Calorimeter quét khác biệt so với các phương pháp phân tích nhiệt khác

Hiểu biết Phân tích Nhiệt lượng Quét différentiel (DSC)

Nguyên tắc của Phân tích Calorimetry Quét Sự Khác biệt (DSC)

DSC, viết tắt của Calorimetry quét khác biệt, xem xét cách vật liệu thay đổi khi được nung nóng bằng cách so sánh lượng nhiệt chảy vào mẫu so với những gì đi vào vật liệu tham khảo trơ. Phương pháp này hoạt động thông qua hai cách tiếp cận. Đầu tiên là đo lưu lượng nhiệt để phát hiện sự khác biệt nhiệt độ trên các mẫu và tham chiếu. Thứ hai là bù đắp năng lượng, nơi thêm năng lượng để giữ cho mọi thứ cân bằng nhiệt. Các máy DSC ngày nay cũng khá nhạy cảm, có khả năng nhận thấy sự thay đổi nhiệt độ xuống đến khoảng 0,1 microWatt. Sự nhạy cảm như vậy giúp chúng ta phát hiện được những chuyển đổi quan trọng như khi một thứ gì đó tan chảy, hình thành tinh thể, hoặc trải qua quá trình chuyển đổi thủy tinh. Nhờ độ chính xác này, các nhà nghiên cứu có thể đo chính xác lượng năng lượng được hấp thụ hoặc giải phóng trong quá trình này. Đối với bất cứ ai làm việc trong khoa học vật liệu hoặc phát triển các loại thuốc mới, DSC đã trở nên tuyệt đối cần thiết để hiểu hành vi vật liệu dưới nhiệt độ khác nhau, theo hướng dẫn dụng cụ gần đây từ Hitachi High-Tech (2023).

DSC đo chuyển đổi nhiệt trong vật liệu như thế nào

Khi thực hiện thử nghiệm DSC, cả vật liệu mẫu và chất tham khảo được làm nóng hoặc làm mát với tốc độ chính xác giống nhau. Thiết bị sau đó theo dõi lượng năng lượng cần thiết để giữ chúng ở nhiệt độ phù hợp. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích khi làm việc với polyme vì nó có thể xác định chính xác nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh (Tg) trong khoảng một độ C. Các nhà nghiên cứu dược phẩm cũng dựa rất nhiều vào DSC. Họ sử dụng nó để kiểm tra mức độ ổn định của các dạng thuốc khác nhau bằng cách nhìn kỹ điểm tan chảy của chúng. Điều gì làm cho DSC nổi bật so với các phương pháp thử nghiệm hàng loạt truyền thống? Nó hoạt động trên các mẫu cực kỳ nhỏ, đôi khi chỉ có một microgram vật liệu. Điều này rất quan trọng đối với các chất sinh học đắt tiền như các dung dịch protein nơi lấy đủ mẫu để xét nghiệm không phải lúc nào cũng khả thi. Với DSC, các nhà khoa học có thể phát hiện ra những thay đổi cấu trúc nhỏ trong các vật liệu này mà không cần số lượng lớn hoặc công việc chuẩn bị phức tạp trước thời gian.

Các ứng dụng chính của DSC trong phân tích vật liệu và sinh vật chất

• Khoa học Polymer : Mô tả Tg , động học khắc phục và ổn định oxy hóa trong nhựa
• Thuốc dược phẩm : Phát hiện thuốc giả thông qua các sai lệch trong hành vi tan chảy
• Vật liệu sinh học : Giám sát sự biến dạng protein để tối ưu hóa sự ổn định của công thức vắc-xin

Một nghiên cứu năm 2023 đã chứng minh hiệu quả của DSC trong việc xác định tạp chất trong vật liệu tổng hợp nylon, dẫn đến cải thiện 14% sản lượng sản xuất bằng cách cho phép kiểm soát chất lượng sớm.

