Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC): periaate ja sovellukset
Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC) — periaate, mittaus ja sovellukset materiaalitutkimuksesta lääkkeisiin ja elintarvikelaatuun.
Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC) on analyysiväline, jota käytetään laajalti materiaalitieteissä, termokemiassa, lääkkeiden puhtauden ja elintarvikkeiden laadun testauksessa. Sen nopeus ja helppokäyttöisyys antavat välitöntä tietoa termodynaamisista ominaisuuksista, joilla on tärkeä rooli aineiden muodostumisen aikana tapahtuvien monimutkaisten prosessien ymmärtämisessä; esimerkkeinä voidaan mainita polymeerien ristisilloittuminen, proteiinien taittumisesta ja avautumisesta johtuva lämmönvaihto tai yksi- tai kaksisäikeisen DNA:n muodostumismekanismi. E.S. Watson ja M.J. O'Neil keksivät DSC:n ensimmäisen kerran vuonna 1962, ja se tuli markkinoille vuonna 1963 Pittsburghissa pidetyssä Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy -konferenssissa.
Periaate
DSC mittaa näytteen ja referenssin välistä lämpövirtaa, kun ne altistetaan säädellylle lämpötilaprofiilille (yleensä lineaarinen lämmitys tai jäähdytys). Mittauksen perusajatuksena on havaita, kuinka paljon energiaa (lämpötehoa) täytyy antaa tai poistaa, jotta näyte noudattaa samaa lämpötilaa kuin referenssi. Tuloksena saadaan termogrammi, jossa pystyakselilla on lämmönvirtaus (esim. mW tai W/g) ja vaakakselilla lämpötila tai aika.
Mitä lämpöilmiöitä DSC tunnistaa?
- Lasisiirtymä (Tg) – näkyy lämpökapasiteetin (Cp) muutoksena eli askelmana peruslinjassa.
- Sulaminen (Tm) – endoterminen piikki, josta voidaan integroida sulamislämpö (ΔHfus).
- Kristallisoituminen (Tc) – eksoterminen tai endoterminen piikki riippuen prosessista (esim. hidas vs. nopea kiteytys).
- Polymeerien ristisilloittuminen tai kovettuminen – yleensä eksoterminen reaktio, jota käytetään kovettumisen seurannassa.
- Hajoaminen ja hapettuminen – voivat näkyä eksotermeinä tai endotermeinä ja usein yhdistetään massahäviön mittaukseen (TGA).
- Spesifi lämmönkapasiteetti (Cp) – DSC:llä voidaan määrätä Cp-arvoja erityisesti kalibroituna mittauksena.
DSC-tyypit ja mittausmenetelmät
- Heat-flux DSC – mittaa lämpövirtaa lämpöhäviön kautta lämpöelementissä; yleinen laboratorioissa.
- Power-compensated DSC – säätää erikseen näytteen ja referenssin lämmöntuottoa, hyvä dynaamiseen vasteeseen.
- Moduloitu DSC (MDSC) – yhdistää lineaarisen rampin ja pienen lämpötilamodulaation, jolloin voidaan erottaa reversoituvat (esim. Tg) ja ei-reversoituvat (esim. ristisilloittuminen) ilmiöt.
- Nopeat DSC-tekniikat (fast DSC) – erittäin suuret lämmitysnopeudet pystyvät paljastamaan nopeasti tapahtuvat ilmiöt.
- Chip-DSC ja micro-DSC – pienellä näytemäärällä toimivia laitteita erityissovelluksiin.
Laitteisto ja näytteen valmistelu
Tyypillinen DSC-kokoonpano sisältää näyte- ja referenssipannut, lämmityselementin/anturin ja suojakaasun järjestelmän. Näytteen massan suositus on yleensä muutamasta milligrammasta kymmeniin milligrammoihin riippuen laitteesta.
- Panot – alumiini (yleisin, kertakäyttöinen), platina tai grafiitti (korkeammat lämpötilat). Tiiviit/saumatut panot pidättävät haihtuvia yhdisteitä, avoimet panot soveltuvat kaasujen poistumiseen.
- Ilmasto – inertit kaasut (N2, Ar) estävät hapettumista; happipitoiset olosuhteet voivat olla tarpeen hapettumisreaktioiden mittaamiseen.
- Kalibrointi – lämpötila- ja entalpiakalibrointi suoritetaan standardeilla kuten indium, tina, kupari tai säädetään sapphirilla Cp-mittauksen kalibroimiseksi.
Tietojen analyysi ja tulkinta
DSC-käyrästä määritetään tyypillisesti:
- Onset- ja peak-lämpötilat (esim. sulamisen tai denaturoitumisen aloitus ja huippu).
