Diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC): princip, použití a omezení

Dva nejběžnější typy diferenčního skenovacího kalorimetru jsou DSC s tepelným tokem, který pracuje s konstantním přívodem tepla do systému, a DSC s kompenzací výkonu, který pracuje s konstantním přívodem energie do kalorimetru. Obecně DSC vypočítává tepelné změny měřením rozdílu teplot mezi vzorkem a referenčním držákem. Typické provedení DSC s tepelným tokem je patrné z obrázku 1. Obsahuje držák vzorku, ve kterém je umístěn materiál, který je předmětem zájmu, a referenční držák, který je obvykle prázdný. Oba jsou umístěny na podložce, která je v dobrém kontaktu se stěnami kalorimetru. K hraničním stěnám je připevněn topný odpor, který umožňuje získat pec generující a udržující požadované množství tepla uvnitř krytu. Termočlánek připojený k držáku vzorku i k referenčnímu držáku je měřicí zařízení, které udává teplotu, jež se použije při analýze. Teplo dodávané topným odporem proudí dále do komor pro vzorek a referenční materiály.

Nejjednodušší teoretický přístup k pochopení mechanismu fungování DSC se nazývá zjednodušený lineární model a využívá následujících předpokladů:

1. Rychlost tepelného toku je konstantní,
2. Žádná interakce mezi vzorkem a referencí,
3. Uvažují se pouze tepelné kapacity vzorku a reference,
4. Měřená teplota je aktuální teplota vzorku,
5. Systém je izolován od okolí, tj. nedochází k výměně tepla s okolím.

Fourierův zákon vedení tepla, který je základním zákonem vysvětlujícím přenos tepla materiálem, lze použít ke zjištění vztahu mezi teplotou a tepelným tokem v systému. Tento zákon říká, že množství tepelné energie procházející malou částí plochy (A) materiálu, které se nazývá hustota tepelného toku a označuje se ( Φ A ) {\textstyle ({\frac {\mathsf {\Phi }}{\mathsf {A}}})} je ekvivalentní tepelné vodivosti (k) vynásobené změnou teploty vzhledem k poloze, kterou lze označit jako ( - Δ T Δ x ) {\textstyle (-{\frac {{\mathsf {\Delta }}T}{{\mathsf {\Delta }}x}})} . Tento vztah ve formě rovnice lze zapsat jako,

Obecně se při DSC používá počítač, který dodává teplo určitou rychlostí do referenčního držáku i do držáku vzorku. Když držák vzorku obsahuje látku, zatímco referenční držák zůstává prázdný, vede to buď ke zvýšení, nebo snížení teploty držáku vzorku označené ( T s ) {\textstyle (T_{s})} v závislosti na následujících procesech:

1. Pokud je proces náročný na teplo, tj. pro jeho průběh je zapotřebí vnějšího tepla, což se také nazývá endotermický proces, pak teplota v držáku vzorku klesá.
2. Pokud je proces tepelně uvolňující, tj. vzniká dodatečné teplo, které se také nazývá exotermické, pak se teplota v držáku vzorku zvyšuje.

Výslednou změnu tepelného toku způsobenou těmito změnami teploty pak lze zjistit pomocí Fourierova zákona takto,

nebo

Na základě tohoto jednoduchého modelu se tedy ukazuje, že existuje přímá úměrnost (K) mezi tepelným tokem a změnami teploty vzorku. Tato konstanta úměrnosti závisí na vzdálenosti od stěny ke vzorku, která je znázorněna jako (Δx), na ploše průřezu nosiče (A) a na tepelné vodivosti (k). Obecně je hlavním výsledkem DSC experimentu výstupní signál rychlosti tepelného toku v závislosti na teplotě, který se nazývá DSC křivky. Analýza těchto křivek hraje důležitou roli při určování tepla přeměny, reakčního tepla nebo jakýchkoli změn tepelné kapacity v důsledku změn teploty, například entalpie exotermických a endotermických procesů může být určena zjištěním plochy pod DSC křivkou pomocí matematické techniky zvané integrální výpočet.

Tepelná denaturace proteinů

Jedna z nejdůležitějších aplikací DCS souvisí s tepelným rozkládáním proteinů, procesem zvaným denaturace.Úloha DCS v tomto procesu se využívá k určení teplotního rozsahu, v němž proteiny vykazují strukturní změny. Kromě toho, pokud je roztok bílkovin zpracováván za konstantní rychlosti tepla a konstantního tlaku, může DSC určit zdánlivé tepelné kapacity bílkovin. Ukazuje se totiž, že denaturované proteiny mají vyšší tepelné kapacity, a správná detekce jejich změn v průběhu času může pomoci zjistit rozsah rozbalování.

Hodnocení lipidů a tuků

Kontrola kvality potravin je jednou z nejdůležitějších otázek pro péči o lidské zdraví a pohodu. Bylo zaznamenáno mnoho nezákonných praktik týkajících se potravinářských výrobků, zejména falšování některých vysoce ceněných rostlinných olejů a tuků. Falšování je činnost spočívající v přimíchávání nekvalitních a někdy i škodlivých složek do potravin určených k prodeji. V této oblasti se DSC používá k analýze tepelného chování lipidů především pomocí dvou procesů, procesu chlazení, který podává informace o krystalizaci, a procesu zahřívání, který poskytuje informace o chování stavebních bloků lipidů při tání. Příměsi v tucích nebo olejích mění křivky ochlazování a zahřívání při DSC. Objevují se například nové píky a stávající píky procházejí změnami. Analýzu DSC dat lze tedy použít při odhadu procesu falšování na živiny.

Čistota drog

DSC si získala poměrně velký zájem o zkoumání čistoty léčiv, protože vyžaduje vzorky s malým množstvím (1-2 mg) a je značně rychlá z hlediska doby analýzy. Sledováním účinků cizorodých látek lze například zjistit, do jaké míry je léčivo čisté. Ukazuje se, že nečistoty snižují teplotu tání ( T m ) {\displaystyle (T_{m})} léčiva. Kromě toho lze teplotu tání použít také k odhadu tepelné stability léčiv, protože čím vyšší je ( T m ) {\displaystyle (T_{m})} , tím stabilnější je protein. Proto DSC umožňuje okamžité sledování této teploty, což vede k mnohem snazšímu a rychlejšímu způsobu kontroly kvality léčiv.