Ưu điểm và hạn chế của DSC cho đặc điểm nhiệt

Điểm mạnh :

• Cung cấp dữ liệu định lượng về enthalpies chuyển tiếp
• Cần chuẩn bị mẫu tối thiểu (thường là 110 mg)
• Tương thích với chất rắn, chất lỏng và gel

Các hạn chế :

• Giới hạn chuyển đổi bằng nhiệt với năng lượng đủ (0.1 J/g)
• Giải thích trở nên phức tạp khi nhiều quá trình chuyển đổi chồng chéo, chẳng hạn như trong polyme đa pha
• Cần các vật liệu tham chiếu tinh khiết cao để hiệu chuẩn chính xác

Mặc dù những hạn chế này, DSC vẫn là tiêu chuẩn vàng cho hồ sơ nhiệt do khả năng tái tạo, độ chính xác và chấp nhận công nghiệp rộng rãi.

DSC so với Phân tích nhiệt hấp dẫn (TGA): đo lưu lượng nhiệt so với thay đổi khối lượng

Sự khác biệt cơ bản trong các nguyên tắc đo lường và thiết bị đo lường

Các phương pháp đo nhiệt độ quét khác biệt (DSC) và Phân tích nhiệt hấp dẫn (TGA) khá khác nhau khi nói đến những gì mỗi người thực sự đo. Với DSC, chúng tôi xem lượng nhiệt chảy trong những thứ như điểm nóng chảy, các sự kiện tinh thể hóa, và những điểm chuyển đổi thủy tinh khó khăn. Mặt khác, TGA tập trung vào việc theo dõi những thay đổi về khối lượng xảy ra khi vật liệu phân hủy, oxy hóa hoặc chỉ đơn giản là mất các thành phần dễ bay hơi. Theo nghiên cứu được công bố trong ấn bản năm 2024 của Polymer Materials Studies, DSC có thể phát hiện sự thay đổi nhiệt độ xung quanh điểm chuyển đổi thủy tinh với độ chính xác cộng hoặc trừ nửa độ C. Trong khi đó, thiết bị TGA đủ nhạy để nhận thấy lượng mất xuống chỉ 0,1 microgram. Những khả năng đo này tự nhiên cũng ảnh hưởng đến thiết kế thiết bị. Đối với các thử nghiệm DSC, các mẫu cần được đặt trong các thùng nấu kín để các phép đọc dòng nhiệt vẫn chính xác. Nhưng TGA hoạt động khác vì nó đòi hỏi các bình lấy mẫu mở được kết nối với các microbalances rất nhạy cảm liên tục theo dõi sự thay đổi trọng lượng theo thời gian.

Sử dụng bổ sung trong nghiên cứu phân hủy polymer và ổn định nhiệt

Những kỹ thuật này thường được sử dụng cùng nhau để cung cấp một bức tranh hoàn chỉnh hơn về hành vi vật liệu:

Loại phân tích	Sản phẩm chính	Ứng dụng chính
DSC	Dòng nhiệt (mW)	Kháng tinh thể, phản ứng khắc phục, T g
TGA	Thay đổi khối lượng (%)	Nội dung chất lấp, động học phân hủy

Khi kết hợp, DSC và TGA cải thiện độ chính xác mô hình hóa phân hủy polyme bằng 1923% so với phương pháp đơn. Ví dụ, TGA định lượng hàm lượng carbon-black trong cao su, trong khi DSC đồng thời đánh giá hiệu quả chữa cứng trong cùng một lô.

