化合物純度測(cè)定 差示掃描量熱(DSC)法匯總

《化合物純度測(cè)定差示掃描量熱法》編制說明制標(biāo)任務(wù)來源本標(biāo)準(zhǔn)系國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)2009年標(biāo)準(zhǔn)制修訂項(xiàng)目計(jì)劃2009B051《化合物純度測(cè)定差示掃描量熱（DSC）法》的制訂，現(xiàn)已完成。標(biāo)準(zhǔn)制定的目的、意義和國(guó)內(nèi)外同類研究概況差示掃描量熱技術(shù)（）對(duì)低分子化合物進(jìn)行純度測(cè)定在上世紀(jì)六十年代就提出來，在八十年代逐漸發(fā)展成熟，并得到廣泛應(yīng)用。它是測(cè)量在程序控溫下，輸入到樣品和參比物的功率差與溫度的關(guān)系的技術(shù)。又分為功率補(bǔ)償式（）和熱流式（）兩種。與其它測(cè)定純度的方法相比，法測(cè)定純度具有許多優(yōu)點(diǎn)：試樣用量少，快速，操作簡(jiǎn)便，不需要標(biāo)準(zhǔn)品，不需分離雜質(zhì)，能測(cè)定物質(zhì)的絕對(duì)純度，由曲線計(jì)算出的雜質(zhì)含量重現(xiàn)性好，準(zhǔn)確度高，適合于測(cè)定高純度化工醫(yī)藥產(chǎn)品。在上世紀(jì)年代中期陸續(xù)頒布了一系列有關(guān)技術(shù)測(cè)定物質(zhì)純度的標(biāo)準(zhǔn)，為技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。美國(guó)藥典在年版開始確定法作為藥品純度檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法推薦使用并推薦為藥品純度檢驗(yàn)及生產(chǎn)質(zhì)量控制方面的首選方法。法也被標(biāo)準(zhǔn)定值機(jī)構(gòu)列為可供使用的標(biāo)準(zhǔn)定值方法。本項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)制修訂項(xiàng)目計(jì)劃是國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)2009年標(biāo)準(zhǔn)制修訂項(xiàng)目計(jì)劃2009B051《化合物純度測(cè)定差示掃描量熱（DSC）法》的制訂，部分工作承接山東檢驗(yàn)檢疫局年度科研項(xiàng)目《差示掃描熱分析（）對(duì)固體有機(jī)化工品純度、熔點(diǎn)測(cè)定的研究》（）的研究?jī)?nèi)容，并于年完成山東省地方標(biāo)準(zhǔn)《鄰苯二甲酸酐的差示掃描量熱法（）純度測(cè)定》的制訂。本標(biāo)準(zhǔn)的制訂參考了《純度的差示掃描熱法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》。本標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)后，課題組積極組織攻關(guān)研究，建立了差示掃描熱分析法（DSC）對(duì)化合物純度的測(cè)定方法，并對(duì)影響檢測(cè)結(jié)果的重要實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到純度測(cè)定的優(yōu)化條件；同時(shí)，組織了多個(gè)實(shí)驗(yàn)室參加的一致性水平試驗(yàn)，獲得了方法的精密度、重現(xiàn)性及再現(xiàn)性數(shù)據(jù)。原理用測(cè)定純度的方法在六十年代中期提出，后經(jīng)許多研究者對(duì)數(shù)百種物質(zhì)進(jìn)行純度測(cè)定，證實(shí)用于純度測(cè)定是有效的。從理論上看，高純度且結(jié)晶完善的化合物，其熔融峰非常尖銳。熔融峰變寬是估計(jì)化合物純度的靈敏標(biāo)準(zhǔn)，純度降低，熔融起始溫度降低，RT2X—0——AH峰高度下降，熔程加寬。根據(jù)Van'tHoff方程，樣品熔點(diǎn)與純品的熔點(diǎn)差為:式中：AH:純樣品的摩爾熔融焓；：雜質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；：熱力學(xué)溫度，kr氣TOC\o"1-5"\h\z體常數(shù)，?KO為得到與4口引入熔融過程中任意樣品溫度I）下熔融分?jǐn)?shù)I）概念，將Van'tHoff方程代入，得到下式:RT2X1T=To——?一s0AHF一圖應(yīng)為一直線，外推可求出時(shí)純樣品熔點(diǎn)，從直線斜率可求出X實(shí)s0際對(duì)并不呈直線關(guān)系，當(dāng)試樣純度較低時(shí)，直線偏離程度尤為嚴(yán)重。