Differenzialrasterkalometrie DSC

Differenzialrasterkalometrie (engl. Abk. DSC) wird für die Untersuchung von allen physikalischen Prozessen die unter Erwärmung und Kühlung eines Pharmakons stattfinden genutzt. Bestimmung dieses thermalen Verhaltens ist ein vorgeschriebener Teil jeder physikalischen Charakterisierung eines pharmazeutisch-aktiven Stoffes.

Für ein Angebot über DSC-Messungen: Benutzen Sie bitte das Kontaktformular

Differenzialrasterkalometrie ist speziell nützlich um:

  1. Schmelzpunktbestimmung, z.B. als Identifikationsmerkmal eines Stoffes
  2. Untersuchung der Stoffstabilität, weil etwa Umwandlungen oder Schmelzen bei geringen Temperaturen unerwünscht sind.
  3. Untersuchung der relativen Stabilität verschiedener Kristallformen, um Übergängen vorzubeugen.
  4. Untersuchung von Kristallisationsverhalten bei erhöhter Temperatur – was zu neuen Polymorphen führen kann.
  5. Vergleich von Chargen: Unterschiede in Schmelzenergien können in Verunreinigungen begründet sein oder auf amorphes Material hindeuten. Diese Informationen können in behördlichen Verfahren verwendet werden.

Instrument- und Messprinzip der DSC

Differenzialrasterkalometrie (DSC) misst die Temperatur und Wärmeaustausch im Zusammenhang mit Übergänge in Materialien über definierte Zeit- und Temperaturbereiche in einer kontrollierten Atmosphäre.

Eine kleine Menge Probe wird erhitzt und alle eventuell stattfindende Übergänge ergeben kleine Änderungen zur Temperatur der Referenzprobe, d.h. Differenzialrasterkalometrie misst Energie- bzw. Wärmeabsorption oder Abgabe der Probe bei Erwärmung, Kühlung oder konstanter Temperatur.

Das Instrument, das bei Particle Analytical genutzt wird ist ein Mettler DSC 823e Differential Scanning Calorimeter (DSC).

Technische Details
Instrument Differential Scanning Calorimeter (DSC) 823e von MettlerToledo
Temperaturbereich Von -65°C bis 700°C
Erwärmungsrate Bis zu 20 °C/min
Probenmenge 5 mg – 10 mg

Differenzialrasterkalometrie (DSC) misst Wärmeeffekte im Zusammenhang mit Phasenübergängen und chemischen Reaktionen als Funktion der Temperatur. Sie ergibt viele wichtige Informationen für die physikalische Charakterisierung einer Substanz. Während der Differenzialrasterkalometrie wird der Unterschied im Wärmefluss zur Probe im Vergleich mit einer Referenz bei gleicher Temperatur gemessen. Die Referenz besteht aus einem inerten Material, wie Aluminiumoxid oder einem leeren Aluminiumprobenhalter. Die Temperatur beider Proben wird mit konstanter Rate erhöht. Weil die Differenzialrasterkalometrie bei konstantem Druck stattfindet, entspricht der Wärmefluss der Enthalpieänderung:

(dq/dt)p = dH/dt

Hier ist dH/dt der Wärmestrom, der in mcal sec gemessen wird. Die Wärmeflussdifferenz zwischen der Probe und der Referenz lässt sich wie folgt ausdrücken:

ΔdH/dt = (dH/dt)Probe – (dH/dt)Referenz

Und kann positive und negative Werte annehmen. Wenn es ein endothermer Prozess ist, wie viele Phasenübergänge, wird Wärme aufgenommen, d.h. die Probe nimmt mehr Energie aus als die Referenz. Folglich ist ΔdH/dt positiv. Andere endothermische Prozesse umfassen Helix-Windungsübergänge in DNS, Proteindenaturierung, Dehydrierungen, Reduktionen und einige  Zersetzungsreaktionen. In exothermen Prozessen, wie Kristallisation, einige cross-linking Prozesse, Oxidationsreaktionen und wiederum einige Zersetzungsreaktionen ist das Gegenteil der Fall und dH/dt ist negativ.

