CN110530925A - 一种施加电场作用的dsc热分析方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种施加电场作用的DSC热分析方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、在差示扫描量热仪的实验舱中将微电极坩埚和参比坩埚放在对应传感器上，微电极坩埚的电极引线与信号发生器接通，并设置好待输出的信号参数，放置被测试样品于微电极坩埚中的电极缝隙之间，盖上微电极坩埚盖并关闭实验舱；步骤2、在变温阶段测量被测试样品在电场作用下的DSC曲线，在复温阶段测量样品无电场作用下的DSC曲线；步骤3、结合电介质和热力学的相关理论，对DSC曲线进行分析并计算得到被测试样品的电场强度和变温至复温过程中的物相转化率。

Description

一种施加电场作用的DSC热分析方法

技术领域

本发明涉及热分析法领域，尤其是涉及一种施加电场作用的DSC热分析方法。

背景技术

生物电介质是电磁学和生物材料交叉学科领域的重要研究方向，对生物电介质的研究有助于加深人们对电磁学和生物材料之间相互作用的认识，有利于推动其更广泛的应用。目前生物材料低温保存技术面临的一个重要问题即如何避免生物材料在降温过程中遭受的低温损伤，导致其低温损伤的主要原因是生物组织中所含的水在冷冻过程中结晶产生冰晶，造成由细胞脱水引起的化学损伤或由细胞膜被冰晶刺破引起的物理损伤。因此，避免生物材料的低温损伤主要是抑制降温过程中生物组织内水的结晶。

目前，常见的生物材料低温保存方法主要有快速降温法，添加低温保护剂法，或两者相结合。然而，快速降温法仅适用于体积较小的生物材料的保存，当需要保存的生物材料体积较大，材料内部由于热传导的影响无法与材料表面达到一致的降温速率；而添加低温保护剂不仅操作复杂，且在材料复温后难以清除，此外，部分低温保护剂对生物材料有毒害作用，应用场景受限。

由于水分子是极性分子，在外施电磁场的作用下会产生偶极极化，该极化效应会干扰水分子簇的平衡，进而影响水分子的液-固相变特性。研究表明，外施条件合适的电磁场能够在一定程度上抑制生物组织中水分子的结晶，从而降低低温冷冻对生物材料的损伤程度。

现阶段对于生物材料低温冷冻的相关研究主要是通过显微观测来实现。显微观测的实验结果具有较为直观明了的特点，但仍存在以下三方面问题：一是观测样品需为薄片状，与实际应用中生物材料的实际状态不符；二是大部分的盐离子以及冰晶均为无色，这为更细致的显微观测增添了难度；三是显微观测的结果分析往往需要借助主观识别，没有统一的方法，不便于进行更加精微的定量计算以及深度机理分析。

传统测量和验证外施电场的方式对于生物材料的作用研究，往往只能通过对比冷冻后生物组织内水的冰晶形态的不同或复温后生物材料性状的不同来进一步分析，不便于实时记录。差示扫描量热法(DSC＝Differential Scanning Calorimetry)可以通过测量被测试样品升温、降温或恒温时进出样品和参比物的热流与温度之间的关系，其中，测量信号为被测试样品吸收或放出能量的变化，用毫瓦(mW)表示。此外，DSC还可用于检测吸热和放热效应、测定峰面积(转变焓和反应焓)、测定表征峰或其他效应的温度和测量比热容等。

差示扫描量热仪是基于DSC的原理而设计出应用于测量材料内部热转变相关的温度和热流关系的仪器，测量时，差示扫描量热仪会生成DSC曲线，通过DSC曲线可以精确记录生物材料在低温冷冻和复温情况下的热流变化，进而定量计算在一定温度条件下不同外施电场参数对材料的物相转化率的影响。在低温冷冻过程中，由生物组织中电解质溶液的电导引起的热效应会上移DSC基线，试样液-固相变瞬间会释放大量潜热导致试样液温度回升，使得DSC测量曲线出现不能被积分计算相变潜热的放热环。因此，在降温过程中，数据不能很客观的作为参考数据。若试样冷冻时液-固相变结晶方式不同，复温条件下对应固-液相变过程的相变潜热和相变点也会表现出差异。

