NH3-TPD - การไล่น้ำและการวาดกราฟข้อมูล MO Memoir : Sunday 27 February 2554

ในแลปของเรานั้นคนส่วนใหญ่มักจะนิยมใช้เครื่อง micromeritics ChemiSorb 2750 ในการวิเคราะห์ ammonia temperature programmed desorption หรือที่เรานิยมเรียกกันสั้น ๆ ว่า NH₃-TPD โดยเครื่อง ChemiSorb 2750 ที่เรามีอยู่นั้นจะใช้ Thermal Conductivity Detector (TCD) เป็นตัววัดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของแก๊สที่ไหลผ่านตัวอย่าง

โดยทั่วไปก่อนทำการวิเคราะห์นั้น เราจะไล่แก๊สต่าง ๆ ที่ถูกดูดซับอยู่บนพื้นผิว (ที่สำคัญคือน้ำ รองลงไปคือ CO₂ แต่ส่วนใหญ่มักจะเป็นน้ำเสียมากกว่า) ออกไปก่อนด้วยการใช้แก๊สเฉื่อย (N₂ หรือ He) purge ตัวอย่าง (คือเอาแก๊สเฉื่อยไหลผ่านตัวอย่าง) ในขณะเดียวกันก็มักจะทำการเพิ่มอุณหภูมิให้กับตัวอย่างเพื่อช่วยให้น้ำหลุดออกจากพื้นผิวและรูพรุนต่าง ๆ ได้ง่ายขึ้น น้ำที่หลุดออกมาจากรูพรุนนั้นจะถูกแก๊สเฉื่อยพัดพาออกไปจากระบบ และเมื่อเสร็จสิ้นการไล่น้ำแล้ว เราก็จะลดอุณหภูมิตัวอย่างให้ต่ำลงมายังอุณหภูมิที่จะทำการดูดซับ NH₃ ซึ่งอุณหภูมิที่ใช้ในการดูดซับนี้มักจะอยู่ประมาณ 50ºC (อันนี้แล้วแต่คนทำการทดลอง)

ส่วนที่ว่าควรใช้อุณหภูมิเท่าไรในการดูดซับนั้นเคยกล่าวเอาไว้แล้วใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๑๙ วันศุกร์ที่ ๑๒ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่องการควบคุมอุณหภูมิ และเรื่องเกี่ยวกับ NH₃-TPD นี้เคยกล่าวไว้หลายครั้งแล้ว ขอให้ไปตามอ่านได้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๑๘ วันพฤหัสบดีที่ ๑๑ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่องการวัดความเป็นกรดบนพื้นผิวของแข็ง (อีกครั้ง) ซึ่งในบันทึกฉบับหลังนี้จะบอกว่าควรต้องไปอ่านเรื่องก่อนหน้านี้เรื่องไหนบ้าง ใครที่ยังไม่มีบันทึกสองฉบับนี้ (โดยเฉพาะพวกรหัส ๕๓) ก็ไปหาอ่านได้จากคอมพิวเตอร์ของกลุ่มซึ่งผมเอาฉบับ pdf ไปลงเอาไว้

เหตุผลที่เราต้องไล่น้ำออกไปนั้นเป็นเพราะเมื่อเราทำการเพิ่มอุณหภูมิ ทั้ง NH₃ และน้ำจะหลุดออกมาจากพื้นผิว และ TCD นั้นไม่แยกว่าสัญญาณที่วัดได้นั้นเป็นสัญญาณของน้ำหรือสัญญาณของ NH₃ จึงทำให้เกิดปัญหาว่าพีคที่เห็นนั้นเป็นพีคการคายน้ำหรือเป็นพีคการคาย NH₃

ตัวอย่างเดียวกันนั้น ถ้าใช้อุณหภูมิและระยะเวลาในการไล่น้ำแตกต่างกัน ก็ให้ผลการวัดNH₃-TPD ที่แตกต่างกันได้ ทั้งนี้เป็นเพราะน้ำที่อยู่บนพื้นผิวมีส่วนเกี่ยวข้องกับการเกิดตำแหน่งกรดแบบเบรินสเตด (Brönsted) และอุณหภูมิที่ใช้ไล่น้ำยังส่งผลถึงระดับการไล่โมเลกุลน้ำที่ถูกดูดซับทางเคมีออกจากพื้นผิวและโมเลกุลน้ำที่อยู่ในโครงสร้าง (ถ้ามีอยู่) ออกมาจากโครงสร้าง ซึ่งส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของพื้นผิวได้ ส่วนระยะเวลาการไล่นั้นส่งผลต่อระดับการไล่น้ำออกจากรูพรุน ถ้าเราให้เวลานานพอ น้ำที่หลุดออกมาจากพื้นผิวก็จะเคลื่อนที่ออกจากรูพรุนมาสู่แก๊สที่ไหลผ่านและถูกพาออกไปจากระบบ แต่ถ้าใช้เวลาสั้นเกินไป โมเลกุลของน้ำที่หลุดออกมากจากพื้นผิวที่อยู่ลึกในรูพรุนก็สามารถควบแน่นกลับลงบนพื้นผิวที่อยู่ใกล้ปากรูพรุนได้

แต่สิ่งสำคัญคือถ้าจะเปรียบเทียบผลการวัดตัวอย่างในตระกูลเดียวกัน ก็ควรทำการเตรียมตัวอย่าง (อุณหภูมิและเวลาที่ใช้ในการไล่น้ำ) ที่ภาวะเดียวกัน จะได้เปรียบเทียบผลการวิเคราะห์ได้

โดยส่วนตัวแล้วผมจะแนะนำให้ทำการไล่น้ำโดยใช้อุณหภูมิที่จะนำตัวเร่งปฏิกิริยานั้นไปใช้ในการทำปฏิกิริยา แต่ถ้าเราทำการศึกษาการทำปฏิกิริยาในช่วงอุณหภูมิต่าง ๆ กัน เช่นสมมุติว่าทดสอบในช่วงอุณหภูมิ 150-500ºC ผมจะแนะนำให้ทำการไล่น้ำที่อุณหภูมิ 150ºC จากนั้นจึงค่อยลดอุณหภูมิตัวอย่างลงมาที่อุณหภูมิที่จะให้ NH₃ ดูดซับบนพื้นผิวของตัวอย่าง ทั้งนี้เพื่อให้พื้นผิวที่ NH₃ เริ่มดูดซับนั้นมีลักษณะเดียวกันกับที่ควรเป็นที่อุณหภูมิ 150ºC เพราะถ้าเราไปไล่น้ำที่อุณหภูมิ 500ºC จะทำให้เราได้พื้นผิวตัวอย่างเป็นพื้นผิวที่ควรเป็นที่อุณหภูมิ 500ºC แม้ว่าเราจะลดอุณหภูมิตัวอย่างลงมายังอุณหภูมิที่จะทำการดูดซับ NH₃ ก็ตาม

ในระหว่างการทำ NH₃-TPD นั้นเราจะปรับอุณหภูมิของตัวอย่างให้เปลี่ยนแปลงไปตามโปรแกรมที่ตั้งเอาไว้ ซึ่งมักจะทำการเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นด้วยอัตราการเพิ่มที่กำหนด โดยอัตราการเพิ่มนั้นอาจคงที่ตลอดการวิเคราะห์หรือปรับเปลี่ยนไป นอกจากนี้ยังอาจมีช่วงที่เรารักษาอุณหภูมิตัวอย่างให้คงที่

รูปที่ ๑ ตัวอย่างสัญญาณ NH₃-TPD ของตัวเร่งปฏิกิริยา Cu-TS-1 ที่วิเคราะห์ด้วยเครื่อง micromeritics ChemiSorb 2750 ที่ให้เวลาเป็นแกนนอน (วิทยานิพนธ์ปริญญามหาบัณฑิตสาขาวิศวกรรมเคมี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เรื่อง "Preparation of copper titanium silicalite-1" โดยน.ส.ดรุณี สุขหอม ปีการศึกษา 2548)

รูปที่ ๒ กราฟเดียวกันกับรูปที่ ๑ แต่ในที่นี้วาดใหม่โดยให้อุณหภูมิเป็นแกนนอน จะเห็นว่าเกิดปัญหาตรงตำแหน่ง (ก) อุณหภูมิ 80-90ºC ซึ่งเป็นช่วงที่เครื่องพยายามปรับอัตราการเพิ่มอุณหภูมิให้ได้ 10ºC/min และที่ (ข) 550ºC ซึ่งจุดข้อมูลสัญญาณในช่วงเวลาจากประมาณนาทีที่ 51-68 (ระหว่างเส้นประสีเขียวในรูปที่ ๑) ถูกยุบรวมเข้ามาเป็นขีดในแนวดิ่ง ซึ่งสามารถก่อให้เกิดปัญหาได้ถ้าหากในช่วงที่อุณหภูมิระบบคงนี้นี้มีการคาย NH₃ ออกมาด้วย เพราะจะทำให้ข้อมูลดังกล่าวหายไป

