ที่มีคุณสมบัติคล้ายเซลล์ไข่ (Oocytes) ซึ่งอาจเป็นประโยชน์ต่อการวิจัยด้านสเต็มเซลล์และการรักษาผู้มีบุตรยาก

ชุดทดสอบค่า pH ในสระว่ายน้ำ

ฟีนอลเรดถูกนำมาใช้เป็นตัวบ่งชี้ค่า pH ในชุดทดสอบสำหรับสระว่ายน้ำตามบ้าน อย่างไรก็ตาม สารคลอรีนในสระอาจทำให้สีของสีย้อมซีดจางลงได้หากไม่มีสารไทโอซัลเฟต (Thiosulfate) คอยยับยั้ง นอกจากนี้ หากมีโบรมีนในปริมาณสูง อาจทำให้ฟีนอลเรดเปลี่ยนเป็นโบรโมฟีนอลเรด (Bromophenol red) ซึ่งส่งผลให้ค่า pH ที่อ่านได้คลาดเคลื่อนไปในทางที่สูงกว่าความเป็นจริง