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 aumentar la temperatura de una muestra y la referencia se mide como función de la temperatura. Tanto la muestra como la referencia se mantienen casi a la misma temperatura durante todo el experimento. Generalmente, el programa de temperatura para un análisis DSC está diseñado de tal manera que la temperatura del portamuestras aumenta linealmente en función del tiempo. La muestra de referencia debe tener una capacidad calorífica bien definida en el rango de temperaturas a escanear.

La técnica fue desarrollada por E. S. Watson y M. J. O'Neill en 1962 y se presentó comercialmente en la Conferencia de Pittsburgh de 1963 sobre química analítica y espectroscopia aplicada. 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. El término DSC se acuñó para describir este instrumento, que mide la energía directamente y permite mediciones precisas de la capacidad calorífica.

Tipos de DSC

Hay dos tipos principales de DSC: DSC de flujo de calor que mide la diferencia en el flujo de calor entre la muestra y una referencia (lo que le da el nombre alternativo DSC multicelular) y Diferencial de potencia DSC que mide la diferencia de potencia suministrada a la muestra y una referencia.

DSC de flujo de calor

Con Heat-flux DSC, los cambios en el flujo de calor se calculan integrando la curva ΔT_ref-. Para este tipo de experimento, una muestra y un crisol de referencia se colocan en un portamuestras con sensores de temperatura integrados para medir la temperatura de los crisoles. Este arreglo está ubicado en un horno de temperatura controlada. Al contrario de este diseño clásico, el atributo distintivo del DSC de flujo de calor es la configuración vertical de los sensores de temperatura planos que rodean un calentador plano. Este arreglo permite una estructura muy compacta, liviana y de baja capacitancia de calor con la funcionalidad completa de un horno DSC.

Diferencial de potencia DSC

Para este tipo de configuración, también conocida como DSC de compensación de potencia, la muestra y el crisol de referencia se colocan en hornos con aislamiento térmico y no uno al lado del otro en el mismo horno como en el caso de flujo de calor. Experimentos DSC. Luego se controla la temperatura de ambas cámaras para que siempre esté presente la misma temperatura en ambos lados. A continuación, se registra la potencia eléctrica necesaria para obtener y mantener este estado en lugar de la diferencia de temperatura entre los dos crisoles.

DSC de escaneo rápido

La década de 2000 ha sido testigo del rápido desarrollo de Fast-scan DSC (FSC), una técnica calorimétrica novedosa que emplea sensores micromecanizados. Los avances clave de esta técnica son la tasa de escaneo ultra alta, que puede llegar a 106 K/s, y la sensibilidad ultra alta, con una resolución de capacidad térmica típicamente mejor que 1 nJ/K. La nanocalorimetría ha atraído mucha atención en la ciencia de los materiales, donde se aplica para realizar análisis cuantitativos de transiciones de fase rápidas, particularmente en enfriamiento rápido. Otra área emergente de aplicación de FSC es la química física, con un enfoque en las propiedades termofísicas de los compuestos térmicamente lábiles. Cantidades como la temperatura de fusión, la entalpía de fusión, las presiones de sublimación y vaporización y las entalpías de tales moléculas estuvieron disponibles.

DSC modulado por temperatura

Al realizar DSC modulado por temperatura, la tasa de calentamiento lineal subyacente se superpone a una variación de temperatura sinusoidal. El beneficio de este procedimiento es la capacidad de separar los efectos DSC superpuestos mediante el cálculo de las señales de inversión y de no inversión. El flujo de calor reversible está relacionado con los cambios en la capacidad calorífica específica (→ transición vítrea), mientras que el flujo de calor no reversible corresponde a fenómenos dependientes del tiempo, como el curado, la deshidratación y la relajación.

Detección de transiciones de fase

El principio básico que subyace a esta técnica es que cuando la muestra sufre una transformación física, como las transiciones de fase, será necesario que fluya más o menos calor que la referencia para mantener ambas a la misma temperatura. Que fluya menos o más calor a la muestra depende de si el proceso es exotérmico o endotérmico. Por ejemplo, a medida que una muestra sólida se derrite y se convierte en líquido, será necesario que fluya más calor hacia la muestra para aumentar su temperatura al mismo ritmo que la referencia. Esto se debe a la absorción de calor por parte de la muestra a medida que experimenta la transición de fase endotérmica de sólido a líquido. Asimismo, como la muestra se somete a procesos exotérmicos (como la cristalización), se requiere menos calor para elevar la temperatura de la muestra. Al observar la diferencia en el flujo de calor entre la muestra y la 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 transiciones vítreas. Es ampliamente utilizado en entornos industriales como instrumento de control de calidad debido a su aplicabilidad para evaluar la pureza de la muestra y para estudiar el curado de polímeros.