ความจริงก็คือเราไม่สามารถ "หยุดเวลา" ได้ แต่เราสามารถ "หยุดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ" ได้ ดังนั้นถ้าเราจะนำเอาข้อมูลมาทำการวิเคราะห์ เราก็ควรที่จะใช้กราฟที่ถูกต้อง คือให้แกน x เป็นแกนเวลา ส่วนอุณหภูมิและสัญญาณ TCD นั้นให้เป็นแกน y เพราะที่ผ่านมานั้นพบว่านิสิตส่วนใหญ่ (กลุ่มอื่นที่ไม่ใช่กลุ่มเรา) นิยมเขียนกราฟโดยให้แกน x เป็นแกนอุณหภูมิและแกน y เป็นแกนสัญญาณ TCD เพียงเพื่อให้อ่านค่าอุณหภูมิของตำแหน่งพีคได้ง่าย แต่การกระทำดังกล่าวนั้นส่งผลต่อกราฟข้อมูลเมื่อต้องการคำนวณพื้นที่ใต้พีค เพราะอาจทำให้ข้อมูลขาดหายไปได้โดยเฉพาะถ้าหากมีการคาย NH₃ ออกมาในช่วงที่อุณหภูมิคงที่ ตัวอย่างของปัญหานี้ได้แสดงไว้ให้เห็นในรูปที่ ๑ และรูปที่ ๒ แล้ว

ในกรณีของสาวน้อยหน้าใสจากบางละมุงนั้นที่ผมบอกว่าการวิเคราะห์นี้ไม่จำเป็นสำหรับวิทยานิพนธ์ก็เพราะ งานของสาวน้อยหน้าใสนั้นเป็นการทำปฏิกิริยาในเฟสของเหลวที่เป็นน้ำโดยที่น้ำยังคงเป็นของเหลวอยู่ โครงสร้างของพื้นผิวที่สัมผัสกับน้ำที่เป็นของเหลวนั้นแตกต่างไปจากโครงสร้างของพื้นผิวที่สัมผัสกับแก๊สที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นผมจึงคิดว่าการวัด NH₃-TPD จะไม่ให้ข้อมูลที่ถูกต้องของพื้นผิวในขณะที่ทำปฏิกิริยาเพราะอุณหภูมิที่ใช้ทำการทดลองและที่ใช้ในการวิเคราะห์นั้นแตกต่างกันมาก และสภาพแวดล้อมก็แตกต่างกันด้วย ผมจึงบอกว่าจะทำ NH₃-TPD ก็ได้ แต่ก็ควรเอาไปใส่ไว้ในภาคผนวก ไม่จำเป็นต้องเอามาใส่ในบทวิธีการทดลองและผลการทดลอง ใส่เป็นเพื่อข้อมูลเผื่อว่าจะมีคนรุ่นหลังจะนำไปใช้ เพราะข้อมูลดังกล่าวนั้นคงไม่ได้เอาไปใช้ในการอธิบายผลการทดลองของสาวน้อยหน้าใส ในกรณีของสาวน้อยผมยาวจากชายแดนใต้ก็เช่นเดียวกัน

แต่ถ้าเป็นกรณีของสาวน้อย 150 cm ที่ทำการทดลองในเฟสแก๊สและที่อุณหภูมิสูงนั้น การวัด NH₃-TPD จะมีความสำคัญเพราะช่วงอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาและช่วงอุณหภูมิการวิเคราะห์นั้นเป็นช่วงเดียวกัน ส่วนที่ว่าอุณหภูมิที่ควรใช้ในการไล่น้ำควรเป็นเท่าใดนั้นผมคิดว่าน่าจะประมาณ 150ºC เพราะปฏิกิริยา DeNOx จะเริ่มเกิดที่อุณหภูมิประมาณนี้

เหตุผลที่ผมคิดว่าสาวน้อย 150 cm ควรใช้อุณหภูมิไล่น้ำเพียงแค่ 150ºC ก็มี ๒ ข้อดังนี้

(ก) ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมขึ้นนั้น ในระหว่างการเตรียมได้เคยผ่านการเผา (calcine) ที่อุณหภูมิไม่ต่ำกว่าอุณหภูมิที่จะใช้ในการวัด NH₃-TPD มาแล้ว ดังนั้นถ้ามีน้ำค้างอยู่ในโครงร่างผลึก น้ำดังกล่าวก็ควรจะสลายตัวออกมาจากโครงร่างผลึกหมดแล้ว ถ้าจะมีค้างอยู่ก็ควรจะเป็นน้ำที่จะหลุดออกมาได้ที่อุณหภูมิที่สูงกว่า แต่ในการวัดนั้นถ้าเราไม่ได้ใช้อุณหภูมิสูงถึงขนาดนั้น น้ำที่ไล่ออกมาได้ที่อุณหภูมิสูงก็จะไม่หลุดออกมารบกวนการวัดที่อุณหภูมิต่ำ

(ข) ในการเก็บตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมขึ้น เรามักเก็บไว้ในขวดที่ปิดสนิท ดังนั้นแม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาจะมีโอกาสสัมผัสกับความชื้นในอากาศ แต่ความชื้นนั้นก็ควรอยู่เพียงแค่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเท่านั้น ไม่ควรแทรกเข้าไปในโครงร่างผลึกที่ผ่านการเผาจนมีเสถียรภาพแล้วได้

ดังนั้นในขณะนี้คิดว่าพวกคุณคงพอจะเข้าใจบ้างแล้วว่าถ้าจะทำการวัด NH₃-TPD นั้นควรจะใช้อุณหภูมิในการไล่น้ำสูงเท่าใด ซึ่งตอนนี้ก็ได้ยินมาว่ามีบางคนเพิ่งจะเริ่มจะสงสัยว่าทำไมเวลาที่ไล่น้ำด้วยอุณหภูมิที่แตกต่างกันจึงได้ผลการวิเคราะห์ที่แตกต่างกันไป แต่แทนที่เขาจะไปค้นคว้าว่ามันเป็นเพราะเหตุใด กลับใช้วิธีให้คนอื่นไปหาคำเหตุผลและอธิบายมาบอกเขา เพื่อที่เขาจะได้รู้เหมือนคนอื่น แม้แต่พวกคุณเองใช่ว่าอ่านบันทึกนี้จะรู้เรื่องได้ดี ถ้าไม่เคยได้สัมผัสกระบวนการทั้งหมดมาตั้งแต่ต้น (ประเภทให้คนอื่นทำให้หมด รอดูแต่ผลอย่างเดียว) ก็คงจะรู้แบบผิวเผินเท่านั้น

เรื่องต่อไปที่วางแผนจะเขียนคือเรื่องของวิธีการป้อน NH₃ เพื่อให้ตัวดูดซับ ซึ่งขั้นตอนนี้จะส่งผลต่อการระบุจำนวนพีคและการลากเส้น base line

UV-Vis - peak fitting MO Memoir : Tuesday 22 February 2554

ความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรนอกของอะตอมจะอยู่ในช่วงระดับพลังงานของรังสีอัลตร้าไวโอเล็ต (Ultraviolet - UV) และแสงในช่วงที่สายตามองเห็น (Visible light - Vis) และเนื่องจากการสร้างพันธะทางเคมีนั้นก็ใช้อิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรรอบนอกของอะตอม ดังนั้นในทางทฤษฎีแล้วถ้าอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรรอบนอกนี้มีพลังงานที่เปลี่ยนไป ความสามารถในการสร้างพันธะทางเคมี (กล่าวอีกนัยหนึ่งคือความสามารถในการทำปฏิกิริยาเคมีนั่นเอง) ก็น่าจะเปลี่ยนไปด้วย การวัดการเปลี่ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรนอกของอะตอมสามารถดูได้จากการดูดกลืนรังสีในช่วงอัลตร้างไวโอเลตและแสงในช่วงที่สายตามองเห็น (ซึ่งมักเรียกกันสั้น ๆ ว่า UV-Vis) ถ้าเราพบว่าตัวอย่างของเรานั้นมีการดูดกลืนรังสีในช่วง UV-Vis เปลี่ยนไปจากเดิม เราก็อาจคาดหวังได้ว่าตัวอย่างของเรานั้นมีความสามารถในการทำปฏิกิริยาที่แตกต่างไปจากเดิมได้

แต่การอ่านผลการดูดกลืนรังสีในช่วง UV-Vis นั้นไม่ค่อยง่าย ทั้งนี้เป็นเพราะอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรรเอบนอกจะมีเป็นจำนวนมาก และอิเล็กตรอนเหล่านี้ก็มีระดับพลังงานที่ใกล้เคียงกัน ในขณะที่อิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับการสร้างพันธะทางเคมีนั้นมีเพียงไม่กี่ตัว จึงมักทำให้ผลการวัดที่ได้ไม่มีลักษณะเป็นพีคที่เด่นชัด โดยเฉพาะในช่วงรังสี UV ซึ่งมักปรากฏเป็นเพียงแค่ "ไหล่ (shoulder)" (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ) ซึ่งทำให้คนที่ไม่มีประสบการณ์มองไม่ออกว่าข้อมูลที่ได้มานั้นมันมีพีคอยู่ตรงไหน หรือไม่ก็ไม่เข้าใจว่าตำแหน่งนั้นเป็นพีคได้อย่างไร