這是由于試樣預(yù)熔融面積在試樣初熔面積中占有相當(dāng)比重，使曲線求得的熔融部分的分?jǐn)?shù)偏低。為消除偏離，需作校正，加一小塊面積到各部分面積和總面積中，添加面積的大小，xn通過線性最小二乘法擬合，直到對(duì)擬合為一條直線。通過選取曲線中線性最好的一段進(jìn)行橫坐標(biāo)（溫度）等分，得到曲線不同熔解溫度對(duì)應(yīng)的熱焓值，以對(duì)作圖，求出幾個(gè)時(shí)的熔融分?jǐn)?shù)，便可以計(jì)算出雜質(zhì)含量。方法提要在密封坩堝內(nèi)準(zhǔn)確稱取樣品，準(zhǔn)確至土克，為了導(dǎo)熱良好，在測(cè)定前應(yīng)將試樣稍加研碎，但不能使試樣在研磨后形成凝聚體，在操作中，要盡量使試樣平鋪在樣品皿的底部，壓緊，將死體積減至最小，用沖壓模將坩堝密封，放入量熱池內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)前要按規(guī)定用金屬銦對(duì)儀器的溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，保證實(shí)測(cè)溫度的準(zhǔn)確性，并對(duì)不同的升溫速率進(jìn)行基線校準(zhǔn)。獲取試驗(yàn)樣品的譜線，在符合條件的譜線上選取等份溫度的熱焓面積進(jìn)行處理，一般符合條件的區(qū)域?yàn)槿廴谶^程,在這一區(qū)域內(nèi)，譜線符合純度測(cè)定模型要求（Van'tHoff方程）。影響測(cè)定樣品純度準(zhǔn)確度的因素主要有四方面：樣品因素，如樣品的易吸濕、潮解；外界干擾因素，如樣品坩堝條件、保護(hù)氣氛圍；實(shí)驗(yàn)因子，如升溫速率、樣品稱樣量；模型參數(shù)選擇，如模型回歸數(shù)據(jù)量、回歸范圍。其中，實(shí)驗(yàn)因子是影響測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度的主要因素。測(cè)試條件的確定由于樣品的物理化學(xué)性質(zhì)的差別，難以進(jìn)行全面的分析，但可以對(duì)日?；て窓z驗(yàn)工作中常遇到的情況進(jìn)行分析。對(duì)易吸濕、潮解樣品在樣品的儲(chǔ)存、處理及稱量過程中要盡可能在干燥條件下進(jìn)行。依據(jù)實(shí)際工作中的經(jīng)驗(yàn)，為獲得具有可比性且重現(xiàn)性好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)在不穩(wěn)定環(huán)境下的易吸潮樣品的測(cè)定，采取的方法是：可在測(cè)定程序的起始平衡溫度前加入一段（如分鐘）樣品等溫過程（）,消除樣品的處理歷史。5.2坩堝的選擇及預(yù)處理在保證測(cè)定準(zhǔn)確性的要求，并考慮到經(jīng)濟(jì)條件，對(duì)一般無特殊腐蝕性樣品的測(cè)定，一般鋁質(zhì)坩堝能滿足要求；由于純度測(cè)定升溫速率較慢，使用常用的半密封坩堝會(huì)造成熔融或半熔融狀態(tài)下樣品的揮發(fā)，因此必須使用密封坩堝，這對(duì)測(cè)定易揮發(fā)性樣品（如精萘）尤其重要。對(duì)高精度測(cè)定，使用前坩堝必須經(jīng)加熱預(yù)處理。保護(hù)氣流速影響量熱池內(nèi)通入、氣的主要作用是消除樣品熱（裂）解而產(chǎn)生的有害氣體，保護(hù)氣2流速對(duì)測(cè)定準(zhǔn)確度的影響不是關(guān)鍵因素，實(shí)驗(yàn)選擇。升溫速率的影響樣品的升溫速率是影響測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性最重要的因素，由于在升溫過程中樣品存在溫度梯度，造成測(cè)量溫度與實(shí)際溫度的差別，較低的升溫速率有利于提高測(cè)定的準(zhǔn)確性，但會(huì)增加實(shí)驗(yàn)耗時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)，在升溫速率低于。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性不會(huì)帶來影響，見圖1。5.5樣品量的影響樣品量大小對(duì)于測(cè)定結(jié)果的靈敏度及準(zhǔn)確性有明顯影響，較小的樣品量有利于消除升溫過程中樣品的溫度梯度，提高測(cè)定的靈敏度，但較小的樣品量受外界影響（如樣品稱量）而產(chǎn)生的誤差較大，樣品量存在一個(gè)最佳值，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次擬合，考慮到允許的測(cè)定誤差及不同樣品的摩爾分子量不同，此值可在波動(dòng)，見圖2JI-TO3b&SdJI-TO3b&Sd評(píng)品重量（rng）圖1.圖1.