DTA

Una técnica alternativa, que comparte mucho en común con DSC, es el análisis térmico diferencial (DTA). En esta técnica, es el flujo de calor hacia la muestra y la referencia lo que permanece igual en lugar de la temperatura. Cuando la muestra y la referencia se calientan de forma idéntica, los cambios de fase y otros procesos térmicos provocan una diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia. Tanto DSC como DTA proporcionan información similar. DSC mide la energía necesaria para mantener tanto la referencia como la muestra a la misma temperatura, mientras que DTA mide la diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia cuando se ha introducido la misma cantidad de energía en ambas.

Curvas DSC

Top: Una curva de DSC esquemática de la cantidad de entrada de energía (y) necesaria para mantener cada temperatura (x), escaneada a través de una gama de temperaturas. Tema: Curvas normalizadas que establecen la capacidad de calor inicial como referencia. Base de referencia de amortiguación (degradado) y varianza de amortiguación de proteínas (sólido).

Curvas DSC normalizadas utilizando la base de referencia (izquierda), y fracciones de cada estado conformacional (y) existentes a cada temperatura (derecha), para proteínas de dos estados (top) y tres estados (abajo). Tenga en cuenta que el minúsculo se expande en el pico de la curva DSC de la proteína de tres estados, que puede o no parecer estadísticamente significativo a simple vista.

El resultado de un experimento DSC es una curva de flujo de calor en función de la temperatura o en función del tiempo. Hay dos convenciones diferentes: reacciones exotérmicas en la muestra que se muestran con un pico positivo o negativo, según el tipo de tecnología utilizada en el experimento. Esta curva se puede utilizar para calcular las entalpías de las transiciones. Esto se hace integrando el pico correspondiente a una transición dada. Se puede demostrar que la entalpía de transición se puede expresar usando la siguiente ecuación:

Δ Δ H=KA{displaystyle Delta H=KA}

Donde Δ Δ H{displaystyle Delta H} es el enthalpy de la transición, K{displaystyle K} es la constante calorías, y A{displaystyle A} es el área bajo la curva. La constante calimétrica variará de instrumento a instrumento, y puede determinarse analizando una muestra bien caracterizada con conocidas enthalpies de transición.

Aplicaciones

La calorimetría diferencial de barrido se puede utilizar para medir una serie de propiedades características de una muestra. Con esta técnica es posible observar eventos de fusión y cristalización, así como temperaturas de transición vítrea T_g. DSC también se puede utilizar para estudiar la oxidación, así como otras reacciones químicas.

Pueden ocurrir transiciones vítreas a medida que aumenta la temperatura de un sólido amorfo. Estas transiciones aparecen como un paso en la línea base de la señal DSC registrada. Esto se debe a que la muestra experimenta un cambio en la capacidad calorífica; no se produce ningún cambio de fase formal.

A medida que aumenta la temperatura, un 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 temperatura de cristalización (T_c). Esta transición de sólido amorfo a 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 temperatura de fusión (T_m). El proceso de fusión da como resultado un pico endotérmico en la curva DSC. La capacidad de determinar las temperaturas de transición y las entalpías hace que DSC sea una herramienta valiosa para producir diagramas de fase para varios sistemas químicos.

La calorimetría diferencial de barrido también se puede utilizar para obtener valiosa información termodinámica sobre las proteínas. El análisis termodinámico de las proteínas puede revelar información importante sobre la estructura global de las proteínas y la interacción proteína/ligando. Por ejemplo, muchas mutaciones reducen la estabilidad de las proteínas, mientras que la unión de ligandos suele aumentar la estabilidad de las proteínas. Usando DSC, esta estabilidad se puede medir obteniendo valores de energía libre de Gibbs a cualquier temperatura dada. Esto permite a los investigadores comparar la energía libre del despliegue entre la proteína libre de ligando y el complejo proteína-ligando, o las proteínas mutantes y de tipo salvaje. DSC también se puede utilizar para estudiar interacciones proteína/lípido, nucleótidos, interacciones fármaco-lípido. Al estudiar la desnaturalización de proteínas mediante DSC, la fusión térmica debe ser al menos hasta cierto punto reversible, ya que los cálculos termodinámicos se basan en el equilibrio químico.

Ejemplos

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

Polímeros

Transiciones térmicas en (A) amorfo y (B) polímeros semicristalinos. A medida que aumenta la temperatura, los polímeros amorfos y semicristalinos pasan por la transición del vidrio (T_g). Polímeros amorfos (A) no exhiban otras transiciones de fase. Sin embargo, polímeros semicristalinos (B) experimenta cristalización y derretimiento (a temperaturas T_c y T_m, respectivamente).

DSC se usa ampliamente para examinar materiales poliméricos para determinar sus transiciones térmicas. Las transiciones térmicas importantes incluyen la temperatura de transición vítrea (T_g), la temperatura de cristalización (T_c) y la temperatura de fusión. temperatura (T_m). Las transiciones térmicas observadas se pueden utilizar para comparar materiales, aunque las transiciones por sí solas no identifican de forma única la composición. La composición de materiales desconocidos puede completarse utilizando técnicas complementarias como la espectroscopia IR. Los puntos de fusión y las temperaturas de transición vítrea para la mayoría de los polímeros están disponibles en compilaciones estándar, y el método puede mostrar la degradación del polímero mediante la reducción de la temperatura de fusión esperada. T_m depende del peso molecular del polímero y del historial térmico.

