化合物纯度测定 差示扫描量热(DSC)法

《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（DSC Differential Scanning Calorimetry）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（Power Compensation）和热流式（Heat Flux）两种。

与其它测定纯度的方法相比，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技术测定物质纯度的标准，为DSC技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。

DSC法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《邻苯二甲酸酐的差示扫描量热法（DSC）纯度测定》的制订。

本标准的制订参考了ASTM E 928-01《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、重现性及再现性数据。

3. 原理
用DSC测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，
峰高度下降，熔程加宽。

根据Van’t Hoff 方程，样品熔点(T m )与纯品的熔点(T 0)差为： 式中：∆H ：纯样品的摩尔熔融焓；X ：杂质的摩尔分数；T ：热力学温度，K ；R ：气体常数，8.314J/mol ∙K 。

为得到T 0与ΔH 引入熔融过程中任意样品温度（T S ）下熔融分数F （F=(T 0-T m )/(T 0-T S )）概念，将Van’t Hoff 方程代入F ，得到下式：
T s —1/F 图应为一直线，外推可求出1/F=0时纯样品熔点T 0，从直线斜率可求出X 。

实际T s 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 x 到各部分面积A n 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T s 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 曲线不同熔解温度对应的热焓值，以T s 对1/F 作图，求出几个T s 时的熔融分数，便可以计算出杂质含量。

4. 方法提要
在密封坩埚内准确称取样品，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，用冲压模将坩埚密封，放入量热池内进行实验；实验前要按规定用金属铟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。

获取试验样品的DSC 谱线，在符合条件的DSC 谱线上选取20等份温度的热焓面积进行处理，一般符合条件的区域为熔融过程10%-50%，在这一区域内，DSC 谱线符合纯度测定模型要求（Van’t Hoff 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，如样品坩埚条件、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。

H
X
RT T T m ∆=
-200F
H
X RT T T s 1200∙
∆-
=
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（ISOTHERMAL），消除样品的处理历史。

5.2 坩埚的选择及预处理
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，一般铝质坩埚能满足要求；由于纯度测定升温速率较慢，使用常用的半密封坩埚会造成熔融或半熔融状态下样品的挥发，因此必须使用密封坩埚，这对测定易挥发性样品（如精萘）尤其重要。

对高精度测定，使用前坩埚必须经加热预处理。

5.3 保护气流速影响
量热池内通入N2、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 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 C/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。

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
5.6 模型（软件）参数设定
模型参数主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焓变化增量与温度变化成正比关系。

在符合条件的DSC曲线上选取20等份温度的热焓面积进行处理，一般符合条件的区域为熔融过程10%-50%，在这一区域内，DSC曲线符合纯度测定模型要求（Van’t Hoff方程）。

具体过程如下：
①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
②将熔融峰面积ABCD自基线向熔融曲线作垂线(DE),将熔融峰至少划分为10份;
③确定分部F处的温度T F, T F为分部F的熔融温度,F由式(1)给出:
ABCA ADEA
F
(1)
式中,F: 分部比; ADEA:分部面积; ABCA:熔融峰总面积; ④ 分部F 的熔融温度T F 按照下面方法计算:
• 在与试样相同的试验条件下对铟进行试验,得到图4所示熔融峰; • 作图得到铟熔融峰前缘线的斜率l;
• 在试样熔融分部ADEA 的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ADEA 对应的熔融温度,通过这一方法,由系统误差引起的温度漂移对纯度计算的结果影响不大;
图4. 金属铟前伸斜率示意图
⑤ 将分部比的倒数(1/F)为X 轴,此分部对应的熔融温度为Y 轴作图,见图5;
图5. 纯度分析模型回归校准示意图
⑥ 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ABCA 、ADEA 加上面积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;
x ADEA x ABCA F ++=
1 (2)
⑦ 计算经校正的1/F-T 直线的斜率与截距(T 0),并由式(3)得到TF:
0F 1T T F +⨯
=斜率 (3)
⑧ 由式(4)计算得到试样中杂质的摩尔分数:
02)(RT H X f
∆⨯
-=斜率 (4)
式中, X2:杂质摩尔分数; R: 气体常数,8.314510 J/molK; f
H ∆:熔融焓,J/mol;
T :
纯试样的熔点,K;
6. 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%时，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%。

7.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、通过其它分析测试手段或数据处理方式证明样品条件满足Van' Hoff 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。

8. DSC 方法测定纯度与经典方法比较
实验样品为邻苯二甲酸酐（C 8H 4O 3），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：0.7︒C/min ；起始平衡温度：122.00︒C ； 终止温度：136.00︒C ； 氮气流速：25～30ml/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等份温度（横坐标）的热焓面积进行处理，一般符合条件的区域为熔融过程10%～50%，即F=0.1～0.5。

对同一邻苯二甲酸酐样本样品分别用容量滴定法和DSC 法测定7次，结果见表1。

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。

证明容量滴定法与DSC 法测定纯度的精密度无显著性差别。

当显著性水平α=0.05时，查t 值表(υ=12),t 1-α/2(υ) = t 0.975(12)= 2.179。

t = 1.468 < 2.179 = t 0.975(12), 证明DSC 方法与经典容量方法结果准确度无显著性差别。

9. DSC 方法的重复性与再现性试验 9.1 一致性水平试验方案
一致性水平试验参照GB/T6379.2-2004、ISO5725-2:1994进行设计，共5个实验室参与试验计划，分别为：1号，山东检验检疫局技术中心；2号，中国海洋大学化学化工学院；3号，上海检验检疫局化工材料检验中心；4号，TA 公司上海实验室；5号，兵器工业第五三研究所。

