Skaningowa kalorymetria różnicowa

Dwa najbardziej powszechne typy różnicowych kalorymetrów skaningowych to DSC z przepływem ciepła, który działa poprzez utrzymywanie stałego dopływu ciepła do systemu oraz DSC z kompensacją mocy, który działa poprzez utrzymywanie stałej mocy dostarczanej do kalorymetru. Ogólnie rzecz biorąc, DSC oblicza zmiany ciepła poprzez pomiar różnicy temperatur pomiędzy próbką a uchwytem referencyjnym. Typową budowę DSC z przepływem ciepła można zobaczyć na rysunku 1. Zawiera on uchwyt próbki, w którym umieszcza się materiał będący przedmiotem zainteresowania, oraz uchwyt odniesienia, który zazwyczaj jest pusty. Oba te elementy są umieszczone na wsporniku, który jest w dobrym kontakcie ze ściankami kalorymetru. Do ścian granicznych przymocowany jest rezystor grzejny, który umożliwia uzyskanie pieca wytwarzającego i utrzymującego wewnątrz obudowy wymaganą ilość ciepła. Termopara podłączona zarówno do próbki jak i uchwytu odniesienia jest urządzeniem pomiarowym, które podaje temperaturę wykorzystywaną w analizie. Ciepło dostarczane przez rezystor grzewczy przepływa dalej do komory próbki i komory materiałów odniesienia.

Najprostsze teoretyczne podejście do zrozumienia mechanizmu działania DSC nazywane jest uproszczonym modelem liniowym i wykorzystuje następujące założenia:

1. Natężenie przepływu ciepła jest stałe,
2. Brak interakcji między próbką a odniesieniem,
3. Uwzględnia się tylko pojemności cieplne próbki i odniesienia,
4. Mierzona temperatura jest aktualną temperaturą próbki,
5. System jest odizolowany od otoczenia, czyli nie ma wymiany ciepła z zewnątrz.

Prawo Fouriera dotyczące przewodzenia ciepła, które jest podstawowym prawem wyjaśniającym, w jaki sposób ciepło jest przenoszone przez materiały, może być wykorzystane do zobaczenia zależności pomiędzy temperaturą a przepływem ciepła w systemie. Prawo to mówi, że ilość energii cieplnej przechodzącej przez niewielką część obszaru (A) materiału, która jest nazywana gęstością strumienia ciepła i oznaczana przez ( Φ A ) {textstyle ({frac {\i0}}{\i0}}} jest równoważna przewodności cieplnej (k) pomnożonej przez zmianę temperatury względem położenia, co można oznaczyć jako ( - Δ T Δ x ) {textstyle (-{frac {{mathsf {{Delta }}T}{{mathsf {{Delta }}x}})} } . Zależność tę w postaci równania można zapisać jako,

Generalnie, w DSC komputer jest wykorzystywany do dostarczania ciepła z określoną szybkością zarówno do uchwytu referencyjnego jak i uchwytu próbki. Gdy uchwyt próbki zawiera substancję, podczas gdy uchwyt odniesienia pozostaje pusty, prowadzi to do wzrostu lub spadku temperatury w uchwycie próbki oznaczanej jako ( T s ) {textstyle (T_{s})} w zależności od następujących procesów:

1. Jeżeli proces jest ciepłolubny, to znaczy, że do jego przebiegu potrzebne jest ciepło zewnętrzne, co nazywane jest endotermią, temperatura w uchwycie próbki spada.
2. Jeśli proces jest uwalniający ciepło, czyli wytwarzane jest dodatkowe ciepło, co nazywamy egzotermicznym, wówczas temperatura w uchwycie próbki wzrasta.

Następnie, zmiana przepływu ciepła spowodowana tymi zmianami temperatury może być określona za pomocą prawa Fouriera w następujący sposób,

lub

Stąd, na podstawie tego prostego modelu okazuje się, że istnieje bezpośrednia proporcjonalność(K) pomiędzy przepływem ciepła a zmianami temperatury próbki. Ta stała proporcjonalności zależy od odległości od ścianki do próbki (Δx), pola przekroju poprzecznego podpory (A) i przewodności cieplnej (k). Ogólnie rzecz biorąc, głównym wynikiem eksperymentu DSC jest sygnał wyjściowy natężenia przepływu ciepła w funkcji temperatury, które są nazywane krzywymi DSC. Analiza tych krzywych odgrywa ważną rolę w określaniu ciepła przemiany, ciepła reakcji lub jakichkolwiek zmian w pojemności cieplnej spowodowanych zmianami temperatury, na przykład entalpia procesów egzotermicznych i endotermicznych może być określona poprzez znalezienie obszaru pod krzywą DSC przy użyciu techniki matematycznej zwanej rachunkiem całkowym.

Termiczna denaturacja białek

Jedno z najważniejszych zastosowań DCS związane jest z termicznym rozkładem białek, procesem zwanym denaturacją. Rolą DCS w tym procesie jest określenie zakresu temperatur, w których białka wykazują zmiany strukturalne. Ponadto, gdy roztwór białka jest traktowany ze stałą prędkością cieplną i stałym ciśnieniem, DSC może określić pozorne pojemności cieplne białek. W rzeczywistości, zdenaturowane białka mają wyższe pojemności cieplne, a właściwa detekcja zmian zachodzących na nich w czasie może pomóc w określeniu stopnia ich rozwinięcia.

Ocena lipidów i tłuszczów

Kontrola jakości żywności jest jedną z najważniejszych kwestii dla ludzkiego zdrowia i dobrobytu. Odnotowano wiele niezgodnych z prawem praktyk w odniesieniu do produktów spożywczych, w szczególności fałszowanie niektórych drogich olejów i tłuszczów roślinnych. Fałszowanie jest działaniem polegającym na mieszaniu niskiej jakości, a czasem szkodliwych składników z produktami spożywczymi przeznaczonymi do sprzedaży. W tej dziedzinie DSC jest wykorzystywana do analizy termicznego zachowania lipidów głównie poprzez dwa procesy, proces chłodzenia, który dostarcza informacji o krystalizacji oraz proces ogrzewania, który daje informacje o zachowaniu się składników budulcowych lipidów podczas topnienia. Zafałszowania w tłuszczach lub olejach zmieniają krzywe chłodzenia i ogrzewania DSC. Na przykład, pojawiają się nowe piki, a istniejące ulegają zmianom. Dlatego też analiza danych DSC może być wykorzystana do oceny procesu zafałszowania składników odżywczych.

Czystość leku

DSC zyskała duże zainteresowanie w badaniu czystości leków, ponieważ wymaga próbek o niewielkiej objętości (1-2 mg) i jest znacznie szybsza w czasie analizy. Przykładowo, monitorując wpływ substancji obcych, można stwierdzić, w jakim stopniu lek jest czysty. Okazuje się, że zanieczyszczenia obniżają temperaturę topnienia ( T m ) {T_{m})} leku. Ponadto, temperatura topnienia może być również wykorzystana do oszacowania stabilności termicznej leków, ponieważ im wyższa ( T m ) {displaystyle (T_{m}})} tym bardziej stabilne jest białko. Dlatego DSC pozwala na natychmiastowe monitorowanie tej temperatury, co prowadzi do znacznie łatwiejszej i szybszej kontroli jakości leków.