淺談DSC8000型差示掃描量熱儀的智能校正

（中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司 生物源纖維制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100025）

1 引言

差示掃描量熱儀（DSC）是研究合成纖維的熱性能的重要儀器[1]，根據(jù)設(shè)計(jì)原理不同主要分為兩種類型：功率補(bǔ)償型和熱流型[2]。功率補(bǔ)償型DSC是PerkinElmer 公司的獨(dú)有技術(shù)，經(jīng)過DSC 2、DSC 7、Pyris 1 DSC、Diamond DSC 等幾代升級(jí)，其目前最新型號(hào)為DSC 8000/8500。DSC8000/8500 采 用 雙爐體設(shè)計(jì)，直接測(cè)量能量，而非溫度差，可以實(shí)現(xiàn)等溫操作（ΔT0），輕質(zhì)爐體可實(shí)現(xiàn)極快地升降溫，且無過沖及溫度滯后現(xiàn)象，可得到最佳的量熱精度為0.03%，因此特別適用于科研工作者的研發(fā)工作。

相較于Pyris-1 DSC 儀器，DSC8000新增了智能校正（SmartScan）功能，本文對(duì)此功能的原理、操作及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了探討。

2 智能校正的原理

對(duì)Pyris-1 DSC 儀器而言，其在進(jìn)行儀器校正時(shí)需要進(jìn)行四項(xiàng)任務(wù)，具體為通過調(diào)整曲率、斜率實(shí)現(xiàn)基線最佳化[3]、樣品溫度校正、爐子校正以及熱流校正，最終得到含有最佳基線參數(shù)、樣品溫度校正參數(shù)、爐子溫度校正參數(shù)、熱流校正參數(shù)的校正表。

對(duì)于DSC8000 而言，在正常校正完成后，最新DSC 軟件新增了智能校正（SmartScan）功能，因此在進(jìn)行儀器校正時(shí)，可選擇最后一步進(jìn)行SmartScan 項(xiàng)目?？梢?，智能校正是進(jìn)一步優(yōu)化基線的一種軟件措施，它的本質(zhì)與基線最佳化中對(duì)曲率和斜率的更改有本質(zhì)的不同。在進(jìn)行智能校正之前已完成基線最佳化，因此基線質(zhì)量是比較好的。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行智能校正的本質(zhì)是進(jìn)一步改進(jìn)基線，并存儲(chǔ)改進(jìn)后的基線數(shù)據(jù)，在使用包含智能校正項(xiàng)目的校正表測(cè)試時(shí)，基線數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)扣除，因此稱為智能校正。

傳統(tǒng)扣基線和SmartScan 兩種方法都是用于改進(jìn)基線質(zhì)量的，不同點(diǎn)在于扣基線方法以dq/dtt（熱流時(shí)間）的形式保存基線數(shù)據(jù)，因此不能用于包含等溫步驟的實(shí)驗(yàn)程序；而SmartScan 以dq/dtT（熱流溫度）的形式保存基線數(shù)據(jù)，所以可用于包含等溫步驟的實(shí)驗(yàn)程序，但SmartScan 所依據(jù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)要少得多。

3 智能校正的操作方法

理解智能校正的原理和功能之后，可以在實(shí)驗(yàn)工作中利用它改善基線。以下具體介紹智能校正的操作方法：

1）完成熱流校正之后，點(diǎn)擊“Next”，彈出SmartScan 校正對(duì)話框（如圖1所示）。

2）在圖1所示的對(duì)話框中選定“Enable SmartScan”（激活智能校正）項(xiàng)目。在圖1所示的對(duì)話框的下部選擇進(jìn)行智能校正的條件，包括起始溫度、終止溫度、校正點(diǎn)數(shù)，智能校正所需時(shí)間。選擇“Calibration Points”（校正點(diǎn)數(shù)，范圍為10～20）的原則是：選用數(shù)值越大，效果越好，但所用時(shí)間越長(zhǎng)，例如采用低掃描速率（如5℃/min）時(shí)，由于掃描持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可增加校正點(diǎn)數(shù)目；采用高掃描速率時(shí)，由于掃描持續(xù)時(shí)間短，可減少校正點(diǎn)數(shù)目，但不小于10。“Duration”是 完 成SmartScan 所需時(shí)間，它不是人工輸入值，而是軟件根據(jù)起始溫度、終點(diǎn)溫度、校正點(diǎn)數(shù)計(jì)算給出的。

3）核對(duì)設(shè)置參數(shù)無誤，點(diǎn)擊“Start”開始，彈出圖2所示的提示對(duì)話框，確定樣品爐與參比爐為空之后，點(diǎn)擊OK，關(guān)閉該提示框，開始智能校正掃描。

智能校正期間的掃描曲線如圖3所示。由圖可見，“校正點(diǎn)數(shù)”（Calibration Points）是指SmartScan 期間的升溫段的數(shù)目。而SmartScan 期間收集的數(shù)據(jù)來自恒溫段，用恒溫段的數(shù)據(jù)擬合后用于扣除基線。

4）SmartScan結(jié)束后，自動(dòng)降溫，彈出圖4所示的提示對(duì)話框。告知SmartScan 已經(jīng)完成。點(diǎn)擊“OK”，關(guān)閉該對(duì)話框，點(diǎn)擊校正向?qū)?duì)話框底部的“Next”，彈出圖5所示的校正結(jié)束對(duì)話框，繼續(xù)進(jìn)行校正的下一步工作。

