การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๓๗ Noise หรือ Peak MO Memoir : Wednesday 27 June 2555

สัญญาณหลายชนิดที่ออกมาจากตัวตรวจวัดต่าง ๆ ของอุปกรณ์ที่ใช้ในห้องแลปเรานั้น (เช่น GC XRD NH₃-TPD หรือ TGA) ถ้าเรานำมาขยายจะพบว่ามีลักษณะเป็นเส้นที่ไม่เรียบ มีการเต้นไปเต้นมาที่เรียกว่าสัญญาณรบกวนหรือ noise อยู่ในระดับหนึ่ง (สมมุติว่าให้มีขนาด N) โดยทั่วไปถ้าการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณ (Signal) นั้นมีขนาดไม่มากเกินกว่า 2 เท่าของขนาดของ noise ก็ไม่ควรถือว่ามีการเปลี่ยนแปลงที่มีนัยสำคัญ

ที่มาของ noise นั้นมาจากหลายแหล่ง ขึ้นอยู่กับว่าอุปกรณ์วัดนั้น sensitive ต่อการเปลี่ยนแปลงของอะไรบ้าง ปรกติถ้าเราตั้งค่าความไว (sensitivity) ของตัวตรวจวัด (detector) ให้สูง (กล่าวคือไวต่อการเปลี่ยนแปลงน้อย ๆ) noise ก็จะมากตามไปด้วย

ขนาดของ noise ประมาณได้จากขนาดการเปลี่ยนแปลงของเส้น base line ระหว่างค่าสูงสุดถึงค่าต่ำสุด แต่ทั้งนี้ก็ต้องไม่นำค่าที่ลดต่ำลงผิดปรกติหรือขึ้นไปสูงผิดปรกติเมื่อเทียบกับตำแหน่งอื่น ๆ ของสัญญาณ และก็ต้องระวังการอ่านค่าที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วผิดปรกติด้วย (เช่นกระโดยสูงขึ้นหรือลดต่ำลงกระทันหัน) เพราะบ่อยครั้งพบว่าการเปลี่ยนแปลงที่เห็นว่ามีการกระชากขึ้นหรือลดอย่างรวดเร็วนั้นมีสาเหตุจากระบบไฟฟ้าของอุปกรณ์หรือระบบจ่ายไฟ

การอ่านสัญญาณจะถือว่ามีการเปลี่ยนแปลงก็ต่อเมื่อขนาดของสัญญาณ (Signal) ต่อขนาดของสัญญาณรบกวน (Noise) ที่เรียกว่า Signal to noise ratio หรือ S/N นั้นต้องมีค่ามากกว่า 2

รูปที่ ๑ โครมาโทแกรมที่ได้จาก GC-2014 ECD & PDD ทั้งสองเส้นเป็นสัญญาณจาก Electron Capture Detector (ECD) ที่ขยายขึ้นมา จะสังเกตเห็นว่ามีพีคอยู่ ๑ ตำแหน่งตรงลูกศรสีเขียวชี้

แต่การอ่านว่ามีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเมื่อค่า S/N นั้นอยู่ใกล้ 2 ก็ต้องระวังเหมือนกัน ไม่ใช่ว่าเห็นอะไรที่มันเปลี่ยนแปลงเยอะ ๆ ก็ตีความหมายว่ามีการเปลี่ยนแปลงที่มีนัยสำคัญไปหมด

รูปที่ ๑ เป็นโครมาโทแกรมที่ได้จากการวิเคราะห์แก๊สผสมระหว่าง NO_x (เข้มข้นระดับ ppm) ในแก๊สไนโตรเจนโดยใช้ตัวตรวจวัดชนิด Electron Capture Detector (ECD) จุดที่เป็นที่สงสัยคือในการวิเคราะห์ครั้งแรก (เส้นสีดำ) นั้นมีสิ่งที่สงสัยว่าจะเป็นพีคหรือไม่เกิดขึ้นที่เวลาประมาณ 14.5 นาที (ตรงลูกศรสีเขียว) จึงได้ทำการวิเคราะห์ซ้ำอีกครั้ง (เส้นสีม่วง)

จากการเปรียบเทียบโครมาโทแกรมทั้งสองจะเห็นว่าถ้าเป็น noise แล้ว ตำแหน่งที่เกิดเหมือนพีคและขนาดที่เห็นนั้นจะไม่ซ้ำเดิม แต่ถ้าเป็นพีคการเปลี่ยนแปลงจะเห็นตำแหน่งที่เริ่มเกิด ตำแหน่งสูงสุด ตำแหน่งสิ้นสุด และขนาดนั้นประมาณเหมือนกัน ดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบโครมาโทแกรมทั้งสองเส้นแล้วสามารถสรุปได้ว่าการเปลี่ยนแปลงที่เห็น ณ ตำแหน่งเวลาประมาณ 14.5-15.0 นาทีนั้นเป็นพีคเล็ก ๆ

เคยเจอหลายครั้งแล้วที่ผู้ทำงานวิจัยต้องการให้มีพีค ณ ตำแหน่งที่ตนเองต้องการ ถึงกับเอา noise มาขยายและพยายามอ่าน noise ให้เป็นพีค (แม้ไม่ได้อ่านสัญญาณเองก็ยังบังคับให้นิสิตที่ทำการทดลองให้ต้องไปหาพีคมาให้ได้) อีกพวกหนึ่งก็คือจะใช้ software (ซึ่งอาจเป็นโปรแกรมที่มากับอุปกรณ์หรือดาวน์โหลดมาจากที่อื่น) ทำ base line ให้เรียบ พอเห็นตำแหน่งไหนไม่ราบเรียบก็จะอ่านเป็นพีคทันที แต่โปรแกรมที่ทำ base line ให้เรียบนั้นมักจะลบ noise ขนาดเล็กออกไป แต่ noise ขนาดใหญ่ยังคงอยู่

มีครั้งหนึ่งมีคนมาถามผมว่าสัญญาณของเขาถ้าเอาไปทำ deconvolution (การแยกสัญญาณที่เห็นว่าว่าประกอบด้วยพีคย่อยขนาดเท่าใด อยู่ที่ตำแหน่งไหนบ้าง รวมกันอยู่) จะได้พีคตรงตำแหน่งที่เขาต้องการหรือไม่ ผมก็ตอบกลับไปว่าสัญญาณแบบนี้ต้องการจะให้มีพีคตรงไหนก็ได้ทั้งนั้น เพราะมันเป็น noise

แต่ที่หนักที่สุดคือไม่ว่าจะทำอย่างไรมันก็ไม่มีพีคตรงตำแหน่งที่ต้องการ ก็บอกให้นิสิตที่ดูแลเขียนลงไปเลยว่าพบพีคที่ตำแหน่งดังกล่าว เพื่อจะได้นำผลการวิเคราะห์ (ที่มั่วขึ้นมาเอง) ดังกล่าว ส่งไปตีพิมพ์บทความในวารสารวิชาการนานาชาติ