Diferenční skenovací kalorimetrie

Diferenciální skenovací kalorimetrie ( DSC ) je termoanalytická technika, ve které se měří rozdíl v množství tepla potřebného ke zvýšení teploty vzorku a reference jako funkce teploty. Vzorek i standard jsou během experimentu udržovány na téměř stejné teplotě. Typicky je teplotní program pro DSC analýzu navržen tak, že teplota držáku vzorku roste lineárně jako funkce času. Kontrolní vzorek by měl mít dobře definovanou tepelnou kapacitu v teplotním rozsahu, který má být skenován.

Technika byla vyvinuta E. S. Watsonem a M. J. O'Neillem v roce 1962 [1] a představena jako komerční produkt na Pittsburgh Conference on Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy v roce 1963. První adiabatický diferenciální skenovací kalorimetr, který mohl být použit v biochemii, byl vyvinutý P. L. Privalovem a D. R. Monaselidzem v roce 1964 na Ústavu fyziky v Tbilisi v Gruzii. [2] Pro popis zařízení, která implementují tuto techniku ​​pro přímé měření energie tepelných účinků a přesné měření tepelné kapacity, byl navržen termín DSC. [3]

Typy DSC:

Detekce fázových přechodů

Základní princip této metody spočívá v tom, že když vzorek prochází fyzikální transformací, jako jsou fázové přechody , musí se do něj ve srovnání s referenčním vzorkem dodat více či méně tepla, aby se oba vzorky udržely na stejné teplotě, v závislosti na tom, zda proces je exotermický nebo endotermický. Například, když se pevný vzorek taví, aby se zvýšila jeho teplota stejnou rychlostí jako referenční vzorek, bude muset přenést více tepla. To je způsobeno absorpcí tepla vzorkem, který prochází endotermickým fázovým přechodem z pevné látky na kapalinu. Na druhou stranu, pokud je vzorek vystaven exotermickým procesům (jako je krystalizace ), je potřeba ke zvýšení teploty vzorku méně tepla než referenční. Pozorováním rozdílu v tepelném toku mezi vzorkem a referencí jsou diferenční skenovací kalorimetry schopny měřit množství tepla absorbovaného nebo uvolněného během takových přechodů. DSC lze také použít k pozorování jemnějších fyzikálních změn, jako jsou skelné přechody (měření teploty skelného přechodu). DSC je široce používán v průmyslu jako nástroj kontroly kvality pro hodnocení čistoty vzorku a pro studium vytvrzování polymerů. [4] [5] [6]

DTA

Alternativní metodou, která má mnoho společného s DSC, je diferenciální termická analýza (DTA). Při této metodě zůstává tepelný tok do vzorku a reference nezměněn, nikoli teplota. Když se vzorek a reference zahřívají stejnou rychlostí, fázové změny a další tepelné procesy vedou k teplotnímu rozdílu mezi vzorkem a referencí. DSC i DTA tedy poskytují podobné informace. Ale DSC měří energii potřebnou k udržení reference a vzorku na stejné teplotě, zatímco DTA měří teplotní rozdíl mezi vzorkem a referencí při stejném množství energie aplikované na ně.

DSC křivky

Výsledkem DSC experimentu je křivka tepelného toku jako funkce teploty nebo času. Existují dvě různé konvence: exotermické reakce ve vzorku mohou být zobrazeny jako pozitivní nebo negativní píky, v závislosti na technice a tradici. Křivku DSC lze použít k výpočtu entalpií fázových přechodů . To se provádí integrací píku odpovídajícího danému přechodu. Lze ukázat, že entalpii fázového přechodu lze vyjádřit pomocí následující rovnice:

kde je entalpie fázového přechodu, je kalorimetrická konstanta a je plocha pod křivkou. Kalorimetrická konstanta se bude lišit přístroj od přístroje a lze ji určit analýzou dobře charakterizovaného vzorku se známými entalpiemi fázového přechodu. [5]

Aplikace

Diferenciální skenovací kalorimetrii lze použít k měření řady vlastností zkušebních vzorků. Pomocí této metody je možné stanovit teploty tání a krystalizace a také teplotu skelného přechodu Tg . DSC lze také použít ke studiu oxidačních procesů a dalších chemických reakcí. [4] [7]

Skelný přechod může nastat, když se teplota amorfní pevné látky zvýší. Tyto přechody se projevují jako skok v základní linii zaznamenaného DSC signálu, který je spojen se změnou tepelné kapacity vzorku; v tomto případě nenastane žádná formální změna fáze. [4] [6]

