Calorimetrie de scanare diferențială

Calorimetria cu scanare diferențială ( DSC ) este o tehnică termoanalitică în care diferența dintre cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unei probe și o referință este măsurată în funcție de temperatură. Atât proba, cât și standardul sunt ținute aproape la aceeași temperatură pe tot parcursul experimentului. De obicei, un program de temperatură pentru analiza DSC este proiectat astfel încât temperatura suportului de probă să crească liniar în funcție de timp. Proba de control trebuie să aibă o capacitate termică bine definită în intervalul de temperatură care trebuie scanat.

Tehnica a fost dezvoltată de E. S. Watson și M. J. O'Neill în 1962 [1] și prezentată ca produs comercial la Conferința de chimie analitică și spectroscopie aplicată de la Pittsburgh în 1963. Primul calorimetru cu scanare diferențială adiabatică care ar putea fi utilizat în biochimie a fost dezvoltat de P. L. Privalov și D. R. Monaselidze în 1964 la Institutul de Fizică din Tbilisi, Georgia. [2] Pentru a descrie dispozitivele care implementează această tehnică pentru măsurarea directă a energiei efectelor termice și măsurarea cu precizie a capacității termice, a fost propus termenul DSC. [3]

Tipuri DSC:

Detectarea tranzițiilor de fază

Principiul de bază din spatele acestei metode este că atunci când o probă suferă o transformare fizică, cum ar fi tranzițiile de fază , trebuie să i se furnizeze mai mult sau mai puțină căldură, în comparație cu proba de referință, pentru a menține ambele probe la aceeași temperatură, în funcție de faptul că procesul studiat este exotermic sau endotermic. De exemplu, atunci când o probă solidă se topește, pentru a-și crește temperatura la aceeași viteză cu cea de referință, proba va trebui să transfere mai multă căldură. Acest lucru se datorează absorbției de căldură de către probă, pe măsură ce aceasta trece printr-o fază endotermă de la solid la lichid. Pe de altă parte, dacă proba este supusă proceselor exoterme (cum ar fi cristalizarea ), este necesară mai puțină căldură pentru a crește temperatura probei decât cea de referință. Prin observarea diferenței de flux de căldură dintre o probă și o referință, calorimetrele cu scanare diferențială sunt capabile să măsoare cantitatea de căldură absorbită sau eliberată în timpul unor astfel de tranziții. DSC poate fi, de asemenea, utilizat pentru a observa modificări fizice mai subtile, cum ar fi tranzițiile sticlei (măsurarea temperaturii tranziției sticlei). DSC este utilizat pe scară largă în industrie ca instrument de control al calității pentru a evalua puritatea probei și pentru a studia întărirea polimerului. [4] [5] [6]

DTA

O metodă alternativă care are multe în comun cu DSC este analiza termică diferențială (DTA). În această metodă, fluxul de căldură către probă și referință rămâne neschimbat, nu temperatura. Când proba și referința sunt încălzite la aceeași viteză, schimbările de fază și alte procese termice duc la o diferență de temperatură între eșantion și referință. Astfel, atât DSC, cât și DTA oferă informații similare. Dar DSC măsoară energia necesară pentru a menține referința și proba la aceeași temperatură, în timp ce DTA măsoară diferența de temperatură dintre eșantion și referință, având în vedere aceeași cantitate de energie aplicată acestora.

curbe DSC

Rezultatul experimentului DSC este o curbă a fluxului de căldură în funcție de temperatură sau timp. Există două convenții diferite: reacțiile exoterme dintr-o probă pot fi prezentate ca vârfuri pozitive sau negative, în funcție de tehnică și tradiție. Curba DSC poate fi utilizată pentru a calcula entalpiile tranzițiilor de fază . Aceasta se realizează prin integrarea vârfului corespunzător unei anumite tranziții. Se poate demonstra că entalpia tranziției de fază poate fi exprimată folosind următoarea ecuație:

unde este entalpia tranziției de fază, este constanta calorimetrică și este aria de sub curbă. Constanta calorimetrică va varia de la instrument la instrument și poate fi determinată prin analiza unei probe bine caracterizate cu entalpii de tranziție de fază cunoscute. [5]

Aplicații

Calorimetria cu scanare diferențială poate fi utilizată pentru a măsura o serie de proprietăți ale probelor de testat. Folosind această metodă, este posibil să se determine temperaturile de topire și cristalizare , precum și temperatura de tranziție vitroasă Tg . DSC poate fi, de asemenea, utilizat pentru a studia procesele de oxidare , precum și alte reacții chimice. [4] [7]

Tranziția sticloasă poate avea loc atunci când temperatura unui solid amorf este crescută. Aceste tranziții apar ca un salt în linia de bază a semnalului DSC înregistrat, care este asociat cu o modificare a capacității de căldură a probei; în acest caz, nu are loc nicio schimbare formală de fază. [4] [6]

