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Vant Hoff方程，样品熔点(Tm)与纯品的熔点(T0)差为： 式中：DH ：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/molK。为得到T0与H引入熔融过程中任意样品温度（TS）下熔融分数F（F=(T0-Tm)/(T0-TS)）概念，将Vant Hoff方程代入F，得到下式：Ts1/F图应为一直线，外推可求出1/F=0时纯样品熔点T0，从直线斜率可求出X。实际Ts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Ax到各部分面积An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Ts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Ts对1/F作图，求出几个Ts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（Vant 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。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1C/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（Vant Hoff方程）。具体过程如下： 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 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; 确定分部F处的温度TF, TF为分部F的熔融温度,F由式(1)给出: (1) 式中,F: 分部比; ADEA:分部面积; ABCA:熔融峰总面积; 分部F的熔融温度TF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 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 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; (2) 计算经校正的1/F-T直线的斜率与截距(T0),并由式(3)得到TF: (3) 由式(4)计算得到试样中杂质的摩尔分数: (4)式中, X2:杂质摩尔分数; R: 气体常数,8.314510 J/molK; :熔融焓,J/mol; :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（C8H4O3），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：0.7C/min；起始平衡温度：122.00C； 终止温度：136.00C；氮气流速：2530ml/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=0.10.5。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。表1 容量滴定法和DSC法测定邻苯二甲酸酐（苯酐）纯度结果实验方法测定结果 (%)平均值 (%)R.S.D.容量滴定99.71,99.74,99.72,99.73,99.75,99.77,99.6799.730.03DSC法99.74,99.77,99.74,99.75,99.78,99.75,99.7499.750.02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a=0.05时，查t值表(u=12),t1-a/2(u) = t0.975(12)= 2.179。t = 1.468 2.179 = t0.975(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：邻苯二甲酸酐纯度实 验