Xu hướng mới nổi: TGA-DSC tích hợp cho đồng thời Phân tích nhiệt

Những phát triển mới hiện cho phép các dụng cụ TGA-DSC kết hợp để chạy cả hai thử nghiệm cùng một lúc, có nghĩa là các nhà khoa học có thể thấy những thay đổi khối lượng liên quan đến các sự kiện nhiệt như thế nào khi chúng xảy ra. Đối với những thứ thay đổi theo thời gian như làm cứng bằng nhựa epoxy, phương pháp kết hợp này hoạt động rất tốt. Theo một nghiên cứu từ Ponemon vào năm 2023, khoảng 7 trong số 10 nhà nghiên cứu thấy dữ liệu của họ nhất quán hơn khi sử dụng phương pháp này thay vì chạy các thử nghiệm riêng biệt. Các hệ thống này cũng giảm thời gian chờ đợi bởi vì chúng loại bỏ các vấn đề với vị trí mẫu khác nhau mỗi lần và rút ngắn thời gian phân tích khoảng 35 đến 40 phần trăm. Kết quả là, các phòng thí nghiệm làm việc về kiểm tra an toàn vật liệu pin và đặc trưng hóa vật liệu tổng hợp đang chuyển sang các công cụ tích hợp này thường xuyên hơn trước đây.

DSC vs. Phân tích nhiệt khác biệt (DTA) và Phân tích nhiệt cơ học động (DMTA)

DTA so với DSC: Độ nhạy, hiệu chuẩn và ứng dụng thực tế

Cả DTA và DSC đều có thể phát hiện chuyển đổi nhiệt, nhưng chúng hoạt động khác nhau và có mức độ nhạy cảm khác nhau. Với DTA, chúng ta xem xét khoảng cách nhiệt độ giữa mẫu của chúng ta và một vật liệu tham khảo khi cả hai được làm nóng theo cùng một cách. DSC có một cách tiếp cận khác bằng cách đo chính xác lượng nhiệt cần phải được áp dụng để duy trì nhiệt độ bằng nhau giữa mẫu và tham chiếu. Theo nghiên cứu của Innovatech Labs năm 2022, điều này có nghĩa là DSC nhận được sự thay đổi năng lượng tốt hơn khoảng 30% trong quá trình như tan chảy hoặc tinh thể hóa. Điều thực sự làm cho DSC khác biệt là nó dựa vào các vật liệu hiệu chuẩn như indium hoặc sapphire, cho phép đọc công suất nhiệt chính xác. Đó là lý do tại sao nhiều phòng thí nghiệm chuyển sang DSC để kiểm tra độ tinh khiết của thuốc hoặc nghiên cứu cách các polymer kết tinh. DTA không nhạy cảm như vậy, nhưng nó vẫn phổ biến cho công việc nhiệt độ cao trên 700 độ C. Các nhà nghiên cứu gốm thường thích DTA khi xem xét các thay đổi pha vì số lượng dòng nhiệt chính xác không quan trọng trong những tình huống đó.

DMTA và DSC: Khác biệt hành vi nhựa với chuyển đổi enthalpic

Phân tích nhiệt cơ học động, hoặc DMTA ngắn gọn, xem xét cách các vật liệu phản ứng cơ học trong những thay đổi nhiệt độ. Nó theo dõi những thứ như mô đun lưu trữ và giá trị tan delta trong suốt những lần thay đổi nhiệt độ, cho các nhà nghiên cứu một ý tưởng tốt về cách các vật liệu nhớt hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Mặt khác, Calorimetry quét khác nhau hoạt động khác bằng cách phát hiện các chuyển đổi vật liệu dựa trên sự thay đổi công suất nhiệt. Cả hai kỹ thuật đều phát hiện điểm chuyển đổi thủy tinh nhưng làm như vậy theo những cách khác nhau. DSC cho thấy sự chuyển đổi này là một sự thay đổi đột ngột trong các mô hình lưu lượng nhiệt, trong khi DMTA thực sự thấy nó là một đỉnh đáng chú ý khi xem xét mất năng lượng cơ học. Nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí của MDPI vào năm 2023 tập trung vào các hợp chất epoxy và cho thấy DMTA mang lại kết quả tốt hơn khi đo mật độ liên kết chéo, trong khi DSC vẫn là vua khi bắt những sự kiện ngoại nhiệt chữa trị quan trọng đó. Đối với việc làm việc với elastomer cụ thể, hai phương pháp này hoạt động song hành. DMTA giúp đánh giá các đặc điểm giảm áp, trong khi DSC theo dõi các quá trình tinh thể hóa, cuối cùng cho các kỹ sư biết loại độ bền lâu dài mà họ có thể mong đợi từ vật liệu của họ.

