淺談DSC8000型差示掃描量熱儀的智能校正

（中國紡織科學研究院有限公司 生物源纖維制造技術國家重點實驗室 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]，根據設計原理不同主要分為兩種類型：功率補償型和熱流型[2]。功率補償型DSC是PerkinElmer 公司的獨有技術，經過DSC 2、DSC 7、Pyris 1 DSC、Diamond DSC 等幾代升級，其目前最新型號為DSC 8000/8500。DSC8000/8500 采 用 雙爐體設計，直接測量能量，而非溫度差，可以實現等溫操作（ΔT0），輕質爐體可實現極快地升降溫，且無過沖及溫度滯后現象，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工作。

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

2 智能校正的原理

對Pyris-1 DSC 儀器而言，其在進行儀器校正時需要進行四項任務，具體為通過調整曲率、斜率實現基線最佳化[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、樣品溫度校正參數、爐子溫度校正參數、熱流校正參數的校正表。

對于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，因此在進行儀器校正時，可選擇最后一步進行SmartScan 項目。可見，智能校正是進一步優化基線的一種軟件措施，它的本質與基線最佳化中對曲率和斜率的更改有本質的不同。在進行智能校正之前已完成基線最佳化，因此基線質量是比較好的。在此基礎上進行智能校正的本質是進一步改進基線，并存儲改進后的基線數據，在使用包含智能校正項目的校正表測試時，基線數據會自動扣除，因此稱為智能校正。

傳統扣基線和SmartScan 兩種方法都是用于改進基線質量的，不同點在于扣基線方法以dq/dtt（熱流時間）的形式保存基線數據，因此不能用于包含等溫步驟的實驗程序；而SmartScan 以dq/dtT（熱流溫度）的形式保存基線數據，所以可用于包含等溫步驟的實驗程序，但SmartScan 所依據的數據點要少得多。

3 智能校正的操作方法

理解智能校正的原理和功能之后，可以在實驗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，點擊“Next”，彈出SmartScan 校正對話框（如圖1所示）。

2）在圖1所示的對話框中選定“Enable SmartScan”（激活智能校正）項目。在圖1所示的對話框的下部選擇進行智能校正的條件，包括起始溫度、終止溫度、校正點數，智能校正所需時間。選擇“Calibration Points”（校正點數，范圍為10～20）的原則是：選用數值越大，效果越好，但所用時間越長，例如采用低掃描速率（如5℃/min）時，由于掃描持續時間長，可增加校正點數目；采用高掃描速率時，由于掃描持續時間短，可減少校正點數目，但不小于10?！癉uration”是 完 成SmartScan 所需時間，它不是人工輸入值，而是軟件根據起始溫度、終點溫度、校正點數計算給出的。

3）核對設置參數無誤，點擊“Start”開始，彈出圖2所示的提示對話框，確定樣品爐與參比爐為空之后，點擊OK，關閉該提示框，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，“校正點數”（Calibration Points）是指SmartScan 期間的升溫段的數目。而SmartScan 期間收集的數據來自恒溫段，用恒溫段的數據擬合后用于扣除基線。

4）SmartScan結束后，自動降溫，彈出圖4所示的提示對話框。告知SmartScan 已經完成。點擊“OK”，關閉該對話框，點擊校正向導對話框底部的“Next”，彈出圖5所示的校正結束對話框，繼續進行校正的下一步工作。

5）如果點擊圖5所示的對話框中的“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 校正數據文件名和存儲的路徑、SmartScan 校正方法文件名和存儲的路徑、SmartScan 校正運行表文件名和存儲的路徑。此表可被復制。點擊Close（關閉），返回圖5。日常工作中通常不選用“View Files”。

6）點擊圖5中的“Finish”（完成），彈出圖7所示的保存校正數據的對話框。點擊“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 對話框

圖2 點擊 “Start”后彈出的提示信息

圖3 SmartScan 期間的掃描曲線（橫坐標為時間）

圖4 SmartScan 結束后彈出的提示信息

4 智能校正的應用探討

1）實驗中應用智能校正時，第一步為編寫或打開已經存儲的實驗方法。編寫新實驗方法時，調出的是隱含著缺省校正表的缺省實驗方法。調出已存儲的實驗方法時，該方法隱含著存儲實驗方法時所用的校正表。換句話說，任何實驗方法都包含一個校正表，盡管沒有直接顯示，但在編輯方法窗口中點擊菜單欄中的Calibrate（校正）后可以看到校正表的名稱。

圖5 校正結束對話框

圖6 生成的校正文件表

2）實驗中使用存儲的SmartScan數據進行基線扣除，如果制備校正表到使用校正表期間基線發生了改變（通常會發生），會造成所得基線不理想，因此需要重新校正，此時可跳過其他項目，只做SmartScan，然后保存和應用這一新校正表。這一操作將需35～50分鐘（時長依賴進行SmartScan 時選用的校正點數）。

3）使用Pyris-1 DSC 時，可選擇采用傳統扣除基線的方法改進基線質量，即先在實驗條件（掃描速率、溫度區間）下進行掃描，得到作為扣除基線用的文件（假定為a）。實驗時如果選用扣除基線，顯示的輸出信號是實際信號扣除文件a 存儲的信號的結果，而SmartScan 得到的智能校正基線為掃描時的基線扣除根據采集的等溫數據擬合出的基線。傳統扣除基線與SmartScan 的基本原理是相同的，但是扣除基線法采集的數據點遠遠超過SmartScan 采集的數據點（根據圖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，當選擇校正點數Calibration Points為最小值10 時，采集的等溫數據是11個；當選擇校正點數Calibration Points為最大值20 時，采集的等溫數據是21個）。

4）傳統扣除基線法是動態的（即非等溫的），與實際實驗的條件完全一致；而SmartScan 法是靜態的，依靠等溫階段采集數據。二者相比，扣除基線法更接近實際實驗。

5）扣除基線法通常所用時間少于SmartScan 法。假設實驗起始溫度為T0（例如），終點溫度為Te（例如），掃描速率為，則完成一次基線掃描所用的時間為：

掃描速率越高，節約時間越多。SmartScan 法所用時間取決于選擇的校正點數，約30～50min。

5.小結

1）在應用DSC 儀器測試時，改進基線質量可采用的手段有扣除基線和SmartScan 兩種。扣除基線法存儲的熱流是時間的函數，SmartScan 存儲的熱流是溫度的函數。從基線改進的原理來看，扣除基線法更接近實際實驗，優于SmartScan 法。

2）SmartScan 以dq/dtT（熱流溫度）的形式保存基線數據，所以可用于包含等溫步驟的實驗程序，如果實驗程序中包含等溫步驟，宜采用SmartScan 法改進基線質量；如果實驗程序中不包含等溫步驟，則選用傳統扣除基線方法。此外，實驗中還需要根據樣品測試目的和節約時間兩個因素綜合考慮。