Calorimetría diferencial de barrido

La calorimetría diferencial de barrido ( DSC ) es una técnica termoanalítica en la que la diferencia en la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una muestra y una referencia se mide en función de la temperatura. Tanto la muestra como el estándar se mantienen casi a la misma temperatura durante todo el experimento. Por lo general, un programa de temperatura para el análisis DSC está diseñado de tal manera que la temperatura del soporte de la muestra aumenta linealmente en función del tiempo. La muestra de control debe tener una capacidad calorífica bien definida en el rango de temperatura a escanear.

La técnica fue desarrollada por E. S. Watson y M. J. O'Neill en 1962 [1] y presentada como un producto comercial en la Conferencia de Pittsburgh sobre Química Analítica y Espectroscopia Aplicada en 1963. El primer calorímetro de barrido diferencial adiabático que podría usarse en bioquímica fue desarrollado por P. L. Privalov y D. R. Monaselidze en 1964 en el Instituto de Física de Tbilisi, Georgia. [2] Para describir los dispositivos que implementan esta técnica para la medición directa de la energía de los efectos térmicos y la medición precisa de la capacidad calorífica, se propuso el término DSC. [3]

Tipos de DSC:

Detección de transiciones de fase

El principio básico de este método es que cuando una muestra sufre una transformación física, como transiciones de fase , se le debe suministrar más o menos calor, en comparación con la muestra de referencia, para mantener ambas muestras a la misma temperatura, dependiendo de si la proceso en estudio es exotérmico o endotérmico. Por ejemplo, cuando una muestra sólida se está derritiendo, para elevar su temperatura al mismo ritmo que la referencia, la muestra necesitará transferir más calor. Esto se debe a la absorción de calor por parte de la muestra a medida que pasa por una transición de fase endotérmica de sólido a líquido. Por otro lado, si la muestra se somete a procesos exotérmicos (como la cristalización ), se necesita menos calor para elevar la temperatura de la muestra que la referencia. Al observar la diferencia en el flujo de calor entre una muestra y una referencia, los calorímetros diferenciales de barrido pueden medir la cantidad de calor absorbido o liberado durante dichas transiciones. DSC también se puede utilizar para observar cambios físicos más sutiles, como las transiciones vítreas (medición de la temperatura de transición vítrea). DSC se usa ampliamente en la industria como una herramienta de control de calidad para evaluar la pureza de la muestra y estudiar el curado de polímeros. [4] [5] [6]

DTA

Un método alternativo que tiene mucho en común con DSC es el análisis térmico diferencial (DTA). En este método, el flujo de calor hacia la muestra y la referencia permanece sin cambios, no así la temperatura. Cuando la muestra y la referencia se calientan al mismo ritmo, los cambios de fase y otros procesos térmicos dan como resultado una diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia. Por lo tanto, tanto DSC como DTA brindan información similar. Pero DSC mide la energía requerida para mantener la referencia y la muestra a la misma temperatura, mientras que DTA mide la diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia, dada la misma cantidad de energía aplicada a ellos.

Curvas DSC

El resultado del experimento DSC es una curva de flujo de calor en función de la temperatura o el tiempo. Existen dos convenciones diferentes: las reacciones exotérmicas en una muestra pueden mostrarse como picos positivos o negativos, según la técnica y la tradición. La curva DSC se puede utilizar para calcular las entalpías de las transiciones de fase . Esto se hace integrando el pico correspondiente a una transición dada. Se puede demostrar que la entalpía de la transición de fase se puede expresar usando la siguiente ecuación:

donde es la entalpía de la transición de fase, es la constante calorimétrica y es el área bajo la curva. La constante calorimétrica variará de un instrumento a otro y se puede determinar analizando una muestra bien caracterizada con entalpías de transición de fase conocidas. [5]

Aplicaciones

La calorimetría diferencial de barrido se puede utilizar para medir una serie de propiedades de las muestras de prueba. Con este método, es posible determinar las temperaturas de fusión y cristalización , así como la temperatura de transición vítrea Tg . DSC también se puede utilizar para estudiar procesos de oxidación , así como otras reacciones químicas. [4] [7]

La transición vítrea puede ocurrir cuando se eleva la temperatura de un sólido amorfo . Estas transiciones aparecen como un salto en la línea de base de la señal DSC registrada, que está asociada con un cambio en la capacidad calorífica de la muestra; en este caso, no se produce ningún cambio de fase formal. [4] [6]