Jak teplota stoupá, amorfní pevná látka se stává méně viskózní . V určitém okamžiku mohou molekuly získat dostatečnou volnost pohybu, aby se spontánně uspořádaly do krystalické formy. Toto je známé jako teplota krystalizace ( Tc ) . Tento přechod z amorfní pevné látky na krystalickou pevnou látku je exotermický proces a vede k vrcholu signálu DSC. Jak teplota stoupá, vzorek nakonec dosáhne svého bodu tání ( Tm ) . Výsledkem procesu tání je endotermický pík na křivce DSC. Schopnost určovat teploty a entalpie fázových přechodů dělá z DSC cenný nástroj pro vytváření fázových diagramů pro různé chemické systémy. [čtyři]

Diferenciální skenovací kalorimetrie může být také použita k poskytnutí cenných termodynamických informací o proteinech. Termodynamická analýza proteinů může odhalit důležité informace o globální struktuře proteinů a interakcích protein/ligand. Například mnoho mutací snižuje stabilitu proteinu, zatímco vazba ligandu obecně stabilitu proteinu zvyšuje. [8] Pomocí DSC lze tuto stabilitu měřit získáním teplotní závislosti hodnoty Gibbsovy volné energie . To umožňuje výzkumníkům porovnat volnou energii rozvíjení mezi proteinem bez ligandů a komplexem protein-ligand nebo přirozenými a mutovanými proteiny. DSC lze také použít při studiu interakcí protein-lipid, nukleotidů a interakcí lék-lipid. [9] Při studiu denaturace proteinů pomocí DSC by pozorované tepelné přeměny měly být alespoň do určité míry reverzibilní, protože termodynamické výpočty jsou založeny na chemické rovnováze.

Příklady

Tato technika je široce používána v různých oblastech, a to jak jako rutinní test kvality, tak jako výzkumný nástroj. Zařízení se snadno kalibruje, například pomocí india s nízkou teplotou tání při 156,5985 °C, a je rychlou a spolehlivou metodou tepelné analýzy.

Polymery

DSC se široce používá při studiu polymerních materiálů k určení jejich tepelných přechodů. Mezi důležité tepelné přechody patří teplota skelného přechodu ( Tg ), teplota krystalizace ( Tc ) a teplota tání ( Tm ). Pozorované tepelné přechody lze použít k porovnání materiálů, i když přechody samotné neurčují jednoznačně složení. Studium chemického a fázového složení neznámých materiálů lze dokončit pomocí dalších instrumentálních metod fyzikální a chemické analýzy látek. Teploty tání a skelné přechody pro většinu polymerů jsou dostupné ze standardních referenčních knih a analýza DSC může ukázat degradaci polymeru , když se očekávaná teplota tání sníží. Tm závisí na molekulové hmotnosti polymeru a jeho tepelné historii.

Procento krystalického obsahu polymeru lze odhadnout z píku krystalizace/tání křivky DSC za použití bodů tání nalezených v literatuře. [10] DSC lze také použít ke studiu tepelné degradace polymerů pomocí přístupu, jako je teplota/čas začátku oxidace; uživatel však podstupuje riziko kontaminace buňky DSC a poškození přístroje. Termogravimetrická analýza (TGA) může být užitečnější metodou pro zkoumání degradace. Nečistoty v polymerech lze identifikovat zkoumáním termogramů na abnormální píky a změkčovadla lze detekovat podle jejich charakteristických bodů varu. Kromě toho může být užitečné prozkoumat menší události v datech první tepelné analýzy, protože "anomální píky" mohou ve skutečnosti představovat tepelnou historii procesu výroby nebo skladování materiálu nebo poskytovat informace o fyzickém stárnutí polymeru. Porovnání průběhu první a druhé křivky pro stejný vzorek odebraný při konstantních rychlostech ohřevu může analytikovi umožnit zjistit jak historii zpracování polymeru, tak vlastnosti materiálu.

Tekuté krystaly

DSC se používá při studiu tekutých krystalů . Některé materiály nepřecházejí pouze z pevného do kapalného stavu, ale tvoří třetí skupenství, které odráží vlastnosti obou fází. Tento stav anizotropní tekutiny je známý jako kapalný krystalický nebo mezomorfní stav. Pomocí DSC lze pozorovat malé změny energie, ke kterým dochází, když se látka mění z pevné látky na tekutý krystal az tekutého krystalu na izotropní kapalinu.

