DSC的基本原理

　　差示掃描量熱（Differential scanning calorimetry，簡(jiǎn)稱DSC）是在程序控溫過程中，通過檢測(cè)器定量測(cè)出試樣吸收或放出的熱量，研究試樣的熱變化（熔化，分解，交聯(lián)等）。

　　根據(jù)測(cè)量方法的不同，DSC可分為熱流型DSC和功率補(bǔ)償型DSC。

　　圖一：熱流型DSC的儀器構(gòu)造簡(jiǎn)圖

　　熱流型DSC，通常也被認(rèn)為是定量的DTA，它的儀器構(gòu)造如圖一。試樣和參比都在一個(gè)加熱板上加熱，通過熱流檢測(cè)器（一種熱阻）可以測(cè)出參比和試樣之間的熱流差，從而準(zhǔn)確定量，這也是DSC較之DTA的高級(jí)之處。

　　圖二：功率補(bǔ)償型DSC儀器構(gòu)造簡(jiǎn)圖

　　功率補(bǔ)償型DSC的儀器構(gòu)造如圖二，其要求試樣與參比的溫度不論試樣吸熱或放熱都要相同。為此，在試樣和參比下面除設(shè)有測(cè)溫元件外，還設(shè)有加熱器，借助加熱器隨時(shí)保持試樣和參比物之間溫差為零，同時(shí)記錄加熱器的熱輸出，即可測(cè)得熱流差。

　　DSC曲線

　　測(cè)量最終得到的是以樣品吸熱或放熱的速率（dH/dt或Φ）為縱坐標(biāo)，以溫度（T）或時(shí)間（t）為橫坐標(biāo)的DSC曲線。

　　下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子介紹DSC曲線（圖三）：

　　圖三：出現(xiàn)熱容變化與放熱峰的DSC曲線

　　圖三中①這里出現(xiàn)的基線臺(tái)階所代表的是試樣在加熱過程中出現(xiàn)了熱容變換（一般是玻璃化轉(zhuǎn)變過程），而熱容改變量的計(jì)算公式為：

　　△Φ=△C？β

　　其中，△Φ是指變化前后的熱流量Φ的變化量，△C是指熱容變化，β是指常數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

　?、谔幪摼€指的是基線。基線及峰面積的確定見下文詳解。這里的基線同樣是以臺(tái)階的形式出現(xiàn)，可以認(rèn)為出現(xiàn)了熱容的變化。

　?、厶幍姆迨侵阜艧岱澹ú煌瑑x器測(cè)得的DSC曲線放熱方向可能不同，需注意）。由扣除基線之后所得到的峰面積A可得到熱變化焓△H：

　　△H =K？A

　　其中K是量熱參數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

　　基線和峰面積的確定

　　DSC峰面積的確定首先涉及到基線的確定，而不同峰形的基線的確定方法往往不同，此過程往往需要考慮熱變化過程中的熱容變化?？梢杂靡粡埵疽鈭D來說明常用的峰面積和基線的確定方法：

　　需要注意的是，一些復(fù)雜的峰基線確定方法并不是絕對(duì)的，文獻(xiàn)上并沒有對(duì)基線的確定有明確規(guī)定，這也是DSC在定性分析上的爭(zhēng)議所在。而令人高興的是， DSC測(cè)試軟件都可以很簡(jiǎn)單地確定基線和峰面積。

　　DSC的主要應(yīng)用

　　DSC在食品、塑料、蛋白質(zhì)、液晶、含能材料等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，表一簡(jiǎn)要地列出了利用DSC可檢測(cè)的主要現(xiàn)象。下面向大家介紹幾例：

　　DSC在離子液體研究中的應(yīng)用

　　離子液體材料是目前的一大研究熱點(diǎn)，而離子液體的液態(tài)區(qū)間是其重要的熱學(xué)數(shù)據(jù)。通過DSC可以十分方便地確定離子液體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及熔點(diǎn)等數(shù)據(jù)。該圖作者設(shè)計(jì)出了一類新型的離子液體材料，通過DSC曲線，很好地確認(rèn)了化合物1、4、5、10、12（為化合物代號(hào)，見參考文獻(xiàn)）的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度或熔點(diǎn)。

　　DSC在液晶材料領(lǐng)域的應(yīng)用

　　通過DSC可以十分方便地確定液晶材料的液晶溫度區(qū)間，這對(duì)于液晶材料的應(yīng)用具有十分重要的意義。該作者利用DSC，冷卻樣品之后再加熱，發(fā)現(xiàn)所研究對(duì)象在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化之后進(jìn)入液晶區(qū)間，直到60℃后完全轉(zhuǎn)化為各向同性的液體。

　　DSC表征納米材料性質(zhì)

　　2013年Nanoscale報(bào)道，合成納米鉆石的前驅(qū)體中不僅含有自由的水分子，而且其孔道中還包含有納米水團(tuán)，這兩種水在DSC中會(huì)出現(xiàn)不同的熔化峰。研究表明這兩種水的熔點(diǎn)差異（△T）可以用于判斷前驅(qū)體的分散性，作者表明這是其他的常規(guī)表征手段所無(wú)法做到的。

　　聯(lián)用技術(shù)

　　目前，不同熱分析技術(shù)的聯(lián)用十分成熟，同步熱分析儀（STA）便是TG與DSC或DTA的聯(lián)用。而功能更加強(qiáng)大的是熱分析技術(shù)與氣體分析技術(shù)的聯(lián)用系統(tǒng)，比如同步熱分析儀－氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)，氣體分析技術(shù)的引入，為詳細(xì)地研究材料熱分解等現(xiàn)象創(chuàng)造了條件。

　　DSC實(shí)驗(yàn)小技巧

　　升溫速率：快速升溫，峰形變大，但特征溫度會(huì)向高溫移動(dòng)，相鄰峰的分離能力下降；慢速分離有利于相鄰峰的分離。

　　樣品量：樣品量少，熱量傳遞迅速均勻，數(shù)據(jù)更加“真實(shí)”，但是峰形較??；樣品量多，傳熱延遲，信號(hào)移動(dòng)，而峰強(qiáng)度增加。

　　坩堝加蓋減少熱輻射和熱對(duì)流對(duì)信號(hào)的影響，同時(shí)防止氣流造成樣品流失，但是會(huì)影響減少反應(yīng)氣氛與樣品接觸，產(chǎn)生的氣體無(wú)法被帶走，造成體系壓力增加，因此在一些樣品的測(cè)量中后選擇在坩堝蓋上進(jìn)行扎孔。