A medida que aumenta la temperatura, el sólido amorfo se vuelve menos viscoso . En algún momento, las moléculas pueden obtener suficiente libertad de movimiento para organizarse espontáneamente en una forma cristalina. Esto se conoce como la temperatura de cristalización ( Tc ) . Esta transición de un sólido amorfo a un sólido cristalino es un proceso exotérmico y da como resultado un pico en la señal DSC. A medida que aumenta la temperatura, la muestra finalmente alcanza su punto de fusión ( Tm ) . El proceso de fusión da como resultado un pico endotérmico en la curva DSC. La capacidad de determinar las temperaturas y entalpías de las transiciones de fase hace que DSC sea una herramienta valiosa para crear diagramas de fase para varios sistemas químicos. [cuatro]

La calorimetría diferencial de barrido también se puede utilizar para proporcionar información termodinámica valiosa sobre las proteínas. El análisis termodinámico de las proteínas puede revelar información importante sobre la estructura global de las proteínas y las interacciones proteína/ligando. Por ejemplo, muchas mutaciones reducen la estabilidad de la proteína, mientras que la unión del ligando generalmente aumenta la estabilidad de la proteína. [8] Usando DSC, esta estabilidad se puede medir obteniendo la dependencia de la temperatura del valor de energía libre de Gibbs . Esto permite a los investigadores comparar la energía libre de despliegue entre una proteína sin ligandos y un complejo proteína-ligando o proteínas naturales y mutadas. DSC también se puede utilizar en el estudio de interacciones proteína-lípido, nucleótidos e interacciones fármaco-lípido. [9] Cuando se estudia la desnaturalización de proteínas mediante DSC, las transformaciones térmicas observadas deberían ser, al menos hasta cierto punto, reversibles, ya que los cálculos termodinámicos se basan en el equilibrio químico.

Ejemplos

La técnica es ampliamente utilizada en varios campos, tanto como prueba de calidad de rutina como herramienta de investigación. El equipo es fácil de calibrar, por ejemplo utilizando indio de bajo punto de fusión a 156,5985 °C, y es un método rápido y fiable de análisis térmico.

Polímeros

DSC se usa ampliamente en el estudio de materiales poliméricos para determinar sus transiciones térmicas. Las transiciones térmicas importantes incluyen la temperatura de transición vítrea ( Tg ), la temperatura de cristalización ( Tc ) y la temperatura de fusión ( Tm ). Las transiciones térmicas observadas se pueden utilizar para comparar materiales, aunque las transiciones por sí solas no determinan de forma inequívoca la composición. El estudio de la composición química y de fase de materiales desconocidos se puede completar utilizando métodos instrumentales adicionales de análisis físico y químico de sustancias. Los puntos de fusión y las transiciones vítreas para la mayoría de los polímeros están disponibles en libros de referencia estándar, y el análisis DSC puede mostrar la degradación del polímero a medida que se reduce el punto de fusión esperado. Tm depende del peso molecular del polímero y su historial térmico.

El porcentaje de contenido cristalino del polímero se puede estimar a partir de los picos de cristalización/fusión de la curva DSC utilizando los puntos de fusión que se encuentran en la bibliografía. [10] DSC también se puede utilizar para estudiar la degradación térmica de los polímeros utilizando un enfoque como la temperatura/tiempo de inicio de la oxidación; sin embargo, el usuario corre el riesgo de contaminar la celda DSC y dañar el instrumento. El análisis termogravimétrico (TGA) puede ser un método más útil para investigar la degradación. Las impurezas en los polímeros se pueden identificar examinando los termogramas en busca de picos anormales, y los plastificantes se pueden detectar por sus puntos de ebullición característicos. Además, puede ser útil investigar eventos menores en los datos del análisis térmico de primera ejecución, ya que los "picos anómalos" pueden representar el historial térmico del proceso de fabricación o almacenamiento del material, o proporcionar información sobre el envejecimiento físico del polímero. La comparación de las ejecuciones de la primera y la segunda curva para la misma muestra, tomada a velocidades de calentamiento constantes, puede permitir al analista conocer tanto el historial de procesamiento del polímero como las propiedades del material.

Cristales líquidos

DSC se utiliza en el estudio de cristales líquidos . Algunos materiales no pasan simplemente de sólido a líquido, sino que forman un tercer estado que refleja las propiedades de ambas fases. Este estado de un fluido anisotrópico se conoce como estado líquido cristalino o mesomórfico. Usando DSC, uno puede observar los pequeños cambios en la energía que ocurren cuando una sustancia cambia de un sólido a un cristal líquido y de un cristal líquido a un líquido isotrópico .

