Sonntag, 19 Juni 2022 09:38

Was ist die Dynamische Differenzkalorimetrie?

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DSC DSC pixabay

Die Dynamische Differenzkalorimetrie ist ein Verfahren zur Bestimmung der Wärmemenge, welche von einer Probe beim Erwärmen oder beim Abkühlen über einen gewissen Temperaturbereich aufgenommen oder abgegeben wird.

So wird die Dynamische Differenzkalorimetrie nicht ausschließlich zur Charakterisierung der thermischen Eigenschaften von Materialien verwendet, sondern ebenfalls zur Ermittlung der Temperatur, bei welche verschiedene Phasenübergänge agieren, einschließlich der Glasübergangstemperatur oder Kristallisierungs- oder Schmelzvorgängen.

Die Dynamische Differenz-Kalorimetrie (DDK, engl. DSC) ist eine der bedeutendsten Techniken im Bereich der thermischen Analyse. Dabei erfasst die DSC-Analyse exotherme und endotherme Übergänge wie die Ermittlung von Umwandlungstemperaturen sowie die Enthalpie von Flüssigkeiten und Festkörpern als Funktion der Temperatur.

Die Dynamische Differenzkalorimetrie (engl.: Differential Scanning Calorimetry - DSC) ist eine Methode der thermischen Analyse zur Bestimmung von aufgenommener oder abgegebener Wärmemenge von Proben bei isothermer Arbeitsweise, Abkühlung oder bei Aufheizung. Mithilfe der Dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) können Lacke, Kunststoffe, organische Beschichtungen und zugleich Lebensmittel, Arzneimittel, chemische Substanzen und mehr charakterisiert werden.

Im Vergleich zur klassischen Kalorimetrie, bei welcher eine Probe in eine isolierte Kammer hineingegeben wird, um die Wärmeabgabe und -aufnahme in einem isothermen Experiment zu kontrollieren, ist die Dynamische Differenz-Kalorimetrie eine dynamische Methode.

Ein bekanntes Kalorimeter ist eine isolierte Kammer, in welcher die Probe in einem umgebenden Medium gegeben wird. Danach wird die Probe mit einer gewissen Menge an Wärme erhitzt. Der Unterschied der Temperatur zwischen der Probe sowie dem umgebenden Medium zeigt die Wärmekapazität der Probe und die Daten über den Wärmeverbrauch und die Wärmeabgabe der Probe. Zudem werden bei der Dynamischen Differenz-Kaloriemtrie die Probe sowie die genutzt, welche denselben Bedingungen ausgesetzt sind, und das Signal wird voneinander direkt subtrahiert.

Die praktische Anwendung der dynamischen Differenzkalorimetrie

Die DSC-Analyse wird für sehr viele Anwendungen in einem großen Spektrum von Branchen wie zum Beispiel der Polymercharakterisierung und für die Forschung im akademischen Bereich genutzt. Beispiele sind die Ermittlung des Glasübergangs und die Analyse von chemischen Reaktionen, Kristallisations- und Schmelzverhalten.

Andere DSC-Anwendungen beschäftigen sich dagegen mit dem Einfluss von Füllstoffen, Additiven oder der Nutzung von Materialien. Die charakteristische Art und Weise der einzelnen DSC-Kurven wird zugleich für Anwendungen in der Qualitätskontrolle verwendet.

Es gibt eine große Zahl von Anwendungen für die Dynamische Differenzkalorimetrie in der Biochemie, der Chemie, der Zellbiologie, der Nanowissenschaft, der Pharmakologie und anderen Bereichen. Die Polymere werden in aller Regel mit der Differential-Scanning-Kalorimetrie untersucht, um die thermischen Übergangspunkte sowie die Glasübergangs-, Schmelz- und die Kristallisierungstemperaturen, zu bestimmen. Oftmals bestimmen diese thermischen Übergänge den Bereich des Betriebes, in welchem ein Polymer eine bestimmte Spezifikation vollführen kann. Die Leistung und die Verarbeitbarkeit eines Polymers werden beide durch rheologische Stellungen beeinflusst, und deshalb können rheologische Messungen dabei wichtige Informationen zur Verbesserung von Polymerstrukturen liefern.

Das Messprinzip

Ein Biomolekül in Lösung ist stets im Gleichgewicht zwischen seiner gefalteten bzw. nativen und ungefalteten bzw. denaturierten Konformation. Je höher dabei der Schnittpunkt des thermischen Übergangs (Tm) ist, umso stabiler ist das Molekül. Mithilfe der DSC wird die Enthalpie der Entfaltung bestimmt, welche aus der hitzeinduzierten Denaturierung erfolgt. Mit jenem Verfahren kann die Änderung der Wärmekapazität der Denaturierung ebenfalls ermittelt werden. Durch die DSC können die Faktoren ermittelt werden, welche zur Stabilität und zur Faltung nativer Biomoleküle beitragen. Zu jenen Faktoren gehören hydrophobe Wechselwirkungen, die konformationelle Entropie, Wasserstoffbrücken sowie die physikalische Umgebung.

Die mithilfe der DSC erhaltenen, qualitativ hochwertigen und genauen Daten liefern bedeutende Informationen zur Proteinstabilität in der Entwicklung des Prozesses sowie zur Formulierung möglicher therapeutischer Kandidaten.

 
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