- Integroitu pinta-ala, josta saadaan muuttuvan eventin entalpia (J tai J/g).
- Lämpökapasiteetin muutos (ΔCp) lasisiirtymässä.
- Erilaiset termisen käyttäytymisen erot riippuen lämmitysnopeudesta: hitaammat nopeudet voivat paljastaa tasapainotilat, nopeammat korostavat kinetiikkaa.
Sovellukset
- Polymeerit – Tg:n, sulamispisteen, kristallisuuden ja ristisilloittumisen määritys sekä additiivien vaikutuksen seuranta.
- Farmasia – aktiivisten aineiden puhtauden arviointi sulamisentalpian avulla, eri polymorfien erotus, stabiilisuustutkimukset ja pakkausmateriaalien soveltuvuus.
- Elintarvikkeet – rasvojen sulamiskäyttäytyminen, kiteytyminen ja stabiliteetti.
- Biomolekyylit – proteiinien denaturoituminen, ligandisidoksen vakaus ja biomateriaalien terminen käyttäytyminen.
- Metallit ja seokset – sulamis- ja eutektiset pisteet (vaativat usein erikoisellaitteita korkeisiin lämpötiloihin).
Käytännön vinkkejä ja rajoitukset
- Punnitse näyte tarkasti ja käytä sopivan kokoista pannua; liian pieni massa voi heikentää signaalia, liian suuri voi aiheuttaa lämpöverkon hidastumista.
- Valitse panot ja kaasuolosuhteet näytteen volatiliteetin ja hapettumisherkkyyden mukaan.
- Huomioi lämmitysnopeuden vaikutus: nopeampi lämmitys siirtää tapahtumia korkeampiin lämpötiloihin ja voi muuttaa piikin muotoa.
- DSC ei anna suoraa kemiallista tietoa hajoamistuotteista — siksi usein yhdistetään TGA-, FTIR- tai MS-menetelmiin.
- Mahdollisia ongelmia: baseline-drift, kohina, huono pannin kosketus tai näytteen epätasainen jakautuminen. Säännöllinen huolto ja kalibrointi vähentävät virheitä.
- Turvallisuus: haihtuvat tai helposti palavien näytteiden kanssa käytettäessä on oltava varovainen — suljetut panot voivat aiheuttaa paineen kohoamista hajoamisen yhteydessä.
Yhdistetyt menetelmät ja jatkotutkimus
DSC usein täydentää muita karakterisointitekniikoita. Tavallisia yhdistelmiä ovat:
- DSC + TGA (samassa laitteessa tai rinnakkaismittauksina) – yhdistää lämmönvirta- ja massamuutostiedon.
- DSC + DMA – mekaanisten ja termisten siirtymien vertailu (esim. Tg).
- DSC + spektroskopia (FTIR, Raman) – kemiallisten muutosten seuranta termisten tapahtumien yhteydessä.
Yhteenvetona DSC on monipuolinen ja informatiivinen työkalu materiaalien lämpöominaisuuksien tutkimiseen. Oikein suunniteltuna mittaus antaa kvantitatiivista tietoa tapahtumien lämpöenergiasta, lämpötilasta ja kineettisistä ominaisuuksista, ja se on keskeinen menetelmä sekä tutkimuksessa että laadunvalvonnassa.
Fyysinen rakenne
Kaksi yleisintä eripunnituskalorimetrityyppiä ovat lämpövirta-DSC, joka toimii pitämällä järjestelmän lämmönsyöttö vakiona, ja tehokompensoitu DSC, joka toimii pitämällä kalorimetriin syötetty teho vakiona. Yleisesti ottaen DSC laskee lämpömuutokset mittaamalla näytteen ja referenssipidikkeen välisen lämpötilaeron. Lämpövirran DSC:n tyypillinen rakenne voidaan nähdä kuvasta 1. Siinä on näytteenpidin, johon kiinnostuksen kohteena oleva materiaali asetetaan, ja vertailupidin, joka pidetään yleensä tyhjänä. Molemmat asetetaan alustalle, joka on hyvässä kosketuksessa kalorimetrin seinämiin. Lämmitysvastus on kiinnitetty rajaseiniin, jolloin saadaan uuni, joka tuottaa ja pitää vaaditun lämpömäärän kotelon sisällä. Sekä näyte- että referenssitelineeseen liitetty termopari on mittauslaite, joka antaa analyysissä käytettävän lämpötilan. Lämmitysvastuksen syöttämä lämpö virtaa edelleen näyte- ja vertailumateriaalikammioon.
Kuva 1. Kaaviokuva lämpövirran differentiaalisen pyyhkäisykalorimetrian menetelmästä.