升溫速率對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響圖2.樣品量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響6模型（軟件）參數(shù)設(shè)定模型參數(shù)主要有回歸數(shù)值個(gè)數(shù)及回歸范圍，缺省的數(shù)值個(gè)數(shù)為模型參數(shù)主要有回歸數(shù)值個(gè)數(shù)及回歸范圍，缺省的數(shù)值個(gè)數(shù)為20，這足以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)保證在處理0等份溫度的熱焓面積進(jìn)行處理，一般符合條件的區(qū)域?yàn)槿廴谶^程，5在0保證在處理0等份溫度的熱焓面積進(jìn)行處理，一般符合條件的區(qū)域?yàn)槿廴谶^程，5在0這%一區(qū)域內(nèi)，曲線符合純度測(cè)定模型要求（a方程）。值的代表性及足夠小的誤差；而回歸范圍的設(shè)定必須依據(jù)樣品的譜圖進(jìn)行，起始點(diǎn)的選擇要避免樣品開始熔融時(shí)雜質(zhì)的干擾，終止點(diǎn)的選擇要避免超過譜圖的最大值，區(qū)段內(nèi)熱焓變化增量與溫度變化成正比關(guān)系。在符合條件的曲線上選取具體過程如下：①得到圖3所示試樣熔融曲線，測(cè)定熔融峰面積時(shí)間（分鐘）時(shí)間（分鐘）圖3.純度分析模型參數(shù)的設(shè)定②將熔融峰面積自基線向熔融曲線作垂線將熔融峰至少劃分為份②將熔融峰面積自基線向熔融曲線作垂線將熔融峰至少劃分為份③確定分部處的溫度為分部的熔融溫度由式給出「ADEAF=ABCA式中分部比分部面積熔融峰總面積式中分部比分部面積熔融峰總面積④分部的熔融溫度按照下面方法計(jì)算在與試樣相同的試驗(yàn)條件下對(duì)銦進(jìn)行試驗(yàn),得到圖4所示熔融峰作圖得到銦熔融峰前緣線的斜率在試樣熔融分部的點(diǎn)作與斜率相同的切線并與基線相交于點(diǎn)處溫度即為熔融分部對(duì)應(yīng)的熔融溫度通過這一方法由系統(tǒng)誤差引起的溫度漂移對(duì)純度計(jì)算的結(jié)果影響不大圖5.純度分析模型回歸校準(zhǔn)示意圖⑥通常情況下得到圖所示的向上彎曲的曲線通過不斷對(duì)熔融面積、加上面積對(duì)重新進(jìn)行修正見式直到得到經(jīng)過修正的接近線性的關(guān)系1_ABCA+xFADEA+x⑦計(jì)算經(jīng)校正的直線的斜率與截距并由式得到01T=斜率x-+TFF0⑧由式（4計(jì)）算得到試樣中雜質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù):八一AHX=一（斜率）xf2RT0（4）AHT式中雜質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)氣體常數(shù)f熔融焓0純?cè)嚇拥娜埸c(diǎn)法測(cè)定純度的適用范圍在雜質(zhì)含量較高的情況下，由于雜質(zhì)的影響，被測(cè)樣品已背離測(cè)定原理所要求的待測(cè)樣品為理想的固溶液這一基本要求，因此，該方法不適用于較高雜質(zhì)的純度測(cè)定。通過美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究所提供的一系列純度測(cè)定基準(zhǔn)物質(zhì)（）,可以對(duì)使用技術(shù)測(cè)定樣品純度的準(zhǔn)確度受雜質(zhì)影響的程度進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)表明，在雜質(zhì)含量高于3%-時(shí)以，%測(cè)定準(zhǔn)確度的誤差已高于0.2，%該方法已不適用，對(duì)于要求較高的純度測(cè)定（0.）1，%雜質(zhì)應(yīng)低于2。%7.方法可靠性驗(yàn)證用DSC方法測(cè)定化合物純度，其可靠性必須驗(yàn)證，可通過兩種方式：1、通過其它分析測(cè)試手段或數(shù)據(jù)處理方式證明樣品條件滿足Van'Hoff方程的要求；2、通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)方法的差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。方法測(cè)定純度與經(jīng)典方法比較實(shí)驗(yàn)樣品為鄰苯二甲酸酎（）,它在進(jìn)口有機(jī)化工品中占很大比重。原先采用容量8以3TOC\o"1-5"\h\z滴定（）對(duì)純度進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)定平行誤差要求小于。實(shí)驗(yàn)條件：升溫速率：。m起始平衡溫度：。