Kalorimeter med differentiell skanning
Differentiell skanningskalorimetri (DSC) är ett analysverktyg som ofta används inom materialvetenskap, termokemi, testning av läkemedelsrenhet och livsmedelskvalitet. Dess snabbhet och användarvänlighet ger omedelbar information om termodynamiska egenskaper som spelar en viktig roll för att förstå komplexa processer under bildandet av ämnen, t.ex. polymerbindning, värmeutbyte på grund av veckning och utvikning av proteiner eller bildningsmekanismen för enkel- eller dubbelsträngat DNA. DSC uppfanns för första gången 1962 av E.S. Watson och M.J. O'Neil och lanserades på marknaden 1963 vid konferensen Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy i Pittsburgh.
Fysisk struktur
De två vanligaste typerna av differentialskanningskalorimetrar är värmeflödes-DSC, som fungerar genom att hålla värmetillförseln till systemet konstant, och effektkompenserad DSC, som fungerar genom att hålla den tillförda effekten till kalorimetern konstant. I allmänhet beräknar en DSC värmeförändringar genom att mäta temperaturskillnaden mellan provet och referenshållaren. Den typiska utformningen av en DSC med värmeflöde framgår av figur 1. Den innehåller provhållaren, där det intressanta materialet placeras, och referenshållaren, som i allmänhet hålls tom. Båda dessa är placerade på ett stöd som har god kontakt med kalorimeterns väggar. Värmemotståndet är fäst vid väggarna, vilket gör det möjligt att få en ugn som genererar och håller den nödvändiga värmemängden inne i höljet. Termokoppeln som är ansluten till både prov- och referenshållaren är en mätanordning som ger den temperatur som ska användas i analysen. Den värme som tillförs från värmemotståndet strömmar vidare in i prov- och referensmaterialkamrarna.
Figur 1. Schematisk ritning av värmeflödesdifferentiell skanningskalorimetri.
Teori
Den enklaste teoretiska metoden för att förstå hur DSC:er fungerar kallas den förenklade linjära modellen och bygger på följande antaganden:
- Värmeflödet är konstant,
- Ingen interaktion mellan provet och referensen,
- Endast provets och referensens värmekapacitet beaktas,
- Den temperatur som mäts ska vara provets aktuella temperatur,
- Systemet är isolerat från omgivningen, dvs. det finns inget värmeutbyte med omgivningen.
Fouriers värmeledningslag, som är den grundläggande lagen som förklarar hur värme överförs genom material, kan användas för att se sambandet mellan temperaturen och värmeflödet i systemet. Denna lag säger att mängden värmeenergi som passerar genom en liten del av en yta (A) av ett material, som kallas värmeflödestäthet och betecknas med ( Φ A ) {\textstyle ({\frac {\mathsf {\Phi }}{\mathsf {A}}})})}
är likvärdig med värmeledningsförmåga (k) multiplicerad med temperaturförändringen med avseende på position, vilket kan betecknas som ( - Δ T Δ x ) {\textstyle (-{\frac {{\mathsf {\Delta }}}T}{{\mathsf {\Delta }}}x}})}
. Detta förhållande i ekvationsform kan skrivas som,
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 {\frac {\mathsf {\Phi }}{A}}=-k{\frac {{\mathsf {\Delta }}T}{{\mathsf {\Delta }}}x}}}}
Vid DSC används i allmänhet en dator för att tillföra värme med en viss hastighet till både referens- och provhållaren. När provhållaren innehåller ett ämne medan referenshållaren hålls tom leder detta till att temperaturen i provhållaren ökar eller minskar, vilket betecknas med ( T s ) {\textstyle (T_{s})}
beroende på följande processer:
- Om processen är värmekrävande, det vill säga att yttre värme behövs för att händelsen ska äga rum, vilket också kallas endotermisk, sjunker temperaturen i provhållaren.
- Om processen är värmeavgivande, det vill säga att extra värme produceras, vilket också kallas exotermiskt, ökar temperaturen i provhållaren.
