Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria

Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria ( DSC ) on termoanalyyttinen tekniikka, jossa näytteen ja referenssin lämpötilan nostamiseen tarvittavan lämpömäärän ero mitataan lämpötilan funktiona. Sekä näytettä että standardia pidetään lähes samassa lämpötilassa koko kokeen ajan. Tyypillisesti lämpötilaohjelma DSC-analyysiä varten suunnitellaan siten, että näytepitimen lämpötila nousee lineaarisesti ajan funktiona. Kontrollinäytteellä tulee olla hyvin määritelty lämpökapasiteetti skannattavalla lämpötila-alueella.

Tekniikan kehittivät E. S. Watson ja M. J. O'Neill vuonna 1962 [1] , ja se esiteltiin kaupallisena tuotteena Pittsburghin analyyttisen kemian ja soveltavan spektroskopian konferenssissa vuonna 1963. Ensimmäinen adiabaattinen differentiaalinen pyyhkäisykalorimetri, jota voitiin käyttää biokemiassa, oli kehittivät P. L. Privalov ja D. R. Monaselidze vuonna 1964 fysiikan instituutissa Tbilisissä, Georgiassa. [2] Termiä DSC ehdotettiin kuvaamaan laitteita, jotka käyttävät tätä tekniikkaa lämpövaikutusten energian suoraan mittaamiseen ja lämpökapasiteetin tarkkuuteen. [3]

DSC-tyypit:

Vaihemuutosten havaitseminen

Tämän menetelmän perusperiaate on, että kun näytteessä tapahtuu fyysinen muutos, kuten faasimuutoksia , siihen on syötettävä enemmän tai vähemmän lämpöä vertailunäytteeseen verrattuna, jotta molemmat näytteet pysyvät samassa lämpötilassa riippuen siitä, onko tutkittava prosessi on eksoterminen tai endoterminen. Esimerkiksi kun kiinteä näyte sulaa, näytteen on siirrettävä enemmän lämpöä lämpötilansa nostamiseksi samalla nopeudella kuin vertailunäytteen. Tämä johtuu siitä, että näyte absorboi lämpöä, kun se käy läpi endotermisen faasisiirtymän kiinteästä nesteeksi. Toisaalta, jos näyte altistetaan eksotermisille prosesseille (kuten kiteytymiselle ), näytteen lämpötilan nostamiseen tarvitaan vähemmän lämpöä kuin vertailunäytteessä. Tarkkailemalla eroa näytteen ja referenssin välillä, differentiaaliset pyyhkäisykalorimetrit pystyvät mittaamaan tällaisten siirtymien aikana absorboituneen tai vapautuneen lämmön määrää. DSC:tä voidaan käyttää myös hienovaraisempien fysikaalisten muutosten, kuten lasisiirtymien, havaitsemiseen (lasittumislämpötilan mittaus). DSC:tä käytetään laajalti teollisuudessa laadunvalvontatyökaluna näytteen puhtauden arvioinnissa ja polymeerin kovettumisen tutkimisessa. [4] [5] [6]

DTA

Vaihtoehtoinen menetelmä, jolla on paljon yhteistä DSC:n kanssa, on differentiaalinen lämpöanalyysi (DTA). Tässä menetelmässä lämpövirta näytteeseen ja referenssiin pysyy muuttumattomana, ei lämpötila. Kun näytettä ja referenssiä kuumennetaan samalla nopeudella, faasimuutokset ja muut lämpöprosessit johtavat lämpötilaeroon näytteen ja vertailun välillä. Siten sekä DSC että DTA tarjoavat samanlaisia ​​tietoja. Mutta DSC mittaa energiaa, joka tarvitaan pitämään referenssi ja näyte samassa lämpötilassa, kun taas DTA mittaa lämpötilaeron näytteen ja referenssin välillä, kun niihin kohdistetaan sama energiamäärä.