รังสีอัลตร้าไวโอเลต (Ultraviolet - UV) เป็นรังสีที่มีความยาวคลื่นในช่วง 10-400 nm แต่จะมีเฉพาะช่วงความยาวคลื่น 200-400 nm เท่านั้นที่เดินทางผ่านอากาศได้ รังสี UV ในช่วงความยาวคลื่น 10-200 nm จะถูกดูดกลืนโดยอากาศ รังสี UV ในช่วงความยาวคลื่น 10-200 nm จึงถูกเรียกว่า Vacuum UV (หรือ UV สุญญากาศ) ดังนั้นถ้าต้องการวัดการดูดกลืนรังสี UV ในช่วงความยาวคลื่น 10-200 nm ก็ต้องทำในสุญญากาศ แต่ที่นำมาวิเคราะห์กันในวันนี้เป็นผลการวัดในช่วงตั้งแต่ 210-400 nm ซึ่งเป็นช่วง UV ที่เดินทางผ่านอากาศได้

รูปที่ ๑ สัญญาณการดูดกลืนรังสี UV ในช่วงความยาวคลื่น 210-400 nm จะสังเกตเห็น "ไหล่" ที่ตำแหน่งความยาวคลื่น 280-290 nm ที่วงกลมแดงเอาไว้ (วิทยานิพนธ์ปริญญามหาบัณฑิตสาขาวิศวกรรมเคมี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เรื่อง "Production of cresol in an one-step reaction" โดยน.ส.รจเรข แพทย์สาสดี ปีการศึกษา 2551)

เช่นเดียวกับใน Memoir ฉบับวันศุกร์ที่ ๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๔ โปรแกรมที่นำมาใช้ในการทำ peak fitting และ peak deconvolution ในคราวนี้ก็ยังคงเป็น "Fityk" เวอร์ชัน 0.9.7 โดยนำผลมาทำการตัด base line การตัด base line ทำโดยการตัดเป็นเส้นตรงขนานกับแกน x โดยเลื่อนให้จุดข้อมูลที่อยู่ตำสุดเป็นตำแหน่งศูนย์ จากนั้นจึงตัดข้อมูลในช่วง 210-230 nm ออกเนื่องจากสัญญาณมี noise มาก และตัดข้อมูลช่วงประมาณ 375-400 nm ออกไปด้วยเนื่องจากไม่ใช่บริเวณที่สนใจ และบริเวณดังกล่าวไม่ส่งผลต่อการลาก base line เนื่องจากข้อมูลที่นำมาใช้นั้นห่างกันจุดข้อมูลละ 1 nm ดังนั้นการที่จะบอกว่าพีคมีตำแหน่งที่แตกต่างกัน ความแตกต่างของตำแหน่งนั้นควรมากกว่า 2 nm

เมื่อทำการตัด base line แล้วจึงให้โปรแกรมทำการวางตำแหน่งพีคโดยอัตโนมัติ ในกรณีนี้พบว่าวิธีการที่เหมาะสมวิธีคือวางตำแหน่งจำนวน 2 พีคก่อน แล้วทำการคำนวณปรับพีคที่ประมาณไว้ให้เข้ากับผลการทดลองจนได้ค่า Weight Sum of Square Residual (WSSR) ต่ำสุด ซึ่งก็พบว่ายังประมาณค่าได้ไม่ดี จึงได้ให้โปรแกรมวางตำแหน่งพีคเพิ่มอีก 1 พีค และทำการปรับจนได้ค่า WSSR ต่ำสุดอีกครั้ง

ฟังก์ชันที่ใช้ในการทำ peak fitting และ peak deconvolution ก็ยังเป็นฟังก์ชันเดียวกันกับที่เราใช้กับสัญญาณ XRD คือ

1. Gaussian distribution function

2. Lorentzian distribution function และ

3. Voigt distribution function

เหตุผลที่ยังใช้ฟังก์ชันเหมือนเดิมก็เพื่อต้องการเปรียบเทียบให้เห็นว่าแต่ละฟังก์ชันนั้นมีความเหมาะสมกับข้อมูลต่างชนิดกัน

ผลการทำ peak fitting และ peak deconvolution แสดงไว้ในรูปที่ ๒-๔ แล้ว

ในแต่ละรูปนั้น จุดสีเขียวคือข้อมูลจากการวัดจริง เส้นสีแดงคือพีคแต่ละพีคที่ได้จากการทำ peak fitting และ peak deconvolution และเส้นสีเหลืองคือผลรวมของเส้นสีแดง

ในการพิจารณานั้นของให้พิจารณากราฟในช่วง 230-350 nm เพราะเราใช้ข้อมูลในช่วงนี้ เส้นกราฟในช่วง 210-230 nm เป็นซีกด้านซ้ายของพีคที่ 1 ที่เราไม่ใช้ เราใช้แต่เพียงซีกด้านขวาของพีคที่ 1 เท่านั้น ตำแหน่งพีคที่ 1-3 นับจากซ้ายมาขวา

รูปที่ ๒ peak fitting และ peak deconvolutionด้วย Gaussian distribution function

	Centre	Height	Area	FWHM
Peak 1	233.323	0.52427	46.6037	83.5089
Peak 2	298.356	0.277338	17.8513	60.4685
Peak 3	259.815	0.0256887	0.563195	20.5960

WSSR = 0.0010662

รูปที่ ๓ peak fitting และ peak deconvolution ด้วย Lorentzian distribution function

	Centre	Height	Area	FWHM
Peak 1	234.307	0.404066	26.5242	41.7897
Peak 2	264.586	0.308637	22.5158	46.4430
Peak 3	299.062	0.255230	16.5546	41.2921

WSSR = 0.0667446

รูปที่ ๔ peak fitting และ peak deconvolution ด้วย Voigt distribution function

	Centre	Height	Area	FWHM
Peak 1	234.745	0.526614	47.3159	84.3989
Peak 2	260.376	0.020911	0.41192	18.2932
Peak 3	299.249	0.265847	16.9112	59.6842

WSSR = 0.00109706

ก่อนอื่นอยากจะขอกล่าวเตือนไว้ก่อนว่า ในเรื่องการทำ peak fitting และ peak deconvolution นั้น ในมุมมองของผมสิ่งสำคัญคือการเลือกใช้ฟังก์ชันที่ถูกต้องในการทำ peak fitting และ peak deconvolution ซึ่งเมื่อได้ตำแหน่งพีคที่คิดว่าดีที่สุดแล้วจึงค่อยหาทางแปลผลว่าพีคดังกล่าวเป็นของปรากฏการณ์ใด เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้ (รวมทั้งฉบับก่อนหน้าและที่จะออกตามมา) เป็นเพียงการเล่าประสบการณ์ว่าในแต่ละงานนั้นเคยใช้ฟังก์ชันใดบ้างในการทำ peak fitting และ peak deconvolution และทำไมจึงเลือกใช้ฟังก์ชันดังกล่าว

ในกรณีนี้พบว่าฟังก์ชัน Gaussian ให้ผลออกมาดีที่สุด (เมื่อพิจารณาจากค่า WSSR ที่ต่ำที่สุด) โดยมีฟังก์ชัน Voigt ให้ผลดีติดตามมาติด ๆ ส่วนฟังก์ชัน Lorentzian นั้นแม้ว่าจะให้ตำแหน่งพีคที่ 1 และ 3 ใกล้เคียงกับของฟังก์ชัน Gaussian และ Voigt แต่ถ้าพิจารณาดูรูปกราฟแล้วพบว่าไม่สามารถปรับผลรวมของพีคย่อยทุกพีคเข้ากับข้อมูลจริงได้ดี สังเกตได้จากการที่เส้นสีเหลือง (ผลรวมของทุกพีค) แกว่งไปรอบจุดสีเขียว (ข้อมูลการวัดจริง) และในช่วงตั้งแต่ประมาณ 335 nm ออกไปยัง 375 nm ก็ยังให้ค่าที่สูงกว่าข้อมูลการวัดจริงอยู่มาก

ตำแหน่งพีคที่ 1 ที่ออกมาใกล้เคียงกันนั้นเป็นเพราะข้อมูลทางด้านซ้าย (ที่ขอบ 230 nm) เป็นตำแหน่งที่สูงสุด ทำให้โปรแกรมวางยอดพีคไว้ตรงบริเวณนี้ แล้วให้พีคที่ 1 นี้ลาดลงมาทางขวา

ตำแหน่งพีคที่ 2 เป็นตำแหน่งที่น่าสนใจ เพราะถ้าเราดูเฉพาะรูปที่ 1 เราอาจจะคิดว่ามีพีคอยู่ตรงบริเวณ 285-290 nm เพราะตรงนั้นที่ดูเหมือนเป็นตำแหน่งสูงสุดของไหล่ แต่พอทำ peak deconvolution แล้วกลับพบว่าตำแหน่งยอดของพีคอยู่ที่บริเวณ 298-300 nm ซึ่งเป็นการเลื่อนมาทางขวา

ส่วนเหตุผลที่ว่าทำไมฟังก์ชัน Gaussian จึงเข้าได้ดีกับผลการทดลองนั้น ถ้าอยากรู้ก็ลองไปอ่านเองในหัวข้อเรื่อง "Doppler broadening" ที่ http://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_broadening และเรื่อง "Voigt profile" ที่ http://en.wikipedia.org/wiki/Voigt_profile เช่นเดียวกัน

