Дифференциальная сканирующая калориметрия

Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) — это термоаналитический метод, в котором разница в количестве тепла, необходимого для повышения температуры образца и эталона, измеряется как функция температуры. Образец и эталон поддерживаются при почти одинаковой температуре на протяжении всего эксперимента. Как правило, температурная программа для анализа ДСК разрабатывается таким образом, чтобы температура держателя образца увеличивалась линейно как функция времени. Эталонный образец должен иметь четко определенную теплоемкость в диапазоне сканируемых температур. Кроме того, эталонный образец должен быть стабильным, высокой чистоты и не должен испытывать больших изменений в ходе температурного сканирования. Обычно эталонными стандартами являются такие металлы, как индий, олово, висмут и свинец, но для изучения полимеров и органических соединений были предложены другие стандарты, такие как полиэтилен и жирные кислоты соответственно.

Метод был разработан Э. С. Уотсоном и М. Дж. О’Нилом в 1962 году и представлен коммерчески на Питтсбургской конференции по аналитической химии и прикладной спектроскопии 1963 года. 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. Термин ДСК был придуман для описания этого прибора, который измеряет энергию напрямую и позволяет точно измерять теплоемкость.

Типы

Существует два основных типа ДСК: ДСК с тепловым потоком, который измеряет разницу в тепловом потоке между образцом и эталоном (что дает ему альтернативное название ДСК с несколькими ячейками), и ДСК с дифференциальной мощностью, который измеряет разницу в мощности, подаваемой на образец и эталон.

Тепловой поток DSC

С помощью Heat-flux DSC изменения теплового потока рассчитываются путем интегрирования кривой ΔT_ref-. Для такого рода эксперимента образец и эталонный тигель помещаются на держатель образца со встроенными датчиками температуры для измерения температуры тиглей. Эта конструкция находится в печи с контролируемой температурой. В отличие от традиционной конструкции, особенностью Heat-flux DSC является то, что она использует плоские датчики температуры, размещенные вертикально вокруг плоского нагревателя. Такая установка позволяет иметь небольшую, легкую и малотеплоемкую структуру, при этом работая как обычная печь DSC.

Дифференциал мощности DSC

Для такого типа установки, также известного как ДСК с компенсацией мощности, образец и контрольный тигель помещаются в теплоизолированные печи, а не рядом друг с другом в одной печи, как в экспериментах с тепловым потоком и ДСК. Затем температура обеих камер контролируется таким образом, чтобы с обеих сторон всегда присутствовала одна и та же температура. Затем регистрируется электрическая мощность, необходимая для получения и поддержания этого состояния, а не разница температур между двумя тиглями.

Быстрое сканирование DSC

2000-е годы стали свидетелями быстрого развития Fast-scan DSC (FSC), новой калориметрической техники, которая использует микромашинные датчики. Ключевыми достижениями этой техники являются сверхвысокая скорость сканирования, которая может достигать 106 К/с, и сверхвысокая чувствительность с разрешением теплоемкости, как правило, лучше, чем 1 нДж/К. Нанокалориметрия привлекла большое внимание в материаловедении, где она применяется для проведения количественного анализа быстрых фазовых переходов, особенно при быстром охлаждении. Еще одной новой областью применения FSC является физическая химия с акцентом на теплофизические свойства термически нестабильных соединений. Стали доступны такие величины, как температура плавления, энтальпия плавления, давления сублимации и испарения, а также энтальпии таких молекул.

Температурно-модулированный DSC

При выполнении температурно-модулированной ДСК (TMDSC, MDSC) базовая линейная скорость нагрева накладывается на синусоидальное изменение температуры. Преимущество этой процедуры заключается в возможности разделения перекрывающихся эффектов ДСК путем вычисления реверсивных и нереверсивных сигналов. Реверсивный тепловой поток связан с изменениями удельной теплоемкости (→ стеклование), тогда как нереверсивный тепловой поток соответствует зависящим от времени явлениям, таким как отверждение, дегидратация и релаксация.