5）如果點(diǎn)擊圖5所示的對(duì)話框中的“View Files”，將彈出圖6所示的已生成的校正文件表，表中給出了已生成的SmartScan 校正數(shù)據(jù)文件名和存儲(chǔ)的路徑、SmartScan 校正方法文件名和存儲(chǔ)的路徑、SmartScan 校正運(yùn)行表文件名和存儲(chǔ)的路徑。此表可被復(fù)制。點(diǎn)擊Close（關(guān)閉），返回圖5。日常工作中通常不選用“View Files”。

6）點(diǎn)擊圖5中的“Finish”（完成），彈出圖7所示的保存校正數(shù)據(jù)的對(duì)話框。點(diǎn)擊“Yes”，輸入文件名和保存路徑，校正過程中所做的任何更改被保存，形成校正文件，完成智能校正工作。

圖1 SmartScan 對(duì)話框

圖2 點(diǎn)擊 “Start”后彈出的提示信息

圖3 SmartScan 期間的掃描曲線（橫坐標(biāo)為時(shí)間）

圖4 SmartScan 結(jié)束后彈出的提示信息

4 智能校正的應(yīng)用探討

1）實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用智能校正時(shí)，第一步為編寫或打開已經(jīng)存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)方法。編寫新實(shí)驗(yàn)方法時(shí)，調(diào)出的是隱含著缺省校正表的缺省實(shí)驗(yàn)方法。調(diào)出已存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)方法時(shí)，該方法隱含著存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法時(shí)所用的校正表。換句話說，任何實(shí)驗(yàn)方法都包含一個(gè)校正表，盡管沒有直接顯示，但在編輯方法窗口中點(diǎn)擊菜單欄中的Calibrate（校正）后可以看到校正表的名稱。

圖5 校正結(jié)束對(duì)話框

圖6 生成的校正文件表

2）實(shí)驗(yàn)中使用存儲(chǔ)的SmartScan數(shù)據(jù)進(jìn)行基線扣除，如果制備校正表到使用校正表期間基線發(fā)生了改變（通常會(huì)發(fā)生），會(huì)造成所得基線不理想，因此需要重新校正，此時(shí)可跳過其他項(xiàng)目，只做SmartScan，然后保存和應(yīng)用這一新校正表。這一操作將需35～50分鐘（時(shí)長(zhǎng)依賴進(jìn)行SmartScan 時(shí)選用的校正點(diǎn)數(shù)）。

3）使用Pyris-1 DSC 時(shí)，可選擇采用傳統(tǒng)扣除基線的方法改進(jìn)基線質(zhì)量，即先在實(shí)驗(yàn)條件（掃描速率、溫度區(qū)間）下進(jìn)行掃描，得到作為扣除基線用的文件（假定為a）。實(shí)驗(yàn)時(shí)如果選用扣除基線，顯示的輸出信號(hào)是實(shí)際信號(hào)扣除文件a 存儲(chǔ)的信號(hào)的結(jié)果，而SmartScan 得到的智能校正基線為掃描時(shí)的基線扣除根據(jù)采集的等溫?cái)?shù)據(jù)擬合出的基線。傳統(tǒng)扣除基線與SmartScan 的基本原理是相同的，但是扣除基線法采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過SmartScan 采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)（根據(jù)圖3所示的SmartScan 掃描曲線可知，在SmartScan 期間采集的是恒溫期間的信號(hào)，當(dāng)選擇校正點(diǎn)數(shù)Calibration Points為最小值10 時(shí)，采集的等溫?cái)?shù)據(jù)是11個(gè)；當(dāng)選擇校正點(diǎn)數(shù)Calibration Points為最大值20 時(shí)，采集的等溫?cái)?shù)據(jù)是21個(gè)）。

4）傳統(tǒng)扣除基線法是動(dòng)態(tài)的（即非等溫的），與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的條件完全一致；而SmartScan 法是靜態(tài)的，依靠等溫階段采集數(shù)據(jù)。二者相比，扣除基線法更接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)。

5）扣除基線法通常所用時(shí)間少于SmartScan 法。假設(shè)實(shí)驗(yàn)起始溫度為T0（例如），終點(diǎn)溫度為Te（例如），掃描速率為，則完成一次基線掃描所用的時(shí)間為：

掃描速率越高，節(jié)約時(shí)間越多。SmartScan 法所用時(shí)間取決于選擇的校正點(diǎn)數(shù)，約30～50min。

5.小結(jié)

1）在應(yīng)用DSC 儀器測(cè)試時(shí)，改進(jìn)基線質(zhì)量可采用的手段有扣除基線和SmartScan 兩種。扣除基線法存儲(chǔ)的熱流是時(shí)間的函數(shù)，SmartScan 存儲(chǔ)的熱流是溫度的函數(shù)。從基線改進(jìn)的原理來看，扣除基線法更接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)，優(yōu)于SmartScan 法。

2）SmartScan 以dq/dtT（熱流溫度）的形式保存基線數(shù)據(jù)，所以可用于包含等溫步驟的實(shí)驗(yàn)程序，如果實(shí)驗(yàn)程序中包含等溫步驟，宜采用SmartScan 法改進(jìn)基線質(zhì)量；如果實(shí)驗(yàn)程序中不包含等溫步驟，則選用傳統(tǒng)扣除基線方法。此外，實(shí)驗(yàn)中還需要根據(jù)樣品測(cè)試目的和節(jié)約時(shí)間兩個(gè)因素綜合考慮。