รู้ทันนักวิจัย (๙) อยากให้มีพีคก็จัดให้ได้ MO Memoir : Tuesday 6 March 2561

การได้มาซึ่งตัวอย่าง

การเก็บรักษาตัวอย่างหลังจากที่ได้รับมา

การเตรียมตัวอย่างให้พร้อมกับการวิเคราะห์

การปรับตั้งอุปกรณ์วิเคราะห์ก่อนทำการวิเคราะห์ตัวอย่าง

สิ่งต่าง ๆ ที่กล่าวมาข้างต้นต่างมีโอกาสที่จะส่งผลต่อข้อมูลดิบที่ได้จากการวิเคราะห์ด้วยเครื่องวิเคราะห์

ชนิดของอัลกอริธึมทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการปรับแต่งข้อมูลดิบ

ก็สามารถตกแต่งการแปลผลว่าจะให้ออกไปในทิศทางไหนก็ได้

อุปกรณ์วัดที่เป็นอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความว่องไวสูง ก็จะไวต่อสิ่งรบกวนต่าง ๆ ด้วย หลากหลายเครื่องมือวิเคราะห์ทางเคมี เช่น X-ray diffractometer (XRD), Gas chromatograph (GC), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) จะให้เส้น base line ที่ไม่เรียบ แต่จะมีการเต้นกระโดดขึ้นลงไปมา ซึ่งเป็นเรื่องปรกติของมัน อันเป็นผลที่เกิดจากปัจจัยหลากหลาย เช่น การรบกวนจากตัวอุปกรณ์วัดเอง สิ่งปนเปื้อนที่ตกค้างอยู่ไม่สามารถกำจัดออกจากระบบได้หมด เป็นต้น ยิ่งการวิเคราะห์นั้นเป็นการวิเคราะห์ในระดับที่เข้าใกล้กับขีดจำกัดที่น้อยที่สุดที่อุปกรณ์วัดนั้นสามารถวัดได้ การแยกแยะว่าสิ่งที่เห็นนั้นเป็น สิ่งปนเปื้อน สัญญาณรบกวน หรือการมีอยู่ของสิ่งที่ต้องการตรวจสอบ ก็ยิ่งทำได้ยากขึ้น
 

ตัวอย่างเช่นตัวเร่งปฏิกิริยา MoO₃-MgO/TiO₂ (10 wt% MoO₃ 1 wt% MgO) และ WO₃-MgO/TiO₂ (7 wt% WO₃ 1 wt% MgO) ที่นำมาเป็นตัวอย่างในวันนี้ เตรียมด้วยวิธี wet impregnation โดยใช้เกลือโลหะที่มี N เป็นองค์ประกอบ ((NH₄)₆Mo₇O₂₄ ในกรณีของโลหะ Mo และ (NH₄)₁₀H₂(WO₇)₆.xH₂O ในกรณีของโลหะ W) และทำการปรับค่า pH ของสารละลาย (ถ้าจำเป็น) ด้วยสารละลาย HNO₃ หรือ NH₄OH ในระหว่างกระบวนการเตรียม จะมีการนำตัวเร่งปฏิกิริยาไปเผาในอากาศที่อุณหภูมิ 500ºC เป็นเวลาอย่างน้อย 2 ชั่วโมงเพื่อให้เหลือแต่โครงสร้างโลหะออกไซด์บนพื้นผิว (พวกแอมโมเนียมหรือไนเทรตควรที่จะสลายตัวไปหมด)
 

ผมได้ให้นิสิตป.โท ในที่ปรึกษาส่งตัวอย่างทั้งสองไปวิเคราะห์ด้วยเครื่อง XPS เพื่อที่จะตรวจสอบดูว่ายังมีธาตุ N ตกค้างอยู่บนตัวเร่งปฏิกิริยาหรือไม่ การวิเคราะห์ด้วยเทคนิค XPS นี้ต้องกระทำในภาวะสุญญากาศยวดยิ่ง (Ultra High Vacuum หรือ UHV) ซึ่งโดยปรกติแล้วควรอยู่ที่ระดับ 10^-6 Pa หรือต่ำกว่า
 

