CN101915774B - 使用差示扫描量热仪测定有机物熔点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用差示扫描量热仪测试有机物熔点的方法，包括如下步骤：先选定两种或几种标准物质，对差示扫描量热仪进行温度校准和热阻修正；然后将待测有机物样品装入玻璃毛细管中，并将盛有样品的毛细管放入差示扫描量热仪的坩埚内进行测定；热流-温度曲线的峰温度即为样品的全熔点，其结果与毛细管熔点仪测得的结果一致。拓宽了差示扫描量热法在全熔点测量中的应用。该方法将具有快速、准确、自动化程度高的优点，并且不需要对现有仪器进行改造。

Description

使用差示扫描量热仪测定有机物熔点的方法

技术领域

本发明涉及仪器分析领域，更具体地说是涉及一种有机物熔点的测定方法，即采用差示扫描量热仪测定有机物熔点的方法。

背景技术

物质的熔点是指物质由固态转变为液态时的温度。物质的全熔点是指物质在一定的升温速率下，由固态完全转变为液态时的温度。物质的热力学熔点是指物质在热力学平衡条件下，由固态完全转变为液态时的温度。熔点的作用在于：其一，定性鉴别有机化合物。由于不同的有机化合物熔点不同，因此熔点可以作为鉴别有机化合物的简便方法。其二，估计有机物纯度。含有一定杂质的有机物的熔点低于纯有机物，其熔点之差与杂质的含量成正比，因此，熔点可以作为有机物纯度的简便判定方法。所以，熔点是医药、化工和食品等行业的基本测试内容之一。

熔点的测定方法有多种。其中，热力学熔点可以用凝固点下降装置测定；全熔点可以通过毛细管熔点仪和热台式熔点仪测定，也可以通过差示扫描量热仪测定。

1、凝固点下降装置法

凝固点下降装置法能够测定有机物的热力学熔点。热力学熔点是一个理论值，无法直接测量得到，只能通过实际测量数据近似计算得到。凝固点下降装置法的原理是将一定量的有机物(1-50g)放置在真空杜瓦瓶中，或者是薄层绝热容器中，在不同的升温速率和降温速率下(0.2-1.0℃/min)测定样品的全熔点和凝固点，然后以外推到升降温速率为零时的全熔点(凝固点)作为热力学熔点。凝固点下降装置采用高精度标准铂电阻温度计直接测温，温度值能够溯源到国际温标上；通过外推到升降温速率为零测定热力学熔点，符合热力学熔点的定义。因此，凝固点下降装置法测定的热力学熔点具有很高的精度，其不确定度通常为0.05-0.10℃。因此，凝固点下降装置通常用于熔点标准物质研制，服务于商品化仪器的检定和校准。

凝固点下降装置的主要缺点在于：通常为自行研制设备，缺乏商品化仪器；仪器结构复杂，技术难度大，设备造价高，应用范围窄；用样量大，测量周期长；不能测定升温速率较大时的全熔点。

2、毛细管熔点法

毛细管法是最常用的有机物全熔点测量方法。毛细管熔点法的原理是将微量有机物样品放置于玻璃毛细管中，并将毛细管置于液体或固体加热介质中，通过加热使体系以固定的速率升温，在样品完全熔化的时刻测量介质温度作为有机物的全熔点。全熔点量值一般高于热力学熔点，并且随升温速率的增大而增大。毛细管熔点法通常采用工业铂电阻温度计或热电偶测温；由于固定的温度计难于拆卸，通常采用熔点标准物质对熔点仪进行检定校准，测量不确定度通常为0.5-1.0℃。毛细管熔点法的特点在于：仪器结构简单，成本低廉，商品化仪器发展成热；测量用样量小，测量快速；精度较好，能够满足一般应用要求。因此毛细管法成为应用最为广泛的熔点测定方法，并为《中国药典》采用，并有相应的国家标准以及计量检定规程。毛细管法多年来的应用实践，形成了一套庞大的有机物熔点数据库。其他方法测定的熔点数据只有与该数据库等效一致，才能获得更广泛的认可和应用。

毛细管法的缺点在于：测量精度低；重复性差；受热相变或分解的样品，熔点判定困难；样品处理过程繁琐。

3、热台熔点法

热台熔点法，又称显微熔点法，与毛细管熔点法类似，均用于测定有机物的全熔点。热台熔点法的原理是将少量有机物样品放置在两片玻璃板之间，并置于显微镜下观察，通过加热使体系以固定的速率升温，在样品完全熔化的时刻测量介质温度作为有机物的全熔点。热台熔点仪也采用熔点标准物质对熔点仪进行检定校准，测量不确定度通常为0.5-1.0℃。热台熔点仪比毛细管熔点仪结构复杂，因此应用范围较窄。

