说明：本文最初发布于“热分析与吸附”公众号（点击打开链接），欢迎关注公众号了解更多的与热分析和吸附相关的内容。
通常通过色谱法、光谱法以及滴定法等技术来测量物质的纯度，然而在实际应用中这些传统方法具有前处理繁琐、耗时等不足。与这些传统分析技术相比，通过热分析中的差示扫描量热法（DSC）测量物质的纯度则具有样品用量少、基本不需要前处理、耗时短等优势。在本部分内容中将简要介绍通过DSC法测量物质的纯度的方法。
1. DSC法测量纯度的方法简介
根据样品和杂质性质的差异，可以采用多种方法来分析药物和小分子有机物的纯度。测定药物纯度的方法有多种，如溶解度分析法、液相色谱法、红外光谱法、紫外光谱法、滴定法等。传统分析方法比较复杂及费时，例如现有的高效液相法，在实验中需要使用大量有机试剂，易对环境造成污染。并且该方法的前处理及实验工作量大、测定时间长，对测试者的人身威胁也大。滴定法由于测试环境简单、操作带来的误差较大导致得到的数据往往不可靠。另外，由红外光谱、紫外光谱等方法只能给出峰的变化，只能得到一个相对的数据，无法得到较准确的定量数据。
与其他测定纯度的方法相比，DSC法具有以下的优点：
（1）试样用量少，一般只有1-5mg；
（2）测定时间短，通常少于1h；
（3）不需要标准品；
（4）样品制备简单，不需分离杂质；
（5）能测定物质的绝对纯度，并且在精确度和准确度上优于其它方法。
随着现代热分析技术和热分析理论的发展，差示扫描量热法用于测定物质的纯度的实例越来越多。DSC法作为一种简单、可操作性强、测试时间短的测定纯度的方法，较目前已有的测定纯度的方法优势巨大。DSC法可以在几个小时内利用很少的样品（几微克）判断出样品的绝对纯度，具有精度高、数据可靠性高等优势。
采用DSC法测量有机化合物纯度，只基于化合物的熔融过程的吸热峰，不需要任何参考标准，甚至样品的纯物质熔点也不必知道。用DSC测定物质的纯度时，试样的纯度对曲线的峰高和峰宽有明显的影响。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。熔融峰变宽是估量化合物纯度的标准。纯度降低时，熔融起始温度降低，峰高度下降，熔程加宽（图1）。因此，通过简单的峰形对比也可简便地估计样品的纯度。
图1 不同纯度的小分子有机物的DSC曲线
当然，采用DSC测定物质纯度的过程中存在着一些假设条件和不能克服的仪器因素，有时会影响测量结果的准确性。为减少理论和实际之间的偏差，提高检测的准确性，理想的化合物试样应满足以下条件：
（1）纯度在98%以上；
（2）杂质不与主要成分起反应，不与主要成分形成共晶或固溶体；
（3）试样中的杂质与熔融的目标物质之间具有化学相似性，即在液相状态时可以互熔，并形成理想溶液；
（4）试样若存在多晶现象，必须全部转变成某一晶型；
（5）试样在熔融过程中化学性质稳定。
2 DSC法测量纯度的工作原理
DSC中常用测量纯度的方法有单峰法和多峰法。
（1）单峰法
DSC法测定物质的纯度的理论基础是共熔体系熔点降低原理。在主成分和杂质所形成共熔体系中，主成分的熔点会随杂质的摩尔百分比含量的提高而逐渐降低。从理论上看，对于纯度高并且结晶完善的化合物而言，其DSC熔融峰非常尖锐。熔融峰变宽是估量化合物纯度的标准，纯度降低，熔融起始温度降低，峰高度下降，熔程加宽。根据Van’t Hoff方程，样品熔点Tm与纯品的熔点T0差值为：
其中表示摩尔热熔热焓，R为理想气体常数，杂质的摩尔常数，为纯物质的熔点，为含杂质的材料熔点。
为得到T0与ΔH，通常引入了熔融过程中任意样品温度Ts下熔融分数F概念，即
将Van’t Hoff方程代入F，得到下式：
等式（3）中，以Ts对1/F图应为一直线，该直线在Ts轴上的截距即为纯样品熔点T0，从直线的斜率可求出X。实际上Ts对1/F并不呈直线关系，而是随着试样纯度的降低而更远地偏离直线。主要原因是当实验过程已经达到热平衡时，试样尚未形成理想的固体溶液，而DSC实验曲线却已开始记录，这种现象称为样品的预熔融。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。