DSC-käyrät

DSC-kokeen tulos on lämpövuokäyrä lämpötilan tai ajan funktiona. On olemassa kaksi erilaista käytäntöä: näytteen eksotermiset reaktiot voidaan osoittaa positiivisina tai negatiivisina huippuina tekniikasta ja perinteestä riippuen. DSC-käyrää voidaan käyttää vaihemuutosten entalpioiden laskemiseen . Tämä tehdään integroimalla tiettyä siirtymää vastaava huippu. Voidaan osoittaa, että faasisiirtymän entalpia voidaan ilmaista käyttämällä seuraavaa yhtälöä:

missä on faasisiirtymän entalpia, on kalorimetrinen vakio ja on käyrän alla oleva pinta-ala. Kalorimetrinen vakio vaihtelee laitteesta toiseen, ja se voidaan määrittää analysoimalla hyvin karakterisoitu näyte tunnetuilla faasimuutosentalpioilla. [5]

Sovellukset

Differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa voidaan käyttää useiden testinäytteiden ominaisuuksien mittaamiseen. Tällä menetelmällä on mahdollista määrittää sulamis- ja kiteytyslämpötilat sekä lasittumislämpötila Tg . DSC: tä voidaan käyttää myös hapettumisprosessien ja muiden kemiallisten reaktioiden tutkimiseen. [4] [7]

Lasimuutosta voi tapahtua, kun amorfisen kiinteän aineen lämpötilaa nostetaan. Nämä siirtymät näkyvät hyppynä tallennetun DSC-signaalin perusviivassa, mikä liittyy näytteen lämpökapasiteetin muutokseen; tässä tapauksessa muodollista vaihemuutosta ei tapahdu. [4] [6]

Lämpötilan noustessa amorfisesta kiinteästä aineesta tulee vähemmän viskoosi . Jossain vaiheessa molekyylit voivat saada tarpeeksi liikkumisvapautta järjestäytyäkseen spontaanisti kiteiseen muotoon. Tämä tunnetaan kiteytyslämpötilana ( Tc ) . Tämä siirtyminen amorfisesta kiinteästä aineesta kiteiseen kiinteään aineeseen on eksoterminen prosessi ja johtaa DSC-signaalin huippuun. Lämpötilan noustessa näyte saavuttaa lopulta sulamispisteensä ( T m ). Sulamisprosessi johtaa endotermiseen huippuun DSC-käyrällä. Kyky määrittää faasimuutosten lämpötilat ja entalpiat tekee DSC:stä arvokkaan työkalun faasikaavioiden luomiseen eri kemiallisiin järjestelmiin. [neljä]

Differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa voidaan käyttää myös arvokkaan termodynaamisen tiedon saamiseksi proteiineista. Proteiinien termodynaaminen analyysi voi paljastaa tärkeitä tietoja proteiinien globaalista rakenteesta ja proteiini/ligandivuorovaikutuksista. Esimerkiksi monet mutaatiot vähentävät proteiinin stabiilisuutta, kun taas ligandin sitoutuminen yleensä lisää proteiinin stabiilisuutta. [8] DSC:tä käyttämällä tämä stabiilisuus voidaan mitata laskemalla Gibbsin vapaan energian arvon lämpötilariippuvuus . Tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden verrata ligandettoman proteiinin ja proteiini-ligandikompleksin tai luonnollisten ja mutatoitujen proteiinien välistä vapautumisenergiaa. DSC:tä voidaan käyttää myös proteiini-lipidivuorovaikutusten, nukleotidien ja lääke-lipidivuorovaikutusten tutkimuksessa. [9] Kun tutkitaan proteiinien denaturaatiota DSC:llä, havaittujen lämpömuutosten tulisi olla ainakin jossain määrin palautuvia, koska termodynaamiset laskelmat perustuvat kemialliseen tasapainoon.

Esimerkkejä

Tekniikkaa käytetään laajasti eri aloilla sekä rutiininomaisena laatutestina että tutkimustyökaluna. Laite on helppo kalibroida esimerkiksi käyttämällä alhaalla sulavaa indiumia 156,5985 °C:ssa, ja se on nopea ja luotettava lämpöanalyysimenetelmä.