Обнаружение фазовых переходов

Основной принцип, лежащий в основе этой техники, заключается в том, что когда образец претерпевает физическое преобразование, такое как фазовые переходы, к нему должно поступать больше или меньше тепла, чем к эталону, чтобы поддерживать их при одинаковой температуре. Меньше или больше тепла должно поступать к образцу, зависит от того, является ли процесс экзотермическим или эндотермическим. Например, когда твердый образец плавится в жидкость, образцу потребуется больше тепла, чтобы повысить его температуру с той же скоростью, что и эталон. Это происходит из-за поглощения тепла образцом, когда он претерпевает эндотермический фазовый переход из твердого тела в жидкость. Аналогично, когда образец претерпевает экзотермические процессы (такие как кристаллизация), требуется меньше тепла для повышения температуры образца. Наблюдая разницу в тепловом потоке между образцом и эталоном, дифференциальные сканирующие калориметры способны измерять количество тепла, поглощенного или выделенного во время таких переходов. ДСК также может использоваться для наблюдения более тонких физических изменений, таких как стеклование. Он широко используется в промышленных условиях в качестве инструмента контроля качества благодаря своей применимости для оценки чистоты образцов и изучения отверждения полимеров.

ДТА

Альтернативным методом, имеющим много общего с ДСК, является дифференциальный термический анализ (ДТА). В этом методе неизменным остается тепловой поток к образцу и эталону, а не температура. Когда образец и эталон нагреваются одинаково, фазовые изменения и другие тепловые процессы вызывают разницу температур между образцом и эталоном. И DSC, и DTA предоставляют аналогичную информацию. ДСК измеряет энергию, необходимую для поддержания одинаковой температуры эталона и образца, тогда как ДТА измеряет разницу температур между образцом и эталоном, когда в оба было введено одинаковое количество энергии.

Кривые ДСК

Результатом эксперимента DSC является кривая теплового потока в зависимости от температуры или времени. Существуют два различных соглашения: экзотермические реакции в образце показаны положительным или отрицательным пиком, в зависимости от типа 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 помощью следующего уравнения:

${\displaystyle \Delta H=KA}$

где ${\displaystyle \Delta H}$ — энтальпия перехода, ${\displaystyle K}$ — калориметрическая константа, а ${\displaystyle A}$ — это площадь под кривой. Калориметрическая константа будет варьироваться от прибора к прибору и может быть определена путем анализа хорошо охарактеризованного образца с известными энтальпиями перехода.

Приложения

Дифференциальная сканирующая калориметрия может использоваться для измерения ряда характерных свойств образца. Используя эту технику, можно наблюдать явления плавления и кристаллизации, а также температуры стеклования T_g. ДСК также может использоваться для изучения окисления, а также других химических реакций.

Стеклянные переходы могут происходить при повышении температуры аморфного твердого тела. Эти переходы проявляются как ступенька на базовой линии записанного сигнала ДСК. Это происходит из-за того, что образец претерпевает изменение теплоемкости; формального изменения фазы не происходит.

По мере повышения температуры аморфное твердое вещество становится менее вязким. В какой-то момент молекулы могут получить достаточную свободу движения, чтобы самопроизвольно принять кристаллическую форму. Это известно как температура кристаллизации (T_c). Этот переход от аморфного твердого тела к кристаллическому твердому телу является экзотермическим процессом и приводит к пику сигнала ДСК. По мере повышения температуры образец в конечном итоге достигает температуры плавления (T_m). Процесс плавления приводит к появлению эндотермического пика на кривой ДСК. Возможность определения температур и энтальпий перехода делает ДСК ценным инструментом для создания фазовых диаграмм различных химических систем.

Дифференциальная сканирующая калориметрия также может использоваться для получения ценной термодинамической информации о белках. Термодинамический анализ белков может раскрыть важную информацию о глобальной структуре белков и взаимодействии белок/лиганд. Например, многие мутации снижают стабильность белков, в то время как связывание лиганда обычно увеличивает стабильность белка. Используя ДСК, эту стабильность можно измерить, получив значения свободной энергии Гиббса при любой заданной температуре. Это позволяет исследователям сравнивать свободную энергию разворачивания между белком без лиганда и комплексом белок-лиганд или дикими типами и мутантными белками. ДСК также может использоваться при изучении взаимодействий белок/липид, нуклеотидов, взаимодействий лекарство-липид. При изучении денатурации белка с помощью ДСК термический расплав должен быть по крайней мере в некоторой степени обратимым, поскольку термодинамические расчеты основаны на химическом равновесии.

