示差走査熱量計

示差走査熱量計（DSC）は、材料科学、熱化学、医薬品の純度や食品の品質検査に広く利用されている分析ツールです。例えば、ポリマーの架橋、タンパク質の折り畳みと展開による熱交換、一本または二本鎖DNAの形成メカニズムなど、物質の形成過程における複雑なプロセスを理解する上で重要な役割を果たす熱力学的特性について、その速度と操作性から瞬時に情報を得ることができるのである。DSCは1962年にE.S.ワトソンとM.J.オニールによって初めて発明され、1963年にピッツバーグで開催されたAnalytical Chemistry and Applied Spectroscopy Conferenceで市販された。

物理構造

示差走査熱量計には、システムに供給する熱量を一定に保って動作する熱流束DSCと、熱量計に供給する電力を一定に保って動作する電力補償型DSCの2種類が一般的である。一般に、DSCは試料と基準ホルダーの温度差を測定することで熱変化を計算する。熱流束DSCの典型的な設計は、図1から見ることができます。図1に示すように、熱流束DSCには、試料を置く試料ホルダーと、一般に空の状態で置かれる基準ホルダーがあります。これらは両方とも、熱量計の壁とよく接触する支持体の上に置かれています。加熱抵抗器は、必要な熱量を発生させ、筐体内部に保持する炉を得ることができるよう、境界壁に取り付けられている。熱電対は試料とリファレンスホルダーの両方に接続されており、分析に使用する温度を与える測定器である。加熱抵抗器から供給された熱は、さらに試料室と標準物質室に流れ込む。

図1. 熱流束示差走査熱量計の模式図。

理論編

DSCの動作メカニズムを理解するための最も単純な理論的アプローチは、簡略化線形モデルと呼ばれ、以下の仮定を利用する。

熱流束は一定です。
サンプルとリファレンスの間に相互作用はない。
試料とリファレンスの熱容量のみを考慮した。
測定している温度は、サンプルの現在の温度です。
システムは周囲から隔離されており、外部との熱交換はありません。

熱伝導のフーリエの法則は、物質中を熱がどのように伝わるかを説明する基本的な法則で、システム中の温度と熱流の関係を見るために使用することができます。この法則は、ある物質の面積(A)のごく一部を通過する熱エネルギーの量を熱流束密度と呼び、( Φ A ){textstyle ({C}frac {C}Phi }}{C}f {A}})} ${\textstyle ({\frac {\mathsf {\Phi }}{\mathsf {A}}})}$ 、熱伝導率 (k) に位置に対する温度の変化量を乗じたものと等価であることを述べている。であり、( - Δ T Δ x ) {Textstyle (-{Àfrac {{Аmathsf {Delta }}T}{Аmathsf {Delta }}x}})} ${\textstyle (-{\frac {{\mathsf {\Delta }}T}{{\mathsf {\Delta }}x}})}$ と表すことができる。この関係を方程式で書くと次のようになる。

Φ A = - k Δ T Δ x {displaystyle ゙゙゙゙゙゙= -k{frac {{Mathsf {Delta }}T}{{Mathsf {Delta }}x}} {{Mathsf {Delta }}X

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

一般にDSCでは、コンピュータを用いてリファレンスとサンプルホルダに一定の割合で熱を供給しています。試料ホルダーに物質を入れ、リファレンスを空にすると、以下の過程により試料ホルダーの温度が ( T s ) {textstyle (T_{s})} ${\textstyle (T_{s})}$ で表されるように上昇または下降する。

もし、そのプロセスが熱を消費するものであれば、つまり、その事象が起こるために外部の熱が必要であれば、それは吸熱とも呼ばれ、サンプルホルダー内の温度は下がります。
もし、そのプロセスが熱を放出するものであれば、つまり余分な熱が発生するものであれば、それは発熱とも呼ばれ、サンプルホルダー内の温度は上昇します。

そして、これらの温度変化による結果としての熱流の変化は、フーリエの法則を用いて次のように求めることができる。

| Φ r | = k A Δ x | Δ T s r | {{displaystyle |{mathsf {Phi }}_{r}|={frac {kA}{{mathsf {Delta }} x}}|{mathsf {Delta }} T_{sr}|}} { {mathsf {Delta }} {Phi }} {r}| = {frac {kA}{{Mathsf } }} {Phat