考虑上述因素，本发明使用无外施电场的复温DSC数据评价外施电场作用效果，通过在坩埚中内嵌电极的方式，利用差示扫描量热仪同步监测有电场作用时生物材料冷冻及复温时的热流变化，结合电介质和热力学相关理论与模型，计算一定温度条件下外施电场对材料的物相转化率，对比不同的电场参数对生物材料中冰晶形成的不同影响，进一步探究不同外施电场参数对材料物相转化率的差异，为外施电场提高低温冷冻保存效率提供理论及试验依据，为实现大体积生物组织的低温保存奠定基础。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种施加电场作用的DSC热分析方法，其结合电介质和热力学的相关理论，通过差示扫描量热仪实时监测外施电场对于生物材料冷冻和复温时的热流变化并生成DSC曲线，计算不同的电场参数对材料物相转化率的影响差异，揭示电场对生物材料冷冻过程中冰晶形成与生长的作用机理，进而探寻最佳外施电场参数，有效抑制冰晶所造成的生物组织的损伤，提高低温保存效率。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现。

一种施加电场作用的DSC热分析方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在差示扫描量热仪的实验舱中放置微电极坩埚、参比坩埚和被测试样品，其中微电极坩埚用于对被测试样品施加电场；参比坩埚用于对被测试样品不施加电场作为参照；

步骤2、在计算机中预设测量温度，用于控制差示扫描量热仪内的温度变化，测量被测试样品在微电极坩埚的外施电场作用下和在参比坩埚无外施电场作用下的冷冻及复温时的DSC曲线；所述计算机与差示扫描量热仪相连，用于传输信号并记录实验结果；

步骤3、结合电介质和热力学的相关理论及分析方法，对DSC曲线进行分析得到被测试样品的电场强度和变温至复温过程中的物相转化率，用于分析不同电场参数对于被测试样品中冰晶形成的影响。

本发明还提供了一种所述的方法施加电场作用的DSC热分析方法在生物材料低温保存领域的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过在坩埚中内嵌电极的方式，利用差示扫描量热仪同步监测有电场作用时生物材料冷冻及复温时的热流变化并生成DSC曲线，结合电介质和热力学相关理论与模型，计算不同温度条件下外施电场对材料物相转化率的影响差异，对比不同电场参数对生物材料中冰晶形成的不同影响，为外施电场提高低温冷冻保存效率提供理论及试验依据；

(2)本项发明操作简单，计算结果精准，且具有可重复性，并对材料低温保存过程中冰晶的形成机理提供了新的研究分析方法。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明一个实施例的施加电场作用的DSC热分析方法流程图；

图2是根据本发明一个实施例在不同电场条件下纯水冷冻后复温的DSC曲线；

图3是根据本发明一个实施例在不同电场条件下生理盐水冷冻后复温的DSC曲线；

图4是本发明一个实施例得以实现的一种可施加电场的DSC电极系统示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的施加电场作用的DSC热分析方法流程图，一种施加电场作用的DSC热分析方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在差示扫描量热仪的实验舱中放置微电极坩埚、参比坩埚和被测试样品，其中微电极坩埚用于对被测试样品施加电场；参比坩埚用于对被测试样品不施加电场作为参照；

步骤2、在计算机中预设测量温度，用于控制差示扫描量热仪内的温度变化，测量被测试样品在微电极坩埚的外施电场作用下和在参比坩埚无外施电场作用下的冷冻及复温时的DSC曲线；所述计算机与差示扫描量热仪相连，用于传输信号并记录实验结果；

步骤3、结合电介质和热力学的相关理论及分析方法，对DSC曲线进行分析得到被测试样品的电场强度和变温至复温过程中的物相转化率，用于分析不同电场参数对于被测试样品中冰晶形成的影响。

一方面，本发明通过在坩埚中内嵌电极的方式，利用差示扫描量热仪同步监测有电场作用时生物材料冷冻及复温时的热流变化并生成DSC曲线，结合电介质和热力学的相关理论与模型以及化学物相分析方法，计算不同温度条件下外施电场对材料物相转化率的影响差异，对比不同电场参数对生物材料中冰晶形成的不同影响，为外施电场提高低温冷冻保存效率提供理论及试验依据；

