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，

RT02X

T0Tm

H

峰高度下降，熔程加宽。根据Van’t Hoff方程，样品熔点(Tm)与纯品的熔点(T0)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T0与ΔH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Van’t Hoff方程代入F，得到下式：

TsT0

RT02XH



1F

Ts—1/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（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。

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 5.6 模型（软件）参数设定

图2. 样品量对测定结果的影响

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TF, TF为分部F的熔融温度,F由式(1)给出:

F

ADEA

ABCA (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

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;

1ABCAx

FADEAx (2)

⑦ 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:

TF斜率

1T0F (3)

Hf

RT0 (4)

Hf

:熔融焓,J/mol;

⑧ 由式(4)计算得到试样中杂质的摩尔分数:

X2(斜率)

式中, X2:杂质摩尔分数; R: 气体常数,8.314510 J/molK; 纯试样的熔点,K;

6. DSC法测定纯度的适用范围

T0

:

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：0.7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。

S12

3.065.82F0.975(6,6)F1/2(1,2)2S2

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=0.05时，查t值表(=12),t1-/2() = 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

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

ˆ398.742。从图中可看出，同ˆ199.761、mˆ299.125、m个水平的总体均值分别为m

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。

ˆ199.761)

图6 样本1, 邻苯二甲酸酐纯度(m

ˆ299.125) 图7 样本2, 邻苯二甲酸酐纯度(m

ˆ398.742) 图8 样本3, 邻苯二甲酸酐纯度(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。

ˆ 对水平1(m199.761)，实验室3的s最大：

ss

对水平3(

2



0.002410；柯克伦检验统计值=0.276

ˆ对水平2(m299.125)，实验室2的s最大：

2



0.002249；柯克伦检验统计值=0.287 )，实验室1的s最大：

ˆ398.742m

s

2



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

ˆ及方差，包括重复性方差（sr）试验样品一致性实验的单元平均值，再计算总平均值m、实

验室间方差（sL）及再现性方差（sR），计算中遇到的主要过程参数包括T1、T2、T3、T4、T5，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sr,sR计算的过程参数

表7 邻苯二甲酸酐纯度的mj,srj和sRj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):sr0.021

再现性标准差(Reproducibility):sR0.034

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

甘露醇（Mannitol） 联苯（Diphenyl） 硫脲(Thiourea)

苯甲酸（Benzoic Acid） 烟酸( Nicotinic Acid) 肌醇（Inositol） 糠氯酸

水杨酸（Salicylic Acid） 2,5-二甲氧基-4-氯苯胺 己二酸（Adipic Acid） 衣糠酸 (Itaconic Acid)

(C6H5)2 NH2CSNH2 C6H5COOH C5H4NCOOH C6H6(OH)6 CHO(CCl)2COOH C6H4(OH)COOH C8H10O2NCl COOH(CH2)4COOH COOHC(CH2)2COOH

分子式

CH2(OH)(CHOH)4CH2OH

状态

白色粉末状结晶 白色鳞片状结晶 白色粉末状结晶 白色鳞片状结晶 白色针状结晶 白色粉末状结晶 白色粉末状结晶 白色针状结晶 灰色粉末状结晶 白色粉末状结晶 无色粉末状结晶 白色粉末状结晶

熔点范围（℃）

165~168 69~71 180~182 ~122 236~237 224~227 ~127 ~159 117~120 182~185 ~152 162~164

对甲基苯甲酸（p-Anisic Acid） C6H4(CH3)COOH

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。