ในการวิเคราะห์นั้นหลังจากที่ได้ทำ survey scan แล้ว ก็จะทำการวัดละเอียดตรงบริเวณค่าพลังงานยึดเหนี่ยว (หรือ binding energy ที่มีหน่วยเป็นอิเล็กตรอนโวลต์ eV) สำหรับธาตุ N นั้นจะอยู่ที่บริเวณ 400 eV โดยในการวัดละเอียดนั้นทางผู้ทำการวิเคราะห์ทำการสแกนค่าทีละ 0.1 eV โดยวัดที่แต่ละตำแหน่งนาน 0.2985 วินาทีก่อนย้ายไปวัดที่ตำแหน่งถัดไป และทำการสแกนซ้ำทั้งหมด 3 ครั้ง ข้อมูลดิบที่ได้จากการวิเคราะห์แสดงไว้ในรูปที่ ๑ และ ๒ รูปบน ส่วนรูปกลางนั้นเป็นแนวเส้น base line ที่ซอร์แวร์ของเครื่องประมาณให้ (เส้นสีแดง) เทียบกับข้อมูลที่ได้จากการวัด (เส้นสีม่วง) และรูปล่างนั้นเป็นผลที่ได้จากการทำ peak deconvolution เพื่อหาว่ามีพีคที่ตำแหน่งใดบ้าง

ลองดูกราฟเอาเองเล่น ๆ กันก่อนนะครับ :) :) :)

รูปที่ ๑ กราฟ XPS ของตัวเร่งปฏิกิริยา MoO₃-MgO/TiO₂ (บน) ข้อมูลดิบที่ได้จากการวิเคราะห์ (กลาง) เมื่อใช้โปรแกรมของเครื่องทำการหาแนวเส้น base line และ (ล่าง) ผลการทำ deconvolution การวิเคราะห์ทำที่ความดัน 4.9 x 10^-6 Pa ตำแหน่ง Binding energy ของ C 1s อยู่ที่ 285.6 eV โดยมีพื้นที่ของพีค 7066.1 cps eV

รูปที่ ๒ กราฟ XPS ของตัวเร่งปฏิกิริยา WO₃-MgO/TiO₂ (บน) ข้อมูลดิบที่ได้จากการวิเคราะห์ (กลาง) เมื่อใช้โปรแกรมของเครื่องทำการหาแนวเส้น base line และ (ล่าง) ผลการทำ deconvolution การวิเคราะห์ทำที่ความดัน 4.7 x 10^-6 Pa ตำแหน่ง Binding energy ของ C 1s อยู่ที่ 285.7 eV โดยมีพื้นที่ของพีค 7019.4 cps eV

base line ที่เต้นไปมา (แบบกราฟบนสุดในรูปที่ ๑ และ ๒) เป็นผลจากสัญญาณรบกวนที่เรียกว่า "Noise" ตัว noise นี้ทำให้ค่า y ที่วัดได้ ณ ค่า x หนึ่งนั้นไม่คงที่ มีการขึ้น ๆ ลง ๆ แม้ว่าจะไม่มีตัวอย่างใส่ไว้ในเครื่องก็ตาม วิธีการหนึ่งที่สามารถลดขนาดของ noise ได้ก็คือการทำการวัดซ้ำ ซึ่งอาจจะทำโดยการเพิ่มเวลาการวัดค่า y ณ ตำแหน่ง x ใด ๆ ให้นานขึ้น หรือทำการวัดซ้ำในช่วงค่า x ที่สนใจหลาย ๆ ครั้งแล้วนำค่าที่ได้นั้นมาเฉลี่ย ซึ่งจะพบว่าเมื่อทำไปได้ถึงระดับหนึ่งจะได้ขนาดของ noise ที่เล็กที่สุด และแม้ว่าจะทำการวัดซ้ำเพิ่มขึ้นไปอีกก็จะพบว่าขนาดของ noise นั้นไม่ได้ลดต่ำลงกว่านั้นแล้ว ขนาดของ noise ก็คือช่วงระหว่างค่าสูงกับค่าต่ำของสัญญาณที่วัดได้ อย่างเช่นกราฟบนในรูปที่ ๑ และ ๒ นั้นจะเห็นว่า noise มีขนาดประมาณ 50 cps
 

