что означает dsc?

Дифференциальная сканирующая калориметрия или дифференциальный сканирующий калориметр.

Дифференциальная сканирующая калориметрия или DSC - это термоаналитический метод, в котором разница в количестве тепла, требуемом для повышения температуры образца и эталона, измеряется как функция температуры. Как образец, так и ссылка поддерживаются почти на одной и той же температуре в течение всего эксперимента. Как правило, программа температуры для анализа DSC разработана таким образом, что температура держателя образца увеличивается линейно в зависимости от времени. Контрольный образец должен иметь четко определенную теплоемкость в диапазоне температур, подлежащих сканированию.

Эта техника была разработана Е. С. Ватсоном и М. О'Нилом в 1962 году [1] и введена в продажу на Питтсбургской конференции 1963 года по аналитической химии и прикладной спектроскопии. Первый адиабатический дифференциальный сканирующий калориметр, который можно было использовать в биохимии, был разработан П. Л. Приваловым и Д. Р. Монаселидзе в 1964 году в Институте физики в Тбилиси, Грузия. [2] Термин DSC был придуман для описания этого инструмента, который непосредственно измеряет энергию и позволяет точно измерять теплоемкость [3].

Обнаружение фазовых переходов

Основным принципом, лежащим в основе этого метода, является то, что когда образец подвергается физическому преобразованию, например фазовым переходам, ему нужно будет течь больше или меньше тепла, чем ссылка для поддержания как при той же температуре. Должно ли меньше или больше тепла проходить к образцу, зависит от того, является ли процесс экзотермическим или эндотермическим. Например, когда твердый образец плавится в жидкость, для увеличения его температуры требуется больше тепла, чтобы увеличить его температуру с той же скоростью, что и эталон. Это связано с поглощением тепла образцом, когда он подвергается эндотермическому фазовому переходу от твердого тела к жидкости. Аналогично, поскольку образец подвергается экзотермическим процессам (например, кристаллизации), для повышения температуры образца требуется меньше тепла. Наблюдая разницу в тепловом потоке между образцом и ссылкой, дифференциальные сканирующие калориметры способны измерять количество тепла, поглощаемого или высвобождающегося во время таких переходов. DSC также может использоваться для наблюдения более тонких физических изменений, таких как стеклянные переходы. Он широко используется в промышленных установках в качестве инструмента контроля качества из-за его применимости при оценке чистоты образца и для изучения полимеризации. [4] [5] [6]

ДТА

Альтернативный метод, который имеет много общего с DSC, представляет собой дифференциальный термический анализ (DTA). В этом методе тепловой поток образца и эталона остается неизменным, а не температурой. Когда образец и эталон нагреваются одинаково, изменения фазы и другие термические процессы вызывают разницу в температуре между образцом и эталоном. И DSC, и DTA предоставляют аналогичную информацию. DSC измеряет энергию, необходимую для поддержания как эталонного, так и образца при одной и той же температуре, тогда как DTA измеряет разницу в температуре между образцом и эталонным, когда такое же количество энергии вводится в обоих.

Кривые DSC

Top: схематическая кривая DSC количества энергии (y), необходимой для поддержания каждой температуры (x), сканируемой в диапазоне температур. Внизу: Нормализованные кривые задают начальную теплоемкость в качестве эталона. Базовый буферный буфер (пунктирный) и дисперсия белка-буфера (твердое вещество).

Нормализованные кривые DSC с использованием базовой линии в качестве эталонного (слева) и фракций каждого конформационного состояния (y), существующего при каждой температуре (справа), для двух состояний (верхний) и трехстадийных (нижних) белков. Обратите внимание на крошечное уширение в пике кривой DSC из трех состояний, что может показаться статистически значимым невооруженным глазом.

Результатом эксперимента DSC является кривая теплового потока в зависимости от температуры или времени. Существуют два разных соглашения: экзотермические реакции в образце, показанные с положительным или отрицательным пиком, в зависимости от технологии, используемой в эксперименте. Эта кривая может быть использована для расчета энтальпий переходов. Это делается путем интегрирования пика, соответствующего данному переходу. Можно показать, что энтальпия перехода может быть выражена с использованием следующего уравнения:

где Delta H - энтальпия перехода, K - калориметрическая константа, A - площадь под кривой. Калориметрическая константа будет варьироваться от прибора к прибору и может быть определена путем анализа хорошо охарактеризованного образца с известными энтальпиями перехода [5].

Приложения

Дифференциальную сканирующую калориметрию можно использовать для измерения ряда характерных свойств образца. Используя этот метод, можно наблюдать события плавления и кристаллизации, а также температуры стеклования Tg. DSC также может быть использован для изучения окисления, а также других химических реакций [4]. [5] [7]

Переходы стекла могут возникать по мере увеличения температуры аморфного твердого тела. Эти переходы появляются как шаг в базовой линии записанного сигнала DSC. Это связано с тем, что образец подвергается изменению теплоемкости; формальное изменение фазы не происходит. [4] [6]

По мере увеличения температуры аморфное твердое вещество станет менее вязким. В какой-то момент молекулы могут получить достаточную свободу движения, чтобы спонтанно расположить себя в кристаллической форме. Это известно как температура кристаллизации (Tc). Этот переход из аморфного твердого тела в кристаллическое твердое вещество представляет собой экзотермический процесс и приводит к пику сигнала DSC. По мере увеличения температуры образец в конечном итоге достигает своей температуры плавления (Tm). Процесс плавления приводит к эндотермическому пику кривой DSC. Способность определять температуры перехода и энтальпии делает DSC ценным инструментом при производстве фазовых диаграмм для различных химических систем [4].