Pe măsură ce temperatura crește, solidul amorf devine mai puțin vâscos . La un moment dat, moleculele pot obține suficientă libertate de mișcare pentru a se aranja spontan într-o formă cristalină. Aceasta este cunoscută ca temperatura de cristalizare ( Tc ) . Această tranziție de la un solid amorf la un solid cristalin este un proces exotermic și are ca rezultat un vârf în semnalul DSC. Pe măsură ce temperatura crește, proba ajunge în cele din urmă la punctul său de topire ( Tm ). Procesul de topire are ca rezultat un vârf endotermic pe curba DSC. Capacitatea de a determina temperaturile și entalpiile tranzițiilor de fază face ca DSC să fie un instrument valoros pentru crearea diagramelor de fază pentru diferite sisteme chimice. [patru]

Calorimetria cu scanare diferențială poate fi, de asemenea, utilizată pentru a furniza informații termodinamice valoroase despre proteine. Analiza termodinamică a proteinelor poate dezvălui informații importante despre structura globală a proteinelor și interacțiunile proteină/ligand. De exemplu, multe mutații reduc stabilitatea proteinei, în timp ce legarea ligandului crește în general stabilitatea proteinei. [8] Folosind DSC, această stabilitate poate fi măsurată prin obținerea dependenței de temperatură a valorii energiei libere Gibbs . Acest lucru permite cercetătorilor să compare energia liberă de desfășurare între o proteină fără liganzi și un complex proteină-ligand sau proteine ​​naturale și mutante. DSC poate fi, de asemenea, utilizat în studiul interacțiunilor proteină-lipidă, nucleotidelor și interacțiunilor medicament-lipid. [9] Când se studiază denaturarea proteinelor folosind DSC, transformările termice observate ar trebui să fie cel puțin într-o oarecare măsură reversibile, deoarece calculele termodinamice se bazează pe echilibrul chimic.

Exemple

Tehnica este utilizată pe scară largă în diverse domenii, atât ca test de calitate de rutină, cât și ca instrument de cercetare. Echipamentul este ușor de calibrat, de exemplu folosind indiu cu punct de topire scăzut la 156,5985 °C și este o metodă rapidă și fiabilă de analiză termică.

Polimeri

DSC este utilizat pe scară largă în studiul materialelor polimerice pentru a determina tranzițiile lor termice. Tranzițiile termice importante includ temperatura de tranziție sticloasă ( Tg ), temperatura de cristalizare ( Tc ) și temperatura de topire ( Tm ). Tranzițiile termice observate pot fi folosite pentru a compara materialele, deși tranzițiile singure nu determină fără ambiguitate compoziția. Studiul compoziției chimice și de fază a materialelor necunoscute poate fi finalizat folosind metode instrumentale suplimentare de analiză fizică și chimică a substanțelor. Punctele de topire și tranzițiile de sticlă pentru majoritatea polimerilor sunt disponibile din cărțile de referință standard, iar analiza DSC poate arăta degradarea polimerului pe măsură ce punctul de topire așteptat este scăzut. T m depinde de greutatea moleculară a polimerului și de istoria sa termică.

Conținutul procentual de cristalin al polimerului poate fi estimat din vârfurile de cristalizare/topire ale curbei DSC folosind punctele de topire găsite în literatură. [10] DSC poate fi, de asemenea, utilizat pentru a studia degradarea termică a polimerilor folosind o abordare cum ar fi temperatura/timpul de debut al oxidării; cu toate acestea, utilizatorul riscă să contamineze celula DSC și să deterioreze instrumentul. Analiza termogravimetrică (TGA) poate fi o metodă mai utilă pentru investigarea degradării. Impuritățile din polimeri pot fi identificate prin examinarea termogramelor pentru vârfuri anormale, iar plastifianții pot fi detectați prin punctele lor de fierbere caracteristice. În plus, poate fi util să se investigheze evenimente minore din datele analizei termice din prima execuție, deoarece „vârfurile anormale” pot reprezenta de fapt istoria termică a procesului de fabricație sau depozitare a materialului sau pot oferi informații despre îmbătrânirea fizică a polimerului. Comparația dintre prima și a doua curbă pentru aceeași probă, luate la viteze constante de încălzire, poate permite analistului să învețe atât istoria procesării polimerului, cât și proprietățile materialului.

Cristale lichide

DSC este utilizat în studiul cristalelor lichide . Unele materiale nu trec doar de la solid la lichid, ci formează o a treia stare care reflectă proprietățile ambelor faze. Această stare a unui fluid anizotrop este cunoscută sub numele de stare lichid cristalină sau mezomorfă. Folosind DSC, se pot observa micile modificări ale energiei care apar atunci când o substanță se schimbă de la un solid la un cristal lichid și de la un cristal lichid la un lichid izotrop .