ส่วนที่ว่าต้องวัดซ้ำกี่ครั้งหรือควรใช้เวลานานเท่าใดในการวัดค่า y ณ ตำแหน่ง x ใด ๆ นั้นก็ขึ้นอยู่กับแต่ละตัวอย่างแต่ละอุปกรณ์ มันไม่มีกฎเกณฑ์แน่นอนตายตัว (ผมเคยวัด FTIR ตัวอย่างที่เป็นผง เวลาวัดด้วยการผสมกับ KBr พบว่าวัดเพียงแค่ประมาณ 10 รอบก็ได้ผลที่ใช้ได้แล้ว แต่พอเล่นกับตัวอย่างที่ไม่ผสม KBr กลับต้องวัดถึง 500-1000 รอบ แถมยังต้องไปลดความเร็วการเคลื่อนที่ของ moving mirror ลงอีก ตรงนี้ดูตัวอย่างเพิ่มเติมได้ใน Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๒๗๕ วันเสาร์ที่ ๑๒ พฤศจิกายน ๒๕๕๙ เรื่อง "สแกนกี่รอบดี (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๘๕)")
 

โดยทั่วไปสิ่งที่มักจะถือปฏิบัติกันก็คือจะถือว่ามี "การเปลี่ยนแปลง" หรือ "สัญญาณ (Signal)" ก็ต่อเมื่อขนาดการเปลี่ยนแปลงนั้นใหญ่กว่าขนาดของ noise โดยอย่างแรกต้องทำการพิจารณาว่าขนาดการเปลี่ยนแปลงนั้นมีมากน้อยเท่าใด โดยดูได้จากค่าอัตราส่วนระหว่างขนาดของสัญญาณต่อขนาดของ noise หรือที่เรียกว่า Singnal to Noise ratio หรือเขียนย่อว่าค่า S/N โดยตัวไปมักจะถือว่าการเปลี่ยนแปลงที่น้อยที่สุดที่ถือว่าเป็นสัญญาณได้นั้นควรมีค่า "S/N ไม่ต่ำกว่า 2"
 

แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าถ้าค่า S/N ต่ำกว่า 2 แล้วจะใช้ไม่ได้นะครับ เพียงแต่ว่าควรต้องทำการทดสอบเพิ่มเติมอีกเพื่อให้มั่นใจว่าสิ่งที่เห็นนั้นเป็น signal ที่มีขนาดต่ำมากจริง ๆ (ตัวอย่างเรื่องนี้อ่านเพิ่มเติมได้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๗๐ วันพุธที่ ๒๗ มิถุนายน ๒๕๕๕ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๓๗ Noise หรือ Peak" และปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๖๖ วันศุกร์ที่ ๑๓ กันยายน ๒๕๕๖ เรื่อง "ค่า signal to noise ratio ที่ต่ำที่สุด")

มาถึงจุดนี้ ถ้าคุณกลับไปดูกราฟบนในรูปที่ ๑ และ ๒ ใหม่ คุณคิดว่ามันมี peak อยู่ตรงไหนบ้างครับ

