化合物纯度测定差示扫描量热DSC法汇总

1、化合物纯度测定差示扫描量热(DSC)法编制说明1 .制标任务来源本标准系国家认证认可监督管理委员会 2009 年标准制修订项目计划 2009B051化合物纯度测定差示扫描量热(DSC)法的制订，现已完成。2 .标准制定的目的、意义和国内外同类研究概况差示扫描量热技术(DSCDifferentialScanningCalorimetry)对低分子化合物进行纯度测定在上世纪六十年代就提出来，在八十年代逐渐发展成熟，并得到广泛应用。它是测量在程序控温下，输入到样品和参比物的功率差与温度的关系的技术。又分为功率补偿式(PowerCompensation)和热流式(HeatFlux)两种。与其它测定纯度

2、的方法相比，DSC法测定纯度具有许多优点：试样用量少，快速，操作简便，不需要标准品，不需分离杂质，能测定物质的绝对纯度，由 DSC 曲线计算出的杂质含量重现性好，准确度高，适合于测定高纯度化工医药产品。ASTM 在上世纪 80 年代中期陆续颁布了一系列有关 DSC术测定物质纯度的标准，为 DSC术的应用奠定了基础。美国药典在 1980 年 20 版开始确定 DSC 法作为药品纯度检验的标准方法推荐使用，并推荐 DSC 为药品纯度检验及生产质量控制方面的首选方法。DSCt 也被标准定值机构列为可供使用的标准定值方法。本项标准制修订项目计划是国家认证认可监督管理委员会 2009 年标准制修订项目计

3、划2009B051化合物纯度测定差示扫描量热(DSC)法的制订，部分工作承接山东检验检疫局 1999 年度科研项目 差示扫描热分析(DSC 对固体有机化工品纯度、 熔点测定的研究 (SK9903)的研究内容， 并于 2001年完成山东省地方标准邻苯二甲酸酊的差示扫描量热法(DSC 纯度测定的制订。本标准的制订参考了 ASTME928-01纯度的差示扫描热法测定标准试验方法。本标准立项后，课题组积极组织攻关研究，建立了差示扫描热分析法(DSC)对化合物纯度的测定方法，并对影响检测结果的重要实验条件进行了实验，得到纯度测定的优化条件；同时，组织了多个实验室参加的一致性水平试验，获得了方法的精密度、

4、重现性及再现性数据。3 .原理用 DSC1 定纯度的方法在六十年代中期提出，后经许多研究者对数百种物质进行纯度测定，证实 DSC 用于纯度测定是有效的。从理论上看，高纯度且结晶完善的化合物，其 DSC熔融峰非常尖锐。熔融峰变宽是估计化合物纯度的灵敏标准，纯度降低，熔融起始温度降低，RT02XT0-Tm=.H峰高度下降，熔程加宽。根据 VantHoff方程，样品熔点（Tm）与纯品的熔点（T。）差为：式中：AH:纯样品的摩尔熔融崎；X:杂质的摩尔分数；T:热力学温度，K;R:气体常数，8.314J/mol人。为得到 T0与AH 引入熔融过程中任意样品温度（TS）下熔鬲分数 F（F=（T0-Tn）/

5、（TO-TS）概念，将 VantHoff 方程代入 F,得到下式：RTO2X1Ts-TOsHFTs-1/F 图应为一直线，外推可求出 1/F=0 时纯样品熔点TO,从直线斜率可求出 X。实际 Ts对 1/F 并不呈直线关系，当试样纯度较低时，直线偏离程度尤为严重。这是由于试样预熔融面积在试样初熔面积中占有相当比重，使 DSC 曲线求得的熔融部分的分数 F 偏低。为消除偏离，需作校正，加一小块面积 A 到各部分面积 A 和总面积 A 中，添加面积的大小，通过线性最小二乘法拟合，直到 Ts对 1/F 拟合为一条直线。通过选取 DSC 曲线中线性最好的一段进行横坐标（温度）等分，得到 DSC 曲线不

6、同熔解温度对应的热燃值，以 Ts对 1/F作图，求出几个 Ts时的熔融分数，便可以计算出杂质含量。4 .方法提要在密封塔期内准确称取样品，准确至0.00001 克，为了导热良好，在测定前应将试样稍加研碎，但不能使试样在研磨后形成凝聚体，在操作中，要尽量使试样平铺在样品皿的底部，压紧，将死体积减至最小，用冲压模将增蜗密封，放入量热池内进行实验；实验前要按规定用金属锢对仪器的温度进行校准，保证实测温度的准确性，并对不同的升温速率进行基线校准。获取 t佥样品的 DSC 谱线，在符合条件的 DSCf 线上选取 20 等份温度的热燃面积进行处理，一般符合条件的区域为熔融过程 10%-50%在这一区域内，