Nghiên cứu trường hợp: Tính chất tổng thể của hợp chất polymer và vật liệu sinh học

Nhìn vào vật liệu sinh học, nhiệt kế quét khác biệt (DSC) cho thấy giàn khoan collagen có độ ức chế biến hóa khoảng 122 joule mỗi gram, cho thấy tính toàn vẹn cấu trúc tốt. Trong khi đó, phân tích nhiệt cơ học động (DMTA) nhận thấy sự giảm đáng kể trong mô-đun lưu trữ, giảm từ 2,1 gigapascals xuống chỉ 85 megapascals khi nó đi qua điểm chuyển đổi thủy tinh. Những phát hiện này giúp thiết lập nhiệt độ xử lý phù hợp cho cấy ghép in 3D để chúng không bị vỡ khi khử trùng sau này. Đối với các vật liệu PEEK được củng cố bằng sợi carbon, các thử nghiệm tương tự đã tìm thấy sự khác biệt về điểm nóng chảy khoảng 5 độ C, điều này cho thấy giảm 18% độ gắn kết của sợi theo kết quả của DMTA. Những chi tiết như thế này rất quan trọng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ nơi điều khiển nhiệt độ cần phải trong phạm vi cộng hoặc trừ một độ vì lý do an toàn.

DSC so với Fluorimetry quét phân biệt nano (nanoDSF) trong phân tích ổn định protein

Đánh giá ổn định nhiệt của protein: DSC so với nanoDSF không có nhãn

Nhiệt độ quét khác nhau hoạt động bằng cách đo lượng nhiệt mà protein hấp thụ khi chúng bắt đầu mở ra, cung cấp thông tin trực tiếp về tính chất nhiệt động lực của chúng trong quá trình này. Mặt khác, phiên bản không có nhãn của nanoDSF xem xét những gì xảy ra với các tín hiệu huỳnh quang tự nhiên đến từ các axit amin như tryptophan và tyrosine khi cấu trúc protein bị phá vỡ. Một lợi thế lớn của nanoDSF là nó không yêu cầu bất kỳ thuốc nhuộm đặc biệt nào đôi khi có thể can thiệp vào các phân tử tinh tế. Trong khi đó, DSC truyền thống cung cấp một bức tranh đầy đủ về tất cả các chi tiết nhiệt động lực, chẳng hạn như thay đổi enthalpy (ΔH) và sự hợp tác thực sự của sự mở ra. Cả hai kỹ thuật đều có thể cho chúng ta biết nhiệt độ nóng chảy (Tm) điểm mà protein mất hình dạng của chúng. Tuy nhiên, khi xử lý các hệ thống phức tạp có chứa nhiều miền hoặc một số protein khác nhau làm việc cùng nhau, nanoDSF có xu hướng hoạt động tốt hơn DSC. Điều sau đây vẫn là lựa chọn ưa thích cho các tình huống mà chúng ta muốn nghiên cứu các sự kiện phát triển hợp tác đầy đủ trên toàn bộ cấu trúc protein.

Hiệu suất trong điều kiện cực đoan: Môi trường siêu muối và khắc nghiệt

Khi làm việc trong các khu vực có nồng độ muối cao, nhiệt độ đo quét khác biệt (DSC) thường gặp vấn đề với sự hình thành tinh thể muối, đặc biệt là khi xử lý dung dịch muối muối. Mặt khác, quang đo quét phân số nano (nanoDSF) có xu hướng cung cấp tín hiệu yếu hơn cho một số protein thích muối có ít tryptophan. Nghiên cứu được công bố vào năm 2025 đã xem xét các mẫu nước muối tương tự như những người ở đầu sao Hỏa và phát hiện ra rằng nanoDSF thực sự giữ tốt hơn trong hỗn hợp protein phức tạp đối mặt với điều kiện muối dữ dội. Một số nhà nghiên cứu đã quản lý để tinh chỉnh thiết bị DSC tiêu chuẩn với các tính năng chứa tốt hơn giúp giảm một chút các vấn đề tinh thể này. Điều làm cho cả hai phương pháp này thú vị là khả năng của chúng cho các nhà khoa học thấy chính xác những gì xảy ra với protein khi tiếp xúc với các loại hóa chất khác nhau làm gián đoạn hoặc ổn định cấu trúc phân tử.