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

または

| Φ r | = K | Δ T s r | = { - K Δ T s r , : exothermic K Δ T s r , : endothermic {displaystyle |{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}}}

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

したがって、この単純なモデルに基づくと、熱流と試料の温度変化の間には直接的な比例関係(K)が存在することが分かります。この比例定数は、壁から試料までの距離（Δx）、支持体の断面積（A）、熱伝導率（k）に依存します。一般に、DSC実験の主な結果は、温度の関数としての熱流速の出力信号であり、これはDSC曲線と呼ばれる。これらの曲線の解析は、変態熱、反応熱、あるいは温度変化による熱容量の変化を求める上で重要な役割を果たす。例えば、発熱・吸熱過程のエンタルピーは、積分学と呼ばれる数学的手法を用いてDSC曲線の下の面積を求めることで求めることが可能である。

図2. 理論解析のためにすべての変数を割り当てた模式図。

アプリケーション

タンパク質の熱変性

DCSの最も重要な用途の一つは、タンパク質の熱的アンフォールディング（変性と呼ばれるプロセス）に関連している。このプロセスにおけるDCSの役割は、タンパク質が構造変化を示す温度範囲を決定するために使用される。さらに、タンパク質溶液を一定の熱速度、一定の圧力で処理すると、DSCはタンパク質の見かけの熱容量を測定することができます。実際、変性したタンパク質は高い熱容量を持っており、その経時変化を適切に検出することで、アンフォールディングの程度を知ることができる。

脂質・油脂の評価

食品の品質管理は、人間の健康と福祉にとって最も重要な問題の一つである。食品に関する多くの違法行為が報告されており、特に高価な植物性油脂の一部に不純物が混入していることが問題視されています。不純物とは、販売目的の食品に低品質で時には有害な成分を混入させる行為です。この分野では、DSCは主に脂質の熱挙動を、結晶化に関する情報を報告する冷却プロセスと、脂質の構成要素の溶融挙動に関する情報を提供する加熱プロセスの2つのプロセスによって分析するために使用されています。油脂に不純物が混入すると、DSCの冷却・加熱曲線が変化します。例えば、新しいピークが現れたり、既存のピークが変化したりします。したがって、DSCデータの分析は、栄養素の不純物混入過程の推定に使用することができます。

薬剤の純度

DSCは、試料量が少なく（1～2mg）、分析時間がかなり早いことから、薬物の純度調査において非常に注目されている。例えば、夾雑物の影響を観察することで、薬物がどの程度まで純度が高いかを知ることができる。不純物があると薬物の融解温度（Tm）{displaystyle (T_{m})} $(T_{m})$ が低下することが分かっている。また、融解温度は薬物の熱安定性の推定にも利用でき、 ( T m ) {displaystyle (T_{m})} $(T_{m})$ が高いほど、タンパク質は安定であることがわかります。したがって、DSCを用いると、この温度を瞬時にモニタリングすることができ、医薬品の品質管理をより簡単かつ迅速に行うことができます。

質問と回答

Q: 示差走査熱量測定とは何ですか。
A: 示差走査熱量測定（DSC）は、材料科学、熱化学、医薬品の純度、食品の品質検査で広く使用されている分析ツールです。

Q: DSCはどのような情報を提供してくれますか?

A: DSCは、物質の生成過程における複雑なプロセスを理解する上で重要な役割を果たす熱力学的特性に関する情報を瞬時に提供します。

Q: DSCはどのような分野で応用できますか?

A: DSCは材料科学、熱化学、医薬品の純度、食品の品質検査に応用できます。

Q: DSCを発明したのは誰ですか?

A: DSCは1962年にE.S.ワトソンとM.J.オニールによって発明されました。

Q: DSCが市販されたのはいつですか?

A: DSCは1963年にピッツバーグで開催されたAnalytical Chemistry and Applied Spectroscopy会議で市販されました。

Q: DSCが理解を助ける複雑なプロセスの例にはどのようなものがありますか?

A: 例えば、DSCはポリマーの架橋、タンパク質の折り畳みと展開による熱交換、一本鎖または二本鎖DNAの形成メカニズムなどの理解に役立ちます。

Q: DSCにはどのような利点がありますか?

A: DSCの利点には、熱力学的特性に関する情報を瞬時に得ることができる速さと操作の容易さがあります。