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๒ (ตอนที่ ๒๔) MO Memoir : Monday 21 February 2554

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog

XRD - peak fitting MO Memoir : Friday 18 February 2554 (วันมาฆบูชา)

ใน Memoir ฉบับที่แล้ว (วันพุธ ๑๖ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๔) ได้กล่าวถึงฟังก์ชันต่าง ๆ ที่เรานำมาใช้ในการทำ curve fitting และ peak deconvolution ฉบับนี้ก็เลยจะทดลองนำฟังก์ชันที่ได้กล่าวไว้มาทำ peak deconvolution และ peak fitting โดยจะเริ่มจากสัญญาณ XRD ก่อน

รูปที่ ๑ ข้างล่างเป็นสัญญาณ XRD ของตัวเร่งปฏิกิริยา Titanium silicalite-1 (TS-1) โดยจะนำสัญญาณในช่วง 2θ ระหว่าง 6-11º มาใช้ พึงสังเกตว่าที่ตำแหน่ง 2θ ระหว่าง 8-9º จะมีพีคใหญ่อยู่ 1 พีค และที่ตำแหน่ง 2θ ระหว่าง 9-9.5º จะมีพีค 2 พีคที่ซ้อนทับกันอยู่

รูปที่ ๑ พีค XRD ของ Titanium silicalite-1 (TS-1) ที่จะนำมาทำ peak fitting และ peak deconvolution โดยจะทดลองนำเฉพาะพีคในช่วง 2θ ระหว่าง 6-11º มาใช้ (วิทยานิพนธ์ปริญญามหาบัณฑิตสาขาวิศวกรรมเคมี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เรื่อง "Toluene oxidation by hydrogen peroxide at elevated temperature over modified TS-1" โดยนายวิริยะ สิริดำรงเดช)

โปรแกรมที่นำมาใช้ในการทำ peak fitting และ peak deconvolution คือ "Fityk" เวอร์ชัน 0.9.7 โดยนำผลมาทำการตัด base line และวางตำแหน่งพีคเริ่มต้นจำนวน 1 พีคในช่วง 2θ ระหว่าง 6-11º และจำนวน 2 พีคในช่วง 2θ ระหว่าง 9-9.5º ก่อน จากนั้นจึงให้โปรแกรมทำการคำนวณปรับพีคที่ประมาณไว้ให้เข้ากับผลการทดลองจนได้ค่า Weight Sum of Square Residual (WSSR) ต่ำสุด

ฟังก์ชันที่ใช้ในการทำ peak fitting และ peak deconvolution คือ

1. Gaussian distribution function

2. Lorentzian distribution function และ

3. Voigt distribution function

ผลการทำ peak fitting และ peak deconvolution แสดงไว้ในรูปที่ ๒-๔ แล้ว

ในแต่ละรูปนั้น จุดสีเขียวคือข้อมูลจากการวัดจริง เส้นสีแดงคือพีคแต่ละพีคที่ได้จากการทำ peak fitting และ peak deconvolution และเส้นสีเหลืองคือผลรวมของเส้นสีแดง

รูปที่ ๒ peak fitting และ peak deconvolutionด้วย Gaussian distribution function

	Centre	Height	Area	FWHM
Peak 1	8.18826	453.689	102.124	0.211464
Peak 2	9.08557	256.344	64.6816	0.237042
Peak 3	9.36292	89.0623	17.9935	0.189797

WSSR= 626.076

รูปที่ ๓ peak fitting และ peak deconvolution ด้วย Lorentzian distribution function

	Centre	Height	Area	FWHM
Peak 1	8.19272	621.962	121.903	0.124776
Peak 2	9.08504	293.634	74.8748	0.162334
Peak 3	9.34087	83.8168	19.3899	0.147274

WSSR= 156.561

รูปที่ ๔ peak fitting และ peak deconvolution ด้วย Voigt distribution function

	Centre	Height	Area	FWHM
Peak 1	8.19235	587.762	121.941	0.140433
Peak 2	9.08724	281.382	73.9042	0.185693
Peak 3	9.34378	85.5410	20.3378	0.154943

WSSR= 146.608

ผลออกมาปรากฏว่าทั้ง ๓ ฟังก์ชันนั้นให้ตำแหน่งของพีคทั้งสามที่สามารถกล่าวได้ว่าตรงกัน แต่มีความคลาดเคลื่อนในการทำ peak fitting แตกต่างกัน โดยฟังก์ชัน Gaussian ให้ค่าความคลาดเคลื่อนสูงสุด ในขณะที่ฟังก์ชัน Lorentzian และ Voigt ให้ค่าที่อยู่ในระดับใกล้เคียงกันและต่ำกว่าของ Gaussian หลายเท่า จุดที่ฟังก์ชัน Gaussian ทำได้ไม่ดีคือตรงบริเวณฐานของพีค เช่นตรงตำแหน่ง 2θ ระหว่าง 8.4-8.8º ซึ่งจะเห็นว่าฟังก์ชัน Lorentzian และ Voigt ประมาณค่าตรงบริเวณนี้ได้ดีกว่ามาก

ในกรณีนี้ยังมีอีกประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจคือความกว้างของพีคที่ตำแหน่งครึ่งหนึ่งของความสูง (FWHM - Full Width at Half Maximum ) ซึ่งค่านี้มักจะถูกนำไปใช้ในการคำนวณขนาดผลึกตาม Scherrer's equation (ดู Memoir ฉบับปีที่ ๒ ฉบับที่ ๙๙ วันพฤหัสบดีที่ ๑๔ มกราคม ๒๕๕๓ เรื่อง Scherrer's equation และฉบับปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๐๔ วันพฤหัสบดีที่ ๒๑ มกราคม ๒๕๕๓ เรื่อง Scherrer's equation (ตอนที่ ๒) ค่า FWHM คือค่า B ที่ปรากฏในสมการใน Memoir สองฉบับนั้น) ซึ่งในกรณีที่ใช้ฟังก์ชัน Gaussian พบว่าจะให้ค่า FWHM ที่มากกว่าเมื่อใช้ฟังก์ชัน Lorentzian หรือ Voigt (ใน Memoir ฉบับที่ ๑๐๔ นั้นเรียกฟังก์ชัน Lorentzian ว่า Cauchy) ซึ่งค่า FWHM ยิ่งมากเท่าใดก็จะทำให้คำนวณได้ค่าขนาดผลึกเล็กลงไปด้วย ดังนั้นจึงอาจเป็นไปได้ว่าผลการทดลองที่รายงานว่าคำนวณขนาดของผลึกด้วย Scherrer's equation อาจให้ค่าที่ไม่ถูกต้อง เพราะทำ peak fitting และ/หรือ peak deconvolution ด้วยฟังก์ชันที่ไม่เหมาะสมก็ได้

มาถึงจุดนี้คิดว่าหลายคนคงรู้แล้วว่าทำอย่างไรผลแลปจึงจะออกมาดังความต้องการของคนบางคน

Distribution functions MO Memoir : Wednesday 16 February 2554

การวิเคราะห์ในงานหลาย ๆ อย่างนั้นจะได้ผลการวิเคราะห์ออกมาเป็นเส้นกราฟต่อเนื่องที่เราต้องหาว่าจุดยอดของพีคต่าง ๆ นั้นอยู่ที่ตำแหน่งไหนและพื้นที่ใต้พีคนั้นมีขนาดเท่าใด ตัวอย่างของงานวิเคราะห์เหล่านี้ได้แก่

การวิเคราะห์ในงานหลาย ๆ อย่างนั้นจะได้ผลการวิเคราะห์ออกมาเป็นเส้นกราฟต่อเนื่องที่เราต้องหาว่าจุดยอดของพีคต่าง ๆ นั้นอยู่ที่ตำแหน่งไหนและพื้นที่ใต้พีคนั้นมีขนาดเท่าใด ตัวอย่างของงานวิเคราะห์เหล่านี้ได้แก่

- โครมาโทกราฟ เช่นผล GC ที่ออกมาในรูปโครมาโทแกรม

- Temperature programmed เทคนิคต่าง ๆ เช่น NH₃-TPD H₂-Chemisorption H₂-TPD

- Spectroscopy ต่าง ๆ เช่น FT-IR UV-Vis XRD

- XPS

ในกรณีที่พีคที่เกิดขึ้นนั้นไม่มีการเหลื่อมซ้อนกัน การวิเคราะห์ผลก็จะไม่มีปัญหาใด ๆ แต่สิ่งที่เรามักพบอยู่เป็นประจำคือผลการวิเคราะห์ที่ได้นั้นเป็นสัญญาณรวมของพีคจำนวนมากที่เหลื่อมซ้อนกัน ซึ่งการเหลื่อมซ้อนกันนั้นมีตั้งแต่การเหลื่อมซ้อนกันเพียงเล็กน้อย ที่ยังคงเห็นตำแหน่งยอดของแต่ละพีค ไปจนถึงการเหลื่อมซ้อนกันจนทำให้เห็นสัญญาณที่ได้นั้นประกอบด้วยพีคใหญ่เพียงพีคเดียวที่เกิดจากผลรวมของพีคเล็ก ๆ หลาย ๆ พีค (เช่นผล NH₃-TPD ที่มักเป็นเช่นนี้ประจำ) หรือมีการเหลื่อมซ้อนกันระหว่างพีคที่มีขนาดต่างกันมากจนทำให้เห็นพีคเล็กมีลักษณะเป็นไหล่ (shoulder) ปรากฏอยู่บนพีคใหญ่ (เช่นผล UV-Vis ที่มักเห็นเช่นนี้ประจำ ผล IR ในบางตำแหน่งเลขคลื่น และโครมาโทแกรมของ GC ในการแยกสารบางตัว) ทำให้ไม่สามารถระบุตำแหน่งยอดของพีคเล็ก รวมไปถึงพื้นที่ใต้พีคของแต่ละพีคได้ (กล่าวคือมีแต่พื้นที่รวมของทุกพีคแต่ไม่มีพื้นที่แยกของแต่ละพีค)

