Температура стеклования по ДСК: как влага в образце смещает Tg на кривой
Цифра в начале: сухая трегалоза и смесь с 10% воды
Сухая чистая трегалоза в серии из восьми повторов дала среднюю температуру стеклования 389 K (разброс 387-393 K). В бинарных смесях трегалоза-вода при массовой доле воды около 10% Tg опустилась примерно до 280 K - снижение более чем на 100 K относительно сухого состояния. На кривой теплового потока ДСК здесь Tg отражает не «шум прибора», а влагу в образце.
В десикации клеток Tg называют опорным параметром процедур: стабильность в высушенном состоянии связывают с переходом матрицы в стекло. Порог «достаточной» Tg зависит от целевой температуры хранения - в самой работе он не сведён к одной цифре. Практический вопрос: насколько массовая доля воды и состав смеси меняют Tg, измеренную дифференциальной сканирующей калориметрией при сопоставимом ASTM-протоколе.
Метод дифференциальной сканирующей калориметрии: два цикла и точка перегиба
Метод дифференциальной сканирующей калориметрии в работе Drake et al. строили по ASTM на Q2000 DSC с системой охлаждения RCS90. Tg назначали по точке перегиба на кривой теплового потока со второго нагрева (ПО TA Universal Analysis). Скорости нагрева и охлаждения, число циклов и окна относительно ожидаемой Tg - в блоке «Параметры эксперимента» ниже; тот же протокол кратко повторён в чек-листе перед прогоном.
Дифференциальная сканирующая калориметрия фиксирует шаг теплоёмкости на кривой теплового потока. Спор обычно не о том, есть ли переход, а о том, какую точку на шаге считать Tg. В подтверждающей работе по эпоксидной матрице с нанотрубками галлуазита Tg оценивали сигмоидальной аппроксимацией кривой при 10 K/min - скорость того же порядка, что в ASTM-протоколе выше, но правило назначения точки другое (материал - эпоксид/HNT). Один образец при смене критерия (перегиб, сигмоида, середина шага или начало перехода) даст другие кельвины; серии сравнивают только при зафиксированном правиле.
Зависимость Tg от влажности в серии измерений
В серии трегалоза-вода определение температуры стеклования показало заметное падение Tg с ростом массовой доли воды: пластификация водой сдвигает шаг на кривой вниз. Ориентир «около 280 K при 10% воды» и оценка «более чем на 100 K к сухому» - из этой серии. Для лаборатории важнее принцип: незафиксированная влага меняет измеренную Tg и должна контролироваться до прогона.
Авторы связывают измеренную зависимость Tg от влажности с оценкой степени сушки: по кривой можно прикинуть, насколько высушить смесь, чтобы Tg хватило для стабильного хранения. «Достаточно высокой» в цитате числом не задано - порог задаёт ваш режим хранения, а ДСК связывает влажность и состав с измеренной Tg.
При чтении шага на кривой не смешивайте два эффекта: (1) реальная смена состава (вода, добавки) и (2) смена критерия точки при том же сырье. Первое меняет физику матрицы; второе - только цифру в протоколе. Контроль влаги до навески и один критерий Tg по всей партии - минимум, без которого измерения между партиями несопоставимы.
Сравнение составов: трегалоза, вода, PVP и CPA
Три системы из той же работы PLOS - в таблице.
| Система (по работе) | Tg, ориентир | Эффект влаги или добавки |
|---|---|---|
| Чистая трегалоза (сухая) | ~389 K (387-393 K, 8 повторов) | База для сухой сахарной матрицы в их протоколе |
| Трегалоза + ~10% воды | ~280 K | Падение более чем на 100 K к сухому |
| Сухая трегалоза-PVP | 405 K (~+16 K к сухой трегалозе) | С PVP Tg до +30 K по диапазону влажности |
Строки PVP - в таблице; авторы отмечают, что при другой молекулярной массе PVP цифры отличаются.
Проникающие криопротекторы (DMSO, EG или PG) в смеси трегалоза-PVP-PBS снижали Tg относительно базовой смеси без CPA. Направление эффекта - вниз; единой дельты в кельвинах в цитируемом фрагменте нет, величины зависят от концентрации. Контекст серии - клеточные смеси в физиологическом буфере (PBS), сахара, полимеры и CPA.
Что контролировать в лаборатории перед прогоном
Перед прогоном на определение температуры стеклования имеет смысл зафиксировать четыре пункта протокола.
- Влага образца. Сушка и хранение до навески: в серии трегалоза-вода Tg падает с ростом массовой доли воды; незафиксированная влажность даёт «чужую» Tg при том же номинальном составе.
- Два цикла и второй нагрев. Tg читают со второго нагрева (первый цикл стирает термическую историю); детали циклов - в блоке «Параметры эксперимента».
- Скорости и окна. Нагрев/охлаждение и верх/низ относительно ожидаемой Tg - там же; смена скорости без пересчёта окна сдвигает и положение шага, и удобство его чтения.
- Критерий точки. Точка перегиба (S1) и сигмоидальная аппроксимация (S2 при 10 K/min) - разные правила. В журнале партии укажите одно правило и не меняйте его между сериями «для красоты кривой».
Связка влажность - Tg - оценка степени сушки под хранение помогает интерпретировать кривую. Те же привычки контроля влаги и критерия точки полезны и вне сахарных смесей PBS.
Границы выводов, HSC-4 и вопрос по методике
Протокол Drake et al. выполнен на Q2000 + RCS90; режимы и абсолютные Tg на HSC-4 один в один не совпадут. Прибор уместен как инструмент дифференциальной сканирующей калориметрии для изучения фазовых переходов и физических преобразований веществ в заявленном диапазоне от комнатной температуры вверх. Воздушное охлаждение задаёт нижнюю границу «от комнатной»; криогенный низ в карточке не заявляем.
Нужно подобрать ДСК под ваши прогоны Tg?
Карточка и конфигурации: дифференциальный сканирующий калориметр HSC-4.
Напишите или позвоните: поможем сопоставить диапазон температур и скорость нагрева с вашей методикой определения температуры стеклования. Вопросы - Александра, технический специалист по подбору лабораторного оборудования: 8 (499) 490-02-72, blog@assa-group.ru.
- Drake A.C. et al. Effect of water content on the glass transition temperature of mixtures of sugars, polymers, and penetrating cryoprotectants in physiological buffer. PLOS ONE. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0190713
- Calorimetric and Dielectric Investigations of Epoxy-Based Nanocomposites with Halloysite Nanotubes as Thermal Analysis Reference. Polymers. https://doi.org/10.3390/polym13101634