、終止溫度：。、氮?dú)饬魉伲?；樣品量：?。通過對(duì)曲線一階導(dǎo)數(shù)，在熔融峰中無隱藏的干擾峰，這可基本排除雜質(zhì)與樣品形成共熔物的情況。在符合條件的曲線上選取等份溫度(橫坐標(biāo))的熱焓面積進(jìn)行處理，一般符合條件的區(qū)域?yàn)槿廴谶^程?，即?。對(duì)同一鄰苯二甲酸酎樣本樣品分別用容量滴定法和法測(cè)定次，結(jié)果見表1表容量滴定法和法測(cè)定鄰苯二甲酸酐(苯酐)純度結(jié)果實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定結(jié)果平均值容量滴定法設(shè)容量標(biāo)定法的樣品為樣本，熱分析法的樣品為樣本2S2=3.06<5.82=F(6,6)=F(u,u)S20.9751-a/2122證明容量滴定法與法測(cè)定純度的精密度無顯著性差別。當(dāng)顯著性水平a時(shí)，查值表uu。a<證明方法與經(jīng)典容量方法結(jié)果準(zhǔn)確度無顯著性差別。0.975方法的重復(fù)性與再現(xiàn)性試驗(yàn)9.1一致性水平試驗(yàn)方案一致性水平試驗(yàn)參照、進(jìn)行設(shè)計(jì)，共個(gè)實(shí)驗(yàn)室參與試驗(yàn)計(jì)劃，分別為：1號(hào)，山東檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心；2號(hào)，中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院；3號(hào)，上海檢驗(yàn)檢疫局化工材料檢驗(yàn)中4；號(hào)，公司上海實(shí)驗(yàn)室；號(hào)，兵器工業(yè)第五三研究所。試驗(yàn)樣品鄰苯二甲酸酐純度為3個(gè)水平，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室在每個(gè)水平上進(jìn)行7次測(cè)試，測(cè)試原始數(shù)據(jù)見表2。表2原始數(shù)據(jù)：鄰苯二甲酸酐純度實(shí)驗(yàn)室i水平j(luò)12399.7499.0998.7099.7799.1398.7699.7499.1198.77199.7599.1498.7799.7899.1498.7699.7599.1498.7599.7499.1598.7799.7399.1698.73299.7899.1798.71

99.7699.1198.7199.7899.1498.7199.7399.1498.6999.7599.1098.7299.7899.1598.7299.7899.0898.7899.8099.1398.8199.7499.0898.76399.7499.1198.7999.7999.1098.7999.7999.0898.7999.7599.0698.7599.7899.1598.7399.7999.1398.7399.7799.1698.70499.7599.1698.7099.7599.1998.7599.7499.1698.7299.7399.1498.7399.7499.1298.7499.7899.0998.7299.7999.1198.73599.7599.1198.7599.7499.1198.7299.7799.1098.7699.7999.1498.75致性和離群值的檢查由于個(gè)別實(shí)驗(yàn)室或數(shù)據(jù)可能與其它實(shí)驗(yàn)室或其它數(shù)據(jù)明顯不一致，從而影響到重復(fù)性與再現(xiàn)性估計(jì)，必須對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行檢查，分別使用柯克倫檢驗(yàn)與格拉布斯檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。不同實(shí)驗(yàn)室一致性水平試驗(yàn)結(jié)果在同一水平上的數(shù)據(jù)分布情況見圖6、圖7、圖8，3個(gè)水平的總體均值分別為m=99.761、m=99.125、rm=98.742。從圖中可看出，同123一水平上的數(shù)據(jù)分布均較為均勻，分別在總體均值的上下均衡分布，基本無總體偏離情況。59.8099.7699.7699.74圖樣本鄰苯二甲酸酎純度應(yīng)廣99.7612圖樣本鄰苯二甲酸酎純度m=98.7423?