应用故事 | DSC: 50um 激光预扎孔坩埚盖的应用

众所周知，DSC测试在不高于600℃温度范围的条件下，一般使用铝坩埚。铝坩埚通常使用压盖的方式，将样品封装在坩埚内部。对于大多数常规测试，坩埚盖上通常会扎一个小孔，以保持测试过程中坩埚内外的压力平衡。也有一些测试选择压盖而不扎孔，将样品密闭封装于坩埚内，这种情况的典型应用是针对潮湿的或含有溶剂的样品，密闭的目的是防止水分或溶剂挥发、其强吸热效应对目标热效应造成叠加干扰。

为了使坩埚盖的使用能够兼容这两种需求，一般情况下，DSC仪器配备的都是未扎孔的坩埚盖，如果需要扎孔，则需要操作者使用镊子或针尖进行手动扎孔：

但Netzsch DSC也提供了一种“特殊”的铝坩埚盖，上面已经预先用激光打好了孔，孔径统一为50um：

由于这种坩埚盖在材质、尺寸规格方面与常规铝坩埚盖并无任何区别，唯一的差别就在预扎孔上面，而售价较常规的未扎孔盖为贵，因此用户很容易产生这样的困惑：手动扎孔是一件非常简单的事情，似乎无必要为了减少这么一点点小麻烦，而去购买预先扎好孔的坩埚，既多花了钱，还损失了应用方面的灵活性（不能用来做密闭测试）。厂家工程师也会产生这样的困惑，这种坩埚盖的受众在哪里？如果既贵又无必要，没有客户需求，我们为什么还要提供这种坩埚盖类型？

事实上，对于很多较常规的DSC测试，比如高分子材料的玻璃化转变、熔融结晶等，坩埚盖是手动扎孔还是激光预扎孔，确实没什么影响。但是也有些应用场合，使用这种孔径较小且标准化的预扎孔坩埚盖，能够带来意想不到的好处。

以下我们通过几个应用实例，来具体说明50um微孔盖的应用。

案例一 某原料药的熔点测试

某原料药样品，使用DSC进行熔点测试。

实验参数如下：

• 样品称重量：~ 2mg

• 升温速率：10K/min

• 气氛：N2

• 坩埚：Al，压盖

• 仪器校正：温度，热流，TauR

我们首先使用常规的铝坩埚手动扎孔压盖的方式，对样品进行了测试。测试结果如下（图谱放热向上）：

所测熔点符合预期。但问题在于在熔融吸热尖峰（峰温244.2℃）之后，立刻叠加了一个较为宽矮的吸热峰（峰温246.7℃），两个峰没有得到明显分离，因此影响到熔融热焓的计算。

根据TGA热重分析的结果判断，样品在该温度区间内有少量失重，因此246.7℃的吸热峰可能为分解峰。即样品在晶体熔融之后，内结构的稳定性变差，立刻发生了少量的分解（也可能是束缚在晶格内的少量残余溶剂或其他成分的挥发，需要结合热质或热红联用对逸出气态产物成分进行鉴定以确证，这里不对这些情况作更机理性的细节区分，笼统称之为“分解”，后文同），伴随吸热效应。

那么，有没有可能通过实验条件的优化，尽可能地将两个吸热峰分离开来，以便更好地对熔融峰进行单独的分析计算？

我们首先尝试了在坩埚盖不扎孔、即密闭条件下进行测试。结果如下：

熔融峰与分解峰确实得到了较好的分离。但熔点降低了4℃有余！事实上，在密闭情况下，随着温度升高伴随气体膨胀，加上样品可能的气态产物释放，坩埚的内压将增大，而物质的熔点与压强相关，当压强增大时熔点可能发生改变。而客户期望测试的是常压下的熔融过程，因此此方案不可行。

再进一步对该问题作理论上的思考。熔融是固液之间的相变过程，在常压下熔融温度相对固定。但分解是一生成气态产物的化学过程，对于这样的反应，如果在维持常压测试的前提下，能够保证坩埚内部较高的气态产物分压，将可能影响化学平衡，使分解延后、与熔融峰得到有效分离。

如何提高坩埚内的气态产物分压？之前的测试，坩埚盖是手动扎孔的，由于扎孔的针相对较“粗”，大多数情况下扎出来的孔会偏“大”，这对高分子类的测试一般没什么问题，但对于这类熔融伴随分解的药物应用，孔偏大意味着气态产物较易扩散逸出，分解温度可能较低。