7、DSC 谱线符合纯度测定模型要求（VantHoff 方程）。影响测定样品纯度准确度的因素主要有四方面：样品因素，如样品的易吸湿、潮解；外界干扰因素，如样品增期条件、保护气氛围；实验因子，如升温速率、样品称样量；模型参数选择，如模型回归数据量、回归范围。其中，实验因子是影响测定结果准确度的主要因素。5 .测试条件的确定5.1由于样品的物理化学性质的差别，难以进行全面的分析，但可以对日常化工品检验工作中常遇到的情况进行分析。对易吸湿、潮解样品在样品的储存、处理及称量过程中要尽可能在干燥条件下进行。依据实际工作中的经验，为获得具有可比性且重现性好的实验数据，对在不稳定环境下的易吸潮样品的测定，采取的

8、方法是：可在测定程序的起始平衡温度前加入一段（如 10 分钟）样品等温过程（ISOTHERML 消除样品的处理历史。5.2增期的选择及预处理在保证测定准确性的要求，并考虑到经济条件，对一般无特殊腐蚀性样品的测定，一般铝质增期能满足要求；由于纯度测定升温速率较慢，使用常用的半密封塔期会造成熔融或半熔融状态下样品的挥发，因此必须使用密封塔期，这对测定易挥发性样品（如精秦）尤其重要。对高精度测定，使用前增期必须经加热预处理。5.3保护气流速影响量热池内通入 Na、He 气的主要作用是消除样品热（裂）解而产生的有害气体，保护气流速对测定准确度的影响不是关键因素，实验选择 20-40ml/min。5.4

9、升温速率的影响样品的升温速率是影响测定结果准确性最重要的因素，由于在升温过程中样品存在温度梯度，造成测量温度与实际温度的差别，较低的升温速率有利于提高测定的准确性，但会增加实验耗时，通过实验，在升温速率低于 1 七/min 对实验结果的准确性不会带来影响，见图 1。5.5样品量的影响样品量大小对于测定结果的灵敏度及准确性有明显影响，较小的样品量有利于消除升温过程中样品的温度梯度，提高测定的灵敏度，但较小的样品量受外界影响（如样品称量）而产生的误差较大，样品量存在一个最佳值，对实验结果进行二次拟合，考虑到允许的测定误差及不同样品的摩尔分子量不同，此值可在 2-3mg 波动，见图 2。5.6模型（

10、软件）参数设定值的代表性及足够小的误差；而回归范围的设定必须依据样品的 DSC 谱图进行，起始点的选择要避免样品开始熔融时杂质的干扰，终止点的选择要避免超过谱图的最大值，保证在处理区段内热燃变化增量与温度变化成正比关系。在符合条件的合纯度测定模型要求（VantHoff 方程）。具体过程如下:得到图 3 所示试样熔融曲线，测定熔融峰面积 ABCD图 3.纯度分析模型参数的设定将熔融峰面积 ABCDt 基线向熔融曲线作垂线（DE）,将熔融峰至少划分为 10 份;确定分部F处的温度TF,TF为分部F的熔融温度，F由式（1）给出：图 1.升温速率对测定结果的影响图 2.样品量对测定结果的影响模型参数主

11、要有回归数值个数及回归范围, 缺省的数值个数为20,这足以保证实验数热燃面积进行处理，一般符合条件的区域为熔融过程10%-50%在这一区域内，DSC 曲线符DSCa 线上选取 20 等份温度的-卓丁&!%降岛FADEA一ABCA(1)式中,F:分部比；ADEA:分部面积；ABCA:熔融峰总面积；分部F的熔融温度TF按照下面方法计算：?在与试样相同的试验条彳下对锢进行试验，得到图 4 所示熔融峰；?作图得到锢熔融峰前缘线的斜率 1；?在试样熔融分部 ADEA 勺 E 点作与斜率 l 相同的切线并与基线相交于 G,G 点处温度即为熔融分部 ADEAM 应的熔融温度， 通过这一方法， 由系统

12、误差引起的温度漂移对纯度计算的结果影响不大；图 4.金属锢前伸斜率示意图图 5,纯度分析模型回归校准示意图通常情况下得到图 5 所示的向上弯曲的曲线，通过不断对熔融面积 ABCAADEAto 上面积X 对 1/F 重新进行修正，见式(2),直到得到经过修正的接近线性的 1/F-T 关系；1_ABCAxF-ADEAx(2)计算经校正的 1/F-T 直线的斜率与截距(To),并由式得到 TF:-1TF=斜率x-+ToF(3)由式(4)计算得到试样中杂质的摩尔分数：HfX2=-(斜率)MRTo(4)式中，X2:杂质摩尔分数；R:气体常数，8.314510J/molK;&Hf:熔融烙，J/mo