Den resulterande förändringen i värmeflödet på grund av dessa temperaturvariationer kan sedan hittas med hjälp av Fouriers lag enligt följande,
| Φ r | = k A Δ x | Δ T s r | {\displaystyle |{\mathsf {\Phi }}_{r}|={\frac {kA}{{\mathsf {\Delta }}x}}|{\mathsf {\Delta }}T_{sr}|}
eller
| Φ r | = K | Δ T s r | = { - K Δ T s r , : exotermisk K Δ T s r , : endotermisk {\displaystyle |{\mathsf {\Phi }}_{r}|=K|{\mathsf {\Delta }}T_{sr}|={\begin{cases}-K{\mathsf {\Delta }}T_{sr},&{\\text{: exotermisk}}\\\K{\mathsf {\Delta }}T_{sr},&{\text{: endotermisk}}\end{cases}}}}
Utifrån denna enkla modell visar det sig därför att det finns en direkt proportionalitet (K) mellan värmeflödet och provets temperaturvariationer. Denna proportionalitetskonstant är beroende av avståndet från väggen till provet (Δx), stödets tvärsnittsarea (A) och värmeledningsförmågan (k). I allmänhet är de viktigaste resultaten av DSC-experimentet en utsignal för värmeflödet som en funktion av temperaturen, som kallas DSC-kurvor. Analysen av dessa kurvor spelar en viktig roll vid bestämning av omvandlingsvärme, reaktionsvärme eller eventuella förändringar i värmekapaciteten på grund av temperaturvariationer. Exempelvis kan entalpi för exoterma och endoterma processer bestämmas genom att hitta arean under DSC-kurvan med hjälp av en matematisk teknik som kallas integralkalkalkyl.
Figur 2. Schematisk ritning med alla variabler som tilldelats för teoretisk analys.
Applikationer
Termisk denaturering av proteiner
En av de viktigaste tillämpningarna av DCS är relaterad till den termiska avvecklingen av proteiner, en process som kallas denaturering.DCS:s roll i den här processen används för att bestämma det temperaturintervall inom vilket proteiner uppvisar strukturella förändringar. När proteinlösningen behandlas under konstant värmehastighet och konstant tryck kan DSC dessutom bestämma proteinernas skenbara värmekapacitet. De denaturerade proteinerna visar sig faktiskt ha högre värmekapacitet och en korrekt upptäckt av förändringar i dem över tiden kan hjälpa till att ta reda på omfattningen av avvecklingen.
Utvärdering av lipider och fetter
Kontroll av livsmedelskvalitet är en av de viktigaste frågorna för människors hälsa och välbefinnande. Det har rapporterats om många olagliga metoder när det gäller livsmedelsprodukter, särskilt förfalskning av vissa vegetabiliska oljor och fetter till höga priser. Förfalskning innebär att man blandar lågkvalitativa och ibland skadliga ingredienser med livsmedelsprodukter som är avsedda att säljas. På detta område används DSC för att analysera lipidernas termiska beteende, huvudsakligen genom två processer: kylningsprocessen, som ger information om kristallisering, och uppvärmningsprocessen, som ger information om smältningsbeteendet hos lipidernas byggstenar. Förfalskning av fetter eller oljor förändrar DSC:s kyl- och värmekurvor. Till exempel uppstår nya toppar och befintliga toppar förändras. Analys av DSC-data kan därför användas för att bedöma om näringsämnen har förvanskats.
Drogernas renhet
DSC har vunnit stort intresse för undersökningar av läkemedelsrenhet eftersom den kräver små mängder prover (1-2 mg) och är mycket snabb i fråga om analystid. Genom att övervaka effekterna av främmande ämnen kan man till exempel ta reda på i vilken utsträckning ett läkemedel är rent. Det visar sig att föroreningar sänker smälttemperaturen ( T m ) {\displaystyle (T_{m})}
av läkemedlet. Dessutom kan smälttemperaturen också användas för att uppskatta läkemedlens termiska stabilitet, eftersom ju högre ( T m ) {\displaystyle (T_{m})} desto stabilare är proteinet. DSC möjliggör därför omedelbar övervakning av denna temperatur, vilket leder till ett mycket enklare och snabbare sätt att kontrollera läkemedelskvaliteten.
Frågor och svar
F: Vad är differential scanning calorimetry?
S: Differentiell scanningkalorimetri (DSC) är ett analysverktyg som ofta används inom materialvetenskap, termokemi, renhetstestning av läkemedel och kvalitetstestning av livsmedel.
F: Vilken typ av information ger DSC?
S: DSC ger omedelbar information om de termodynamiska egenskaper som spelar en viktig roll för förståelsen av komplexa processer under bildandet av ämnen.
F: Inom vilka områden kan DSC användas?
S: DSC kan användas inom materialvetenskap, termokemi, renhetstestning av läkemedel och kvalitetstestning av livsmedel.
F: Vem uppfann DSC?
S: DSC uppfanns av E.S. Watson och M.J. O'Neil 1962.
F: När blev DSC tillgänglig på marknaden?
S: DSC blev tillgänglig på marknaden 1963 vid konferensen Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy som hölls i Pittsburgh.
F: Vilka är några exempel på komplexa processer som DSC kan hjälpa till att förstå?
S: DSC kan till exempel hjälpa till att förstå tvärbindning av polymerer, värmeväxling på grund av vikning och uppveckning av proteiner eller bildningsmekanismen för enkel- eller dubbelsträngat DNA.
F: Vilka är fördelarna med DSC?
S: Några fördelar med DSC är dess snabbhet och användarvänlighet när det gäller att ge omedelbar information om termodynamiska egenskaper.
