Calorimetru diferențial de scanare

Calorimetria diferențială de scanare (DSC) este un instrument de analiză utilizat pe scară largă în știința materialelor, în termochimie, în testarea purității medicamentelor și a calității alimentelor. Viteza și ușurința sa de operare oferă informații instantanee despre caracteristicile termodinamice care joacă un rol important în înțelegerea proceselor complexe din timpul formării substanțelor; de exemplu, reticulația polimerilor, schimbul de căldură datorat pliajului și desfășurării proteinelor sau mecanismul de formare a ADN-ului monocatenar sau bicatenar. DSC a fost inventat pentru prima dată în 1962 de către E.S. Watson și M.J. O'Neil și a fost lansat pe piață în 1963, în cadrul conferinței "Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy", care a avut loc la Pittsburgh.

Structura fizică

Cele mai comune două tipuri de calorimetre cu scanare diferențială sunt DSC cu flux termic, care funcționează prin menținerea constantă a căldurii furnizate sistemului și DSC cu compensare de putere, care funcționează prin menținerea constantă a puterii furnizate calorimetrului. În general, un DSC calculează schimbările de căldură prin măsurarea diferenței de temperatură dintre eșantion și suportul de referință. În figura 1 se poate observa designul tipic al DSC cu flux termic. Acesta conține suportul pentru probă, în care se plasează materialul de interes, și suportul de referință, care este în general păstrat gol. Ambele sunt așezate pe un suport, care este în contact cu pereții calorimetrului. Rezistența de încălzire este fixată pe pereții de delimitare, ceea ce permite obținerea unui cuptor care generează și menține cantitatea de căldură necesară în interiorul incintei. Termocuplul conectat atât la suportul de probă, cât și la suportul de referință este un dispozitiv de măsurare care dă temperatura care va fi utilizată în analiză. Căldura furnizată de rezistența de încălzire circulă în continuare în camerele pentru eșantion și pentru materialele de referință.

Figura 1. Desen schematic al calorimetriei diferențiale cu scanare a fluxului de căldură.

Teorie

Cea mai simplă abordare teoretică pentru a înțelege mecanismul de funcționare a DSC se numește model liniar simplificat și se bazează pe următoarele ipoteze:

Debitul de căldură este constant,
Nu există interacțiune între eșantion și referință,
Se iau în considerare doar capacitățile termice ale eșantionului și ale referinței,
Temperatura care se măsoară este temperatura curentă a eșantionului,
Sistemul este izolat de mediul înconjurător, adică nu există schimb de căldură cu exteriorul.

Legea lui Fourier a conducției termice, care este legea fundamentală care explică modul în care căldura este transferată prin materiale, poate fi utilizată pentru a vedea relația dintre temperatură și fluxul de căldură din sistem. Această lege afirmă că cantitatea de energie termică care trece printr-o porțiune mică dintr-o suprafață (A) a unui material, care se numește densitatea fluxului de căldură și este notată cu ( Φ A ) {\textstyle ({\frac {\mathsf {\Phi }}{\mathsf {A}}})} ${\textstyle ({\frac {\mathsf {\Phi }}{\mathsf {A}}})}$ este echivalentă cu conductivitatea termică (k) înmulțită cu variația temperaturii în funcție de poziție, care poate fi notată ca ( - Δ T Δ x ) {\textstyle (-{\frac {{\mathsf {\Delta }}}T}{{\mathsf {\Delta }}x}}})} ${\textstyle (-{\frac {{\mathsf {\Delta }}T}{{\mathsf {\Delta }}x}})}$ . Această relație sub formă de ecuație poate fi scrisă sub forma,

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 \frac {\mathsf {\Phi }}{A}}=-k{\frac {{\mathsf {\Delta }}T}{{\mathsf {\Delta }}x}}}}}

$\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad {\frac {\mathsf {\Phi }}{A}}=-k{\frac {{\mathsf {\Delta }}T}{{\mathsf {\Delta }}x}}$

În general, în DSC se utilizează un calculator pentru a furniza căldură la o rată specifică atât în suportul de referință, cât și în cel de eșantion. Atunci când suportul de probă conține o substanță, în timp ce suportul de referință rămâne gol, se produce o creștere sau o scădere a temperaturii suportului de probă, notată cu ( T s ) {\textstyle (T_{s})} ${\textstyle (T_{s})}$ , în funcție de următoarele procese:

În cazul în care procesul consumă căldură, adică este nevoie de căldură externă pentru ca evenimentul să aibă loc, ceea ce se numește, de asemenea, endotermic, atunci temperatura din suportul de probă scade.
În cazul în care procesul este cu degajare de căldură, adică se produce o cantitate suplimentară de căldură, ceea ce se mai numește și exotermic, atunci temperatura din suportul de probă crește.