另一方面，本项发明操作简单，计算结果精准，且具有可重复性，并对材料低温保存过程中冰晶的形成机理提供了新的研究分析方法。

在一个较佳的实施例中，步骤1中的微电极坩埚内置2片电极，电极之间留有间隙用于存放被测试样品；被测试样品与微电极坩埚中的电极表面完全贴合；所述电极通过电极引线与信号发生器相连；信号发生器预设待输出的信号参数，用于提供电信号以便对被测试样品施加电场，用万用表检查并确认电极引线的绝缘性良好，排除信号发生器与差示扫描量热仪之间的短路问题。

在一个较佳的实施例中，步骤1中的微电极坩埚和参比坩埚放置在差示扫描量热仪中对应的传感器上，传感器用于检测微电极坩埚和参比坩埚内被测试样品的热流变化并转化为电信号输出至计算机；所述微电极坩埚与传感器完全贴合。

在一个较佳的实施例中，步骤2中的计算机分别与差示扫描量热仪和自增压液氮罐相连，所述自增压液氮罐用于对差示扫描量热仪的实验舱内进行降温。

在一个较佳的实施例中，确认步骤1中的被测试样品与微电极坩埚中的电极表面完全贴合后，盖上微电极坩埚盖并关闭差示扫描量热仪实验舱。

在一个较佳的实施例中，步骤2的计算机中预设测量温度包括变温阶段和复温阶段，在变温阶段时差示扫描量热仪开启信号发生器的输出通道，对被测试样品施加电场作用；在复温阶段时差示扫描量热仪关闭信号发生器的输出通道，被测试样品在无外施电场作用下自然复温，生成DSC曲线。

在一个较佳的实施例中，步骤3中被测试样品在变温过程中的物相转化率η为：

其中，ΔQ_E指被测试样品在外施电场作用下变温并在无电场作用下复温时物相转变吸收或放出的热量，ΔQ_o指被测试样品在无电场作用下变温及复温时物相转变吸收或放出的热量。

ΔQ_E是由在变温过程中施加电场的复温DSC测量中该样品物相转变对应的DSC曲线得到，即：

其中，β为升温速率，T₁、T₂分别为积分的温度下限与温度上限，为DSC曲线所测得的热流速率。

ΔQ_o是由在变温过程中无外施电场的复温DSC测量中该样品物相转变对应的DSC曲线得到，即：

其中，β为升温速率，T₁、T₂分别为积分的温度下限与温度上限，为DSC曲线所测得的热流速率。

在一个较佳的实施例中，通过信号发生器的输出电压和微电极坩埚中的电极间距计算出被测试样品的电场强度E，即：

其中，V为信号发生器的输出电压，d为微电极坩埚中电极间距。

本实施例中，与差示扫描量热仪相连的计算机中包含温度控制程序，所述程序设置为三个阶段。阶段一：设定起始温度为4℃，并保持2分钟；阶段二：以3℃/min的速率降温至-60℃；阶段三：在-60℃保持3分钟；阶段四：以3℃/min的速率升温至10℃。

本实施例中，在进行实验前，需对微电极坩埚进行性能测试，性能测试的目的是为保证其在实验过程中所涉及的温度范围内保持稳定，避免出现物理转变或化学反应而干扰实验过程及结果分析。

下面通过2个实施例来具体说明本发明的实施方式和效果。

实施例1

采用Millipore密理博明澈-D24UV纯水一体化系统过滤纯化后的超纯水(以下简称I级水)作为实验样品，差示扫描量热仪1选用TA公司的Q2000DSC分析仪。实验步骤如下：

1.)打开差示扫描量热仪的实验舱，将参比坩埚和微电极坩埚放在对应传感器上，微电极坩埚需与传感器完全贴合，将微电极坩埚的电极引线与信号发生器接通，并设置好待输出的信号参数，注入4μl的I级水于微电极坩埚中的电极缝隙之间，盖上微电极坩埚盖并关闭差示扫描量热仪实验舱；

2.)测量变温阶段和复温阶段I级水的DSC曲线。在变温阶段中，设定起始温度为4℃并保持2分钟，以3℃/min的速率降温至-60℃并保持3分钟，同时，对I级水施加电场；在复温阶段中，以3℃/min的速率从-60℃升温至10℃，对I级水不施加电场。