如果使用激光打孔、孔径50um的标准坩埚盖，由于孔径小，气态产物逸出较慢，在坩埚内能形成较高的气态产物分压，就有可能对分解造成抑制，使分解温度提高。

手动扎孔的另一问题是很难控制每次测试孔径的一致性，而分解温度对孔径敏感，因此测试重复性难以得到保证。而使用标准的激光微孔，每次测试的孔径不变，测试重复性能得到更好的保证。

理论分析需要得到实验验证。我们使用50um微孔坩埚盖，对样品进行了重新测试，结果如下：

熔点244.9 ℃，仍与预期值接近，变化不大。分解峰温延后至248.2 ℃，特别是该过程的起始温度延后较多，使分解峰左侧更为清晰，与熔融峰之间得到了几乎完全的分离。由此可以对两个峰进行单独的计算，得到熔融焓变162.1 J/g，分解热57.75 J/g。

下图为使用50um微孔盖的三次重复性实验结果对比。

图中可见无论熔融峰温、还是分解峰温、或峰面积，重复性均十分良好。

案例二 药物中杂质熔融峰的分离与定量计算

应用背景：

样品为某种药物，含有一定量的杂质。客户期望通过DSC测试，能够对样品的主成分熔融峰与杂质熔融峰进行单独的准确计算。由此客户可以利用已知掺杂含量的样品（从0%到20%），首先获取杂质含量与峰面积关系的定量标定曲线，后续对杂质含量未知的样品进行测试，利用该关系曲线找到对应的杂质含量。

但客户实际测试，所得效果并不理想，特别是对于杂质含量较低的样品。因此客户送了几个样品到耐驰实验室进行验证， 编号分别为0.0%、0.6%、2%、10%、20%。其中0.0%为较纯的原始样品，0.6%以上均为在该样品基础上添加了对应量的杂质。

耐驰实验室首先对0%和0.6%低杂质含量样品进行了测试，重现了客户反映的问题（其中0.6%样品在两台不同型号DSC上进行了测试，验证了问题与所使用的仪器无关）。

实验参数如下：

• 样品称重量：~ 3mg

• 升温速率：3K/min

• 气氛：N2

• 坩埚：Al，压盖

• 仪器校正：温度，热流，TauR

测试结果如下图（此例中向下为吸热峰）：

上图阴影区域是客户预期的杂质熔融峰。但峰形很不典型，难以找到分析边界，且0%与0.6%的“杂质峰”看不出明显区别。

为了分析问题原因，我们使用热重分析仪对以上两个样品进行了测试，所使用的坩埚与DSC测试一样，为手动扎孔压盖的铝坩埚。测试结果如下：

可以观察到样品在180℃以上存在明显失重。怀疑杂质的DSC熔融峰会受同一温度区间的失重过程吸热效应干扰，导致峰形不佳。

那么，能否用密闭坩埚，抑制样品的失重过程，从而使杂质的熔融峰凸显出来？

这似乎也是一个可以尝试的思路。我们对0.6%杂质的样品，在密闭坩埚下进行了测试，并与之前的扎孔坩埚结果进行对比，如下：

可以看到在密闭坩埚条件下，期望的~185℃的杂质峰仍然并不明显。并且密闭情况下升温后坩埚内部压强会增高，按照热力学原理，物质熔点会发生一定程度改变，且内压大小和熔点改变程度均难以事先预知。因此无论从科学角度，还是从实验重复性、可预期性角度，这种方案不值得鼓励。

最终，我们尝试使用50um激光预打孔坩埚盖，代替原先的手动扎孔方式，进行了测试。所得结果如下：

可以看到使用50um微孔盖，在184℃前后出现了较清晰的杂质熔融峰，且与主熔融峰分得较开，可以很好地对这一部分的熔融热焓进行单独计算。

以0.6%样品为例，与手动扎孔结果的对比如下：

杂质熔融区域放大图：

可以看到50um微孔盖所得到的结果，杂质的小熔融峰边界变得较为清晰规整，形状上像个熔融峰。而手动扎孔在同一区域看着有个很大的吸热峰，但形状不规整，像是两个吸热效应的叠加，且没有明确的终止边界、没有吸热完成返回基线的过程（这一点在非放大图上体会更深。结合热重图谱判断，这应该是由于叠加的失重效应在180-200℃范围内尚处于开始发生并持续加速的过程，而没有一个完成的过程。）

