डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमेट्री

डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमेट्री (डीएससी) एक थर्मल विश्लेषण विधि है जिसमें एक मानक और संदर्भ के तापमान को बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा में अंतर को तापमान के कार्य के रूप में मापा जाता है। पूरे प्रयोग के समय मानक और संदर्भ दोनों को लगभग एक गर्मी तापमान पर बनाए रखा जाता है। सामान्यतः, डीएससी विश्लेषण के लिए तापमान कार्यक्रम इस प्रकार से डिजाइन किया जाता है कि मानक धारक का तापमान समय के एक फलन के रूप में रैखिक रूप से बढ़ता है। संदर्भ मानक में स्कैन किए जाने वाले तापमान की सीमा पर एक अच्छी तरह से परिभाषित ताप क्षमता होनी चाहिए।

इस विधि का विकास ई.एस. वाटसन और एम.जे. ओ'नील ने 1962 में किया था। और विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान और एप्लाइड स्पेक्ट्रोस्कोपी पर 1963 पिट्सबर्ग सम्मेलन में व्यावसायिक रूप से प्रस्तुत किया गया था। पहला स्थिरोष्म  डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमीटर जिसे जीव रसायन में उपयोग किया जा सकता था, 1964 में त्बिलिसी, जॉर्जिया (देश) में भौतिकी संस्थान में पी.एल. प्रिवालोव और डी.आर. मोनासेलिडेज़ द्वारा विकसित किया गया था। डीएससी शब्द इस उपकरण का वर्णन करने के लिए गढ़ा गया था, जो ऊर्जा को सीधे मापता है और ताप क्षमता के त्रुटिहीन माप की अनुमति देता है।

डीएससी के प्रकार
डीएससी के दो मुख्य प्रकार हैं: हीट-फ्लक्स डीएससी जो मानक और एक संदर्भ के बीच गर्मी के प्रवाह में अंतर को मापता है और पावर अंतर डीएससी जो मानक और संदर्भ (जो इसे वैकल्पिक नाम मल्टी-सेल डीएससी देता है) को आपूर्ति की गई शक्ति में अंतर को मापता है।

हीट-फ्लक्स डीएससी
हीट-फ्लक्स डीएससी के साथ, गर्मी प्रवाह में परिवर्तन की गणना ΔTref- वक्र को एकीकृत करके की जाती है। इस तरह के प्रयोग के लिए, क्रूसिबल के तापमान माप के लिए एकीकृत तापमान सेंसर के साथ एक मानक धारक पर एक मानक और एक संदर्भ क्रूसिबल रखा जाता है। यह व्यवस्था तापमान नियंत्रित ओवन में स्थित है। इस क्लासिक डिजाइन के विपरीत, गर्मी-प्रवाह डीएससी की विशिष्ट विशेषता एक प्लानर हीटर के आस-पास प्लानर तापमान सेंसर की लंबवत संरूपण है। यह व्यवस्था एक डीएससी ओवन की पूर्ण कार्यक्षमता के साथ एक बहुत ही सघन, हल्के और कम गर्मी समाई संरचना की अनुमति देती है।

पावर डिफरेंशियल डीएससी
इस प्रकार के सेटअप के लिए, जिसे पावर क्षतिपूर्ति डीएससी के रूप में भी जाना जाता है, मानक और संदर्भ क्रूसिबल को थर्मली इंसुलेटेड भट्टियों में रखा जाता है और हीट-फ्लक्स-डीएससी प्रयोगों की तरह एक ही भट्टी में एक दूसरे के बगल में नहीं रखा जाता है। फिर दोनों कक्षों के तापमान को नियंत्रित किया जाता है ताकि दोनों तरफ एक ही तापमान सदैव उपस्थित होना चाहिए। इस अवस्था को प्राप्त करने और बनाए रखने के लिए आवश्यक विद्युत शक्ति को दो क्रूसिबलों के बीच तापमान के अंतर के अतिरिक्त रिकॉर्ड किया जाता है।