试验样品邻苯二甲酸酐纯度为3个水平，每个实验室在每个水平上进行7次测试，测试原始数据见表2。

表2 原始数据：邻苯二甲酸酐纯度
),()6,6(82.506.3212/1975.022
2
1υυα-==<=F F S S
9.2 一致性和离群值的检查
由于个别实验室或数据可能与其它实验室或其它数据明显不一致，从而影响到重复性与再现性估计，必须对这些数值进行检查，分别使用柯克伦检验与格拉布斯检验对数据进行检查。

不同实验室一致性水平试验结果在同一水平上的数据分布情况见图6、图7、图8，3
个水平的总体均值分别为761.99ˆ1=m
、125.99ˆ2=m 、742.98ˆ3=m 。

从图中可看出，同一水平上的数据分布均较为均匀，分别在总体均值的上下均衡分布，基本无总体偏离情况。

图6 样本1, 邻苯二甲酸酐纯度(761.99ˆ1=m
)
图7 样本2, 邻苯二甲酸酐纯度(125.99ˆ2=m
)
图8 样本3, 邻苯二甲酸酐纯度(742.98ˆ3=m
) ◆ 柯克伦(Cochran)检验
n=7,p=5,柯克伦检验5%临界值为0.392;1%临界值为0.476。

对水平1(761.99ˆ1=m )，实验室3的s 最大：
=
∑2
s 0.002410；柯克伦检验统计值=0.276
对水平2(125.99ˆ2=m )，实验室2的s 最大：
=
∑2
s
0.002249；柯克伦检验统计值=0.287 对水平3(
742.98ˆ3=m
)，实验室1的s 最大：
=
∑2
s
0.001402；柯克伦检验统计值=0.449
根据计算结果, 水平3存在单个歧离值,歧离值在数据分析中予以保留。

◆ 格拉布斯(Grubbs)检验
对单元平均值进行格拉布斯检验,表3给出相关统计参数。

根据计算结果,存在单个歧离值,歧离值在数据分析中予以保留。

表3 单元平均值的格拉布斯检验
9.3 重复性与再现性评价
通过对多个水平获得的数据，即可对重复性标准差与再现性标准差进行估计。

首先获得
试验样品一致性实验的单元平均值，再计算总平均值m ˆ及方差，包括重复性方差（r s ）、实
验室间方差（L s ）及再现性方差（R s ），计算中遇到的主要过程参数包括T 1、T 2、T 3、T 4、T 5，这些参数的定义详见GB/T6379.2-2004、ISO5725-2:1994。

表4邻苯二甲酸酐纯度的单元平均值
表5邻苯二甲酸酐纯度的标准差
表6 邻苯二甲酸酐纯度的R r s s ,计算的过程参数
表7 邻苯二甲酸酐纯度的rj j s m ,
和Rj s 值
测量方法精密度(以质量百分数表示)可引述如下: 重复性标准差(Repeatability): r s 0.021
s0.034
再现性标准差(Reproducibility):
R
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，所测邻苯二甲酸酐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。

10. 样品测试
用DSC法检验纯度，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%(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（℃）甘露醇（Mannitol）CH2(OH)(CHOH)4CH2OH 白色粉末状结晶165~168
联苯（Diphenyl）(C6H5)2白色鳞片状结晶69~71
硫脲(Thiourea) NH2CSNH2白色粉末状结晶180~182
苯甲酸（Benzoic Acid）C6H5COOH 白色鳞片状结晶~122
烟酸( Nicotinic Acid) C5H4NCOOH 白色针状结晶236~237
肌醇（Inositol）C6H6(OH)6白色粉末状结晶224~227
糠氯酸CHO(CCl)2COOH 白色粉末状结晶~127
水杨酸（Salicylic Acid）C6H4(OH)COOH 白色针状结晶~159
2,5-二甲氧基-4-氯苯胺C8H10O2NCl 灰色粉末状结晶117~120
对甲基苯甲酸（p-Anisic Acid）C6H4(CH3)COOH 白色粉末状结晶182~185
己二酸（Adipic Acid）COOH(CH2)4COOH 无色粉末状结晶~152
衣糠酸(Itaconic Acid) COOHC(CH2)2COOH 白色粉末状结晶162~164
11. 结论
本方法使用差示扫描热分析法（DSC）测定对化合物纯度进行了测定。

主要内容包括：分析影响纯度测定准确度的各种因素，找到了得到最佳测定结果的实验条件；在充分研究纯度计算模型基础上，归纳出纯度模型计算参数的设置原则；实验方法的有效性使用其它分析手段与数理统计方法进行验证。

本方法经过多个实验室参加的一致性水平试验，其精密度、重现性及再现性均较好。

实践证明，该方法精密度高、准确度好，同时操作简单、不需要标准品、试验周期短、通用性强；适合于化合物的纯度检验，有着广阔的使用前景与推广价值。