Teoria
Yksinkertaisinta teoreettista lähestymistapaa DSC:n toimintamekanismin ymmärtämiseksi kutsutaan yksinkertaistetuksi lineaariseksi malliksi, ja siinä käytetään seuraavia oletuksia:
- Lämpövirta on vakio,
- Näytteen ja vertailun välillä ei ole vuorovaikutusta,
- Huomioon otetaan vain näytteen ja referenssin lämpökapasiteetit,
- Mitattava lämpötila on näytteen nykyinen lämpötila,
- Järjestelmä on eristetty ympäröivästä ympäristöstä, eli se ei vaihda lämpöä ulkopuolisen kanssa.
Fourierin lämmönjohtumislain, joka on peruslaki, joka selittää, miten lämpö siirtyy materiaalien läpi, avulla voidaan tarkastella lämpötilan ja lämpövirran välistä suhdetta järjestelmässä. Tämän lain mukaan materiaalin pinta-alan (A) pienen osan läpi kulkevan lämpöenergian määrä, jota kutsutaan lämpövirran tiheydeksi ja jota merkitään ( Φ A ) {\textstyle ({\frac {\mathsf {\Phi }}{\mathsf {A}}})}
vastaa lämmönjohtavuutta (k) kerrottuna lämpötilan muutoksella asennon suhteen, joka voidaan merkitä seuraavasti: ( - Δ T Δ x ) {\textstyle (-{\\\frac {{\mathsf {\Delta }}T}{{\mathsf {\Delta }}x}})}
. Tämä suhde yhtälön muodossa voidaan kirjoittaa seuraavasti,
Φ A = - k Δ T Δ x {\displaystyle \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quadk{\\frac {{\mathsf {\Delta }}T}{{\mathsf {\Delta }}x}}}}
Yleensä DSC:ssä käytetään tietokonetta, joka syöttää lämpöä tietyllä nopeudella sekä vertailu- että näytesäiliöön. Kun näytepidike sisältää ainetta, kun taas vertailupidike pidetään tyhjänä, näytepidikkeen lämpötila joko nousee tai laskee (T s )
riippuen seuraavista prosesseista:
- Jos prosessi on lämpöä kuluttava, eli tapahtumaan tarvitaan ulkoista lämpöä, jota kutsutaan myös endotermiseksi, lämpötila näytteenottimessa laskee.
- Jos prosessi on lämpöä vapauttava eli tuottaa ylimääräistä lämpöä, jota kutsutaan myös eksotermiseksi, lämpötila näytteenottimessa nousee.
Tämän jälkeen näiden lämpötilavaihteluiden aiheuttama lämpövirran muutos voidaan määrittää Fourierin lain avulla seuraavasti,
| Φ r | = k A Δ x | Δ T s r | {\displaystyle |{\mathsf {\Phi }}_{r}|={\frac {kA}{{{\mathsf {\Delta }}x}}|{\mathsf {\Delta }}T_{sr}|}
tai
| Φ r | = K | Δ T s r | = = { - K Δ T s r , : eksoterminen K Δ T s r , : endoterminen {\displaystyle |{\mathsf {\Phi }}_{r}|=K|{\mathsf {\Delta }}T_{sr}|={\begin{cases}-K{\mathsf {\Delta }}T_{sr},&{{\text{: eksoterminen}}\\\K{\mathsf {\Delta }}T_{sr},&{\text{: endoterminen}}\end{cases}}}}
Tämän yksinkertaisen mallin perusteella käy ilmi, että lämpövirran ja näytteen lämpötilan vaihtelun välillä on suora verrannollisuus (K). Tämä suhteellisuusvakio riippuu seinän ja näytteen välisestä etäisyydestä (Δx), tuen poikkipinta-alasta (A) ja lämmönjohtavuudesta (k). Yleensä DSC-kokeen tärkeimmät tulokset ovat lämpövirran nopeuden lähtösignaali lämpötilan funktiona, joita kutsutaan DSC-käyriksi. Näiden käyrien analysointi on tärkeää määritettäessä muuntumislämpöä, reaktiolämpöä tai lämpötilan vaihteluista johtuvia muutoksia lämpökapasiteetissa. Esimerkiksi eksotermisten ja endotermisten prosessien entalpia voidaan määrittää etsimällä DSC-käyrän alapuolinen pinta-ala käyttämällä matemaattista tekniikkaa, jota kutsutaan integraalilaskennaksi.
Kuva 2. Kaaviopiirros, jossa on kaikki teoreettista analyysia varten määritetyt muuttujat.