  • endothermisch:  Ein Übergang der Energie absorbiert.
  • exothermisch: Ein Übergang der Energie freigibt.

 Beispiele für den Gebrauch von Differenzialrasterkalometrie (DSC):

  • Glasübergänge: Eine reversible Änderung von amorphen Regionen eines Polymeren von oder zu einem hochviskosen oder gummiartigen Zustand zu oder von einer harten, relativ spröden Form. Die Glasübergangstemperatur ist ein Temperaturwert, der die Temperaturspanne beschreibt in der der Übergang stattfindet. Die Glasübergangstemperatur ist relevant für amorphe Materialien, da es ein wichtiger Indikator der Stabilität ist. Daher kann DSC genutzt werden um die Kristallinität einer Probe zu bestimmen.
  • Schmelz- und Siedepunkte: die endothermen Übergänge bei der Erwärmung von kristallinen Feststoffen zu Flüssigkeiten. Dieser Prozess heißt bekanntlich auch Schmelzen. Die Schmelzenthalpie ist die benötigte Wärme zum Schmelzen, also des Aufbrechens der Kristallstruktur. Diese kann man aus dem Integral des DSC Peaks über einen Zeitabschnitt berechnen. Ein klar abgegrenzter scharfer Schmelz-Peak deutet auf eine wohldefinierte kristalline Form hin. Änderungen in der Schmelztemperatur und –Energie können Informationen über etwa Inhalt von amorphem Material geben. Daher kann die Schmelzisotherme zur Bestimmung der Probenreinheit genutzt werden
  • Kristallisationsdauer und -Temperatur: Schmelzen ist ein einstufiger Prozess, während Kristallisation Kristallkeimbildung und -wachstum umfasst. Kristallkeimbildung ist abhängig von der Kühlungsrate, wohingegen der Schmelzpunkt nicht von der Änderungsrate der Temperatur abhängt. Kühlung mit unterschiedlichen Temperaturrampen kann zur Entstehung neuer Polymorphe führen.
  • Prozentuale Kristallinität/Reinheit: Nur kristalline Materialien haben eine Schmelzendotherme, d.h. eine Temperatur, wo die Kristallstruktur aufbricht. Wenn ein Material amorphe Anteile, oder andere Verunreinigungen enthält, senkt dies den Schmelzpunkt und Schmelzenthalpie. Darüber hinaus würde ein Anteil amorphen Materials auch einen Glasübergang zeigen.
  • Relative Stabilität von unterschiedlichen Kristallformen: Endotherme oder exotherme Übergänge zwischen Kristallformen (Polymorphe) des gleichen Materials können Aufschluss über die relative Stabilität geben. Aus der DSC-Kurve kann man auf Monotropie (eine stabile Form für alle Temperaturen) oder Anisotropie (einer Änderung der relative Stabilität bei einer bestimmten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes schließen
  • Änderungen in der Wärmekapazität: spezifische Wärmekapazität (Cp) ist die Wärmemenge die benötigt wird um ein Gramm eines bestimmten Materials um ein Kelvin zu erhitzen. Spezifische Wärmekapazität ist auf die Bewegung der Moleküle in der Probe zurückzuführen (Einheit J/g K). Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die benötigt wird um ein Material um ein Grad Kelvin zu erhitzen. Dies ist die nicht-normalisierte spezifische Wärme (in der Einheit J/K). Spezifische Wärme ist die spezifische Wärmekapazität eines Analyten verglichen mit der eines Referenzmaterials (und somit dimensionslos). Kristalline Polymere enthalten höhere Ordnung und damit weniger Freiheitsgrade der molekularen Bewegung. Weniger molekulare Bewegung ergibt eine geringere spezifische Wärmekapazität. Änderungen in der Wärmekapazität werden in einer DSC-Messung geben Aufschluss über Phasenübergänge.