Lựa chọn chén đựng mẫu trong phân tích nhiệt quét vi sai (DSC)

Lựa chọn loại chén đựng mẫu thích hợp cho DSC là một yếu tố rất quan trọng đến chất lượng kết quả thu được. TA instruments đưa ra rất nhiều loại chén đựng mẫu kèm theo nắp đậy cho DSC đáp ứng các nhu cầu sử dụng đa dạng của khách hàng. Dưới đây là một số hướng dẫn để lựa chọn vật liệu và cấu hình cho chén đựng đựng mẫu phụ thuộc vào khoảng nhiệt độ và áp suất, cũng như các yêu cầu về thành phần và tính trơ phản ứng trong các thí nghiệm.

Nội dung trong bài viết này bao gồm:

1. Lựa chọn chén đựng mẫu cho Tzero Press

2. Lựa chọn chén đựng mẫu Standard Series cho Beige/Blue Press

3. Các loại chén đựng mẫu có nắp và hàn kín hơi

4. Các loại chén thế tich lớn và chịu áp suất cao

5. Hiệu chỉnh nhiệt trở của chén đựng mẫu (cho Q2000/Q1000)

1. Lựa chọn chén đựng mẫu cho Tzero Press

Có 2 dòng chén đựng mẫu cho DSC có thể sử dụng với Tzero Press: dòng chén đựng mẫu Tzero series và  dòng chén đựng mẫu dòng tiêu chuẩn Standard series. So với dòng chén đựng mẫu và nắp đậy tiêu chuẩn, chén đựng mẫu Tzero series cùng với nắp đậy được sản xuất theo quy trình tinh vi, giúp cho chúng đạt được những thông số kỹ thuật tốt hơn, phục vụ cho mục tiêu cải thiện độ phân giải, độ nhạy cũng như là độ lặp lại của enthalpy. Dòng chén đựng mẫu tiêu chuẩn phục vụ cho những mục đích sử dụng thông thường, khi người dùng cần phải cân đối giữa yếu tố hiệu năng và chi phí.

Các loại chén đựng mẫu dòng Tzero series bao gồm:

• Tzero Aluminum: được làm từ nhôm
• Tzero Low-Mass Aluminum: được làm từ nhôm, thiết kế với khối lượng thấp.
• Tzero Aluminum Hermetic: được làm từ nhôm, hàn kín hơi
•  Tzero Aluminum Hermetic Alodined : được làm từ nhôm phủ lớp alodine, hàn kín hơi.

Các loại chén đựng mẫu dòng tiêu chuẩn Standard series bao gồm:

       - Standard Aluminum: được làm từ nhôm

      - Standard Aluminum Hermetic: được làm từ nhôm, hàn kín hơi

      - Standard Aluminum Hermetic Alodined: được làm từ nhôm phủ lớp alodine, hàn kín hơi

      - Standard High Volume: được dùng cho mẫu có thể tích lớn.

Các loại chén Tzero:

Có 3 loại chén Tzero: chén Tzero thường (Tzero pan), chén Tzero phủ Alodine (Tzero Alodined Pan), và chén Tzero khối lượng thấp (Tzero Low-Mass Pan). Đồng thời cũng có 3 loại nắp đậy: nắp Tzero thường (Tzero Lid), nắp Tzero hàn kín hơi (Tzero Hermetic Lid), và nắp Tzero hàn kín hơi phủ Alodine (Tzero Hermetic Alodined Lid). Các loại chén và nắp này được sử dụng để tạo nên 3 loại chén đựng mẫu chính (Tzero Aluminum, Tzero Hermetic Aluminum, và Tzero Low-Mass Aluminum). Riêng chén Tzero Low-Mass Aluminum bao gồm chén Tzero khối lượng thấp và nắp Tzero thường.

Chén Tzero Aluminum: chén Tzero thường ghép với nắp Tzero thường bằng bộ khuôn đen của Tzero Press. Loại này thường được sử dụng cho phần lớn các ứng dụng của DSC, khi mà không cần phải nắp hàn kín hơi. Loại chén này có sức chứa mẫu với thể tích lên đến ~21 µL. Khi sử dụng với phần mềm Advantage, người dùng khai báo loại chén được dùng là “Tzero Aluminum”.

Chén Tzero Aluminum Hermetic: chén Tzero thường ghép với nắp Tzero hàn kín hơi bằng bộ khuôn xanh dương của Tzero Press. Loại này có thể tích lớn (~40 µL) và thích hợp khi cần phải đậy hàn kín hơi cũng như khi cần đựng các chất dễ bay hơi. Khi sử dụng với phần mềm Advantage, người dùng khai báo loại chén được dùng là “Tzero Hermetic Aluminum”.