Stabilitate oxidativă

Utilizarea calorimetriei cu scanare diferențială pentru a studia stabilitatea la oxidare a probelor necesită de obicei o cameră de probă etanșă. De obicei, astfel de teste sunt efectuate izotermic (la o temperatură constantă) prin schimbarea atmosferei deasupra probei. Proba este mai întâi adusă la temperatura dorită într-o atmosferă inertă, de obicei azot . Apoi se adaugă oxigen în sistem. Orice oxidare care apare este observată ca o abatere de la linia de bază. O astfel de analiză poate fi utilizată pentru a determina stabilitatea și condițiile optime de depozitare a unui material sau compus. [patru]

Verificare de securitate

DSC este un instrument la îndemână pentru verificările inițiale de siguranță asupra substanțelor cu tranziții energetice mari (explozivi, componente de combustibil etc.). În acest mod, proba este plasată într-un creuzet nereactiv (adesea cu aur sau oțel placat cu aur) care va fi capabil să reziste la presiune (de obicei, până la 100 bar ). Prezența unui eveniment exotermic poate fi apoi utilizată pentru a evalua rezistența unei substanțe la căldură. Cu toate acestea, datorită unei combinații de sensibilitate relativ scăzută, rate de scanare mai lente decât obișnuite (de obicei 2–3 °C/min, din cauza creuzetului mult mai greu) și o energie de activare necunoscută , este necesar să se scadă aproximativ 75–100 ° C de la temperatura de reacție exotermă observată pentru a oferi cea mai ridicată temperatură sigură pentru un anumit material. Un set de date mult mai precis poate fi obținut folosind un calorimetru adiabatic , dar un astfel de test poate dura 2-3 zile când se scanează de la temperatura ambiantă la o rată de 6 °C/oră.

Analiza medicamentelor

DSC este utilizat pe scară largă în industria farmaceutică și a polimerilor . Pentru chimistul de polimeri, DSC este un instrument la îndemână pentru studierea proceselor de întărire , care permite reglarea fină a proprietăților polimerului. Reticularea moleculelor de polimer care are loc în timpul procesului de întărire este exotermă și apare ca un vârf pe curba DSC, care apare de obicei la scurt timp după tranziția sticloasă. [4] [5] [6]

În industria farmaceutică este necesar să existe compuși medicamentoși bine caracterizați pentru a determina regimurile de producție. De exemplu, dacă se doreşte eliberarea unui medicament în formă amorfă, este de dorit să se proceseze medicamentul la temperaturi sub cele la care poate avea loc cristalizarea. [5]

Analiză chimică generală

Suprimarea punctului de îngheț poate fi utilizată ca instrument de analiză a purității substanțelor de testat atunci când se utilizează metoda calorimetriei cu scanare diferențială. Astfel de măsurători sunt posibile deoarece intervalul de temperatură în care se topește un amestec de compuși depinde de cantitățile lor relative. Prin urmare, compușii mai puțin puri vor prezenta un vârf de topire extins care începe la o temperatură mai scăzută decât un compus pur. [11] [6]

Vezi și

Link -uri

  1. ^ Brevetul SUA 3.263.484 .
  2. ↑ Biologie moleculară . - 1975. - T. 6. - S. 7-33.
  3. ↑ Analiza termică. - 1990. - S. 137-140. — ISBN 0-12-765605-7 .
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 Manualul de chimie analitică . - McGraw Hill, Inc., 1995. - P. 15.1-15.5. — ISBN 0-07-016197-6 .
  5. ↑ 1 2 3 4 Un ghid practic pentru analiza instrumentală  . - Boca Raton, 1995. - P. 181-191.
  6. ↑ 1 2 3 4 Principiile analizei instrumentale. - 1998. - S. 805-808. — ISBN 0-03-002078-6 .
  7. ↑ Analiza unui calorimetru de scanare controlat cu temperatură   // Anal . Chim. : jurnal. - 1964. - Vol. 36 , nr. 7 . - P. 1238-1245 . - doi : 10.1021/ac60213a020 .
  8. ↑ Analiza și screeningul legării ligandului prin schimbarea denaturarii chimice  // Biochimie  analitică : jurnal. - 2013. - Decembrie ( vol. 443 , nr. 1 ). - P. 52-7 . - doi : 10.1016/j.ab.2013.08.015 . — PMID 23994566 .
  9. ↑ Calorimetrie cu scanare diferențială: un instrument neprețuit pentru o caracterizare termodinamică detaliată a macromoleculelor și a interacțiunilor lor  //  Journal of Pharmacy & Bioallied Sciences : jurnal. - 2011. - ianuarie ( vol. 3 , nr. 1 ). - P. 39-59 . - doi : 10.4103/0975-7406.76463 . — PMID 21430954 .
  10. ↑ Capitolul 8, Tabelul VIII.6 // Fizica macromoleculară. - 1980. - T. 3.
  11. ↑ Un ghid practic pentru analiza instrumentală. - Boca Raton, 1995. - S. 181-191.

Lectură suplimentară

Link- uri externe