3.)从计算机中导出通过差示扫描量热仪生成的DSC曲线进行分析，并计算相关参数。

图2示出了对4μl的I级水在低温冷冻过程中分别施加0Hz、100kHz、1MHz电场参数并复温后得到的DSC曲线。由图中可以看出，在低温冷冻过程中对I级水施加电场后，I级水的熔融峰峰高显著降低，峰面积明显减小。在DSC热流曲线中，熔融峰面积代表被测试样品中对应晶型的熔融焓，熔融峰面积越大，对应晶型的熔融焓越大，即说明该被测试样品中冰晶含量越多。因此，在低温冷冻过程中对I级水施加电场可以有效地减少其冰晶的形成，不同的外施电场参数对应熔融峰面积减小的程度也不同。通过对熔融峰的积分得到ΔQ_E与ΔQ_o，进一步计算得出不同外施电场参数对应的I级水冰转化率，如表1所示：

表1I级水冰转化率η

f(Hz)	纯水冰转化率η
		0	100.00％
100k	38.80％
		1M	18.66％

由表1可推断出，本实施例的最佳外施电场参数为1MHz，当外施电场参数为1MHz时，I级水冰转化率最低，为18.66％，故能够有效的抑制由冰晶形成所造成的生物材料低温损伤，提高低温保存效率。

实施例2

采用I级水和Alfa Aesar公司纯度为99.99％的NaCl粉末配置生理盐水作为实验样品，差示扫描量热仪1选用TA公司的Q2000DSC分析仪。实验步骤如下：

1.)打开差示扫描量热仪的实验舱，将参比坩埚和微电极坩埚放在对应传感器上，微电极坩埚需与传感器完全贴合，将微电极坩埚的电极引线与信号发生器接通，并设置好待输出的信号参数，注入4μl的生理盐水于微电极坩埚中的电极缝隙之间，盖上微电极坩埚盖并关闭差示扫描量热仪实验舱；

2.)测量变温阶段和复温阶段生理盐水的DSC曲线。在变温阶段中，设定起始温度为4℃并保持2分钟，以3℃/min的速率降温至-60℃并保持3分钟，同时，对生理盐水施加电场；在复温阶段中，以3℃/min的速率从-60℃升温至10℃，对生理盐水不施加电场。

3.)从计算机中导出通过差示扫描量热仪生成的DSC曲线进行分析，并计算相关参数。

图3示出了对4μl的生理盐水在低温冷冻过程中分别施加0Hz、100kHz、1MHz电场参数并复温后得到的DSC热流曲线，其中，低温峰是由于盐离子的加入形成的低共熔混合物含盐冰的熔融峰，高温峰是纯水冰的熔融峰。可以看出，在低温冷冻过程中对生理盐水施加电场后，生理盐水的低温峰消失，熔融峰峰高显著降低，峰面积明显减小。因此，在低温冷冻过程中对生理盐水施加电场可以有效地减少其冰晶的形成，不同的外施电场参数对应熔融峰面积减小的程度也不同。通过对熔融峰的积分得到ΔQ_E与ΔQ_o，进一步计算得出不同外施电场参数对应的纯水冰转化率和含盐冰转化率，如表2所示：

表2生理盐水中纯水冰转化率η₁与含盐冰转化率η₂

f(Hz)	纯水冰转化率η<sub>1</sub>	含盐冰转化率η<sub>2</sub>
			0	89.23％	1.31％
100k	51.04％	0.56％
			1M	12.90％	0.22％

由表2可推断出，本实施例的最佳外施电场参数为1MHz，当外施电场参数为1MHz时，生理盐水对应的纯水冰转化率和含盐冰转化率最低，分别为12.9％和0.22％，故能够有效的抑制由冰晶形成所造成的生物材料低温损伤，提高低温保存效率。