Chén Tzero Hermetic Aluminum Alodined: Đối với những mẫu sinh ra nhiều nước khi gia nhiệt, nên dùng loại chén này (dùng bộ khuôn xanh dương của Tzero Press). Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, nước có thể phản ứng với nhôm, đây là phản ứng tỏa nhiệt và có thể gây nhiễu lên kết quả đo lường. Do đó, phủ lớp Alodine lên chén đựng mẫu có thể loại bỏ những tín hiệu nhiễu bởi nước. Khi sử dụng với phần mềm Advantage, người dùng khai báo loại chén được dùng là “Tzero Hermetic Aluminum Alodined”.

Chén Tzero Low-Mass Aluminum: chén Tzero khối lượng thấp ghép với nắp Tzero thường bằng bộ khuôn đen của Tzero Press. (Lưu ý: không nên sử dụng nắp Tzero hàn kín hơi với chén Tzero khối lượng thấp). Đây là loại chén đặc biệt, thích hợp với lượng mẫu rất nhỏ (<10mg). Khi sử dụng với phần mềm Advantage, người dùng khai báo loại chén được dùng là “Tzero Aluminum”.

Bảng tổng kết về các loại chén đựng mẫu Tzero:

Thông tin thêm về 3 loại chén Tzero chính

Tzero Aluminum Pan (Tzero Pan and Tzero Lid)

• 901683.901 Tzero Pans (Pkg/100)
• 901671.901 Tzero Aluminum Lids (Pkg/100)

Cả chén và nắp đều được làm bằng nhôm với độ tinh khiết cao, không chứa các nguyên tố alloy khác. Khối lượng trung bình của chén và nắp là 49.7 mg với sai số 0.75%. Khi dùng loại chén này, thể tích mẫu tối đa là 20 µL và chiều cao tối đa của mẫu là 1.0 mm (0.039 inch).

Đây là lựa chọn cơ bản dành cho phần lớn ác ứng dụng khi mà mẫu bay hơi không đáng kể hay không phải là vấn đề lớn. Thiết kế của nắp Tzero Lid và dập khuôn Tzero Press đảm bảo độ phẳng của đáy sau khi nạp mẫu, đồng thời không gây biến dạng mẫu khi dập nắp đậy vào đúng vị trí, đảm bảo độ nhạy, độ phân giải và độ lặp lại của các phép đo lường.

Tzero Hermetic Aluminum Pan (Tzero Pan and Tzero Hermetic Lid)

• 901683.901 Tzero Pans (Pkg/100)
• 901684.901 Tzero Hermetic Lids (Pkg/100)

Cả chén và nắp đều được làm từ nhôm với độ tinh khiết cao, không chứa các nguyên tố alloy khác. Khi dùng loại chén này, thể tích mẫu tối đa là 40 µL và chiều cao tối đa của mẫu là 1.9 mm (0.075 inch). Khối lượng trung bình của chén và nắp là 50.5 mg với sai số 0.75%.

Đây là lựa chọn cho các ứng dụng khi mà các chất bay hơi sinh ra bởi mẫu có thể gây nhiễu đến kết quả đo lường. Nắp được dính chặt vào chén bằng quá trình hàn nguội, sử dụng áp lực để hàn 2 bề mặt nhôm lại với nhau, có thể chịu được áp suất lên đến 3 atm. Khi áp suất vượt quá 2 atm, nắp đậy sẽ bị biến dạng lồi về phía bên ngoài trong khi đáy chén vẫn đảm bảo độ phẳng. Do đáy chén không chịu tác động của lực nên vẫn giữ được độ phẳng, đảm bảo độ nhạy, độ phân giải và độ lặp lại của các phép đo lường.

Tzero Low-Mass Aluminum Pan (Tzero Low-Mass Pan and Tzero Lid)

• 901670.901 Tzero Low-Mass Pans (Pkg/100)
• 901671.901 Tzero Lids (Pkg/100)

Cả chén và nắp đều được làm từ nhôm với độ tinh khiết cao, không chứa các nguyên tố alloy khác. Khi dùng loại chén này, thể tích mẫu tối đa là 10 µL và chiều cao tối đa của mẫu là 0.51 mm (0.020 inch). Khối lượng trung bình của chén và nắp là 28.4 mg với sai số 0.6%

Đây là lựa chọn cho các ứng dụng với lượng mẫu rất nhỏ. Thiết kế của nắp Tzero Lid và dập khuôn Tzero Press đảm bảo độ phẳng của đáy sau khi nạp mẫu, đồng thời không gây biến dạng mẫu khi dập nắp đậy vào đúng vị trí, đảm bảo độ nhạy, độ phân giải và độ lặp lại của các phép đo lường.