4、差示扫描量热法

差示扫描量热仪是一种记录样品在程序温度下吸收或放出热量信号的新型仪器，广泛用于测量转变温度、热焓、比热、有机物纯度等量值。仪器原理有热流型和补偿型两种。热流型仪器将样品和参比在同一个体系中加热，样品吸收或放出热量会导致样品温度不同于参比温度，通过测定样品和参比的温差计算可得到热量的大小。补偿型仪器采用两个构造完全相同的炉体分别加热样品和参比，当样品温度发生变化时，通过补偿加热样品使样品温度趋同于参比温度，因此可通过补偿热量的大小计算得到样品吸收或放出热量的大小。

差示扫描量热仪常用于测量有机物的熔点：将样品放置于坩埚中，通过固定升温速率加热使得样品完全熔化，以热流-温度曲线的起始温度或者峰温度作为有机物的熔点。这样得到的有机物熔点往往低于毛细管熔点，其差值从0.5℃到1.5℃不等，因此测定的熔点数据无法与现存的毛细管熔点数据库达成等效一致，因此差示扫描量热法测定熔点仅限于研究用，实际应用很少。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种操作简便，快速，结果准确的使用差示扫描量热仪测定有机物熔点的方法。包括如下步骤：

1.1.选定两种或多种标准物质，所述的标准物质中熔点最低的应低于待测样品的熔点，熔点最高的应高于待测样品的熔点；

1.2.用选定的标准物质校准差示扫描量热仪的温度值；然后用选定的标准物质测量仪器的热阻常数；

1.3.将待测样品充分研磨，并放入干燥器中干燥过夜；干燥后的样品封装于玻璃毛细管中；将封有样品的玻璃毛细管一端取下，置入差示扫描量热仪的坩埚中进行测定；

1.4.将测定得到的热流温度曲线的峰值温度进行热阻修正，得到有机物的全熔点。

所述步骤1.1中的标准物质，包括镓，铟，锡和铅，其熔点分别为29.78℃，156.61℃，231.88℃和327.50℃。

所述步骤1.2中仪器校准的方法，可以按照仪器操作软件的规定进行操作，也可以自行校准，即直接测量标准物质的熔点，根据测量值和标准值计算温度修正值，以此对待测样品温度测量值进行温度修正。校准时采用恒定升温速率加热，升温速率应与测量样品时一致。样品用样量约为1.5mg；采用铝制坩埚作为样品坩埚。

所述步骤1.2中仪器热阻常数的测量方法是采用恒定升温速率加热至样品完全熔化，在热流-温度曲线斜率最大处，计算其斜率，斜率的倒数即为仪器的热阻常数，单位是℃/mw。热阻效应可以用如下公式表达：

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{R_0}=\frac{T_p-T_s}{R_0}---\left(1\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dT}}\left(\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}\right)=\frac{d}{\mathrm{dT}}\left(\frac{T_p-T_s}{R_0}\right)=\frac{d}{\mathrm{Bdt}}\left(\frac{T_p-T_s}{R_0}\right)=\frac{1}{{\mathrm{BR}}_0}\·(\frac{{\mathrm{dT}}_p}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{dT}}_s}{\mathrm{dt}})---\left(2\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dT}}\left(\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}\right)=\frac{1}{B{R}_0}\·\frac{{\mathrm{dT}}_p}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{R_0}---\left(3\right)$

公式(1)中，Q是热量，单位为焦耳(J)；t是时间，单位为秒(s)；dQ/dt是热流，单位为J/s，即瓦(w)；ΔT是炉体温度(T_p)与样品实际温度(T_s)之差，单位是℃；R₀是炉体与样品间的热阻，单位是℃/mw。公式(1)说明，流入样品的热流，与炉体与样品的温差成正比，与炉体与样品间的热阻成反比。由于热阻的存在，炉体温度(即测量温度)与样品实际温度有差别，因此必需进行热阻修正才能得到真实的样品温度。

公式(2)中B是升温速率，单位是℃/s。公式(2)表达了热流-温度曲线的导数的计算方法。当测量纯金属样品时，由于金属在熔化过程中温度保持不变，即dT_s/dt为零，由公式(2)可以推导出公式(3)，即热阻常数的计算方法。该公式表明，在测量纯金属时，热流-温度曲线的导数等于热阻常数的倒数。通常，计算时取导数最大，即曲线斜率最大时的值来计算热阻常数。

所述步骤1.3中采用玛瑙研钵研磨样品；采用盛有五氧化二磷的干燥器干燥样品；采用外径为0.100cm，长度为10cm的玻璃毛细管封装样品；玻璃毛细管的一段用酒精灯加热封口；样品封装长度为0.30cm；取下的玻璃毛细管长度约为0.6cm；采用铝制坩埚作为样品坩埚和参比坩埚，样品坩埚和参比坩埚的质量差小于0.2mg。

