Calorímetro de varredura diferencial

Autor: Leandro Alegsa Data de criação: 20 de abril de 2021

A calorimetria de varredura diferencial (DSC), é uma ferramenta de análise amplamente utilizada em ciências de materiais, termoquímica, pureza de drogas e testes de qualidade de alimentos. Sua velocidade e facilidade de operação dão informações instantâneas sobre as características termodinâmicas que desempenham um papel importante na compreensão de processos complexos durante a formação de substâncias; por exemplo, ligação cruzada de polímeros, troca de calor devido à dobra e desdobramento de proteínas ou mecanismo de formação de DNA de cadeia simples ou dupla. O DSC foi inventado inicialmente em 1962 por E.S. Watson e M.J. O'Neil e disponibilizado ao mercado em 1963 na conferência de Química Analítica e Espectroscopia Aplicada, realizada em Pittsburgh.

Estrutura física

Os dois tipos mais comuns de calorímetro de varredura diferencial, são o DSC de fluxo de calor, que opera mantendo o fornecimento de calor ao sistema como constante e o DSC de compensação de energia, que funciona mantendo a energia fornecida ao calorímetro como constante. Em geral, um DSC calcula as mudanças de calor medindo a diferença de temperatura entre a amostra e o suporte de referência. O projeto típico do DSC do fluxo de calor pode ser visto na Figura 1. Ele contém o suporte da amostra, onde o material de interesse é colocado, e o suporte de referência, que geralmente é mantido vazio. Ambos são colocados em um suporte, que está em bom contato com as paredes do calorímetro. A resistência de aquecimento é fixada às paredes de contorno que permite obter um forno que gera e mantém a quantidade de calor necessária dentro do recinto. O termopar conectado tanto à amostra quanto ao suporte de referência é um dispositivo de medição que fornece a temperatura a ser usada na análise. O calor fornecido pela resistência de aquecimento flui mais para dentro da amostra e das câmaras de materiais de referência.

Figura 1. Desenho esquemático do fluxo de calor Calorimetria de varredura diferencial.

Teoria

A abordagem teórica mais simples para entender o mecanismo de trabalho dos DSC's é chamada de modelo linear simplificado e faz uso das seguintes suposições:

O fluxo de calor é constante,
Nenhuma interação entre a amostra e a referência,
Somente as capacidades térmicas de amostra e referência são consideradas,
A temperatura que está sendo medida para ser a temperatura atual da amostra,
O sistema é isolado do entorno, ou seja, não há troca de calor com o exterior.

A lei de Fourier de condução de calor, que é a lei fundamental que explica como o calor é transferido através dos materiais pode ser usado para ver a relação entre a temperatura e o fluxo de calor no sistema. Esta lei afirma que a quantidade de energia térmica que passa por uma pequena porção de uma área (A) de um material, que é chamada densidade do fluxo de calor e denotada por ( Φ A ) {\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}estilo de textura (frac {\i}}{\i1}mathsf {\i}{\i}} ${\textstyle ({\frac {\mathsf {\Phi }}{\mathsf {A}}})}$ é equivalente à condutividade térmica (k) multiplicada pela mudança na temperatura em relação à posição, que pode ser denotado como ( - Δ T Δ x ) estilo de texto (-frac {\mathsf {\mathsf {\Delta {\Delta {\Delta {\Delta {\Delta {\Delta {\Delta {\Delta {\Delta {\Delta {\Delta ${\textstyle (-{\frac {{\mathsf {\Delta }}T}{{\mathsf {\Delta }}x}})}$ {\Delta Esta relação em forma de equação pode ser escrita como,

Φ A = - k Δ T Δ x x estilo de jogo doquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquadfracsf

$\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad {\frac {\mathsf {\Phi }}{A}}=-k{\frac {{\mathsf {\Delta }}T}{{\mathsf {\Delta }}x}}$

Geralmente, em DSC é usado um computador para fornecer calor a uma taxa específica tanto nos suportes de referência quanto nos de amostra. Quando o suporte de amostra contém uma substância enquanto a referência é mantida vazia leva a um aumento ou diminuição da temperatura do suporte de amostra denotado por ( T s ) {\textstyle (T_{s})} ${\textstyle (T_{s})}$ , dependendo dos seguintes processos:

Se o processo consome calor, isto é, calor externo é necessário para que o evento ocorra, o que também é chamado de endotérmico, então a temperatura no suporte da amostra diminui.
Se o processo é liberador de calor, isso é calor extra, que também é chamado de exotérmico, então a temperatura no suporte da amostra aumenta.

Então, a mudança resultante no fluxo de calor devido a estas variações de temperatura pode ser encontrada usando a lei de Fourier como o seguinte,

| Φ r | Φ r | = k A Δ x | Δ T s r |displaystyle |{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}frac {\i}{kA}{\i1}{\i1}mathsf Delta |x}{\i} T_T_{\i}{\i}

$|{\mathsf {\Phi }}_{r}|={\frac {kA}{{\mathsf {\Delta }}x}}|{\mathsf {\Delta }}T_{sr}|$

Φ r | Φ r | = K | Δ T s r | = { - K Δ T s r , : exothermic K Δ T s r , : endothermic |{\mathisplaystyle |{\mathsf |{\r}|=K|{\mathsf {\mathsf |T_{\sr}={\begin{\sr}-K{\mathsf {\mathsf {\sr},&{\mathissf exothermic K-K-K{\i1}mathsf Delta {\i}T_{sr},&textos {\i}: endothermic