2. Lựa chọn chén đựng mẫu Standard Series cho Beige/Blue Press

TA Instruments có rất nhiều loại chén khác nhau cho DSC. Người sử dụng có thể lựa chọn vật liệu và cấu hình của chén đựng mẫu tùy theo khoảng nhiệt độ và áp suất, cũng như các yêu cầu về thành phần và tính trơ phản ứng trong các thí nghiệm.

Có 3 loại chén đựng mẫu trong dòng tiêu chuẩn thường được sử dụng. Yếu tố chính quyết định chọn loại chén nào là mẫu có chứa/phát sinh ra chất dễ bay hơi hay là nước không.

• Loại chén Standard Aluminum là lựa chọn phổ biến nhất, tuy nhiên loại chén này không được hàn chặt để ngăn sự tổn thất của các chất dễ bay hơi xuất hiện trong quá trình thực hiện thí nghiệm. Thông thường, nếu những chất dễ bay hơi này bị bay hơi sẽ sinh ra hiện tượng thu nhiệt và gây nhiễu kết quả đo lường.
• Loại chén Standard Aluminum Hermetic có cơ chế hàn nguội để đảm bảo chịu được áp suất tích lũy bởi những chất dễ bay hơi này. Trong nhiều ứng dụng, loại chén này có thể cải thiện được độ phân giải của quá trình chuyển tiếp của vật liệu phát sinh khí.
• Loại chén Standard Aluminum Hermetic Alodined được sử dụng khi mẫu có hàm lượng nước cao. Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, nước có thể phản ứng với nhôm. Đây là phản ứng tỏa nhiệt và gây nhiễu kết quả đo lường, do đó Alodine được sử dụng để phủ lên bề mặt nhôm, ngăn phản ứng với nước và loại bỏ yếu tố gây nhiễu này.

3. Các loại chén đựng mẫu có nắp và hàn kín hơi

Trong điều kiện thí nghiệm DSC lý tưởng, vật mẫu được đặt trực tiếp lên cảm biến của DSC để quá trình trao đổi nhiệt được tối ưu. Tuy nhiên, điều này không xảy ra trong thực tế vì vật mẫu có thể làm nhiễm bẩn lên cảm biến. Do đó, mẫu được đặt trong chén đựng mẫu trong toàn bộ quát trình thực hiện thí nghiệm. Bảng dưới đây chi biết các loại chén đựng mẫu thông dụng và khoảng nhiệt độ tương ứng. Lưu ý: khoảng nhiệt độ sử dụng có thể giảm xuống bằng phụ kiện làm mát.

* sử dụng kèm với khay nạp mẫu tự động (PN 971126.90)

Thông tin thêm về các loại chén đựng mẫu có nắp

• Các loại chén đựng mẫu thuộc dòng tiêu chuẩn (Standard Series pans) đều được thiết kế để có thể chạy mà không dùng nắp hoặc có nắp đậy lên mẫu. Nắp thường được dùng để làm phẳng mẫu giúp cải thiện tiếp xúc truyền nhiệt.
• Các loại chén đựng mẫu có nắp: nhôm, vàng, đồng. Chén platin và graphit không có nắp đậy
• Chén nhôm được sử dụng trong phần lớn các thí nghiệm dưới 600^oC. Tuy nhiên, không thể dùng chén nhôm cho các thí nghiệm trên 600^oC hay các thí nghiệm với mẫu có khả năng phản ứng với nhôm.
• Chén đồng thường được dùng cho các thí nghiệm cần đến độ bền về mặt oxy hóa. Chẳng hạn như các vật liệu polymer được dùng làm vỏ dây diện hay dây cáp.
• Chén graphit thường được dùng cho các vật liệu tạo alloy với các kim loại. Lưu ý: chén graphit cần phải được dùng với khí trơ không bị oxy hóa (ví dụ như ni-tơ)
• Chén SFI (Solid Fat Index) được thiết kế chuyên dụng cho các loại dầu ăn và chất béo. Loại chén này có đường gờ quanh đáy chén để năng hiện tượng mao dẫn do sức căng bề mặt.