Estabilidad oxidativa

El uso de calorimetría diferencial de barrido para estudiar la estabilidad a la oxidación de las muestras generalmente requiere una cámara de muestra sellada. Por lo general, tales pruebas se llevan a cabo de forma isotérmica (a una temperatura constante) cambiando la atmósfera sobre la muestra. Primero se lleva la muestra a la temperatura deseada bajo una atmósfera inerte, generalmente nitrógeno . Luego se agrega oxígeno al sistema. Cualquier oxidación que ocurra se observa como una desviación de la línea de base. Dicho análisis se puede utilizar para determinar la estabilidad y las condiciones óptimas de almacenamiento de un material o compuesto. [cuatro]

Control de seguridad

DSC es una herramienta útil para los controles de seguridad iniciales de sustancias con transiciones de alta energía (explosivos, componentes de combustible, etc.). En este modo, la muestra se coloca en un crisol no reactivo (a menudo de oro o acero chapado en oro) que será capaz de resistir la presión (típicamente hasta 100 bar ). La presencia de un evento exotérmico se puede utilizar para evaluar la resistencia de una sustancia al calor. Sin embargo, debido a una combinación de sensibilidad relativamente baja, velocidades de exploración más lentas que las habituales (típicamente 2–3 °C/min, debido al crisol mucho más pesado) y una energía de activación desconocida , es necesario restar alrededor de 75–100 ° C de la temperatura de reacción exotérmica observada para ofrecer la temperatura segura más alta para un material determinado. Se puede obtener un conjunto de datos mucho más preciso utilizando un calorímetro adiabático , pero dicha prueba puede demorar de 2 a 3 días cuando se escanea desde la temperatura ambiente a una velocidad de 6 °C/hora.

Análisis de drogas

DSC es ampliamente utilizado en las industrias farmacéutica y de polímeros . Para el químico de polímeros, DSC es una herramienta útil para estudiar los procesos de curado , lo que permite el ajuste fino de las propiedades del polímero. La reticulación de las moléculas de polímero que se produce durante el proceso de curado es exotérmica y aparece como un pico en la curva DSC, que suele aparecer poco después de la transición vítrea. [4] [5] [6]

En la industria farmacéutica, es necesario contar con compuestos farmacológicos bien caracterizados para poder determinar los regímenes de producción. Por ejemplo, si se desea administrar un fármaco en forma amorfa, es deseable procesar el fármaco a temperaturas inferiores a aquellas a las que puede ocurrir la cristalización. [5]

Análisis químico general

La supresión del punto de congelación se puede utilizar como una herramienta para analizar la pureza de las sustancias de prueba cuando se utiliza el método de calorimetría diferencial de barrido. Tales mediciones son posibles porque el rango de temperatura en el que se funde una mezcla de compuestos depende de sus cantidades relativas. Por lo tanto, los compuestos menos puros mostrarán un pico de fusión prolongado que comienza a una temperatura más baja que un compuesto puro. [11] [6]

Véase también

Enlaces

  1. ↑ Patente estadounidense 3.263.484 .
  2. ↑ Biología molecular . - 1975. - T. 6. - S. 7-33.
  3. ↑ Análisis térmico. - 1990. - S. 137-140. — ISBN 0-12-765605-7 .
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 El manual de química analítica . - McGraw Hill, Inc., 1995. - P. 15.1-15.5. — ISBN 0-07-016197-6 .
  5. ↑ 1 2 3 4 Una guía práctica para el análisis instrumental  . - Boca Ratón, 1995. - Pág. 181-191.
  6. ↑ 1 2 3 4 Principios del análisis instrumental. - 1998. - S. 805-808. — ISBN 0-03-002078-6 .
  7. ↑ El análisis de un calorímetro de barrido controlado por temperatura   // Anal . química : diario. - 1964. - Vol. 36 , núm. 7 . - P. 1238-1245 . -doi : 10.1021/ ac60213a020 .
  8. ↑ Análisis de unión de ligandos y cribado por cambio de desnaturalización química  // Bioquímica  analítica : diario. - 2013. - diciembre ( vol. 443 , n. 1 ). - Pág. 52-7 . -doi : 10.1016/ j.ab.2013.08.015 . — PMID 23994566 .
  9. ↑ Calorimetría diferencial de barrido: una herramienta invaluable para una caracterización termodinámica detallada de macromoléculas y sus interacciones  //  Journal of Pharmacy & Bioallied Sciences : diario. - 2011. - Enero ( vol. 3 , no. 1 ). - P. 39-59 . -doi : 10.4103/ 0975-7406.76463 . —PMID 21430954 .
  10. ↑ Capítulo 8, Tabla VIII.6 // Física macromolecular. - 1980. - T. 3.
  11. ↑ Una guía práctica para el análisis instrumental. - Boca Ratón, 1995. - S. 181-191.

Lecturas adicionales

Enlaces externos