El porcentaje de contenido cristalino de un polímero se puede estimar a partir de los picos de cristalización/fusión del gráfico DSC utilizando los calores de fusión de referencia que se encuentran en la literatura. DSC también se puede utilizar para estudiar la degradación térmica de los polímeros utilizando un enfoque como la temperatura/tiempo de inicio oxidativo (OOT); sin embargo, el usuario corre el riesgo de contaminar la celda DSC, lo que puede ser problemático. El análisis termogravimétrico (TGA) puede ser más útil para determinar el comportamiento de descomposición. Las impurezas en los polímeros se pueden determinar examinando termogramas en busca de picos anómalos, y los plastificantes se pueden detectar en sus puntos de ebullición característicos. Además, el examen de eventos menores en los datos del análisis térmico del primer calor puede ser útil ya que estos aparentemente "picos anómalos" de hecho, también puede ser representativo del proceso o del historial térmico de almacenamiento del envejecimiento físico del material o polímero. La comparación de los datos de calor primero y segundo recopilados a velocidades de calentamiento constantes puede permitir que el analista aprenda sobre el historial de procesamiento de polímeros y las propiedades del material.

Cristales líquidos

DSC se utiliza en el estudio de cristales líquidos. A medida que algunas formas de materia pasan de sólido a líquido, pasan por un tercer estado, que muestra propiedades de ambas fases. Este líquido anisotrópico se conoce como estado líquido cristalino o mesomorfo. Usando DSC, es posible observar los pequeños cambios de energía que ocurren cuando la materia pasa de un sólido a un cristal líquido y de un cristal líquido a un líquido isotrópico.

Estabilidad oxidativa

El uso de la calorimetría diferencial de barrido para estudiar la estabilidad a la oxidación de las muestras generalmente requiere una cámara de muestra hermética. Se puede utilizar para determinar el tiempo de inducción oxidativa (OIT) de una muestra. Estas pruebas generalmente se realizan de forma isotérmica (a temperatura constante) cambiando la atmósfera de la muestra. Primero, la muestra se lleva a la temperatura de prueba deseada bajo una atmósfera inerte, generalmente nitrógeno. Luego se agrega oxígeno al sistema. Cualquier oxidación que ocurra se observa como una desviación en la línea de base. Dicho análisis se puede utilizar para determinar la estabilidad y las condiciones óptimas de almacenamiento de un material o compuesto. El equipo DSC también se puede utilizar para determinar la temperatura de inicio oxidativo (OOT) de un material. En esta prueba, una muestra (y una referencia) se exponen a una atmósfera de oxígeno y se someten a una velocidad constante de calentamiento (normalmente de 50 a 300 °C). La curva de flujo de calor DSC se desviará cuando comience la reacción con el oxígeno (siendo la reacción exotérmica o endotérmica). Las pruebas OIT y OOT se utilizan como herramientas para determinar la actividad de los antioxidantes.

Control de seguridad

DSC es una herramienta de evaluación de seguridad inicial razonable. En este modo, la muestra se alojará en un crisol no reactivo (a menudo de oro o de acero chapado en oro) y que podrá soportar la presión (normalmente hasta 100 bar). La presencia de un evento exotérmico se puede utilizar para evaluar la estabilidad de una sustancia al calor. Sin embargo, debido a una combinación de sensibilidad relativamente baja, velocidades de exploración más lentas que las normales (típicamente 2–3 °C/min, debido a un crisol mucho más pesado) y energía de activación desconocida, es necesario deducir alrededor de 75–100 °C del inicio inicial de la exotermia observada para sugerir una temperatura máxima para el material. Se puede obtener un conjunto de datos mucho más preciso con un calorímetro adiabático, pero dicha prueba puede llevar de 2 a 3 días a temperatura ambiente a una velocidad de incremento de 3 °C por media hora.

Análisis de drogas

La DSC se usa ampliamente 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 en el proceso de curado es exotérmica, lo que da como resultado un pico negativo en la curva DSC que suele aparecer poco después de la transición vítrea.

En la industria farmacéutica es necesario contar con compuestos farmacológicos bien caracterizados para poder definir parámetros de procesamiento. Por ejemplo, si es necesario suministrar un fármaco en forma amorfa, es deseable procesar el fármaco a temperaturas inferiores a aquellas a las que puede producirse la cristalización.

Análisis químicos generales

La depresión del punto de congelación se puede utilizar como una herramienta de análisis de pureza cuando se analiza mediante calorimetría diferencial de barrido. Esto es posible porque el rango de temperatura en el que se funde una mezcla de compuestos depende de sus cantidades relativas. En consecuencia, los compuestos menos puros exhibirán un pico de fusión más amplio que comienza a una temperatura más baja que un compuesto puro.