Примеры

Этот метод широко используется в различных приложениях, как в качестве рутинного теста качества, так и в качестве инструмента исследования. Оборудование легко откалибровать, используя, например, низкоплавкий индий при 156,5985 ° C, и является быстрым и надежным методом термического анализа.

Полимеры

DSC широко используется для изучения полимерных материалов для определения их тепловых переходов. Наблюдаемые тепловые переходы могут быть использованы для сравнения материалов, хотя переходы не однозначно идентифицируют состав. Состав неизвестных материалов может быть завершен с использованием дополнительных методов, таких как ИК-спектроскопия. Точки плавления и температуры стеклования для большинства полимеров доступны из стандартных компиляций, и способ может демонстрировать разложение полимера за счет снижения ожидаемой температуры плавления, например, Tm. Tm зависит от молекулярной массы полимера и термической истории, поэтому более низкие оценки могут иметь более низкие температуры плавления, чем ожидалось. Процентное кристаллическое содержание полимера можно оценить по пикам кристаллизации / плавления графа DSC в качестве эталонных теплоемкостей синтеза в литературе [8]. DSC также может использоваться для изучения термической деградации полимеров с использованием подхода, такого как температура / время окислительного начала (OOT), однако пользователь рискует заразить ячейку DSC, что может быть проблематичным. Термогравиметрический анализ (TGA) может быть более полезным для определения поведения декомпозиции. Примеси в полимерах можно определить, исследуя термограммы для аномальных пиков, и пластификаторы могут быть обнаружены в их характерных точках кипения. Кроме того, исследование незначительных событий в первых данных теплового анализа может быть полезным, поскольку эти, по-видимому, «аномальные пики» могут фактически также представлять собой терминологию истории процесса или хранения физического или полимерного физического старения. Сравнение первых и вторых данных о тепловой энергии, собранных при согласованных скоростях нагрева, позволяет аналитику узнать как историю обработки полимеров, так и свойства материала.

Жидкие кристаллы

DSC используется при исследовании жидких кристаллов. Поскольку некоторые формы материи переходят из твердого состояния в жидкость, они проходят через третье состояние, которое отображает свойства обеих фаз. Эта анизотропная жидкость известна как жидкокристаллическое или мезоморфное состояние. Используя DSC, можно наблюдать небольшие изменения энергии, которые происходят как переходы материи из твердого тела в жидкий кристалл и из жидкого кристалла в изотропную жидкость [5].

Окислительная стабильность

Использование дифференциальной сканирующей калориметрии для изучения устойчивости к окислению образцов обычно требует герметичной камеры для образцов. Обычно такие испытания проводят изотермически (при постоянной температуре) путем изменения атмосферы образца. Сначала образец доводится до требуемой температуры испытания в инертной атмосфере, обычно азоте. Затем к системе добавляется кислород. Любое окисление, которое происходит, наблюдается как отклонение в исходном состоянии. Такой анализ может быть использован для определения стабильности и оптимальных условий хранения материала или соединения [4].

Безопасный скрининг

DSC делает разумный первоначальный инструмент скрининга безопасности. В этом режиме образец будет размещен в нереактивном тигле (часто золото или позолоченная сталь) и который сможет выдерживать давление (обычно до 100 бар). Присутствие экзотермического события затем можно использовать для оценки стабильности вещества для нагрева. Однако из-за сочетания относительно низкой чувствительности, медленнее, чем нормальные скорости сканирования (обычно 2-3 ° C / мин, из-за гораздо более тяжелого тигля) и неизвестной энергии активации, необходимо вычесть около 75-100 ° C из начальный старт наблюдаемой экзотермы, чтобы предложить максимальную температуру для материала. Более точный набор данных можно получить из адиабатического калориметра, но такой тест может занять 2-3 дня от окружающей среды со скоростью приращения 3 ° C за полчаса.

Анализ наркотиков

DSC широко используется в фармацевтической и полимерной промышленности. Для полимерного химика DSC - удобный инструмент для изучения процессов отверждения, который позволяет точно настраивать свойства полимера. Сшивание молекул полимера, которое происходит в процессе отверждения, является экзотермическим, что приводит к отрицательному пику кривой DSC, который обычно появляется вскоре после стеклования. [4] [5] [6]

В фармацевтической промышленности для определения параметров обработки необходимо иметь хорошо охарактеризованные лекарственные соединения. Например, если необходимо доставить лекарственное средство в аморфной форме, желательно обработать лекарственное средство при температурах ниже тех, при которых может произойти кристаллизация. [5]

Общий химический анализ

Депрессия точки замерзания может быть использована в качестве инструмента анализа чистоты при анализе методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Это возможно, потому что диапазон температур, по которому расплавляется смесь соединений, зависит от их относительных количеств. Следовательно, менее чистые соединения будут иметь расширенный пик плавления, который начинается при более низкой температуре, чем чистое соединение. [5] [6]

Из Википедии, свободной энциклопедии