$|{\mathsf {\Phi }}_{r}|=K|{\mathsf {\Delta }}T_{sr}|={\begin{cases}-K{\mathsf {\Delta }}T_{sr},&{\text{: exothermic}}\\K{\mathsf {\Delta }}T_{sr},&{\text{: endothermic}}\end{cases}}$

Assim, com base neste modelo simples, verifica-se que existe uma proporcionalidade direta(K) entre o fluxo de calor e as variações de temperatura da amostra. Esta constante de proporcionalidade depende da distância da parede até a amostra mostrada como (Δx), da área da seção transversal do suporte (A) e da condutividade térmica (k). Geralmente, os principais resultados do experimento DSC é um sinal de saída do fluxo de calor em função da temperatura, que são chamados de curvas DSC. A análise destas curvas desempenha um papel importante na determinação do calor de transformação, calor de reações ou quaisquer alterações na capacidade térmica devido a variações de temperatura, por exemplo, a entalpia de processos exotérmicos e endotérmicos pode ser determinada encontrando a área sob a curva DSC usando uma técnica matemática chamada cálculo integral.

Figura 2. O desenho esquemático com todas as variáveis atribuídas para análise teórica.

Aplicações

Desnaturação térmica das proteínas

Uma das aplicações mais importantes do DCS está relacionada ao desdobramento térmico das proteínas, um processo chamado desnaturação. O papel do DCS neste processo é usado para determinar a faixa de temperatura sobre a qual as proteínas exibem mudanças estruturais. Além disso, quando a solução protéica é tratada sob taxa de calor constante e pressão constante, o DCS pode determinar as capacidades térmicas aparentes das proteínas. De fato, as proteínas desnaturadas acabam tendo maiores capacidades de calor e a detecção adequada de mudanças nelas ao longo do tempo pode ajudar a descobrir a extensão do desdobramento.

Avaliação de lipídios e gorduras

O controle de qualidade dos alimentos é uma das questões mais importantes para o cuidado com a saúde e o bem-estar humano. Foram relatadas muitas práticas ilegais com relação a produtos alimentícios, especificamente a adulteração de alguns óleos e gorduras vegetais de alto preço. A adulteração é uma ação de mistura de ingredientes de baixa qualidade e às vezes prejudiciais com produtos alimentícios destinados a serem vendidos. Neste campo, a DSC é utilizada para analisar o comportamento térmico dos lipídios principalmente por dois processos, o processo de resfriamento, que relata informações sobre a cristalização e o processo de aquecimento, que dá informações sobre o comportamento de fusão dos blocos de construção dos lipídios. A adulteração em gorduras ou óleos altera as curvas de resfriamento e aquecimento do DSC. Por exemplo, novos picos aparecem e picos existentes passam por mudanças. Assim, a análise dos dados do DSC pode ser usada na estimativa do processo de adulteração de nutrientes.

Pureza de drogas

A DSC ganhou muito interesse na investigação da pureza de medicamentos porque requer amostras com baixa quantidade (1-2 mg) e é consideravelmente rápida em termos de tempo de análise. Por exemplo, através do monitoramento dos efeitos de substâncias estranhas, é possível encontrar até que ponto um medicamento é puro. Acontece que as impurezas diminuem a temperatura de fusão ( T m ) $(T_{m})$ do fármaco (T_{m})}. Além disso, a temperatura de fusão também pode ser usada para estimar a estabilidade térmica das drogas, porque quanto mais alto o ( T m ) {\i} {\i1} estilo de exposição (T_{m})} $(T_{m})$ mais estável é a proteína. Portanto, o DSC permite o monitoramento instantâneo desta temperatura levando a uma maneira muito mais fácil e rápida de controlar a qualidade dos medicamentos.

Perguntas e Respostas

P: O que é calorimetria diferencial de varredura?

R: A calorimetria exploratória diferencial (DSC) é uma ferramenta de análise amplamente utilizada em ciências de materiais, termoquímica, pureza de medicamentos e testes de qualidade de alimentos.

P: Que tipo de informação a DSC fornece?

R: A DSC fornece informações instantâneas sobre as características termodinâmicas que desempenham um papel importante na compreensão de processos complexos durante a formação de substâncias.

P: Em que áreas o DSC pode ser aplicado?

R: O DSC pode ser aplicado em ciências de materiais, termoquímica, pureza de medicamentos e testes de qualidade de alimentos.

P: Quem inventou o DSC?

R: A DSC foi inventada por E.S. Watson e M.J. O'Neil em 1962.

P: Quando a DSC foi disponibilizada para o mercado?

R: A DSC foi disponibilizada para o mercado em 1963, na conferência Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy (Química Analítica e Espectroscopia Aplicada), realizada em Pittsburgh.

P: Quais são alguns exemplos de processos complexos que a DSC pode ajudar a entender?

R: Por exemplo, a DSC pode ajudar a compreender a ligação cruzada de polímeros, a troca de calor devido ao dobramento e desdobramento de proteínas ou o mecanismo de formação de DNA de fita simples ou dupla.

P: Quais são algumas das vantagens do DSC?

R: Algumas vantagens do DSC incluem a velocidade e a facilidade de operação para fornecer informações instantâneas sobre as características termodinâmicas.