所述步骤1.3中从低于样品熔点的温度开始加热，使样品以恒定升温速率升温直至完全熔化，升温速率与热阻常数测量时一致。以升温速率为1℃/min为例，从低于样品熔点5℃处开始加热，升温速率为1℃/min，升温速率控制精度为10％。测量的升温速率范围从0.2℃/min至1.0℃/min。

所述步骤1.3中的保护气体为氮气，流速为20ml/min。

所述步骤1.4中的热流-温度曲线为差示扫描量热仪记录的横坐标为温度，纵坐标为热流的连续数据。峰温度是指热流信号在吸热方向上达到最大值(顶点)时，横坐标所示的温度值。

所述步骤1.4中的热阻修正是根据公式(1)对测量温度(T_p)进行修正，得到实际温度(T_s)的过程。具体是指经过热流-温度曲线的顶点，做一条斜率等于热阻常数倒数的直线，该直线与热流-温度曲线基线的交点即为修正后的温度值。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果。

本发明对差示扫描量热仪的样品填装方法和温度修正进行改进，使得全熔点能够准确测量，其结果能够与现有毛细管法数据达成一致，拓宽了差示扫描量热法在全熔点测量中的应用。该方法将具有快速、准确、自动化程度高的优点，并且不需要对现有仪器进行改造。

附图说明

图1是仪器及样品结构示意图。

图2是测量咪唑的热流-温度曲线。

图3是测量非那西丁的热流-温度曲线。

图4是测量咔唑的热流-温度曲线。

其中，1为样品支持器；2为样品坩埚；3为玻璃毛细管；4为样品；5为参比样品支持器；6为参比坩埚；7为炉体；

图2和图3、图4中的虚线是直接进样的样品，实线是装于玻璃毛细管的样品。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施例进行描述。

请参阅图1所示，是仪器及样品结构示意图，其中1为样品支持器；2为样品坩埚；3为玻璃毛细管；4为样品；5为参比样品支持器；6为参比坩埚；7为炉体。

一、首先进行仪器的校准

按照步骤1.1和1.2所述的方法，分别校准仪器的温度信号以及测量仪器热阻常数。选用的校准用标准物质或标准样品，可以是镓、铟、锡和铅，熔点分别为29.78℃，156.61℃，231.88℃和327.50℃；如果是标准物质，应采用标准物质证书值。按照仪器的操作说明，以固定升温速率加热标样或标准物质直到完全熔化；以熔化峰的起始温度，即Onset温度作为样品的熔点。通过比较熔点测量值和实际值，自动或手动对差示扫描量热仪进行温度校准。校准至少选用两种标样或标准物质，使得被测样品的熔点在标样熔点范围之内。另外，校准时采用的升温速率，应与测量实际样品时的一致。校准后，再次测量标样或标准物质，要求熔点的示值误差小于0.2℃。例如，实验中选用镓、铟、锡和铅校准后，再次测量三种标样的熔点分别为29.91℃，156.53℃，232.00℃和327.41℃。

热阻常数的测定一般选用性能稳定的铟标准物质。按照仪器的操作说明，以固定升温速率加热标样或标准物质直到完全熔化。然后如公式(3)所述，取热流-温度曲线上斜率最大的一点，以其斜率的倒数作为热阻常数(R₀)。例如，实验中测量5次铟标样，得到5次热阻常数平均值为30.5℃/mw。

二、进行样品的处理

如步骤1.3中所述，将待测样品充分研磨后在盛有五氧化二磷的干燥器中干燥过夜；取少量样品装入玻璃毛细管中，采用自由落体的方法反复坠落，使样品密实的集中于玻璃毛细管封口端，长度约为0.3cm。截下包含样品的玻璃毛细管一端，长度约为0.6cm，平行于坩埚底放于铝制坩埚中。毛细管上覆盖铝制坩埚盖。

实施例1

以咪唑为例说明差示扫描量热仪测量有机物全熔点的方法。取上述干燥处理的咪唑样品1mg，封装于玻璃毛细管中后再置入铝坩埚中进行测量。参比采用质量相同的铝坩埚。升温速率为1℃/min。如图2所示，实线代表封装于毛细管中的样品热流-温度曲线，虚线代表未封装直接进样的样品热流-温度曲线。当样品完全熔化的瞬间，样品吸热的热流达到最大，因此峰温度对应于样品的全熔点。由于样品和坩埚之间存在热阻，因此实测值(峰温度)高于样品实际熔点。因此，从峰顶点做一条斜率等于热阻常数倒数的直线，与熔化峰的基线相交，交点就是热阻修正后的咪唑的全熔点。实验表明，在这种进样方式下咪唑的全熔点实测值为90.35℃，修正值为90.24℃，与毛细管法熔点(90.34℃，1℃/min)相差0.10℃。作为对比，采用直接进样的方法，DSC熔点比毛细管熔点低1.10℃。结果表明，基于玻璃毛细管进样的DSC全熔点与毛细管法结果偏差仅有0.10℃，采用该法测量咪唑全熔点能够获得与毛细管法等效一致的结果，有利于实验数据的互认。