柯克倫檢驗(yàn)柯克倫檢驗(yàn)臨界值為臨界值為對(duì)水平m=99.761(1工2=，實(shí)驗(yàn)室的最大:2；柯對(duì)水平m=99.761(1工2=，實(shí)驗(yàn)室的最大:2；柯4克1倫0檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值對(duì)水平m=99.125(2工2=，實(shí)驗(yàn)室的最大:；2柯2克4倫9檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值對(duì)水平m=98.742(3工2=，實(shí)驗(yàn)室的最大:1；柯4克0倫2檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值根據(jù)計(jì)算結(jié)果,水平3存在單個(gè)歧離值,歧離值在數(shù)據(jù)分析中予以保留。?格拉布斯檢驗(yàn)對(duì)單元平均值進(jìn)行格拉布斯檢驗(yàn),表3給出相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,存在單個(gè)歧離值,歧離值在數(shù)據(jù)分析中予以保留。表3單元平均值的格拉布斯檢驗(yàn)水平單個(gè)低值單個(gè)高值兩個(gè)低值兩個(gè)低值檢驗(yàn)類型

格拉布斯檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量歧離值格拉布斯檢驗(yàn)臨界值9.3重復(fù)性與再現(xiàn)性評(píng)價(jià)通過對(duì)多個(gè)水平獲得的數(shù)據(jù)，即可對(duì)重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差與再現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行估計(jì)。首先獲得試驗(yàn)樣品一致性實(shí)驗(yàn)的單元平均值，再計(jì)算總平均值m及方差，包括重復(fù)性方差（s）、實(shí)r驗(yàn)室間方差（s）及再現(xiàn)性方差（s），計(jì)算中遇到的主要過程參數(shù)包括、、、、LR1234，這些參數(shù)的定義詳見、。表4鄰苯二甲酸酐純度的單元平均值實(shí)驗(yàn)室i水平j(luò)123*nij5jnj5jnj199.753799.128798.7547299.758799.138798.7137399.770799.091798.7817499.758799.156798.7237599.766799.111798.7387

表5鄰苯二甲酸酐純度的標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)驗(yàn)室i水平j(luò)123sjnijsnijsnij10.016070.021270.0251720.022770.025470.0125730.025870.023470.0204740.021970.019070.0180750.022270.015770.01577表鄰苯二甲酸酐純度的S/n計(jì)算的過程參數(shù)水平表鄰苯二甲酸酐純度的m，北和%值水平PjmjsrsRj測(cè)量方法精密度（以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示）可引述如下重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差s=r再現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差S=R這些值的適當(dāng)范圍為?。這些值是通過有個(gè)實(shí)驗(yàn)室參加的一致性水平試驗(yàn)獲得的，所測(cè)鄰苯二甲酸酐純度的值在上述范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果未檢測(cè)到歧離值，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)在分析中予以保留。10.樣品測(cè)試用法檢驗(yàn)純度，在符合檢驗(yàn)條件的情況下，其檢測(cè)下限為.原則上，對(duì)低分子化合物進(jìn)行純度測(cè)定，特別是那些通過熔點(diǎn)來定性和半定量描述樣品性質(zhì)的化工品，可首先考慮使用差示掃描熱分析法進(jìn)行測(cè)定。由于化工品雜質(zhì)含量通常小于水平，因此，對(duì)絕大多數(shù)化工品的純度檢驗(yàn)，該方法完全適用。該方法尤其適合于純度較高的化工品的品質(zhì)、批次、生產(chǎn)過程品控等領(lǐng)域。在實(shí)際檢驗(yàn)工作中，已對(duì)十余種固體有機(jī)化工品（見表8）進(jìn)行了純度測(cè)定，通過與常規(guī)檢驗(yàn)方法或其它儀器分析法所得結(jié)果進(jìn)行的t-檢驗(yàn)，證明完全可用DSC法對(duì)這些樣品進(jìn)行純度測(cè)定，該方法有著廣闊的使用前景與推廣價(jià)值。表使用差示掃描熱分析法（）測(cè)定的固體有機(jī)化工品純度一覽表化工品名稱分子式狀態(tài)熔點(diǎn)范圍（℃）甘露醇（Mannitol）CH