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。