फास्ट-स्कैन डीएससी
2000 के दशक में फास्ट-स्कैन डीएससी (एफएससी) का तेजी से विकास देखा गया है, एक उपन्यास कैलोरीमेट्रिक विधि जो माइक्रोमशीन सेंसर को नियोजित करती है। इस विधि की प्रमुख प्रगति अल्ट्राहाई स्कैनिंग दर है, जो 106 के/एस जितनी अधिक हो सकती है, और अल्ट्राहाई संवेदनशीलता, गर्मी क्षमता संकल्प के साथ सामान्यतः 1 एनजे/के से बेहतर होती है। नैनोकैलोरीमेट्री ने सामग्री विज्ञान में बहुत अधिक ध्यान आकर्षित किया है, जहां इसे तेजी से ठंडा करने पर तेजी से चरण संक्रमणों के मात्रात्मक विश्लेषण करने के लिए प्रायुक्त किया जाता है। एफएससी के अनुप्रयोग का एक अन्य उभरता हुआ क्षेत्र भौतिक रसायन है, जिसमें ऊष्मीय रूप से अस्थिर यौगिकों के थर्मोफिजिकल गुणों पर ध्यान केंद्रित किया गया है। गलनांक, संलयन की तापीय धारिता, उर्ध्वपातन (चरण संक्रमण), और वाष्पकरण दबाव, और ऐसे अणुओं के वाष्पीकरण की तापीय धारिता जैसी मात्राएँ उपलब्ध हो गईं।

तापमान संशोधित डीएससी
तापमान संशोधित डीएससी करते समय, अंतर्निहित रैखिक ताप दर एक ज्यावक्रीय तापमान भिन्नता द्वारा आरोपित होती है। इस प्रक्रिया का लाभ उत्क्रमी और गैर-उत्क्रमी संकेतों की गणना करके ओवरलैपिंग डीएससी प्रभावों को अलग करने की क्षमता है। उत्क्रमी हीट फ्लो विशिष्ट हीट कैपेसिटी (→ ग्लास ट्रांजिशन) में बदलाव से संबंधित है, जबकि गैर-उत्क्रमी हीट फ्लो समय-निर्भर घटनाओं जैसे अभिक्रिया, निर्जलीकरण और विश्राम से मेल खाता है।

चरण संक्रमण का पता लगाना
इस विधि में अंतर्निहित मूल सिद्धांत यह है कि जब मानक चरण संक्रमण जैसे भौतिक परिवर्तन से निकलता है, तो एक ही तापमान पर दोनों को बनाए रखने के संदर्भ में अधिक या कम गर्मी को प्रवाहित करने की आवश्यकता होगी। मानक में कम या अधिक ऊष्मा का प्रवाह होना चाहिए या नहीं यह इस बात पर निर्भर करता है कि प्रक्रिया उष्माक्षेपी प्रतिक्रिया है या एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया है। उदाहरण के लिए, एक ठोस मानक एक तरल में पिघलने के रूप में, इसे संदर्भ के समान दर पर तापमान बढ़ाने के लिए मानक में अधिक गर्मी प्रवाहित करने की आवश्यकता होगी। यह मानक द्वारा ऊष्मा के अवशोषण के कारण होता है क्योंकि यह ठोस से तरल में एंडोथर्मिक चरण संक्रमण से निकलता है। इसी तरह, जैसा कि मानक उष्माक्षेपी प्रक्रियाओं (जैसे क्रिस्टलीकरण) से निकलता है, मानक तापमान बढ़ाने के लिए कम गर्मी की आवश्यकता होती है। मानक और संदर्भ के बीच गर्मी के प्रवाह में अंतर को देखकर, अंतर स्कैनिंग कैलोरीमीटर ऐसे संक्रमणों के समय अवशोषित या जारी गर्मी की मात्रा को मापने में सक्षम होते हैं। डीएससी का उपयोग कांच के संक्रमण जैसे अधिक सूक्ष्म भौतिक परिवर्तनों को देखने के लिए भी किया जा सकता है। मानक शुद्धता का मूल्यांकन करने और बहुलक अभिक्रिया का अध्ययन करने के लिए इसकी प्रयोज्यता के कारण गुणवत्ता नियंत्रण उपकरण के रूप में इसका व्यापक रूप से औद्योगिक सेटिंग्स में उपयोग किया जाता है।