Polymeerit

DSC:tä käytetään laajalti polymeerimateriaalien tutkimuksessa niiden lämpösiirtymien määrittämiseksi. Tärkeitä lämpösiirtymiä ovat lasittumislämpötila ( Tg ), kiteytyslämpötila ( Tc ) ja sulamislämpötila ( Tm ). Havaittuja lämpösiirtymiä voidaan käyttää materiaalien vertailuun, vaikka siirtymät eivät yksinään määritä koostumusta yksiselitteisesti. Tuntemattomien materiaalien kemiallisen ja faasikoostumuksen tutkimus voidaan suorittaa aineiden fysikaalisen ja kemiallisen analyysin instrumentaalisilla lisämenetelmillä. Useimpien polymeerien sulamispisteet ja lasisiirtymät ovat saatavilla standardiviitekirjoista, ja DSC-analyysi voi osoittaa polymeerin hajoamisen, kun odotettu sulamispiste laskee. T m riippuu polymeerin molekyylipainosta ja sen lämpöhistoriasta.

Polymeerin kiteinen prosenttiosuus voidaan arvioida DSC-käyrän kiteytys/sulamispiikkeistä käyttämällä kirjallisuudesta löytyviä sulamispisteitä. [10] DSC:tä voidaan käyttää myös polymeerien lämpöhajoamisen tutkimiseen käyttämällä menetelmää, kuten lämpötila/hapetuksen alkamisaika; käyttäjä on kuitenkin vaarassa saastuttaa DSC-kennon ja vahingoittaa laitetta. Termogravimetrinen analyysi (TGA) voi olla hyödyllisempi menetelmä hajoamisen tutkimiseen. Polymeerien epäpuhtaudet voidaan tunnistaa tutkimalla termogrammeja epänormaalien piikkien varalta, ja pehmittimet voidaan havaita niille ominaisten kiehumispisteiden perusteella. Lisäksi voi olla hyödyllistä tutkia pieniä tapahtumia ensimmäisen ajon lämpöanalyysitiedoissa, koska "poikkeavat piikit" voivat itse asiassa edustaa materiaalin valmistus- tai varastointiprosessin lämpöhistoriaa tai tarjota tietoa polymeerin fysikaalisesta vanhenemisesta. Ensimmäisen ja toisen käyräajon vertailu samalle näytteelle, joka on otettu vakiolla kuumennusnopeuksilla, voi antaa analyytikolle mahdollisuuden oppia sekä polymeerin käsittelyhistoriaa että materiaalin ominaisuuksia.

Nestekiteet

DSC:tä käytetään nestekiteiden tutkimuksessa . Jotkut materiaalit eivät vain muutu kiinteästä nesteeksi, vaan muodostavat kolmannen tilan, joka heijastaa molempien faasien ominaisuuksia. Tämä anisotrooppisen nesteen tila tunnetaan nestekiteisenä tai mesomorfisena tilana. DSC:tä käyttämällä voidaan tarkkailla pieniä energian muutoksia, joita tapahtuu, kun aine muuttuu kiinteästä nestekiteeksi ja nestekiteestä isotrooppiseksi nesteeksi.

Oksidatiivinen stabiilisuus

Differentiaalisen pyyhkäisykalorimetrian käyttö näytteiden hapettumisstabiilisuuden tutkimiseen vaatii yleensä suljetun näytekammion. Yleensä tällaiset testit suoritetaan isotermisesti (vakiolämpötilassa) muuttamalla ilmakehää näytteen yläpuolella. Näyte saatetaan ensin haluttuun lämpötilaan inertissä ilmakehässä, yleensä typessä . Sitten järjestelmään lisätään happea. Kaikki hapettumiset havaitaan poikkeamana perusviivasta. Tällaista analyysiä voidaan käyttää määrittämään materiaalin tai yhdisteen stabiilisuus ja optimaaliset säilytysolosuhteet. [neljä]

Turvatarkastus

DSC on kätevä työkalu korkean energian siirtymäaineiden (räjähteet, polttoainekomponentit jne.) alustavaan turvallisuustarkastukseen. Tässä tilassa näyte asetetaan ei-reaktiiviseen upokkaaseen (usein kullattu tai kullattu teräs), joka kestää painetta (tyypillisesti jopa 100 bar ). Eksotermisen tapahtuman läsnäoloa voidaan sitten käyttää arvioitaessa aineen lämmönkestävyyttä. Kuitenkin suhteellisen alhaisen herkkyyden, tavallista hitaampien pyyhkäisynopeuksien (tyypillisesti 2–3 °C/min, paljon raskaamman upokkaan vuoksi) ja tuntemattoman aktivointienergian yhdistelmän vuoksi on tarpeen vähentää noin 75–100 ° C havaitusta eksotermisestä reaktiolämpötilasta tarjotakseen korkeimman turvallisen lämpötilan tietylle materiaalille. Paljon tarkempi tietojoukko voidaan saada käyttämällä adiabaattista kalorimetriä , mutta tällainen testi voi kestää 2-3 päivää skannattaessa ympäristön lämpötilasta nopeudella 6 °C/tunti.