Chọn phương pháp: Sự chính xác, thông lượng và tính tương thích

Nguyên nhân	DSC	nanoDSF
Độ chính xác	Các phép đo ΔH tuyệt đối	Sự thay đổi về sự ổn định tương đối
Khả năng tương thích mẫu	Giới hạn bởi sự can thiệp muối	Cao trong ma trận đa dạng
Lượng thông qua	Tối thiểu (giờ chạy)	Cao hơn (hơn)

Khi các nhà nghiên cứu cần sàng lọc các protein hòa tan nhanh chóng, họ thường chuyển sang nanoDSF vì nó xử lý nhiều mẫu cùng một lúc trong khi chỉ cần một lượng nhỏ vật liệu. Điều đó nói rằng, nếu ai đó cần thông tin nhiệt động học chi tiết như lipid tương tác với protein hay nhiệt độ nào khiến protein tụ lại với nhau, nhiệt đo quét khác biệt (DSC) trở thành kỹ thuật được sử dụng. Hầu hết các phòng thí nghiệm đều thấy rằng các protein màng hoạt động tốt hơn với phân tích nanoDSF, mặc dù một số có thể thoát khỏi việc sử dụng DSC nếu họ trước tiên loại bỏ muối khỏi các mẫu của họ để cắt giảm các tín hiệu không mong muốn. Quyết định thường đi xuống đến những gì loại kết quả các nhà khoa học thực sự cần so với những gì thiết bị xảy ra có sẵn trong phòng thí nghiệm của họ.

Làm thế nào để chọn phương pháp phân tích nhiệt phù hợp cho ứng dụng của bạn

Khung quyết định: Khớp DSC, TGA, DTA, DMTA và nanoDSF với các mục tiêu nghiên cứu

Chọn phương pháp phân tích nhiệt phù hợp phụ thuộc vào việc điều chỉnh khả năng kỹ thuật với các mục tiêu nghiên cứu. Dưới đây là một khung so sánh:

Phương pháp	Đo chính	Trường hợp sử dụng lý tưởng	Giới hạn chính
DSC	Dòng nhiệt trong quá trình chuyển đổi pha	Phân tích tinh thể polyme, tinh khiết	Giới hạn 700 °C (Ponemon 2023)
TGA	Mất khối lượng so với nhiệt độ	Động học phân hủy, hàm lượng ẩm	Không có dữ liệu về cấu trúc hoặc cơ học
DTA	Sự khác biệt nhiệt độ	Chuyển đổi thủy tinh, nghiên cứu oxy hóa	Độ nhạy thấp hơn so với DSC
DMTA	Tính chất nhớt đàn hồi	Xăng cao su, dính kết hợp	Hạn chế lấy mẫu rắn/nửa rắn
nanoDSF	Protein mở ra thông qua huỳnh quang	Sự ổn định thuốc sinh học trong điều kiện tăng muối	Chuyên gia chuẩn bị mẫu

Để mô tả toàn diện, các hệ thống tích hợp như hybrid TGA-DSC cung cấp dữ liệu khối lượng và enthalpy đồng thời, tăng độ tin cậy trong các nghiên cứu về vật liệu tổng hợp, như đã được cho thấy trong nghiên cứu gần đây về hệ thống polyme.