ประการถัดมาที่อยากให้พึงระลึกไว้ก็คือ base line ไม่จำเป็นต้องเป็นเส้นตรงเสมอไป ตรงนี้ขึ้นอยู่กับชนิดตัวตรวจวัดว่ามันไวต่ออะไรบ้าง และสิ่งที่เราทำการวัดนั้นมีปราฏการณ์อื่นเกิดขึ้น ณ ตำแหน่ง x ที่เราต้องการวัดค่า y หรือไม่ (อย่างเช่นในกรณีของ XPS มันจะมีบางช่วงที่ต้องลาก base line แบบที่มีชื่อว่า Shirley baseline) และเพื่อให้ข้อมูลดิบนั้นมันดูง่ายขึ้น ก็เลยมีการคิดค้นเทคนิคทางคณิตศาสตร์ต่าง ๆ มาเพื่อทำการจัดการกับ noise ที่มักจะเรียกกันว่าการทำ "Smoothing" หรือการปรับเส้น base line ให้เรียบ ซึ่งแน่นอนว่าการใช้เทคนิคที่แตกต่างกัน หรือใช้เทคนิคเดียวกัน ก็ทำให้ได้เส้น base line ที่แตกต่างกันได้ การปรับเส้น base line ให้เรียบนี้มีทั้งการคงเส้น base line ให้อยู่ ณ บริเวณค่า y ที่วัดได้ (เช่นกราฟรูปกลางในรูปที่ ๑ และ ๒) และการปรับย้ายตำแหน่งโดยย้ายเส้น base line มาอยู่ที่ค่า y = 0 (กราฟรูปล่างในรูปที่ ๑ และ ๒)

"Deconvolution" เป็นกระบวนการหนึ่งทางคณิตศาสตร์ที่สามารถบ่งบอกได้ว่าฟังก์ชันผลรวมที่เราเห็นนั้น ประกอบด้วยฟังก์ชันย่อยกี่ฟังก์ชัน และแต่ละฟังก์ชันมีขนาดเท่าใด ตำแหน่ง จำนวน และขนาดของฟังก์ชันย่อยแต่ละฟังก์ชันย่อยที่ได้ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่น เราเลือกชนิดฟังก์ชันย่อยได้ถูกต้องกับปรากฏการณ์หรือไม่ การเลือกจำนวน ขนาด และตำแหน่ง ของฟังก์ชันย่อยที่ใช้เป็นจุดเริ่มต้นในการหาคำตอบ
 

ตัวอย่างเช่นจากประสบการณ์ที่ผ่านมา (ด้วยการใช้โปรแกรม fityk) การทำการ peak deconvolution สัญญาณ UV-Vis การเลือกฟังก์ชันย่อยเป็นชนิด Gaussian distribution ที่สมมาตรทั้งซ้ายและขวาจะให้ผลที่ออกมาดี ในขณะที่ถ้าเป็นโครมาโทแกรมของ GC นั้น การเลือกฟังก์ชันย่อยเป็นชนิด Gaussian distribution ที่ไม่สมมาตร (คือซ้าย-ขวา กว้างไม่เท่ากัน) จะให้ผลที่ออกมาดี
 

แต่พอเป็นกรณีของผล XRD นั้นพบว่า บางครั้งการใช้ Gaussian distribution ที่สมมาตรก็ให้ผลที่ดี และบ่อยครั้งที่พบว่าการใช้ Lorentzian หรือ Voigt distribution นั้นให้ผลที่ออกมาตรงกับความเป็นจริงมากกว่า (เรื่องนี้เคยเขียนเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๖๑ วันศุกร์ที่ ๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๔ เรื่อง "XRD - peak fitting" และปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๘๓ วันเสาร์ที่ ๑๒ ตุลาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "XRD - peak fitting (ตอนที่ ๒)")
 