เทคนิคทางคณิตศาสตร์ในการแก้ปัญหาพีคเหลื่อมซ้อนกันนั้นมีมานานแล้ว แต่ในอดีตนั้นไม่ค่อยนำมาใช้กันเพราะการคำนวณค่อนข้างยุ่งยากมาก จนกระทั่งมีคอมพิวเตอร์ให้ใช้กันอย่างแพร่หลายจึงมีการนำมาใช้กันมากขึ้น และมีซอร์ฟแวร์สำเร็จรูป (ทั้งที่ต้องซื้อและสามารถดาวน์โหลดใช้งานได้ฟรี) ให้เลือกใช้หลากหลาย

จากประสบการณ์พบว่าปัญหาหลักในการแยกพีครวมว่า ประกอบด้วยพีคย่อยจำนวนเท่าใด และอยู่ที่ตำแหน่งใดนั้น ไม่ได้อยู่ที่มีซอร์ฟแวร์ให้ใช้หรือไม่ แต่ไปอยู่ที่จะใช้ฟังก์ชันใดในการประมาณรูปร่างของพีคย่อยแต่ละพีค เพราะถ้าเราใช้ฟังก์ชันที่ผิดพลาดหรือไม่เหมาะสมจะพบว่าต้องใช้พีคย่อย ๆ จำนวนมากจึงจะประกอบเข้าเป็นพีคใหญ่ (หรือพีคผลรวม) ของข้อมูลเราได้ แต่ถ้าใช้ฟังก์ชันที่ถูกต้องและเหมาะสมแล้วจะพบว่าจะใช้พีคย่อยเพียงไม่กี่พีคก็จะสามารถประมาณรูปร่างของพีคใหญ่ (หรือพีคผลรวม) ได้ถูกต้อง

ในกลุ่มของเรานั้นจะใช้โปรแกรม Fityk ซึ่งเป็น freeware ในการแยกพีค (deconvolution) สัญญาณต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นผล GC IR UV-Vis NH₃-TPD ไปจนถึง XPS ดังนั้นใน memoir ฉบับนี้จึงขอแนะนำให้รู้จักฟังก์ชันบางฟังก์ชันที่เราต้องใช้ (หรืออาจต้องใช้ ซึ่งขึ้นอยู่กับว่าจะต้องไปใช้เครื่องวิเคราะห์ใด) มาให้รู้จักกัน

1. Gaussian distribution function

ฟังก์ชันนี้อาจจัดว่าเป็นฟังก์ชันพื้นฐานที่สุดที่เราเรียนกัน ลักษณะของ Gaussian นั้นมีลักษณะเป็นรูปโค้งระฆังคว่ำ รูปแบบหนึ่งของสมการ Gaussian distribution function คือ

สมการที่ (1)

ในสมการที่ (1) นี้ a คือ amplitude หรือความสูงของพีคที่ตำแหน่งกึ่งกลาง b คือตำแหน่งกึ่งกลางพีค และ c เป็นพารามิเตอร์ที่สัมพันธ์กับความกว้างของพีค ณ ตำแหน่งกึ่งกลางความสูง (Full Width at Half Maximum - FWHM) ตามสมการ

สมการที่ (2)

หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ c คือตำแหน่งของจุดเปลี่ยนเว้า (deflection point หรือจุดที่กราฟเปลี่ยนจากคว่ำเป็นหงาย) ตัวอย่างของกราฟนี้ที่ค่า a b และ c ต่าง ๆ กันแสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ ตัวอย่างกราฟของ Gaussian distribution function

(1) a = 1 b = 0 c = 1 (2) a = 1 b = 1 c = 1

(3) a = 0.5 b = 0 c = 1 (4) a = 1 b = 0 c = 1.5

ที่ผ่านมานั้นเราพบว่าในการแยกพีคสัญญาณ FT-IR หรือ UV-Vis นั้น การกำหนดให้พีคย่อยแต่ละพีคมีรูปร่างเป็นไปตาม Gaussian function นั้นจะให้ผลการแยกพีคที่จัดได้ว่าดี แต่ไม่ควรนำมาใช้ในการแยกพีคสัญญาณ desorption ต่าง ๆ เช่นโครมาโทแกรมของ GC และผล NH₃-TPD เพราะพีคของกราฟเหล่านี้มีลักษณะที่ไม่สมมาตร (มีการลากหางหรือที่เรียกเป็นภาษาอังกฤษว่า tailing) การแยกพีคสัญญาณประเภทหลังนี้ใช้ Gaussian distribution function ที่มีลักษณะไม่สมมาตร (ทางซ้ายและทางขวาของพีคกว้างไม่เท่ากัน หรือมีค่า c ที่ไม่เท่ากัน) ที่กล่าวในหัวข้อถัดไปจะให้ผลที่ดีกว่า

2. Gaussian distribution function ที่ไม่สมมาตร

จะว่าไปแล้วฟังก์ชันนี้ก็คือฟังก์ชัน Gaussian ที่มีค่า c ทางด้านซ้ายและทางด้านขวาของยอดพีคไม่เท่ากัน พีคเช่นนี้มีลักษณะที่มีด้านหนึ่งตั้งชันในขณะที่อีกด้านหนึ่งมีความลาดชันต่ำกว่า ตัวอย่างของพีคเช่นนี้ได้แก่ผล NH₃-TPD ผลโครมาโทแกรมของเครื่อง GC ในโปรแกรม Fityk นั้นจะเรียกพีคตัวนี้ว่า "Split Gaussian" ตัวอย่างของพีคเช่นนี้แสดงไว้ในรูปที่ ๒ และ ๓ ข้างล่าง

รูปที่ ๒ กราฟเปรียบเทียบระหว่าง Gaussian ที่สมมาตรและ Gaussian ที่ไม่สมมาตร (ที่เรียกว่า Split Gaussian ในโปรแกรม fityk)

(1) a = 1 b = -1 c = 0.3

(2) a = 1 b = -1 เมื่อ x ≤ b c = 0.3 และเมื่อ x > b c = 0.8

(3) a = 0.8 b = -1 เมื่อ x ≤ b c = 0.3 และเมื่อ x > b c = 1.2

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการแยกพีค NH3-TPD หลังการตัด base line ด้วยการใช้ฟังก์ชัน Split Gaussian ในโปรแกรม Fityk Peak 1 และ Peak 2 คือกราฟที่ได้จากการ deconvolution TCD signal (วิทยานิพนธ์ปริญญามหาบัณฑิตสาขาวิศวกรรมเคมีเรื่อง "การเลือกรีดิวซ์ไนโตรเจนออกไซด์ด้วยแอมโมเนียบนตัวเร่งปฏิกิริยา V₂O₅-WO₃/TiO₂ " ของน.ส. ชลิตา แก้วบุตรดี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ปีการศึกษา ๒๕๕๒)

3. Lorentzian distribution function (หรือ Cauchy distribution function)

รูปแบบหนึ่งของสมการ Lorentzian distribution function คือ

สมการที่ (3)

รูปร่างของกราฟ Lorentzian distribution function อยู่ในรูปที่ ๔ ข้างล่าง

รูปที่ ๔ ตัวอย่างกราฟของ Lorentzian distribution function (1) x₀ = 0.0 γ = 0.32 ; (2) x₀ = 1.0 γ = 0.32 ; (3) x₀ = 0.0 γ = 1.0 ; (4) x₀ = 0.0 γ = 2.0

Lorentzian distribution function นั้นอาจจะดูคล้าย ๆ กับ Gaussian distribution function แต่ก็มีความแตกต่างกันอยู่ กล่าวคือ Lorentzian function จะมีลักษณะพีคที่แคบกว่าและมีส่วนฐานที่กว้างกว่าดังแสดงในรูปที่ ๕

รูปที่ ๕ เปรียบเทียบระหว่าง Gaussian distribution function ที่มีค่า a = 1 b = 0 c = 0.32 และ Lorentzian distribution function ที่มีค่า x₀ = 0.0 γ = 0.32