Thực hành tốt nhất trong vật liệu, polymer và đặc điểm sinh học

Khi nhiều kỹ thuật được sử dụng cùng nhau để xác nhận kết quả, nó thực sự tăng sự tin tưởng vào dữ liệu chúng ta thu thập. Ví dụ khi ai đó kiểm tra nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh được đo bằng DSC so với đỉnh tan delta được thấy trong xét nghiệm DMTA. Những kiểu kiểm tra chéo như thế rất quan trọng ngày nay. Một loạt các bài báo nghiên cứu gần đây đã nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiệu chuẩn đúng cách bởi vì nếu thiết bị không được đặt đúng, sai lầm có thể xâm nhập khá tệ - đôi khi lên tới + hoặc - 5 độ C khi xem các chuyển đổi. Đối với những người làm việc với protein đặc biệt, có cái gọi là nanoDSF cho phép phòng thí nghiệm xử lý nhiều mẫu hơn mỗi ngày khoảng 100 so với khoảng 10 mỗi ngày với phương pháp DSC truyền thống. Nhưng đây là một câu hỏi: trong khi nanoDSF là tuyệt vời cho tốc độ, nó chỉ không nhận ra những sự kiện tổng hợp xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn mà nhiều nhà nghiên cứu thực sự cần theo dõi chặt chẽ.

Dùng chiến lược nhiều cấp:

• Kiểm tra vật liệu : Sử dụng DSC hoặc TGA công suất cao để kiểm tra tính nhất quán lô
• Phân tích thất bại : Kết hợp DMTA và DSC để liên kết các hành vi cơ học và nhiệt
• Các bản trình về quy định : Sử dụng nanoDSF với xác nhận DSC cho hồ sơ nhiệt sinh học mạnh mẽ

Các tiêu chí lựa chọn quan trọng bao gồm giới hạn phát hiện, yêu cầu mẫu và tuân thủ các tiêu chuẩn như ISO 11357 (vật liệu nhựa) và ICH Q2 (dược phẩm). Ngày càng nhiều, các nhà lãnh đạo ngành công nghiệp tuân theo các giao thức xác nhận hiệu suất để đảm bảo tính nhất quán giữa các phòng thí nghiệm và các dụng cụ.

Phần Câu hỏi Thường gặp

Calorimet Quét Sự chênh lệch (DSC) là gì?

Calorimetry quét khác biệt (DSC) là một kỹ thuật phân tích nhiệt đo lưu lượng nhiệt vào hoặc ra khỏi mẫu so với một tham chiếu trơ trong một chương trình nhiệt độ được kiểm soát. Nó giúp xác định các chuyển đổi như tan chảy, tinh thể hóa, hoặc chuyển đổi thủy tinh trong vật liệu.

Tại sao DSC quan trọng trong khoa học vật liệu và dược phẩm?

DSC rất quan trọng để hiểu hành vi vật liệu dưới nhiệt độ khác nhau và là điều cần thiết trong khoa học vật liệu để mô tả các polyme. Trong dược phẩm, các nhà nghiên cứu sử dụng DSC để đánh giá sự ổn định của thuốc và phát hiện thuốc giả.

DSC khác với Phân tích nhiệt hấp dẫn (TGA) bằng cách nào?

DSC đo lưu lượng nhiệt trong quá trình chuyển đổi, trong khi TGA tập trung vào những thay đổi về khối lượng do phân hủy, oxy hóa hoặc mất các thành phần dễ bay hơi. Mỗi kỹ thuật cung cấp những hiểu biết khác nhau và thường được sử dụng bổ sung trong các nghiên cứu vật liệu.

DSC có những hạn chế nào?

DSC chỉ giới hạn trong việc phát hiện các chuyển đổi có công suất nhiệt đáng kể (0,1 J / g); các chuyển đổi chồng chéo có thể làm phức tạp việc giải thích. Nó đòi hỏi các vật liệu tham khảo tinh khiết cao để hiệu chuẩn chính xác.

NanoDSF là gì và nó so sánh với DSC như thế nào?

nanoDSF, hoặc Fluorimetry quét phân biệt nano, phân tích sự ổn định của protein bằng cách theo dõi sự thay đổi huỳnh quang tự nhiên khi protein mở ra, mà không cần thuốc nhuộm. Ngược lại, DSC cung cấp các tính chất nhiệt động lực chi tiết trong các sự kiện mở ra. nanoDSF có lợi cho phân tích thông lượng cao.