डीटीए
एक वैकल्पिक विधि, जो डीएससी के साथ बहुत कुछ साझा करती है, अंतर थर्मल विश्लेषण (डीटीए) है। इस विधि में यह मानक और संदर्भ के लिए गर्मी का प्रवाह है जो तापमान के अतिरिक्त समान रहता है। जब मानक और संदर्भ को समान रूप से गर्म किया जाता है, तो चरण परिवर्तन और अन्य तापीय प्रक्रियाएं मानक और संदर्भ के बीच तापमान में अंतर उत्पन्न करती हैं। डीएससी और डीटीए दोनों समान जानकारी प्रदान करते हैं। डीएससी संदर्भ और मानक दोनों को एक ही तापमान पर रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा को मापता है जबकि डीटीए मानक और संदर्भ के बीच तापमान में अंतर को मापता है जब दोनों में समान मात्रा में ऊर्जा प्रस्तुत की जाती है।

डीएससी वक्र
डीएससी प्रयोग का परिणाम गर्मी प्रवाह बनाम तापमान या बनाम समय का एक वक्र है। दो अलग-अलग प्रथाएं हैं: प्रयोग में उपयोग की जाने वाली विधि के आधार पर सकारात्मक या ऋणात्मक चोटी के साथ दिखाए गए मानक में उष्माक्षेपी प्रतिक्रियाएं। इस वक्र का उपयोग तापीय धारिता की गणना के लिए किया जा सकता है। यह किसी दिए गए संक्रमण के अनुरूप चोटी को एकीकृत करके किया जाता है। यह दिखाया जा सकता है कि निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके संक्रमण की तापीय धारिता व्यक्त की जा सकती है:

$$\Delta H = K A$$

जहाँ $$\Delta H$$ संक्रमण की तापीय धारिता है, $$K$$ कैलोरीमेट्रिक स्थिरांक है, और $$A$$ वक्र के नीचे का क्षेत्र है। कैलोरीमेट्रिक स्थिरांक एक उपकरण से दूसरे उपकरण में भिन्न होगा, और संक्रमण के ज्ञात तापीय धारिता के साथ एक अच्छी तरह से चित्रित मानक का विश्लेषण करके निर्धारित किया जा सकता है।

अनुप्रयोग
एक मानक के कई विशिष्ट गुणों को मापने के लिए विभेदक स्कैनिंग कैलोरीमेट्री का उपयोग किया जा सकता है। इस विधि का उपयोग करके गलनांक और क्रिस्टलीकरण की घटनाओं के साथ-साथ कांच के संक्रमण तापमान Tg का निरीक्षण करना संभव है। डीएससी का उपयोग ऑक्सीकरण, साथ ही अन्य रासायनिक प्रतिक्रियाओं के अध्ययन के लिए भी किया जा सकता है।

ग्लास संक्रमण हो सकता है क्योंकि एक अनाकार ठोस का तापमान बढ़ जाता है। ये बदलाव रिकॉर्ड किए गए डीएससी सिग्नल की आधार रेखा में एक चरण के रूप में दिखाई देते हैं। यह कॉज़मैन विरोधाभास से गुजरने वाले मानक के कारण है; कोई औपचारिक चरण परिवर्तन नहीं होता है।

जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, एक अनाकार ठोस कम चिपचिपा हो जाएगा। कुछ बिंदु पर अणु गति की पर्याप्त स्वतंत्रता प्राप्त कर सकते हैं ताकि वे स्वयं को क्रिस्टलीय रूप में व्यवस्थित कर सकें। इसे क्रिस्टलीकरण तापमान (Tc) के रूप में जाना जाता है। अक्रिस्टलीय ठोस से क्रिस्टलीय ठोस में यह परिवर्तन एक उष्माक्षेपी प्रक्रिया है, और इसका परिणाम डीएससी सिग्नल में चरम पर होता है। जैसे ही तापमान बढ़ता है मानक अंततः अपने पिघलने के तापमान (Tm) तक पहुंच जाता है। पिघलने की प्रक्रिया के परिणामस्वरूप डीएससी वक्र में एंडोथर्मिक शिखर होता है। ट्रांज़िशन तापमान और तापीय धारिता निर्धारित करने की क्षमता विभिन्न रासायनिक प्रणालियों के लिए चरण आरेख बनाने में डीएससी को एक मूल्यवान उपकरण बनाती है।

डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमेट्री का उपयोग प्रोटीन के बारे में मूल्यवान ऊष्मप्रवैगिकी जानकारी प्राप्त करने के लिए भी किया जा सकता है। प्रोटीन के ऊष्मप्रवैगिकी विश्लेषण से प्रोटीन की वैश्विक संरचना और प्रोटीन/लिगैंड इंटरेक्शन के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रकट हो सकती है। उदाहरण के लिए, कई उत्परिवर्तन प्रोटीन की स्थिरता को कम करते हैं, जबकि लिगैंड बाइंडिंग सामान्यतः प्रोटीन स्थिरता को बढ़ाता है। डीएससी का उपयोग करके, इस स्थिरता को किसी दिए गए तापमान पर गिब्स मुक्त ऊर्जा मान प्राप्त करके मापा जा सकता है। यह शोधकर्ताओं को लिगैंड-मुक्त प्रोटीन और प्रोटीन-लिगैंड कॉम्प्लेक्स, या जंगली प्रकार और उत्परिवर्ती प्रोटीन के बीच प्रकट होने वाली मुक्त ऊर्जा की तुलना करने की अनुमति देता है। डीएससी का उपयोग प्रोटीन/लिपिड अन्योन्य क्रिया, न्यूक्लियोटाइड, ड्रग-लिपिड अन्योन्यक्रिया के अध्ययन में भी किया जा सकता है। डीएससी का उपयोग कर प्रोटीन विकृतीकरण का अध्ययन करने में, थर्मल पिघल कम से कम कुछ हद तक प्रतिवर्ती होना चाहिए, क्योंकि ऊष्मप्रवैगिकी गणना रासायनिक संतुलन पर निर्भर करती है।

उदाहरण
विधि व्यापक रूप से अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला में उपयोग की जाती है, दोनों एक नियमित गुणवत्ता परीक्षण और एक शोध उपकरण के रूप में। उदाहरण के लिए 156.5985 डिग्री सेल्सियस पर कम पिघलने वाले ईण्डीयुम का उपयोग करके उपकरण को जांचना आसान है, और यह थर्मल विश्लेषण का एक तेज़ और विश्वसनीय विधि है।

बहुलक
डीएससी का व्यापक रूप से उनके थर्मल संक्रमणों को निर्धारित करने के लिए बहुलक सामग्री की जांच के लिए उपयोग किया जाता है। महत्वपूर्ण तापीय संक्रमणों में कांच संक्रमण तापमान (Tg), क्रिस्टलीकरण तापमान (Tc), और पिघलने का तापमान (Tm) सम्मिलित हैं। सामग्री की तुलना करने के लिए देखे गए थर्मल संक्रमणों का उपयोग किया जा सकता है, चूंकि अकेले संक्रमण संरचना की विशिष्ट पहचान नहीं करते हैं। आईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसी पूरक तकनीकों का उपयोग करके अज्ञात सामग्रियों की संरचना को पूरा किया जा सकता है। अधिकांश बहुलक के पिघलने बिंदु और कांच संक्रमण तापमान मानक संकलन से उपलब्ध हैं, और विधि अपेक्षित पिघलने के तापमान को कम करके बहुलक गिरावट दिखा सकती है। टीएम बहुलक और थर्मल इतिहास के आणविक भार पर निर्भर करता है।