Apoi, modificarea rezultată a fluxului de căldură datorată acestor variații de temperatură poate fi găsită folosind legea lui Fourier, după cum urmează,

| Φ r | = k A Δ x | Δ T s r | {\displaystyle |{\mathsf {\Phi }}_{r}|={\frac {kA}{{\mathsf {\Delta }}}x}}|{\mathsf {\Delta }}T_{sr}|}

$|{\mathsf {\Phi }}_{r}|={\frac {kA}{{\mathsf {\Delta }}x}}|{\mathsf {\Delta }}T_{sr}|$

| Φ r | = K | Δ T s r | = { - K Δ T s r , : exotermic K Δ T s r , : endotermic {\displaystyle |{\mathsf {\Phi }}}_{r}|=K|{\mathsf {\Delta }}}T_{sr}|={\begin{cases}-K{\mathsf {\Delta }}T_{sr},&{\text{: exotermic}}\\K{\mathsf {\Delta }}T_{sr},&{\text{: endotermic}}\end{cases}}}

$|{\mathsf {\Phi }}_{r}|=K|{\mathsf {\Delta }}T_{sr}|={\begin{cases}-K{\mathsf {\Delta }}T_{sr},&{\text{: exothermic}}\\K{\mathsf {\Delta }}T_{sr},&{\text{: endothermic}}\end{cases}}$

Prin urmare, pe baza acestui model simplu, se constată că există o proporționalitate directă (K) între fluxul de căldură și variațiile de temperatură ale probei. Această constantă de proporționalitate depinde de distanța de la perete până la eșantion prezentată ca (Δx), de suprafața secțiunii transversale a suportului (A) și de conductivitatea termică (k). În general, rezultatele principale ale experimentului DSC sunt un semnal de ieșire al debitului de căldură în funcție de temperatură, care se numesc curbe DSC. Analiza acestor curbe joacă un rol important în determinarea căldurii de transformare, a căldurii de reacție sau a oricăror modificări ale capacității termice datorate variațiilor de temperatură, de exemplu, entalpia proceselor exotermice și endotermice poate fi determinată prin găsirea ariei de sub curba DSC, folosind o tehnică matematică numită calcul integral.

Figura 2. Desenul schematic cu toate variabilele alocate pentru analiza teoretică.

Aplicații

Denaturarea termică a proteinelor

Una dintre cele mai importante aplicații ale DCS este legată de desfășurarea termică a proteinelor, un proces numit denaturare.Rolul DCS în acest proces este folosit pentru a determina intervalul de temperatură în care proteinele prezintă modificări structurale. În plus, atunci când soluția de proteine este tratată la viteză constantă de încălzire și presiune constantă, DSC poate determina capacitățile termice aparente ale proteinelor. De fapt, proteinele denaturate se dovedesc a avea capacități termice mai mari, iar detectarea adecvată a modificărilor acestora în timp poate ajuta la aflarea gradului de desfășurare.

Evaluarea lipidelor și a grăsimilor

Controlul calității alimentelor este una dintre cele mai importante probleme pentru sănătatea și bunăstarea oamenilor. Au fost raportate numeroase practici ilegale în ceea ce privește produsele alimentare, în special falsificarea unor uleiuri și grăsimi vegetale foarte scumpe. Adulterarea este o acțiune de amestecare a unor ingrediente de calitate inferioară și uneori dăunătoare cu produse alimentare destinate vânzării. În acest domeniu, DSC este utilizat pentru a analiza comportamentul termic al lipidelor, în principal prin două procese, procesul de răcire, care raportează informații despre cristalizare, și procesul de încălzire, care oferă informații despre comportamentul de topire al elementelor constitutive ale lipidelor. Adulterarea grăsimilor sau a uleiurilor modifică curbele de răcire și de încălzire ale DSC. De exemplu, apar noi vârfuri și vârfurile existente suferă modificări. Prin urmare, analiza datelor DSC poate fi utilizată în estimarea procesului de falsificare a nutrienților.

Puritatea medicamentului

DSC a câștigat destul de mult interes în investigarea purității medicamentelor, deoarece necesită probe cu o cantitate mică (1-2 mg) și este considerabil de rapidă în ceea ce privește timpul de analiză. De exemplu, prin monitorizarea efectelor substanțelor străine, se poate afla în ce măsură un medicament este pur. Se pare că impuritățile scad temperatura de topire ( T m ) {\displaystyle (T_{m})} $(T_{m})$ a medicamentului. În plus, temperatura de topire poate fi utilizată și pentru a estima stabilitatea termică a medicamentelor, deoarece cu cât este mai mare ( T m ) {\displaystyle (T_{m})} $(T_{m})$ cu atât mai stabilă este proteina. Prin urmare, DSC permite monitorizarea instantanee a acestei temperaturi, ceea ce duce la o modalitate mult mai ușoară și mai rapidă de a controla calitatea medicamentului.

Întrebări și răspunsuri

Î: Ce este calorimetria diferențială de scanare?

R: Calorimetria diferențială de scanare (DSC) este un instrument de analiză utilizat pe scară largă în științele materialelor, termochimie, testarea purității medicamentelor și a calității alimentelor.

Î: Ce fel de informații oferă DSC?

R: DSC oferă informații instantanee despre caracteristicile termodinamice care joacă un rol important în înțelegerea proceselor complexe din timpul formării substanțelor.

Î: În ce domenii se poate aplica DSC?

R: DSC poate fi aplicat în științele materialelor, termochimie, testarea purității medicamentelor și a calității alimentelor.

Î: Cine a inventat DSC?

R: DSC a fost inventată de E.S. Watson și M.J. O'Neil în 1962.

Î: Când a fost disponibil pe piață DSC?

R: DSC a fost lansat pe piață în 1963, în cadrul conferinței "Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy", care a avut loc la Pittsburgh.

Î: Care sunt câteva exemple de procese complexe pe care DSC poate ajuta la înțelegere?

R: De exemplu, DSC poate ajuta la înțelegerea reticulației polimerilor, a schimbului de căldură datorat pliajului și desfășurării proteinelor sau a mecanismului de formare a ADN-ului monocatenar sau bicatenar.

Î: Care sunt unele avantaje ale DSC?

R: Printre avantajele DSC se numără viteza și ușurința de operare în furnizarea de informații instantanee despre caracteristicile termodinamice.