Lääkeanalyysi

DSC:tä käytetään laajasti lääke- ja polymeeriteollisuudessa . Polymeerikemistille DSC on kätevä työkalu kovettumisprosessien tutkimiseen , mikä mahdollistaa polymeerin ominaisuuksien hienosäädön. Polymeerimolekyylien silloittuminen, joka tapahtuu kovetusprosessin aikana, on eksotermistä ja näkyy DSC-käyrän huippuna, joka yleensä ilmestyy pian lasisiirtymän jälkeen. [4] [5] [6]

Lääketeollisuudessa tarvitaan hyvin karakterisoituja lääkeyhdisteitä tuotantomenetelmien määrittämiseksi. Jos esimerkiksi halutaan toimittaa lääkettä amorfisessa muodossa, on toivottavaa käsitellä lääkettä lämpötiloissa, jotka ovat alle niitä, joissa kiteytymistä voi tapahtua. [5]

Yleinen kemiallinen analyysi

Jäätymispisteen vaimennusta voidaan käyttää työkaluna testattavien aineiden puhtauden analysointiin käytettäessä differentiaalista pyyhkäisykalorimetriamenetelmää. Tällaiset mittaukset ovat mahdollisia, koska lämpötila-alue, jolla yhdisteiden seos sulaa, riippuu niiden suhteellisista määristä. Siksi vähemmän puhtailla yhdisteillä on pidennetty sulamishuippu, joka alkaa alhaisemmasta lämpötilasta kuin puhdas yhdiste. [11] [6]

Katso myös

Linkit

  1. ↑ US-patentti 3,263,484 .
  2. ↑ Molekyylibiologia . - 1975. - T. 6. - S. 7-33.
  3. ↑ Lämpöanalyysi. - 1990. - S. 137-140. — ISBN 0-12-765605-7 .
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 Analyyttisen kemian käsikirja . - McGraw Hill, Inc., 1995. - P. 15.1-15.5. — ISBN 0-07-016197-6 .
  5. ↑ 1 2 3 4 Käytännön opas instrumentaaliseen analyysiin  . - Boca Raton, 1995. - P. 181-191.
  6. ↑ 1 2 3 4 Instrumentaalisen analyysin periaatteet. - 1998. - S. 805-808. — ISBN 0-03-002078-6 .
  7. ↑ Lämpötilaohjatun pyyhkäisykalorimetrin  analyysi  // Anal . Chem. : päiväkirja. - 1964. - Voi. 36 , ei. 7 . - s. 1238-1245 . - doi : 10.1021/ac60213a020 .
  8. ↑ Ligandin sitoutumisanalyysi ja seulonta kemiallisen denaturaatiosiirtymän avulla  //  Analyyttinen biokemia : päiväkirja. - 2013. - joulukuu ( osa 443 , nro 1 ). - s. 52-7 . - doi : 10.1016/j.ab.2013.08.015 . — PMID 23994566 .
  9. ↑ Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria: korvaamaton työkalu makromolekyylien ja niiden vuorovaikutusten yksityiskohtaiseen termodynaamiseen karakterisointiin  //  Journal of Pharmacy & Bioallied Sciences : päiväkirja. - 2011. - tammikuu ( osa 3 , nro 1 ). - s. 39-59 . - doi : 10.4103/0975-7406.76463 . — PMID 21430954 .
  10. ↑ Luku 8, taulukko VIII.6 // Makromolekulaarinen fysiikka. - 1980. - T. 3.
  11. ↑ Käytännön opas instrumentaaliseen analyysiin. - Boca Raton, 1995. - S. 181-191.

Lue lisää

Ulkoiset linkit