กราฟรูปล่างสุดในรูปที่ ๑ และ ๒ เป็นผลจากการปรับ base line ให้เรียบ ย้ายตำแหน่ง base line มาอยู่ที่ระดับ y = 0 และการทำ peak deconvolution ผลที่ได้ก็คือกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยา MoO₃-MgO/TiO₂ นั้นตัวซอร์ฟแวร์แปลผลว่ามี N จำนวน 2 สปีชีย์อยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา และในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยา WO₃-MgO/TiO₂ นั้นตัวซอร์ฟแวร์แปลผลว่ามี N จำนวนถึง 5 สปีชีย์อยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา แต่สิ่งสำคัญที่อยากให้พึงสังเกตก็คือ "ความสูง" ของแต่ละพีคที่ซอร์ฟแวร์จัดทำให้ในกราฟรูปล่างนั้น มันไม่ได้มีขนาดที่ใหญ่กว่าขนาดของ nosie เลย (ขนาดของ noise อยู่ที่ประมาณ 50 cps) อีกประเด็นที่เป็นเรื่องสำคัญสำหรับผลการวิเคราะห์นี้ก็คือ ตัวอย่างนั้นมีการสแกนเพียงแค่ 3 รอบเท่านั้นเอง (จากประสบการณ์ของผมที่เคยใช้เครื่องนี้เมื่อหลายปีที่แล้วพบว่าจำนวนรอบการสแกนมันน้อยไปมาก) ซึ่งยังไม่เพียงพอที่จะทำให้ขนาดของ noise ที่วัดได้นั้นลดต่ำลงจนเหลือน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

สำหรับนิสิตที่ผมเป็นอาจารย์ที่ปรึกษา ผมจะบอกกับนิสิตเสมอว่าผลการวิเคราะห์ที่จะนำมาถกเถียงกันนั้นขอเป็นตัวข้อมูลดิบที่ได้จากการวัดจริง อย่าเพิ่งนำไปผ่านกระบวนการใด ๆ เพื่อให้มันดู "ดีขึ้น" หรือให้ตรงกับความต้องการของตัวเอง เพราะการนำไปผ่านกระบวนการทางคณิตศาสตร์นั้นมันทำได้ทั้งทำให้สิ่งที่มีนั้นหายไป และสิ่งที่ไม่มีนั้นปรากฏขึ้น และถ้าจำนำเสนอข้อมูลที่ผ่านกระบวนการทางคณิตศาตร์แล้ว ก็ควรนำเสนอข้อมูลดิบแนบเอาไว้ด้วย เพื่อที่จะได้ตรวจสอบได้ว่ามีการบิดเบือนผลการวัดหรือไม่

ผลการวิเคราะห์ที่นำมาเป็นตัวอย่างในวันนี้ เป็นตัวอย่างที่เตรียมโดยใช้สารตั้งต้นที่มีธาตุ N เป็นองค์ประกอบ และแม้ว่าการวิเคราะห์นั้นจะทำในสุญญากาศ แต่ก็ยังมีอากาศ (แก๊สผสมระหว่างไนโตรเจน + ออกซิเจน) ตกค้างอยู่ภายในตัวเครื่องและภายใน "รูพรุน" ของตัวอย่าง (ปริมาณแก๊สที่ตกค้างอยู่ในรูพรุนดูได้จากการเปลี่ยนแปลงความดันภายในห้องวิเคราะห์เมื่อเริ่มทำการฉายรังสีเอ็กซ์ลงไปบนตัวอย่าง) โดยความเห็นส่วนตัวของผม กราฟข้อมูลดิบ (รูปบน) ทั้งในรูปที่ ๑ และ ๒ นั้นผมถือว่าไม่มีพีค และถ้าหากเห็นพีคเล็ก ๆ ที่สงสัยว่าเป็นพีคไนโตรเจน ก็ยังไม่สามารถที่จะบอกได้ว่าเป็นพีคของสารประกอบไนโตรเจนที่อยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา (ไม่จำเป็นต้องแทรกเข้าไปในโครงร่างผลึก) หรือมาจากแก๊สไนโตรเจนที่ค้างอยู่ในระบบ 
 

แต่พักหลัง ๆ นี้ ที่เห็นบ่อยขึ้นก็คือมีนักวิจัยจำนวนไม่น้อยที่พยายาม "ทำอย่างไรก็ได้" เพื่อให้ข้อมูลดิบที่ได้มานั้น "มีพีคเกิดขึ้นในตำแหน่งที่ต้องการ"