ตัวอย่างสเปกตรัมที่เหมาะแก่การนำฟังก์ชันนี้ไปใช้ได้แก่ XRD และ XPS

4. Voigt function

Voigt function เป็นฟังก์ชันที่เกิดจากการรวมกัน (convolution) ระหว่าง Gaussian และ Lorentzian function รูปแบบสมการของ Voigt function เมื่อ a₀ คือความสูงของพีค a₁ คือตำแหน่งกึ่งกลางพีค a₂ เป็นตัวแปรที่สัมพันธ์กับ Gaussian width และ a₃ เป็นตัวแปรที่สัมพันธ์กับอัตราส่วนระหว่าง Lorentzian width และ Gaussian width คือ

สมการที่ (4)

จากสมการที่ (4) ก็คงจะเห็นแล้วว่าการคำนวณฟังก์ชันนี้ค่อนข้างจะยุ่งยาก ตัวสเปกตรัมที่มีการแสดงให้เห็นว่าฟังก์ชันนี้เข้าได้ดีคือ diffraction line broadening analysis ของกราฟ XRD (ดูไฟล์แนบประกอบ) และก็เห็นมีบางรายเอาไปใช้กับสัญญาณ XPS ด้วย

ที่ต้องเอาเรื่องนี้ขึ้นมาก็เพราะบ่อยครั้งที่เห็นเราไปใช้ซอร์ฟแวร์ที่มากับตัวเครื่องมือวิเคราะห์ทำการแยกพีคสัญญาณที่วัดได้ เครื่องมือบางชิ้นก็มีซอร์ฟที่เหมาะสม แต่บางชิ้นก็ไม่เหมาะสม (ใช้เทคนิคในอดีตที่ล้าหลังไปแล้ว แต่นำมาเขียนใช้กับ operating system ใหม่ของระบบคอมพิวเตอร์) ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือซอร์ฟแวร์ที่ใช้กับเครื่อง TPx ต่าง ๆ ของแลปเรา ที่จะใช้ Gaussian distribution function ในการแยกพีคเพียงอย่างเดียว ทั้ง ๆ ที่รู้กันอยู่ว่าฟังก์ชันดังกล่าวไม่เหมาะสม ทำให้ประสบปัญหาในการแปลผล ในกรณีเช่นนี้วิธีการที่ดีกว่าคือดึงเอาข้อมูลดิบออกมาแล้วไปใช้โปรแกรมอื่น (เช่น Fityk) ทำการระบุตำแหน่งและขนาดของพีค ซึ่งจะให้ผลที่ถูกต้องกว่า

ก่อนจะเลือนหายไปจากความทรงจำ ตอนที่ ๔ ตำแหน่ง Circuit breaker MO Memoir : Thursday 10 February 2554

เช้าวันนี้กะว่าจะมาสรุปผลการทดลองของสาวน้อยหน้าในจากบางละมุงที่แลปสักหน่อย ก็ปรากฏว่ามีป้ายในรูปซ้ายข้างล่างปิดอยู่ที่ประตูเข้าห้องพักนิสิต บอกว่าไฟฟ้าดับ

หลังจากที่ได้จัดการให้ไฟฟ้ากลับมาคืนเดิมแล้ว ก็ได้รับทราบว่าไฟฟ้าดับตั้งแต่เมื่อวาน และได้พยายามกู้คืนโดยการไป reset circuit breaker ตัวที่อยู่ในห้องไฟฟ้าข้างลิฟต์

แต่ความพยายามดังกล่าวก็ไม่ประสบความสำเร็จ

ก็มันจะไปประสบความสำเร็จได้ยังไงในเมื่อ circuit breaker ตัวที่ตัดไฟในห้องพัก มันไม่ได้อยู่ที่นั่น

ห้องพักนิสิตห้องนี้เดิมมันไม่มี แต่เมื่อบริษัทหนึ่งเข้ามาทำวิจัย จึงได้ทำการกั้นพื้นที่เป็นห้องตั้งเครื่องมือวิเคราะห์ เมื่อเขาย้ายออกไปแล้วก็เหลือห้องทิ้งไว้ให้

ระบบไฟฟ้าของห้องนี้เดินแยกต่างหากจากระบบไฟฟ้าเดิมของตึก

แผงควบคุมของห้องที่ควบคุมไฟฟ้าที่จ่ายไปตามปลั๊กต่าง ๆ จะอยู่ที่หน้าห้อง (รูปกลาง) และแผงควบคุมไฟฟ้าที่จ่ายมายังแผงควบคุมในรูปกลางจะอยู่ข้างนอกที่ทางเดินหน้าห้อง ๕๑๘ (รูปขวา) ที่มีเขียนไว้ว่า 518B

ตัว circuit breaker ที่ต้องไป reset นั้นคือตัวที่อยู่ในแผงควบคุมในรูปขวานั้น

ที่ผมต้องบันทึกไว้ก็เพราะระบบไฟฟ้านี้เป็นระบบไฟฟ้าที่เดินขึ้นใหม่ ดูเหมือนจะไม่อยู่ในแบบของคณะซะด้วย และตอนที่เขาก่อสร้างกันนั้นก็ไม่เห็นมีใครไปสนใจว่าทางบริษัทเข้ามาทำอะไรกันบ้าง ก็เลยต้องขอบันทึกเอาไว้เป็นลายลักษณ์อักษร ณ ที่นี้

ทำได้ยังไงเนี่ย MO Memoir : Wednesday 9 February 2554

เมื่อเช้าว่าจะมานั่งทำงานที่แลปซักหน่อย พอเปิดเครื่องคอมของกลุ่มแล้วพยายามต่ออินเทอร์เนต ก็มีคำเตือนที่มุมจอว่าสายแลนไม่ได้ต่ออยู่

พอตรวจที่หลังเครื่องก็พบว่าสายแลนไม่ได้ต่ออยู่จริง ๆ แต่ตกอยู่ข้าง ๆ โต๊ะ ก็เลยเก็บเอาสายขึ้นมา กะจะเสียบคืนเข้าที่เดิม

แต่ปรากฏว่าเสียบไม่ได้ ก็เลยเอาหัวสายแลนขึ้นมาดู แล้วก็พบสภาพดังที่เห็นในรูปข้างล่าง

ปรากฏว่าหัวสายแลน "หัก" โดยมีชิ้นส่วนคาอยู่ที่ช่องเสียบหัวสาย (ดูรูปซ้าย) ก็เลยต้องเสียเวลาแงะเอาส่วนที่หักคาอยู่นั้นออกมาถ่ายรูปเก็บไว้เป็นที่ระลึก (รูปขวา)

ผมนึกไม่ออกเหมือนกันว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร ทำได้ยังไง เป็นฝีมือของใคร วานใครรู้ช่วยตอบที แต่สิ่งที่คิดในใจเชื่อว่างานนี้คงหาผู้กระทำไม่ได้

ผมว่าถ้าคน ๆ นั้นมีความรับผิดชอบ เขาคงต้องรีบติดต่อมาหรือหาหนทางซ่อมสายดังกล่าวให้ดีดังเดิม

แต่ผมเดาว่าเขาคงหายหัวไปเลย หรือไม่ก็ทำเป็นไม่รู้ไม่ชี้

เหตุการณ์นี้ไม่ได้เกิดในโรงเรียนประถมหรือโรงเรียนอนุบาล แต่เกิดในห้องปฏิบัติการวิจัยที่เต็มไปด้วยนิสิตป.โทและป.เอก

เห็นพฤติกรรมประเภททำของเสียหายแล้วปล่อยทิ้งให้คนอื่นมาแก้ไขก็ให้นึกถึงกรณีของห้องน้ำหญิงในอาคารที่แลปเราตั้งอยู่ ที่ได้ทราบมาว่ามีนิสิตหญิงในห้องแลปหนึ่ง (ติดกับห้องแลปเรา) เอาสารเคมี (เดาว่าเป็นพวกน้ำมันพืช) จากการทำแลปไปทิ้งในอ่างล้างหน้าไม่ก็โถส้วม แล้วก็ทิ้งไว้เลอะเทอะอย่างนั้น พอแม่บ้านมาเตือนว่าอย่าทำก็ดันตอบสวนมาทำนองว่าฉันจะทำเลอะเทอะอย่างไรก็ได้เพราะเป็นหน้าที่ของแม่บ้านที่ต้องทำความสะอาด

คนที่พฤติกรรมเช่นนี้เห็นที่จะอยู่ร่วมในสังคมกับคนอื่นยาก โชคดีที่มีบางคนกล้าพอที่จะติดประกาศด่าประจานให้คนทราบกันทั่ว ๆ (ต้องขอยกย่องบุคคลผู้นั้น) จึงทำให้นิสิตหญิงผู้มีพฤติกรรมเลวทรามนั้นหยุดการกระทำดังกล่าว

เหตุที่คนที่มีความประพฤติเลวทรามเช่นี้อยู่ในสังคมได้ก็เพราะพวกเราไม่เอาใจใส่ ถือว่าไม่ใช่เรื่องของตัวเอง บางทีทั้ง ๆ ที่รู้ว่าใครเป็นคนทำแต่ก็ไม่สนใจจะแจ้งให้ทราบ