Oxidační stabilita

Použití diferenciální skenovací kalorimetrie ke studiu oxidační stability vzorků obvykle vyžaduje utěsněnou komoru pro vzorky. Obvykle se takové testy provádějí izotermicky (při konstantní teplotě) změnou atmosféry nad vzorkem. Vzorek se nejprve přivede na požadovanou teplotu pod inertní atmosférou, obvykle dusíkem . Poté se do systému přidá kyslík. Jakákoli oxidace, která nastane, je pozorována jako odchylka od základní linie. Takovou analýzu lze použít ke stanovení stability a optimálních skladovacích podmínek materiálu nebo sloučeniny. [čtyři]

Bezpečnostní kontrola

DSC je praktický nástroj pro počáteční bezpečnostní kontroly látek s vysokými energetickými přechody (výbušniny, složky paliv atd.). V tomto režimu je vzorek umístěn do nereaktivního kelímku (často pozlacené nebo pozlacené oceli), který bude schopen odolat tlaku (typicky až 100 barů ). Přítomnost exotermické události pak může být použita k hodnocení odolnosti látky vůči teplu. Kvůli kombinaci relativně nízké citlivosti, pomalejší než obvyklé rychlosti skenování (typicky 2–3 °C/min, kvůli mnohem těžšímu kelímku) a neznámé aktivační energie je však nutné odečíst asi 75–100 ° C od pozorované teploty exotermické reakce, aby byla pro daný materiál nabízena nejvyšší bezpečná teplota. Mnohem přesnější soubor dat lze získat pomocí adiabatického kalorimetru , ale takový test může trvat 2-3 dny při snímání z okolní teploty rychlostí 6 °C/hod.

Analýza drog

DSC je široce používán ve farmaceutickém a polymerním průmyslu. Pro chemika polymerů je DSC užitečným nástrojem pro studium procesů vytvrzování , který umožňuje jemné doladění vlastností polymeru. Zesíťování molekul polymeru, ke kterému dochází během procesu vytvrzování, je exotermické a objevuje se jako vrchol na křivce DSC, který se obvykle objevuje krátce po skelném přechodu. [4] [5] [6]

Ve farmaceutickém průmyslu je nutné mít dobře charakterizované lékové sloučeniny, aby bylo možné stanovit výrobní režimy. Je-li například žádoucí dodávat léčivo v amorfní formě, je žádoucí zpracovávat léčivo při teplotách nižších, než jsou teploty, při kterých může dojít ke krystalizaci. [5]

Obecná chemická analýza

Potlačení bodu tuhnutí lze použít jako nástroj pro analýzu čistoty testovaných látek při použití metody diferenciální skenovací kalorimetrie. Taková měření jsou možná, protože teplotní rozsah, ve kterém směs sloučenin taje, závisí na jejich relativních množstvích. Proto méně čisté sloučeniny budou vykazovat prodloužený pík tání, který začíná při nižší teplotě než čistá sloučenina. [11] [6]

Viz také

Odkazy

  1. ↑ Americký patent 3 263 484 .
  2. ↑ Molekulární biologie . - 1975. - T. 6. - S. 7-33.
  3. ↑ Tepelná analýza. - 1990. - S. 137-140. — ISBN 0-12-765605-7 .
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 The Analytical Chemistry Handbook . - McGraw Hill, Inc., 1995. - S. 15.1-15.5. — ISBN 0-07-016197-6 .
  5. ↑ 1 2 3 4 Praktický průvodce instrumentální analýzou  . - Boca Raton, 1995. - S. 181-191.
  6. ↑ 1 2 3 4 Principy instrumentální analýzy. - 1998. - S. 805-808. — ISBN 0-03-002078-6 .
  7. ↑ Analýza teplotně řízeného skenovacího kalorimetru   // Anal . Chem. : deník. - 1964. - Sv. 36 , č. 7 . - S. 1238-1245 . - doi : 10.1021/ac60213a020 .
  8. ↑ Analýza vazby ligandu a screening pomocí chemického denaturačního posunu  //  Analytická biochemie : deník. - 2013. - Prosinec ( roč. 443 , č. 1 ). - str. 52-7 . - doi : 10.1016/j.ab.2013.08.015 . — PMID 23994566 .
  9. ↑ Diferenciální skenovací kalorimetrie: Neocenitelný nástroj pro podrobnou termodynamickou charakterizaci makromolekul a jejich interakcí  //  Journal of Pharmacy & Bioallied Sciences : deník. - 2011. - Leden ( vol. 3 , č. 1 ). - str. 39-59 . - doi : 10.4103/0975-7406.76463 . — PMID 21430954 .
  10. ↑ Kapitola 8, Tabulka VIII.6 // Makromolekulární fyzika. - 1980. - T. 3.
  11. ↑ Praktický průvodce instrumentální analýzou. - Boca Raton, 1995. - S. 181-191.

Další čtení

Externí odkazy