我们再对其他几个不同杂质含量的样品进行了测试，结果汇总如下：

该样品在升温过程中共有三个吸热峰，其中第二峰（~179.5℃）对应主成分的熔融峰，第三峰（~185℃）对应杂质成分的熔融峰。从汇总表中可见杂质含量越高，第三峰面积越大。结果基本符合规律。

最后，我们使用热重分析仪，经过仔细的温度重校正，并在与DSC完全等同的实验参数（升温速率3K/min）与坩埚条件（铝坩埚+ 50um盖）下，对个别样品进行了验证，发现在第三峰区域，确实伴随着一定程度的失重：

该失重可能对应于结合在晶格中的水份或溶剂，在晶格熔融后的挥发释出。这一过程或许无法完全避免，对测试数据多少有点干扰。但若将50um微孔盖的热重结果与同等实验参数下手动扎孔坩埚的热重结果进行比较：

则发现使用50um微孔盖，在熔融区失重量明显小很多，且起始失重温度较高，对熔融阶段测试的干扰会小很多。

究其背后的原因，这仍然是由于50um孔径较小，坩埚内气态产物分压较高，影响到化学平衡因素，导致失重过程（不管是挥发还是分解）有所延后，减少了与熔融过程在温度区间上的重叠。此外由于孔径对失重过程有影响，使用标准化的50um孔径盖，相比多少有点随意性的手动扎孔，也有助于提高测试的重复性。

补充应用 小分子物质的沸点测试

上图为使用DSC，对水的沸点进行测试，并对比了50um微孔盖结果（红线），与两个手动扎孔结果（绿线孔径小一些，蓝线孔径更大些）的测试结果。

图中可见使用微孔盖，坩埚内的气态水分压较高，抑制了水在沸点之前的提前挥发过程，导致在90℃之前基本维持了较平的基线，随后所得汽化峰形状相对较尖而窄，起始点更明确，标注结果较接近纯水的理论沸点。

而由于手动扎孔的孔径大一些，不能很好地维持坩埚内的气态水分压，导致水份在较低温度下即开始挥发，曲线较早地偏离基线、往吸热方向弯起。孔径越大，曲线弯起越早、越明显，所标起始点也会更多地偏离真实沸点。

上图为使用同步热分析STA（TG-DSC），对萘的熔融与汽化过程进行了测试。得益于50um微孔盖对“提前挥发”的抑制，所得汽化失重过程温度区间较窄，汽化峰形状规整，起始点较为明确（217.8℃）且十分接近萘的文献沸点（217.9℃），能够较好地对汽化热进行量化计算，且计算结果（267 J/g）接近该温度下的文献值（~260 J/g）

• Netzsch DSC的铝坩埚常规配套不打孔的坩埚盖，使用时一般用针尖或镊子进行手动扎孔。同时另有激光预打孔（孔径统一为50um）的坩埚盖可以选配。

• 坩埚盖扎孔的目的是确保测试过程中坩埚内部处于常压状态。对于大多数常规DSC测试，特别是物理相变类的测试（如高分子材料的玻璃化转变、熔融、结晶），测试结果与坩埚盖的孔径无关，因此使用手动扎孔方式即可。

• 但在药物领域，很多样品在熔融之后伴随着立即的成分挥发或分解，在常规测试方式下很难将两者分开。但由于挥发或分解过程的化学平衡受坩埚内的气态产物分压影响较大，因此使用激光打孔的50um标准孔径坩埚盖，对气态产物的扩散逸出制造人为的障碍，有助于在坩埚内部维持较高的气态产物分压，在一定程度上抑制挥发或分解过程，使该温度区间延后，以达到与熔融峰相互分离的目的。同时测试仍然在常压下进行，不致对熔点本身造成改变。

• 使用这种坩埚盖的另一优点是能够避免手动扎孔的孔径不一致对测试（尤其是牵涉到化学平衡的测试）造成的影响，提高测试的重复性。

• 对于小分子物质的沸点测试（当然前提是汽化的物质不会污染仪器），50um坩埚盖也为必须。若使用普通扎孔盖，挥发过程将提前，峰形变得宽矮，起始点不明确，不能测到尖锐的汽化峰。

• 总之，50um坩埚盖在药物行业、或者扩大到化学类应用领域，有很大的实用意义。以上应用案例可供思路参考。

作者

徐梁

耐驰仪器公司应用实验室