एक बहुलक की प्रतिशत क्रिस्टलीय सामग्री का अनुमान डीएससी ग्राफ के क्रिस्टलीकरण/पिघलने वाली चोटियों से लगाया जा सकता है, जो साहित्य में पाए जाने वाले संलयन के संदर्भ ताप का उपयोग करते हैं। डीएससी का उपयोग ऑक्सीडेटिव ऑनसेट तापमान/समय (ओओटी) जैसे दृष्टिकोण का उपयोग करके बहुलक के थर्मल क्षरण का अध्ययन करने के लिए भी किया जा सकता है; हालाँकि, उपयोगकर्ता डीएससी सेल के दूषित होने का जोखिम उठाता है, जो समस्याग्रस्त हो सकता है। अपघटन व्यवहार निर्धारण के लिए थर्मोग्रैविमेट्रिक विश्लेषण (टीजीए) अधिक उपयोगी हो सकता है। विषम चोटियों के लिए थर्मोग्राम की जांच करके बहुलक में अशुद्धियों का निर्धारण किया जा सकता है, और प्लास्टिसाइज़र को उनके विशिष्ट क्वथनांक पर पता लगाया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, पहली गर्मी थर्मल विश्लेषण डेटा में साधारण घटनाओं की जांच उपयोगी हो सकती है क्योंकि ये स्पष्ट रूप से विषम चोटियां वास्तव में सामग्री या बहुलक भौतिक उम्र बढ़ने की प्रक्रिया या भंडारण थर्मल इतिहास का प्रतिनिधि भी हो सकती हैं। लगातार ताप दरों पर एकत्र किए गए पहले और दूसरे ताप डेटा की तुलना विश्लेषक को बहुलक प्रसंस्करण इतिहास और भौतिक गुणों दोनों के बारे में जानने की अनुमति दे सकती है।

तरल स्फ़टिक
डीएससी का उपयोग तरल क्रिस्टल के अध्ययन में किया जाता है। चूंकि पदार्थ के कुछ रूप ठोस से तरल अवस्था में जाते हैं, वे तीसरी अवस्था से गुजरते हैं, जो दोनों चरणों के गुणों को प्रदर्शित करता है। इस एनिस्ट्रोपिक तरल को तरल क्रिस्टलीय या मेसोमोर्फस अवस्था के रूप में जाना जाता है। डीएससी का उपयोग करके, छोटे ऊर्जा परिवर्तनों का निरीक्षण करना संभव है जो एक ठोस से एक तरल क्रिस्टल और एक तरल क्रिस्टल से एक समदैशिक तरल में संक्रमण के रूप में होते हैं।

ऑक्सीडेटिव स्थिरता
मानकों के ऑक्सीकरण की स्थिरता का अध्ययन करने के लिए डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमेट्री का उपयोग करने के लिए सामान्यतः एक वायुरोधी मानक कक्ष की आवश्यकता होती है। इसका उपयोग मानक के ऑक्सीडेटिव-प्रेरण समय (ओआईटी) को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। इस तरह के परीक्षण सामान्यतः मानक के वातावरण को बदलकर इज़ोटेर्मली (स्थिर तापमान पर) किए जाते हैं। सबसे पहले, मानक को एक निष्क्रिय वातावरण, सामान्यतः नाइट्रोजन के तहत वांछित परीक्षण तापमान में लाया जाता है। इसके बाद ऑक्सीजन को प्रणाली में जोड़ा जाता है। कोई भी ऑक्सीकरण जो होता है उसे आधार रेखा में विचलन के रूप में देखा जाता है। इस तरह के विश्लेषण का उपयोग सामग्री या यौगिक के लिए स्थिरता और इष्टतम भंडारण स्थितियों को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। किसी सामग्री के ऑक्सीडेटिव-प्रारंभ तापमान (ओओटी) को निर्धारित करने के लिए डीएससी उपकरण का भी उपयोग किया जा सकता है। इस परीक्षण में एक मानक (और एक संदर्भ) एक ऑक्सीजन वातावरण के संपर्क में आता है और हीटिंग की निरंतर दर (सामान्यतः 50 से 300 डिग्री सेल्सियस) के अधीन होता है। ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया प्रारंभ होने पर डीएससी गर्मी प्रवाह वक्र विचलित हो जाएगा (प्रतिक्रिया या तो उष्माक्षेपी या एन्दोठेर्मिक  हो रही है)। ओआईटी और ओओटी दोनों परीक्षणों का उपयोग एंटीऑक्सिडेंट की गतिविधि को निर्धारित करने के लिए एक उपकरण के रूप में किया जाता है।