实施例2

以非那西丁为例说明差示扫描量热仪测量有机物全熔点的方法。取上述干燥处理的非那西丁样品1mg，封装于玻璃毛细管中后再置入铝坩埚中进行测量。参比采用质量相同的铝坩埚。升温速率为1℃/min。如图3所示，实线代表封装于毛细管中的样品热流-温度曲线，虚线代表未封装直接进样的样品热流-温度曲线。当样品完全熔化的瞬间，样品吸热的热流达到最大，因此峰温度对应于样品的全熔点。由于样品和坩埚之间存在热阻，因此实测值(峰温度)高于样品实际熔点。因此，从峰顶点做一条斜率等于热阻常数倒数的直线，与熔化峰的基线相交，交点就是热阻修正后的非那西丁的全熔点。实验表明，在这种进样方式下非那西丁的全熔点实测值为135.41℃，修正值为135.31℃，与毛细管法熔点(135.52℃，1℃/min)相差0.21℃。作为对比，采用直接进样的方法，DSC熔点比毛细管熔点低1.17℃。结果表明，基于玻璃毛细管进样的DSC全熔点与毛细管法结果偏差仅有0.21℃，采用该法测量非那西丁全熔点能够获得与毛细管法等效一致的结果，有利于实验数据的互认。

实施例3

以咔唑为例说明差示扫描量热仪测量有机物全熔点的方法。取上述干燥处理的咔唑样品1mg，封装于玻璃毛细管中后再置入铝坩埚中进行测量。参比采用质量相同的铝坩埚。升温速率为1℃/min。如图4所示，实线代表封装于毛细管中的样品热流-温度曲线，虚线代表未封装直接进样的样品热流-温度曲线。当样品完全熔化的瞬间，样品吸热的热流达到最大，因此峰温度对应于样品的全熔点。由于样品和坩埚之间存在热阻，因此实测值(峰温度)高于样品实际熔点。因此，从峰顶点做一条斜率等于热阻常数倒数的直线，与熔化峰的基线相交，交点就是热阻修正后的咔唑的全熔点。实验表明，在这种进样方式下咔唑的全熔点实测值为245.20℃，修正值为245.16℃，与毛细管法熔点(245.02℃，1℃/min)相差0.14℃。作为对比，采用直接进样的方法，DSC熔点比毛细管熔点低1.02℃。结果表明，基于玻璃毛细管进样的DSC全熔点与毛细管法结果偏差仅有0.10℃，采用该法测量咔唑全熔点能够获得与毛细管法等效一致的结果，有利于实验数据的互认。

数据表格

Claims (1)

1.一种使用差示扫描量热仪测定有机物熔点的方法，其特征在于包括以下步骤：

1.1.选定至少两种标准物质，所述的标准物质中熔点最低的应低于待测样品的熔点，熔点最高的应高于待测样品的熔点；

1.2.用选定的标准物质校准差示扫描量热仪的温度值；然后用选定的标准物质测量仪器的热阻常数；

1.3.将待测样品充分研磨，并放入干燥器中干燥过夜；干燥后的样品封装于玻璃毛细管中；将封有样品的玻璃毛细管一端取下，置入差示扫描量热仪的坩埚中进行测定；

1.4.将测定得到的咪唑、非那西丁和咔唑熔点热流温度曲线的峰值温度进行热阻修正，得到有机物的全熔点；其中：

所述步骤1.1中的标准物质，包括镓，铟，锡和铅；其中，镓的熔点为29.78℃，铟的熔点为156.61℃，锡的熔点231.88℃，铅的熔点为327.50℃；

所述步骤1.2中仪器校准的方法，可以按照仪器操作软件的规定进行操作，也可以直接测量标准物质的熔点，根据测量值和标准值计算温度修正值；校准时采用恒定升温速率加热，升温速率应与测量样品时一致；样品用样量为1.5mg；采用铝制坩埚作为坩埚；

所述步骤1.3中采用玛瑙研钵研磨样品；采用盛有五氧化二磷的干燥器干燥样品；采用铝制坩埚作为样品坩埚和参比坩埚，样品坩埚和参比坩埚的质量差小于0.2mg；从低于样品熔点的温度开始加热，使样品以恒定升温速率升温直至完全熔化，升温速率与热阻常数测量时一致；保护气体为氮气，流速为20ml/min；

所述步骤1.4中的热流-温度曲线差示扫描量热仪记录的横坐标为温度，纵坐标为热流的连续数据；峰温度是指热流信号在吸热方向上达到最大值时，横坐标所示的温度值。

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