化合物纯度测定 差示扫描量热DSC法.docx
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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（DSCDifferentialScanningCalorimetry）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（PowerCompensation）和热流式（HeatFlux）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ASTME928-01《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Van’tHoff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/molK。
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’tHoff方程代入F，得到下式：
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’tHoff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（Van’tHoff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:
（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;
（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:
（3）
⑧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,8.314510J/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：
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。
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
99.71,99.74,99.72,99.73,99.75,99.77,99.67
99.73
0.03
DSC法
99.74,99.77,99.74,99.75,99.78,99.75,99.74
99.75
0.02
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=0.05时，查t值表（=12）,t1-/2（）=t0.975（12）=2.179。
t=1.4682.179=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
实验室i
水平j
1
2
3
1
99.74
99.77
99.74
99.75
99.78
99.75
99.74
99.09
99.13
99.11
99.14
99.14
99.14
99.15
98.70
98.76
98.77
98.77
98.76
98.75
98.77
2
99.73
99.78
99.76
99.78
99.73
99.75
99.78
99.16
99.17
99.11
99.14
99.14
99.10
99.15
98.73
98.71
98.71
98.71
98.69
98.72
98.72
3
99.78
99.80
99.74
99.74
99.79
99.79
99.75
99.08
99.13
99.08
99.11
99.10
99.08
99.06
98.78
98.81
98.76
98.79
98.79
98.79
98.75
4
99.78
99.79
99.77
99.75
99.75
99.74
99.73
99.15
99.13
99.16
99.16
99.19
99.16
99.14
98.73
98.73
98.70
98.70
98.75
98.72
98.73
5
99.74
99.78
99.79
99.75
99.74
99.77
99.79
99.12
99.09
99.11
99.11
99.11
99.10
99.14
98.74
98.72
98.73
98.75
98.72
98.76
98.75
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个水平的总体均值分别为
、
、
。
从图中可看出，同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。
图6样本1,邻苯二甲酸酐纯度（
）
图7样本2,邻苯二甲酸酐纯度（
）
图8样本3,邻苯二甲酸酐纯度（
）
◆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。
对水平1（
），实验室3的s最大：
0.002410；柯克伦检验统计值=0.276
对水平2（
），实验室2的s最大：
0.002249；柯克伦检验统计值=0.287
对水平3（
），实验室1的s最大：
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
水平
单个低值
单个高值
两个低值
两个低值
检验类型
1
1.40
1.76
0.0014
0.0032
格拉布斯检验统计量
2
1.36
1.59
0.0019
0.0015
3
1.72
1.65
0.0022
0.0049
歧离值
1.715（5%）
1.715（5%）
0.0090（5%）
0.0090（5%）
格拉布斯检验临界值
1.764（1%）
1.764（1%）
0.0018（1%）
0.0018（1%）
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。
首先获得试验样品一致性实验的单元平均值，再计算总平均值
及方差，包括重复性方差（
）、实验室间方差（
）及再现性方差（
），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
实验室i
水平j
1
2
3
1
99.753
7
99.128
7
98.754
7
2
99.758
7
99.138
7
98.713
7
3
99.770
7
99.091
7
98.781
7
4
99.758
7
99.156
7
98.723
7
5
99.766
7
99.111
7
98.738
7
表5邻苯二甲酸酐纯度的标准差
实验室i
水平j
1
2
3
1
0.0160
7
0.0212
7
0.0251
7
2
0.0227
7
0.0254
7
0.0125
7
3
0.0258
7
0.0234
7
0.0204
7
4
0.0219
7
0.0190
7
0.0180
7
5
0.0222
7
0.0157
7
0.0157
7
表6邻苯二甲酸酐纯度的
计算的过程参数
水平j
T1
T2
T3
T4
T5
1
3491.635
348329.0087
35
245
0.014456
2
3469.368
343900.4364
35
245
0.013498
3
3455.963
341248.0332
35
245
0.010637
表7邻苯二甲酸酐纯度的
和
值
水平j
1
5
99.761
0.022
0.034
2
5
99.125
0.021
0.035
3
5
98.742
0.019
0.034
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）:
0.021
再现性标准差（Reproducibility）:
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
分子式
状态
熔点范围（℃）
甘露醇（Mannitol）
CH2（OH）（CHOH）4CH2OH
白色粉末状结晶
165~168
联苯（Diphenyl）
（C6H5）2
白色鳞片状结晶
69~71
硫脲（Thiourea）
NH2CSNH2
白色粉末状结晶
180~182
苯甲酸（BenzoicAcid）
C6H5COOH
白色鳞片状结晶
~122
烟酸（NicotinicAcid）
C5H4NCOOH
白色针状结晶
236~237
肌醇（Inositol）
C6H6（OH）6
白色粉末状结晶
224~227
糠氯酸
CHO（CCl）2COOH
白色粉末状结晶
~127
水杨酸（SalicylicAcid）
C6H4（OH）COOH
白色针状结晶
~159
2,5-二甲氧基-4-氯苯胺
C8H10O2NCl
灰色粉末状结晶
117~120
对甲基苯甲酸（p-AnisicAcid）
C6H4（CH3）COOH
白色粉末状结晶
182~185
己二酸（AdipicAcid）
COOH（CH2）4COOH
无色粉末状结晶
~152
衣糠酸（ItaconicAcid）
COOHC（CH2）2COOH
白色粉末状结晶
162~164
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。
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