13、l;T0:纯试样的熔点，K;DSC 法测定纯度的适用范围在杂质含量较高的情况下，由于杂质的影响，被测样品已背离 DSC 测定原理所要求的待测样品为理想的固溶液这一基本要求，因此，该方法不适用于较高杂质的纯度测定。通过美国标准物质研究所(NIST)提供的一系列 DSC 纯度测定基准物质(SRM1514,可以对使用 DSC 技术测定样品纯度的准确度受杂质影响的程度进行评估。实验表明，在杂质含量高于 3%-4%寸，测定准确度的误差已高于 0.2%,该方法已不适用，对于要求较高的纯度测定(0.1%),杂质应低于 2%方法可靠性验证用 DSC 方法测定化合物纯度，其可靠性必须验证，可通过两种方式：1、通

14、过其它分析测试手段或数据处理方式证明样品条件满足 VanHoff 方程的要求；2、通过统计学方法对方法的差异进行显著性检验。DSC 方法测定纯度与经典方法比较实验样品为邻苯二甲酸酎(GhkQ),它在进口有机化工品中占很大比重。原先采用容量滴定(HG2-319-79)对纯度进行检验，测定平行误差要求小于 0.1%。实验条件：升温速率：0.7C/min；起始平衡温度：122.00 七；终止温度：136.00C;氮气流速：2530ml/min;样品量：2.5mg。通过对 DSC 曲线一阶导数，在熔融峰中无隐藏的干扰峰，这可基本排除杂质与样品形成共熔物的情况。在符合条件的 DSC 曲线上选取 20 等

15、份温度（横坐标）的热燃面积进行处理,般符合条件的区域为熔融过程 10%-50%即 F=0.10.5。对同一邻苯二甲酸酎样本样品分别用容量滴定法和 DSCt 测定 7 次，结果见表 1。表 1 容量滴定法和 DSCt 测定邻苯二甲酸酎（苯酎）纯度结果实验方法测定结果（）平均值（%）R.S.D.容量滴定99.71,99.74,99.72,99.73,99.75,99.77,99.6799.730.03DSCfe99.74,99.77,99.74,99.75,99.78,99.75,99.7499.750.02设容量标定法的样品为样本 1,DSC 热分析法的样品为样本 2。S三二3.06:二5.82

16、S2证明容量滴定法与 DSCt 测定纯度的精密度无显著性差别。当显著性水平 a=0.05 时，查 t 值表（c=12）,t1-（5=t0.975（12）=2.179。t=1.468T3T4T513491.635348329.0087352450.01445623469.368343900.4364352450.01349833455.963341248.0332352450.010637表 7 邻苯二甲酸酎纯度的mj,srj和sRj值水平jPjmjsrjsRj1599.7610.0220.0342599.1250.0210.0353598.7420.0190.034测量方法精密度(以质量百分数

17、表示)可引述如下重复性标准差(Repeatability):sr=0.021再现性标准差（Reproducibility）:sR=0.034这些值的适当范围为 99.761%98.742%（m/m）。这些值是通过有 5 个实验室参加的一致性水平试验获得的，所测邻苯二甲酸酎纯度的值在上述范围内，试验结果未检测到歧离值，所有试验数据在分析中予以保留。.样品测试用 DSCt 检验纯度，在符合检验条件的情况下，其检测下限为 98.5%;原则上，对低分子化合物进行纯度测定，特别是那些通过熔点来定性和半定量描述样品性质的化工品，可首先考虑使用差示扫描热分析法进行测定。由于化工品杂质含量通常小于 1.5%（

18、wt%wt）水平，因此，对绝大多数化工品的纯度检验，该方法完全适用。该方法尤其适合于纯度较高的化工品的品质、批次、生产过程品控等领域。在实际检验工作中，已对十余种固体有机化工品（见表 8）进行了纯度测定，通过与常规检验方法或其它仪器分析法所得结果进行的 t-检验，证明完全可用 DSC 法对这些样品进行纯度测定，该方法有着广阔的使用前景与推广价值。表 8 使用差示扫描热分析法（DSC 测定的固体有机化工品纯度一览表化工品名称分子式状态熔点范围（C）甘露醇（Mannitol）CH2(OH)(CHOH)4CH2OH白色粉末状结晶165168联苯(Diphenyl)(C6H5)2白色鳞片状结晶6971硫月尿(Thiou