Экспериментальные соображения

Существуют различные экспериментальные и экологические параметры, которые следует учитывать во время измерений DSC. Примеры потенциальных проблем кратко обсуждаются в следующих разделах. Все утверждения в этих параграфах основаны на книгах Гэбботта и Брауна.

Тигли

Измерения DSC без тиглей способствуют переносу тепла к образцу и возможны, если DSC предназначен для этой цели. Измерения без тигля следует проводить только с химически стабильными материалами при низких температурах, так как в противном случае возможно загрязнение или повреждение калориметра. Более безопасный способ — использовать тигель, который указан для желаемых температур и не реагирует с материалом образца (например, тигли из оксида алюминия, золота или платины). Если образец, вероятно, выделяет летучие вещества или находится в жидком состоянии, тигель следует запечатать, чтобы предотвратить загрязнение. Однако, если тигель запечатан, следует учитывать повышение давления и возможные артефакты измерений из-за деформации тигля. В этом случае следует использовать тигли с очень маленькими отверстиями (∅~50 мкм) или тигли, которые могут выдерживать очень высокое давление.

Состояние образца

Образец должен хорошо контактировать с поверхностью тигля. Поэтому контактная поверхность твердого насыпного образца должна быть плоскопараллельной. Для измерений ДСК с порошками более сильный сигнал может наблюдаться для более мелких порошков из-за увеличенной контактной поверхности. Минимальная масса образца зависит от анализируемого преобразования. Небольшой массы образца (~10 мг) достаточно, если выделяемое или потребляемое тепло во время преобразования достаточно велико. Более тяжелые образцы можно использовать для получения преобразования, связанного с низким выделением или потреблением тепла, поскольку более крупные образцы также увеличивают полученные пики. Однако увеличение размера образца может ухудшить разрешение из-за температурных градиентов, которые могут возникать во время нагревания.

Температура и скорость сканирования

Если пики очень малы, их можно увеличить, увеличив скорость сканирования. Из-за более высокой скорости сканирования больше энергии выделяется или потребляется за более короткое время, что приводит к более высоким и, следовательно, более четким пикам. Однако более высокие скорости сканирования приводят к плохому разрешению по температуре из-за термической задержки. Из-за этой термической задержки два фазовых превращения (или химические реакции), происходящие в узком диапазоне температур, могут перекрываться. Как правило, скорости нагрева или охлаждения слишком высоки для обнаружения равновесных переходов, поэтому всегда происходит сдвиг к более высоким или более низким температурам по сравнению с фазовыми диаграммами, представляющими равновесные условия.

Продувочный газ

Продувочный газ используется для управления средой образца, чтобы снизить уровень шума сигнала и предотвратить загрязнение. В основном используется азот, а для температур выше 600 °C можно использовать аргон, чтобы минимизировать потери тепла из-за низкой теплопроводности аргона. Воздух или чистый кислород можно использовать для окислительных испытаний, таких как время окислительной индукции, а гелий используется для очень низких температур из-за низкой температуры кипения (~4,2 К при 101,325 кПа).

Примеры

Эта техника широко используется в различных приложениях, как в качестве рутинного теста качества, так и в качестве исследовательского инструмента. Оборудование легко калибровать, например, с использованием легкоплавкого индия при 156,5985 °C, и является быстрым и надежным методом термического анализа.

Полимеры

DSC широко используется для исследования полимерных материалов с целью определения их тепловых переходов. Важные тепловые переходы включают температуру стеклования (T_g), температуру кристаллизации (T_c) и температуру плавления (T_m). Наблюдаемые тепловые переходы можно использовать для сравнения материалов, хотя сами по себе переходы не определяют состав однозначно. Состав неизвестных материалов можно определить с помощью дополнительных методов, таких как ИК-спектроскопия. Температуры плавления и температуры стеклования для большинства полимеров доступны в стандартных сборниках, и метод может показать деградацию полимера путем снижения ожидаемой температуры плавления. T_m зависит от молекулярной массы полимера и термической истории.