เคยมีนิสิตในแลปมาบ่นกับผมเรื่องเหล่านี้เหมือนกันว่าทำไมอาจารย์ไม่จัดการ ผมก็ตอบกลับไปว่าพวกคุณก็สมรู้ร่วมคิดกับเขาโดยการช่วยกันปกปิดความผิดของเขา เพราะพอผมสอบถามว่าใครเป็นคนทำก็ได้แต่คำตอบว่าไม่รู้ รู้ไม่ก็บอกว่าอาจารย์น่าจะรู้แล้ว (ผมจะไปรู้ได้อย่างไร ในเมื่อไม่ได้อยู่ในเหตุการณ์ และไม่มีใครยอมบอกว่าใครอยู่ในเหตุการณ์บ้าง)

ครั้งก่อนเป็นเรื่อง Autoclave ครั้งนี้เป็นสาย Lan แล้วครั้งถัดไปจะเป็นอะไร

การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๔ การปรับอุณหภูมิเตา Autoclave MO Memoir : Wednesday 9 February 2554

เอกสารนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลงblog

The Deer Hunter MO Memoir : Tuesday 8 February 2554 ก่อนจะเลือนหายไปจากความทรงจำ ตอนที่ ๓

สงครามเวียดนามยุติเมื่อวันที่ ๓๐ เมษายน พ.ศ. ๒๕๑๘ (ค.ศ. ๑๙๗๕) เมื่อกองทัพเวียดนามเหนือบุกเข้ากรุงไซ่ง่อนได้ ภาพประวัติศาสตร์ในวันนั้นคือภาพรถถังเวียดนามเหนือบุกเข้าสถานฑูตสหรัฐอเมริกาประจำกรุงไซ่ง่อน ส่วนภาพในเวลาก่อนหน้านั้นคือภาพที่ชาวเวียดนามพยายามจะปีนข้ามรั้วเข้าไปในสถานฑูตสหรัฐอเมริกาเพื่อที่จะขึ้นเฮลิคอปเตอร์ลี้ภัยไปยังประเทศอื่น และฉากผู้อพยพเดินขึ้นเฮลิคอปเตอร์ที่จอดบนหลังคาสถานฑูต รูปภาพต่าง ๆ ที่กล่าวมาในย่อหน้านี้ไม่ขอเอามาลงใน Memoir นี้ ใครสนใจก็ลองค้นดูเอาเองจาก google ได้โดยใช้คำค้นหาว่า "fall of Saigon"

บาดแผลจากสงครามเวียดนามบาดลึกลงไปในจิตใจของผู้คนในประเทศสหรัฐอเมริกามาจนถึงปัจจุบัน โดยเฉพาะในส่วนของนโยบายต่างประเทศสหรัฐเรื่องเกี่ยวกับการส่งทหารไปรบนอกประเทศ นอกจากนี้ยังมีการสร้างภาพยนต์เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์จากมุมมองของบุคคลต่าง ๆ ในสงครามเวียดนามหลากหลายเรื่องราว ภาพยนต์เรื่องแรก ๆ ที่สร้างและมีการฉายหลังสงครามเวียดนามสงบคือเรื่อง "The Deer Hunter" ซึ่งนำออกฉายในปีค.ศ. ๑๙๗๘ หรือพ.ศ. ๒๕๒๑ (หาดูได้ใน Youtube นะ) ซึ่งเป็นเวลาเพียง ๓ ปีหลังสงครามสงบ แต่อย่าแปลกใจว่าคนมักเรียกเรื่องนี้ว่า "Deer Hunter" เฉย ๆ เพราะในใบโฆษณาหนังนั้นคำว่า The จะพิมพ์ไว้ขนาดเล็กกว่าคำว่า Deer Hunter มาก

ฉากที่มีชื่อเสียงและทำให้ภาพยนต์เรื่องนี้เป็นที่รู้จักและถูกบันทึกเอาไว้ในหน้าประวัติศาสตร์คือฉากการเล่น Russian roulette ซึ่งทำให้มีผู้เสียชีวิตจากการเลียนแบบฉากในภาพยนต์หลายรายในหลายประเทศทั่วโลก รวมทั้งประเทศไทยด้วย ถ้าใครไม่รู้จักว่าการเล่นดังกล่าวเป็นอย่างไรก็ลองไปค้นอ่านเอาเองก็แล้วกัน แต่ห้ามเลียนแบบเป็นอันขาด

ที่วันนี้ยกเรื่องนี้มาก็ไม่ใช่อะไรหรอก คือเมื่อวันเสาร์ที่ผ่านมาได้ดูสารคดีเรื่อง ๕๕ วันก่อนไซง่อนแตก ซึ่งเป็นเรื่องราวในเวลา ๕๕ วันสุดท้ายก่อนกองทัพเวียดนามเหนือบุกเข้ากรุงไซง่อนได้ พอเห็นสารคดีเรื่องนี้ก็เลยทำให้นึกถึงภาพยนต์เรื่อง The Deer Hunter เพราะหนังเรื่องดังกล่าวมีการเข้ามาถ่ายทำในประเทศไทยในหลายสถานที่เช่น ที่พัฒน์พงศ์ที่ใช้เป็นฉาก red light area ในกรุงไซง่อน และใช้โรงเรียนแห่งหนึ่งในกรุงเทพมหานครเป็นฉากสถานฑูตสหรัฐอเมริกา

ภาพสองภาพข้างล่างเป็นฉากในภาพยนต์ดังกล่าวตอนที่ชาวเวียดนามใต้พยายามบุกผ่านประตูหน้าเข้าไปในสถานฑูต

สิ่งที่อยากจะถามก็คือ บอกได้ไหมว่าโรงเรียนที่ถูกใช้เป็นฉากในรูปข้างบนนั้นคือโรงเรียนอะไร คำถามอาจจะยากหน่อยเพราะหนังเรื่องนี้สร้างก่อนพวกคุณเกิดหลายปี แต่รูปประตูโรงเรียนยังเหมือนเดิม

บอกใบ้ให้นิดนึงก็ได้ว่าเป็นโรงเรียนที่ผมจบมาด้วย

การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๓ อย่าด่วนสรุปเมื่อไฟตัด MO Memoir : Monday 7 February 2554

Memoir ฉบับนี้เป็นเรื่องราวต่อเนื่องมาจากฉบับที่ ๒๔๗ วันเสาร์ที่ ๒๒ มกราคม ๒๕๕๔ เรื่อง "อย่าปล่อยทิ้งไว้โดยไม่ดูแล"

ก่อนอื่นเราลองมาดูรูปที่ ๑ กันก่อนว่าวงจรไฟฟ้าของระบบ Autoclave ตัวที่เราใช้สังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยานั้นต่อกันเอาไว้อย่างไร

รูปที่ ๑ ระบบวงจรไฟฟ้าของเครื่อง Autoclave ตัวที่ใช้สังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา

๑. จากระบบไฟฟ้าของตัวอาคาร (220V AC) นั้นจะต่อเข้าเครื่อง Temperature indicator and controller (ต่อนี้ไปจะขอเรียกสั้น ๆ ว่า TIC) ซึ่งทำหน้าที่แสดงค่าอุณหภูมิและควบคุมอุณหภูมิ TIC ตัวนี้จะรับสัญญาณอุณหภูมิจาก thermocouple ที่เสียบอยู่ใน autoclave และส่งสัญญาณควบคุมการเปิด-ปิด (On-off signal) ไปยัง Magnetic switch (สำหรับ autoclave ตัวนี้เนื่องจากเครื่อง TIC ใช้ระบบเข็มชี้แสดงค่าอุณหภูมิ จึงมีการต่อพ่วงสัญญาณ thermocouple ไปยังเครื่อง Temperature indicator (ขอเรียกสั้น ๆ ว่า TI - ไม่ได้แสดงไว้ในรูป) อีกเครื่องหนึ่งที่แสดงค่าอุณหภูมิเป็นตัวเลขดิจิตอล ดังนั้นในการทำงานก็อย่าลืมเปิดเครื่อง TI เครื่องนี้ด้วย)

๒. ระบบไฟฟ้าของตัวอาคารอีกเส้นหนึ่งนั้นจะต่อเข้ากับ Magnetic switch (ตัวที่เวลาทำงานแต่ละครั้งจะมีเสียงดังและมีประกายไฟให้เห็นนั่นแหละ) Magnetic switch ตัวนี้ทำหน้าที่ควบคุมการการเปิด-ปิดกระแสไฟฟ้าไปยัง variac การทำงานของ Magnetic switch ขึ้นอยู่กับสัญญาณ On-off signal ที่ส่งมาจาก TIC ว่าจะให้จ่ายกระแสหรือยุติการจ่ายกระแส

๓. ด้านขาออกจาก Magnetic switch จะเป็นสาย 220V ต่อไปยัง variac โดยระหว่างนี้จะมีฟิวส์ชนิดหลอดแก้วติดตั้งอยู่ 1 ตัว หน้าที่ของฟิวส์หลอดแก้วคือป้องกันไม่ให้ variac ไหม้ ดังนั้นขนาดของฟิวส์ต้องไม่เกินค่ากระแสสูงสุดที่ variac รองรับได้

๔. ไฟฟ้าด้านขาออกจะต่อเข้ากับขดลวดความร้อนของ Autoclave ส่วนความต่างศักย์ด้านขาออกนี้จะเป็นเท่าไรก็ขึ้นอยู่กับว่าเราจะตั้งค่าความต่างศักย์ด้านขาออกที่ variac ไว้เท่าไร

ทีนี้เราลองกลับมาทบทวนเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นกัน

๕. มีนิสิตกลุ่มหนึ่งพบว่า พอเปิดวงจรเพื่อที่จะให้ความร้อนแก่ autoclave ก็พบว่า circuit breaker ตัดวงจรไฟฟ้าทันที และนิสิตกลุ่มนี้ก็สรุปว่า variac เสีย

๖. จากการตรวจสอบพบว่าเมื่อเปิด autoclave นั้น circuit breaker "ที่คุมการจ่ายไฟฟ้าให้กับปลั๊กไฟดั้งเดิม" ในห้องนั้นทั้งห้องจะตัดไฟทันที แต่ฟิวส์หลอดแก้วขนาด 10 A ที่ติดไว้หน้า variac นั้นไม่เกิดการหลอมจนขาด (circuit breaker ตัวนี้อยู่ในห้องควบคุมไฟฟ้าที่อยู่ด้านข้างลิฟต์ส่งของ ขนาดของ breaker ตัวนี้คือ 10 A ทำหน้าที่ควบคุมการจ่ายไฟให้กับปลั๊กไฟที่มีมาเมื่อแรกสร้างอาคาร ส่วนปลั๊กส่วนใหญ่ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันเป็นการเดินเพิ่มเติมภายหลัง)

๗. จากนั้นได้ทำการทดสอบโดยได้ปลดสายไฟด้านขาออกของ variac ที่จ่ายไฟไปยัง autoclave ออก ปรากฏว่า circuit breaker ไม่ตัดไฟ และเมื่อทดสอบแรงดันด้านขาออกของ variac ก็พบว่า variac ทำงานเป็นปรกติดี แต่ถ้าต่อวงจรด้านขาออกไปยัง autoclave ก็พบว่า circuit breaker จะตัดไฟเหมือนเดิม

๘. สมมุติฐานแรกคือปัญหาอาจอยู่ที่ autoclave จึงได้ให้สาวน้อยผมยาวจากชายแดนใต้และคู่หูของเขายกเอา autoclave ออกมา (ตอนแรกก็มีการมาบ่นว่ามันหนักนะคะ แต่ผมก็ตอบกลับไปว่าแต่ก็ต้องยกมันออกมาอยู่ดี ไม่เช่นนั้นก็ไม่สามารถตรวจสอบได้ สุดท้ายเขาก็ต้องยกเอามันออกมาอยู่ดี จะว่าไปแล้วมันก็ไม่ได้หนักเกินแรงคน ๆ เดียวที่จะยกมันได้)

๙. การตรวจสอบเริ่มแรกโดยการใช้ multi-meter วัดความต้านทานของ pyrobar (ตัวให้ความร้อนแก่เตา) แต่ละตัว และวัดความต้านทานรวมของ pyrobar ที่ต่ออนุกรมกันไว้ (ตัวเตามี pyrobar อยู่ 6 ตัว ต่อเป็น 2 วงจรขนานกัน แต่ละวงจรมี pyrobar 3 ตัว) ซึ่งก็ไม่พบความผิดปรกติใด ๆ จึงได้ให้ทำการขัดสนิมบริเวณจุดเชื่อมต่อวงจรไฟฟ้าแต่ละจุด และทำการประกอบกลับเข้าไปใหม่

๑๐. เมื่อนำ autoclave ติดตั้งกลับเข้าที่เดิมและทำการทดสอบใหม่ ปรากฏว่าคราวนี้สามารถทำงานได้เป็นปรกติดังเดิม circuit breaker ไม่มีการตัดไฟ

ณ ขณะนี้มีสิ่งที่ผมยังเคลือบแคลงใจอยู่ก็คือ ถ้า circuit breaker ตัดไฟก็แสดงว่าในระบบน่าจะมีการลัดวงจรไฟฟ้าที่ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลเข้ามากเกินไป แต่การที่มีสนิมเกาะตามขั้วต่าง ๆ นั้นจะทำให้ไฟฟ้าไหลเข้าไม่สะดวก ซึ่งเป็นการจำกัดการไหลของกระแส ดังนั้น circuit breaker จึงไม่น่าจะทำงาน อีกสาเหตุหนึ่งที่สงสัยคือตัว circuit breaker เองเริ่มเสื่อมสภาพหรือเปล่า แต่การตรวจซ่อมตรงนี้ต้องให้เจ้าหน้าที่ของอาคารมาเป็นผู้ตรวจสอบ

แต่เนื่องจากพบว่าปัญหามันหายไป ก็เลยอนุญาตให้เขาใช้งาน autoclave กันต่อไป ซึ่งก็ไปเกิดปัญหาอีกเรื่องหนึ่งแทนคือเรื่องที่มีการรั่วซึมที่ได้เล่าไว้ในฉบับที่ ๒๕๔ วันเสาร์ที่ ๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๔ เรื่อง "ปะเก็น Autoclave"

๑๑. พอแก้ปัญหาเรื่องการรั่วซึมเสร็จก็นำ Autoclave มาใส่ในเตาอีกครั้ง คราวนี้พบว่าเมื่อเปิดสวิตช์ให้ไฟเข้า Autoclave ตัว circuit breaker ก็จะตัดไฟทันที

๑๒. คราวนี้ก็เลยต้องมาตรวจสอบกันใหม่อีกครั้ง โดยทดลองนำเอา variac ตัวใหม่มาเปลี่ยน ซึ่งก็พบว่าเกิดปัญหาเหมือนเดิม กล่าวคือ circuit breaker ตัดไฟทันทีเมื่อจ่ายไฟเข้า autoclave

๑๓. ถัดมาก็ทดสอบโดยการต่อไฟตรงเข้าไปยังขดลวดความร้อนของ Autoclave เลย ก็พบว่ายังเกิดปัญหาดังเดิม

๑๔. ทีนี้ทดลองใหม่โดยดึงไฟฟ้ามาจากวงจรอื่น ซึ่งก็พบว่าปัญหาหายไป กล่าวคือตัว heater ของ Autoclave ทำงานได้เต็มที่โดยที่ฟิวส์หลอดแก้วไม่มีการหลอม (นั่นแสดงว่าไม่ได้มีกระแสรั่วไหลที่ตัว furnace ของ Autoclave)

ณ ขณะนี้จึงทำให้ได้ข้อยุติว่าปัญหาน่าจะเกิดจากการที่วงจรไฟฟ้าที่จ่ายไฟให้กับ Autoclave นั้นมีการดึงกระแสไฟจนเกือบเต็มกำลังแล้ว และเนื่องจากในช่วงที่ผ่านมาได้หยุดการใช้งาน Autoclave ไปนาน ทำให้ไม่ทราบว่ามีการติดตั้งอุปกรณ์ ณ บริเวณอื่นเพิ่มเติมที่ใดบ้าง ทันทีที่จ่ายไฟให้กับ heater ของ Autoclave จึงทำให้กระแสไหลเข้าสูงเกินไป circuit breaker จึงทำงานด้วยการตัดกระแสไฟฟ้าเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดอันตรายกับสายไฟ

กว่าจะแก้ปัญหาได้ก็หมดไป ๓ สัปดาห์ ถ้าเป็นกลุ่มอื่นก็คงใช้วิธีหลีกเลี่ยงไปใช้เครื่องอื่นแทน (ซึ่งในความเป็นจริงก็คือตอนที่เครื่องนี้มีปัญหา Autoclave อีกสองเครื่องที่มีอยู่ก็ยังใช้งานไม่ได้) หรือไม่ก็รอให้ใครสักคนไปตามหรือยกเอาเครื่องไปให้ช่างซ่อม ซึ่งรับรองได้ว่าต้องมีการเปลี่ยน pyrobar และเสียค่าใช้จ่ายไม่ต่ำกว่าหมื่นบาทแน่

แต่สำหรับผมเองถือว่าเรื่องพวกนี้เป็นเกมส์ลับสมอง และเป็นแบบฝึกหัดที่ดีสำหรับพวกคุณก่อนที่จะต้องเข้าไปทำงานจริงในโรงงานต่าง ๆ ซึ่งในเวลานั้นพวกคุณจะต้องเป็นคนลงมือและคิดเอง ไม่ได้มีผมเป็นคนสาธิตให้ดู หวังว่าใครที่ได้เข้ามาสัมผัสกับปัญหานี้จะจำปัญหานี้ได้ขึ้นใจ

ไหน ๆ ก็เขียนเรื่อง Autoclave ต่อเนื่องกัน ๓ ฉบับแล้ว ฉบับหน้าก็ว่าจะเขียนเรื่องเทคนิคการควบคุมอุณหภูมิ แต่ต้องขอทราบคำตอบที่แน่นอนจากสาวน้อยผมยาวจากชายแดนใต้ก่อนว่า คำแนะนำที่ให้ไปปฏิบัตินั้นใช้ได้ผลหรือไม่ ตอนที่เท่าที่ทราบคร่าว ๆ คือคำแนะนำที่ให้ไปนั้นน่าจะใช้การได้