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差示扫描量热仪 (DSC) 的操作注意事项

嘉峪检测网        2024-03-22 08:17

一.差示扫描量热仪及其优点
差示扫描量热法(DSC),在程序控制温度下,测量输给物质与参比物的功率差与温度的关系,研究温度作用下物质的相变和发生化学反应时的热效应。差示扫描量热仪因其操作简便快速,无需添加溶剂,样品用量少,图谱易懂等优点,被广泛应用于药物的研发和生产等领域。
 
二.DSC检测的影响因素:
1.样品的形状与颗粒大小
药物的粒度要大小适中,样品越薄,与样品盘底部接触面积越大越好,当药物颗粒过大,热传递的速度变慢会产生热梯度,导致峰展宽。
如上图所示,图中1和2曲线所用样品的粒径小于0.5mm;3和4曲线所用样品的粒径大于0.5mm;如上图所示,当样品的粒径大小不同,DSC曲线的峰形和峰顶位置明显不同;粒径小的样品测试后的熔融峰呈双峰,粒径大的样品测试后的熔融峰呈比较尖锐的单峰。
还要注意块状/颗粒样品可用刀片切成片状,不要碾碎,如果对大颗粒进行研磨,可能会破坏结构,或者容易因静电作用聚成团,则需要更多的热能使其熔化,熔融速度会变快,熔融峰比原来团聚小晶体的峰形尖锐。
2.取样量的控制
取样量太大不易达到热平衡,而取样量太小则噪音明显增加。为保持热力学的平衡状态,样品量应尽可能少,一般5mg左右。样品量过多会使试样内部传热慢,温度梯度大,导致峰形扩大和分辨力下降。
如上图所示,曲线1的样品量较少(2.7mg),样品结晶所需的热量较少,其结晶和熔融峰都较小;而曲线2~5较曲线1的样品量有所增加(5.0~10.4mg),结晶、熔融峰略向右移,但曲线2~5各熔点和结晶温度基本不变;当样品量增大到14.9mg, 曲线6的熔融峰明显右移,结晶峰的位置也发生明显变化。
注意:DSC检测时样品量的取样原则是为得到较灵敏的信号时,样品量越小越好(0.1-10mW),当进行微弱相转变测试时,可适当加大样品量。如大部分高分子材料测试(如包材)测定熔融/结晶温度时,一般样品量为5-10mg;检测样品的玻璃转化温度Tg时,因无定形含量少,玻璃化转变信号比较弱,需稍加样品量为5-20mg。金属/化学品熔点(比较尖锐):1-5mg ; 还有纯度分析时,样品量通常小于1mg。
3.升温速率和温度范围的确定
起始温度要保证基线在发生相变前有2min的基线稳定时间,如10℃/min升温时,起始温度要低于相变温度至少20℃。终止温度要保证基线在相变后有有2min的基线稳定时间,便于积分上下限的选择,温度太高,药物会分解,污染炉子,影响寿命。因此未知样品测试前可以先进行TGA试验,找到其分解温度。
升温速率越慢,分辨率越高(两个相变温度比较接近);升温速率越快,灵敏度越高。10℃/min和20℃/min是常用的升温速率;检测微弱的Tg时,要提高升温速率;进行样品的纯度分析时,升温速率通常小于 10℃/min。
如下表所示,盐酸地昔帕明为加热易分解的药物,选择提高加热速度可以避免分解,得到更准确的结果,而且节约时间;而布洛芬则选用通常用的1℃/min即可。注意对不同类型的样品进行加热速率的优选,才能使结果更可靠。
4.二次加热测定
DSC测试有时会进行两次升温,第一次升温使样品融解,待样品冷却后再进行第二次升温测定。选择二次测定是因为在第一次升温后,样品融化,杂质与纯物质重新结晶,粉状或不规则形状样,可以与样品盘均匀紧密的贴在一起,受热更均匀,可以减小蓬松和接触不良带来的热滞后。此外,二次测定可以更好地反映样品在受热时发生的变化。如样品的纯度增加时,可能在受热过程中杂质发生挥发;样品纯度降低时,可能是受热过程中,部分样品发生分解。如下图所示,磺胺甲基异噁唑二次测定时,样品发生部分分解,纯度下降。
但要注意有些样品在第一次升温熔化后,不能重结晶,冷却获得的固体无定型样品,在第二次升温后不会发生熔化,如下图中的吲哚美辛二次加热测定的结果所示;因此此类样品不能进行二次加热测定检测。
5.样品盘的选择
(1) 样品盘的材质:有铝盘、铜盘、石墨盘、铂金盘、金盘,如图所示:
不同材质坩埚最高使用温度及耐受压力如下:
铝盘:600℃;铜盘、石墨盘:725℃;铂金盘、金盘:725℃;耐受压力均为100kpa。
材质选择的依据:是根据使用的最高温度和压力;尽可能选择质量小、底部平坦的样品盘,铝盘最高耐受温度是600℃,可以满足药物的晶形的测定,通常选择铝盘。
(2)样品盘的类型
样品盘有非密封盘、密封盘、密封盘打孔三种类型;样品盘类型选择依据:样品形态(固态、液态)、是否含有挥发份。
非密封盘适合固体、非挥发性样品、氧化性试验、光固化试验的检测。密封盘适合液体样品及含易挥发物质的样品;除氧化性试验、光固化试验外,都需使用盖子;防止样品移动、提高热接触密封盘打孔:依据试验目的,判断是否对盖子打孔;如果含有挥发份(水),在坩埚盖上打5-10孔,保证有连续挥发过程,基线会发生抖动。
注意:无论选择哪种材质或种类的样品盘,试验所用的参比盘要始终和样品盘一致。
6.吹扫气流的选择
(1)种类选择
最常用的惰性吹扫气体是氮气,流量通常是50ml/min; -100℃以下检测时使用氦气,流量通常为25ml/min;在进行氧化性研究时,使用氧气或空气。
(2)气流速率设定
气流速率太小时不能及时将湿气或分解产物带出测试炉;气流速率太大会使基线不稳,噪音加大;常规试验使用仪器厂商推荐值。
如上图所示,在氮气做吹扫气时,当气流量从20mL/min逐渐提高到80mL/min, 起始点温度、峰温度、终止点温度均略有上升。
 
参考文献:
1.韩春艳,聚合物DSC测试结果的影响因素探讨[J]. 合成纤维工业;2004,27(5):57-59.
2.范利静,影响差示扫描量热仪测试的因素[J]. 上海塑料; 2016, 175 (3) : 27-31.
3.付蕾等,不同测试方法对聚乙二醇差示扫描量热法曲线的影响[J].
4.翟铁伟,差示扫描量热法在对照品纯度分析中的应用——以大环内酯类抗生素为例[J]。
5.张伟,赵明,差示扫描量热法用于不同类型药物的纯度分析。
6.TA仪器,药物晶型与无定形的热分析表征。
7.郭永辉等,差示扫描量热仪在晶型研究中的应用。
 

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来源:药事纵横