Процентное содержание кристаллов в полимере можно оценить по пикам кристаллизации/плавления на графике ДСК с использованием эталонных теплот плавления, найденных в литературе. ДСК также можно использовать для изучения термической деградации полимеров с использованием такого подхода, как температура/время начала окисления (OOT); однако пользователь рискует загрязнить ячейку ДСК, что может быть проблематично. Термогравиметрический анализ (ТГА) может быть более полезным для определения поведения разложения. Примеси в полимерах можно определить, изучив термограммы на предмет аномальных пиков, а пластификаторы можно обнаружить при их характерных точках кипения. Кроме того, может быть полезным изучение незначительных событий в данных термического анализа первого нагрева, поскольку эти, по-видимому, «аномальные пики» на самом деле могут также быть репрезентативными для термической истории процесса или хранения материала или физического старения полимера. Сравнение данных первого и второго нагрева, собранных при постоянных скоростях нагрева, может позволить аналитику узнать как об истории переработки полимера, так и о свойствах материала. (см. J.H.Flynn.(1993) Анализ результатов ДСК путем интеграции. Thermochimica Acta, 217, 129-149.)

Жидкие кристаллы

ДСК используется при изучении жидких кристаллов. Поскольку некоторые формы материи переходят из твердого состояния в жидкое, они проходят через третье состояние, которое демонстрирует свойства обеих фаз. Эта анизотропная жидкость известна как жидкокристаллическое или мезоморфное состояние. Используя ДСК, можно наблюдать небольшие изменения энергии, которые происходят при переходе материи из твердого состояния в жидкий кристалл и из жидкого кристалла в изотропную жидкость.

Окислительная стабильность

Использование дифференциальной сканирующей калориметрии для изучения устойчивости образцов к окислению обычно требует герметичной камеры для образцов. Ее можно использовать для определения времени окислительной индукции (OIT) образца. Такие испытания обычно проводятся изотермически (при постоянной температуре) путем изменения атмосферы образца. Сначала образец доводят до желаемой температуры испытания в инертной атмосфере, обычно азотной. Затем в систему добавляют кислород. Любое происходящее окисление наблюдается как отклонение от базовой линии. Такой анализ можно использовать для определения стабильности и оптимальных условий хранения материала или соединения. Оборудование DSC также можно использовать для определения температуры начала окисления (OOT) материала. В этом испытании образец (и эталон) подвергаются воздействию кислородной атмосферы и подвергаются постоянной скорости нагрева (обычно от 50 до 300 °C). Кривая теплового потока DSC будет отклоняться, когда начинается реакция с кислородом (реакция может быть либо экзотермической, либо эндотермической). Оба теста — OIT и OOT — используются в качестве инструментов для определения активности антиоксидантов.

Проверка безопасности

DSC является разумным инструментом первоначального скрининга безопасности. В этом режиме образец будет помещен в нереактивный тигель (часто из золота или позолоченной стали), который сможет выдерживать давление (обычно до 100 бар). Наличие экзотермического события затем может быть использовано для оценки устойчивости вещества к нагреванию. Однако из-за сочетания относительно низкой чувствительности, более медленной, чем обычно, скорости сканирования (обычно 2–3 °C/мин из-за гораздо более тяжелого тигля) и неизвестной энергии активации необходимо вычесть около 75–100 °C из начального начала наблюдаемого экзотермического эффекта, чтобы предложить максимальную температуру для материала. Гораздо более точный набор данных можно получить с помощью адиабатического калориметра, но такой тест может занять 2–3 дня от окружающей среды со скоростью приращения 3 °C в полчаса.

Анализ на наркотики

ДСК широко используется в фармацевтической и полимерной промышленности. Для химика-полимерщика ДСК является удобным инструментом для изучения процессов отверждения, что позволяет точно настраивать свойства полимеров. Сшивание полимерных молекул, происходящее в процессе отверждения, является экзотермическим, что приводит к отрицательному пику на кривой ДСК, который обычно появляется вскоре после стеклования.

В фармацевтической промышленности необходимо иметь хорошо охарактеризованные лекарственные соединения для определения параметров обработки. Например, если необходимо доставить лекарство в аморфной форме, желательно обрабатывать лекарство при температурах ниже тех, при которых может произойти кристаллизация.

Общий химический анализ

Понижение точки замерзания может быть использовано в качестве инструмента анализа чистоты при анализе методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Это возможно, поскольку температурный диапазон, в котором плавится смесь соединений, зависит от их относительного количества. Следовательно, менее чистые соединения будут демонстрировать уширенный пик плавления, который начинается при более низкой температуре, чем чистое соединение.