सुरक्षा जांच
डीएससी एक उचित प्रारंभिक सुरक्षा जांच उपकरण बनाता है। इस मोड में मानक एक गैर-प्रतिक्रियाशील क्रूसिबल (अक्सर सोना या सोना चढ़ाया हुआ स्टील) में रखा जाएगा, और जो दबाव (सामान्यतः 100 बार (इकाई)  तक) का सामना करने में सक्षम होगा। एक उष्माक्षेपी घटना की उपस्थिति का उपयोग किसी पदार्थ की गर्मी की रासायनिक स्थिरता का आकलन करने के लिए किया जा सकता है। चूंकि, अपेक्षाकृत कम संवेदनशीलता, सामान्य स्कैन दरों  (सामान्यतः 2-3 डिग्री सेल्सियस/मिनट, बहुत भारी क्रूसिबल के कारण) की तुलना में धीमी और अज्ञात सक्रियण ऊर्जा के संयोजन के कारण, सामग्री के लिए अधिकतम तापमान का सुझाव देने के लिए प्रेक्षित उष्माक्षेपी की प्रारंभिक प्रारंभ से लगभग 75-100 डिग्री सेल्सियस घटाना आवश्यक है।। रुद्धोष्म कैलोरीमीटर से अधिक सटीक डेटा सेट प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन इस तरह के परीक्षण में परिवेश से प्रति आधे घंटे में 3 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि की दर से 2-3 दिन लग सकते हैं।

दवा विश्लेषण
डीएससी का व्यापक रूप से दवा और बहुलक उद्योगों में उपयोग किया जाता है। बहुलक रसायनज्ञ के लिए, डीएससी अभिक्रिया (रसायन विज्ञान) प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए एक उपयोगी उपकरण है, जो बहुलक गुणों के ठीक ट्यूनिंग की अनुमति देता है। अभिक्रिया प्रक्रिया में होने वाले बहुलक अणुओं का तिर्यक् बंधन उष्माक्षेपी है, जिसके परिणामस्वरूप डीएससी वक्र में एक ऋणात्मक शिखर होता है जो सामान्यतः कांच के संक्रमण के तुरंत बाद दिखाई देता है।

फार्मास्युटिकल उद्योग में प्रसंस्करण मापदंडों को परिभाषित करने के लिए अच्छी तरह से विशेषता वाले दवा यौगिकों का होना आवश्यक है। उदाहरण के लिए, यदि किसी दवा को अनाकार रूप में वितरित करना आवश्यक है, तो दवा को उस तापमान से नीचे संसाधित करना वांछनीय है जिस पर क्रिस्टलीकरण हो सकता है।

सामान्य रासायनिक विश्लेषण
अंतर स्कैनिंग कैलोरीमेट्री द्वारा विश्लेषण किए जाने पर हिमांक-बिंदु अवसाद को शुद्धता विश्लेषण उपकरण के रूप में उपयोग किया जा सकता है। यह संभव है क्योंकि जिस तापमान सीमा पर यौगिकों का मिश्रण पिघलता है, वह उनकी सापेक्ष मात्रा पर निर्भर करता है। परिणामस्वरुप, कम शुद्ध यौगिक एक व्यापक पिघलने वाली चोटी का प्रदर्शन करेंगे जो शुद्ध यौगिक से कम तापमान पर प्रारंभ होता है।

यह भी देखें

 * रासायनिक ऊष्मप्रवैगिकी
 * उष्मामिति
 * एंडोथर्मिक
 * एक्ज़ोथिर्मिक
 * फोरेंसिक इंजीनियरिंग
 * फोरेंसिक पॉलिमर इंजीनियरिंग
 * कांच पारगमन तापमान
 * चरण संक्रमण
 * पॉलिमर
 * दबाव गड़बड़ी कैलोरीमेट्री
 * थर्मल और विकसित गैस विश्लेषक

बाहरी संबंध

 * The result of a डीएससी experiment is a curve of heat flux versus temperature or versus time.