因此，综上所述，本发明所述的施加电场作用的DSC热分析方法可以在分析生物材料低温保存领域中得到应用。

同时，图4示出了本发明的一个实施例得以实现的一种可施加电场的DSC电极系统示意图，通过所述系统可检测不同电场参数对被测试样品冷冻及复温的DSC曲线，在进行实验前，需对微电极坩埚6进行性能测试，保证其在实验过程中所涉及的温度范围内保持稳定。首先，打开差示扫描量热仪1的实验舱，将被测试样品分别放入微电极坩埚6和参比坩埚5中，所述坩埚完全贴合放置在对应的传感器上，将微电极坩埚6的电极引线与信号发生器3接通，并设置好待输出的信号参数，盖上陶瓷坩埚盖并关闭实验舱；其次，在计算机2中设置好差示扫描量热仪1所配套的温度控制程序，以控制自增压液氮罐4对实验舱内进行降温，包括变温阶段和复温阶段，在变温阶段时差示扫描量热仪1开启信号发生器3的输出通道，对被测试样品施加电场作用；在复温阶段时差示扫描量热仪1关闭信号发生器3的输出通道，被测试样品在无外施电场作用下自然复温，生成DSC曲线，导入计算机2中；最后，对于计算机2中测量得到的DSC曲线进行分析，计算不同的外施电场参数对应的物相转化率。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种施加电场作用的DSC热分析方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在差示扫描量热仪的实验舱中放置微电极坩埚、参比坩埚和被测试样品，其中微电极坩埚用于对被测试样品施加电场；参比坩埚用于对被测试样品不施加电场作为参照；

步骤2、在计算机中预设测量温度，用于控制差示扫描量热仪内的温度变化，测量被测试样品在微电极坩埚的外施电场作用下和在参比坩埚无外施电场作用下的冷冻及复温时的DSC曲线；所述计算机与差示扫描量热仪相连，用于传输信号并记录实验结果；

步骤3、对DSC曲线进行分析得到被测试样品的电场强度和变温至复温过程中的物相转化率，用于分析不同电场参数对于被测试样品中冰晶形成的影响。

2.如权利要求1所述的方法，其中，优选的，所述步骤1中的微电极坩埚内置2片电极，用于产生电场，电极之间留有间隙用于存放被测试样品；被测试样品与微电极坩埚中的电极表面完全贴合；所述电极通过电极引线与信号发生器相连；信号发生器预设待输出的信号参数，用于提供电信号以便对被测试样品施加电场。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤2中的计算机分别与差示扫描量热仪和自增压液氮罐相连，自增压液氮罐用于对差示扫描量热仪的实验舱内进行降温。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤1中的微电极坩埚和参比坩埚放置在差示扫描量热仪中对应的传感器上，传感器用于检测微电极坩埚和参比坩埚内被测试样品的热流变化并转化为电信号输出至计算机；所述微电极坩埚与传感器完全贴合。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤2计算机中的预设测量温度包括变温阶段和复温阶段，在变温阶段时差示扫描量热仪开启信号发生器的输出通道，对被测试样品施加电场作用；在复温阶段时差示扫描量热仪关闭信号发生器的输出通道，被测试样品在无外施电场作用下自然复温。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤3中被测试样品在变温过程中的物相转化率η为：

其中，ΔQ_E指被测试样品在外施电场作用下变温并在无电场作用下复温时物相转变吸收或放出的热量，ΔQ_O指被测试样品在无电场作用下变温及复温时物相转变吸收或放出的热量。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述物相转化率η中被测试样品在外施电场作用下变温并在无电场作用下复温时物相转变吸收或放出的热量ΔQ_E是由在变温过程中施加电场的复温DSC测量中该样品物相转变对应的DSC曲线得到，即：

其中，β为升温速率，T₁、T₂分别为积分的温度下限与温度上限，为DSC曲线所测得的热流速率。

8.如权利要求6所述的方法，其中，所述物相转化率η中被测试样品在无电场作用下变温及复温时物相转变吸收或放出的热量ΔQ_O是由在变温过程中无外施电场的复温DSC测量中该样品物相转变对应的DSC曲线得到，即：

其中，β为升温速率，T₁、T₂分别为积分的温度下限与温度上限，为DSC曲线所测得的热流速率。

9.如权利要求2所述的方法，其中，通过所述信号发生器的输出电压和微电极坩埚中的电极间距计算出被测试样品的电场强度E，即：

其中，V为信号发生器的输出电压，d为微电极坩埚中电极间距。

10.一种如权利要求1-9任一项权利要求所述的方法在生物材料低温保存领域的应用。