Sovellukset
Proteiinien terminen denaturointi
Yksi DCS:n tärkeimmistä sovelluksista liittyy proteiinien termiseen taittumiseen, prosessiin, jota kutsutaan denaturaatioksi.DCS:n roolia tässä prosessissa käytetään sen lämpötila-alueen määrittämiseen, jossa proteiineissa tapahtuu rakenteellisia muutoksia. Kun proteiiniliuosta käsitellään vakiolämpönopeudella ja vakiopaineessa, DSC:llä voidaan lisäksi määrittää proteiinien näennäinen lämpökapasiteetti. Denaturoitujen proteiinien lämpökapasiteetit ovat itse asiassa suuremmat, ja niiden ajan myötä tapahtuvien muutosten asianmukainen havaitseminen voi auttaa selvittämään, missä määrin proteiinit ovat taittuneet.
Lipidien ja rasvojen arviointi
Elintarvikkeiden laadunvalvonta on yksi ihmisten terveydenhoidon ja hyvinvoinnin kannalta tärkeimmistä asioista. On raportoitu monista laittomista käytännöistä, jotka liittyvät elintarvikkeisiin, erityisesti joidenkin korkeahintaisten kasviöljyjen ja -rasvojen väärentämisestä. Väärentämisellä tarkoitetaan heikkolaatuisten ja joskus haitallisten ainesosien sekoittamista myytäväksi tarkoitettuihin elintarvikkeisiin. Tällä alalla DSC:tä käytetään lipidien lämpökäyttäytymisen analysointiin pääasiassa kahdella prosessilla, jäähdytysprosessilla, joka antaa tietoa kiteytymisestä, ja lämmitysprosessilla, joka antaa tietoa lipidien rakennusaineiden sulamiskäyttäytymisestä. Rasvojen tai öljyjen väärentäminen muuttaa DSC:n jäähdytys- ja lämmityskäyriä. Esimerkiksi uusia piikkejä ilmestyy ja olemassa olevat piikit muuttuvat. Näin ollen DSC-tietojen analyysia voidaan käyttää ravinteiden väärentämisprosessin arvioinnissa.
Lääkkeen puhtaus
DSC on herättänyt melko paljon kiinnostusta lääkkeiden puhtauden tutkimisessa, koska se vaatii pieniä näytemääriä (1-2 mg) ja on analyysaikana huomattavan nopea. Vieraiden aineiden vaikutuksia seuraamalla voidaan esimerkiksi selvittää, missä määrin lääke on puhdas. On käynyt ilmi, että epäpuhtaudet alentavat lääkkeen sulamislämpötilaa ( T m )
. Lisäksi sulamislämpötilaa voidaan käyttää myös arvioimaan lääkeaineiden termistä stabiilisuutta, sillä mitä korkeampi ( T m ) {\displaystyle (T_{m})} on, sitä stabiilimpi proteiini on. Siksi DSC mahdollistaa tämän lämpötilan välittömän seurannan, mikä helpottaa ja nopeuttaa lääkkeen laadun valvontaa.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria?
A: Differentiaalipyyhkäisykalorimetria (DSC) on analyysiväline, jota käytetään laajalti materiaalitieteissä, termokemiassa, lääkkeiden puhtauden ja elintarvikkeiden laadun testauksessa.
K: Millaista tietoa DSC antaa?
V: DSC antaa välitöntä tietoa termodynaamisista ominaisuuksista, joilla on tärkeä rooli monimutkaisten prosessien ymmärtämisessä aineiden muodostumisen aikana.
K: Millä aloilla DSC:tä voidaan soveltaa?
V: DSC:tä voidaan soveltaa materiaalitieteissä, termokemiassa, lääkkeiden puhtauden ja elintarvikkeiden laadun testauksessa.
K: Kuka keksi DSC:n?
V: DSC:n keksivät E.S. Watson ja M.J. O'Neil vuonna 1962.
K: Milloin DSC saatiin markkinoille?
V: DSC saatettiin markkinoille vuonna 1963 Pittsburghissa pidetyssä Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy -konferenssissa.
K: Mitkä ovat esimerkkejä monimutkaisista prosesseista, joiden ymmärtämisessä DSC voi auttaa?
V: DSC voi esimerkiksi auttaa ymmärtämään polymeerien ristisilloittumista, proteiinien taittumisesta ja avautumisesta johtuvaa lämmönvaihtoa tai yksi- tai kaksisäikeisen DNA:n muodostumismekanismia.
K: Mitkä ovat DSC:n edut?
V: DSC:n etuja ovat muun muassa sen nopeus ja helppokäyttöisyys, sillä se antaa välitöntä tietoa termodynaamisista ominaisuuksista.
Etsiä