为了消除这种偏离信息，需进行校正处理。在数据分析时加一小块面积Sx到各部分面积Sn和总面积S中。通过线性最小二乘法拟合的方法直到Ts对1/F拟合为一条直线来确定Sx。通过选取DSC曲线中线性最好的一段进行横坐标（温度）等分，由DSC曲线得到不同的熔融温度以及所对应的热焓值，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。
图2是利用DSC对双酚A纯度进行测定得到的DSC曲线。可以由DSC曲线按照以上的方法直接计算得到杂质含量，而不需要使用高纯度的标准物质，使得实验操作误差对纯度的影响大大降低。
图2 双酚A纯度对DSC曲线的影响
（2）多峰法
由于单峰法测试的纯度范围比较小（>99%）,而且需要校正因子来进行修正。在此基础上发展了多峰法。多峰法采用步阶式升温，在平衡条件下完成融化过程，精度比较高，而且测量范围广。常用的多峰法是双峰法，只测多峰法中的最后几个峰，因为这几个峰的面积大，面积相差也大，因此误差比较小。这种方法选用步阶升温技术，分步完成熔融过程，这样就可以把预熔过程分离开来，各个峰的总和为，这样得到的-F为一条直线，不需要修正，这种方法最大的好处是可以测定杂质量较大的物质纯度。
3 影响纯度测量结果的因素
在对DSC曲线进行纯度分析的过程中，影响纯度测量结果准确度的因素主要包括：
（1）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即不同样品的摩尔分子量不同，一般取2-3mg的样品进行实验。
（2）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，在温升速率低于1℃/min对实验结果的准确性不会带来影响。
（3）坩埚的选择及预处理
为了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；由于纯度测定温升速率较慢，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尤为重要。对高精度测定实验，坩埚在使用之前必须进行加热预处理。
（4）保护气流速影响
在实验过程中通入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，一般选择20-40ml/min。
（5）样品粒度大小的影响
当样品的粒度过大时，由于热传递变慢而产生热梯度，导致峰形变宽。如对大颗粒进行研磨，容易因静电作用而发生团聚，因此需要较多的能量才能将其熔化。一旦熔融则速度加快，其熔融峰比原来团聚小晶体的熔融峰更尖锐。颗粒较小则有较多的晶体缺陷，试样处于较高的能量状态，导致峰高降低，峰形变宽，测得的纯度偏低。
另外，为了获得具有可比性且重现性好的实验数据，对于在不稳定环境下的易吸潮样品，通常在温度控制程序的起始平衡温度前加入一段样品等温过程，以消除样品的自身影响因素。
由于以上影响因素的存在，可以通过不确定度分析来评价测量结果的可靠性。
综合以上分析，用DSC法测定物质的纯度十分简单，具有准确度、精密度高,重现性好,操作简单,不需分离杂质等优点，完全可以作为测定有机化工品、药品纯度的常规检验方法。据估计，有75%以上的结晶有机化合物可用差示扫描量热法进行纯度测定。但由于影响热分析方法的精度的因素较多，如仪器因素、样品在纯度、稳定性及晶型等方面的因素等，因而热分析法在实际使用时有一定局限性，不能作为药物纯度判断的唯一标准，但可用于确证和支持其它分析方法纯度测定的结果。
应助达人
仪器信息网“仪友会”招募令
科学仪器品牌联合“仪器心得”征文活动
【生活中的仪器检测】有奖征文
LC-MS实验瓶颈的突破与优化