Thông tin thêm về các loại chén đựng mẫu hàn kín hơi

• Chén hàn kín hơi loại thường (Hermetic pan) được thiết kế dùng cho các vật mẫu có thể phát sinh khi gây nên áp suất, thường được dùng cho các chất lỏng dễ bay hơi, các vật liệu đá vôi hay các vật liệu sinh khí khác.
• Chén hàn kín được phủ Alodine được sử dụng với mẫu có khả năng phản ứng với nhôm (ví dụ các dịch lỏng sinh học).
• Có loại nắp đặc biệt, với 1 lỗ có đường kính xác định, có thể được dùng với chén nhôm hàn kín để nghiên cứu áp suất hơi.
• Chén vàng hàn kín hơi được sử dụng với mẫu sinh khí có thể tạo ra áp suất nén cao (lên đến 6 atm) và có khoảng nhiệt độ làm việc lên đến 725^oC.

• Tuy nhiên, các loại chén hàn kín hơi này đều làm giảm độ tiếp xúc nhiệt giữa mẫu và đáy chén, cùng với việc khối lượng của các loại chén này nặng hơn, cho nên sẽ làm giảm độ phân giải chút ít so với các loại chén có nắp. Độ chính xác của nhiệt lượng kế không bị ảnh hưởng bởi yếu tố này mà chỉ có độ phân giải và hằng số Tau time constant của hệ thống đo lường bị ảnh hưởng.

4. Các loại chén thể tích lớn và áp suất cao

Đây là các loại chén chuyên dụng cho các ứng dụng đặc biệt. Bảng dưới đây cho biết khoảng nhiệt độ và áp suất cho từng loại chén đựng mẫu.

* sử dụng kèm với khay nạp mẫu tự động

Thông tin thêm đối với chén thể tích lớn và áp suất cao

• Chén thể tích lớn (High volume pan) được làm từ thép không gỉ, thường được dùng cho mẫu thực phẩm hay mẫu sinh học dạng lỏng với thể tích tối đa lên đến 75 µL. Mặc dù chén được làm từ thép không gỉ có thể chịu được nhiệt độ vượt quá 250^oC, người sử dụng không nên dùng ở quá mốc nhiệt độ này bởi vì nguy cơ nứt vỡ chén do áp suất     quá cao có thể làm hỏng cảm biến DSC.
• Chén áp suất cao (High pressure capsule) được làm từ thép không gỉ được hàn kín có thể chịu được áp suất tối đa lên đến 1450 psi. Loại chén này được thiết kế cho những nghiên cứu về áp suất (tức là vật liệu có khả năng sinh ra khí) với khả năng giải phóng khí từ từ nếu như áp suất phát sinh vượt quá ngưỡng cho phép để tránh gây tổn hại đến thiết bị. Loại chén này có thể được tái sử dụng.

• Lưu ý: khay nạp mẫu tự động chỉ có thể dùng với chén thể tích lớn, không dùng được với chén áp suất cao.

5. Hiệu chỉnh nhiệt trở của chén đựng mẫu (cho Q2000/Q1000)

Thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai DSC Q2000/Q1000 của TA instruments đều sử dụng công nghệ dòng nhiệt T4P. Công nghệ này đo lường dòng nhiệt nội tại của cảm biến DSC, đồng thời đo dòng nhiệt giữa cảm biến và chén đựng mẫu, qua đó cho phép đo lường một cách chính xác nhất dòng nhiệt thật của mẫu.

Dòng nhiệt giữa cảm biến và chén đựng mẫu bị ảnh hưởng chủ yếu bởi nhiệt trở của chén. Bản thân nhiệt trở của chén lại là một hàm số phụ thuộc vào vật liệu làm nên chén và nhiệt độ, với giả định là chén và cảm biến đều có bề mặt phẳng tuyệt đối và được tiếp xúc một cách hoàn hảo (không có gì nằm giữa hai bề mặt). Tuy nhiên, trong thực tế, giả định này rất khó xảy ra kể cả khi quy trình chuẩn bị mẫu được thực hiện một cách cẩn thận. Do đó, cần phải hiệu chỉnh lại nhiệt trở bị sai lệch bởi lớp khí (dù là rất mỏng) nằm giữa bề mặt của chén và cảm biến.

Phần mềm Q Series™ Thermal Advantage của TA Instruments cho phép hiệu chỉnh giá trị nhiệt trở của chén đựng mẫu và lớp khí này. Khi thực hiện các thí nghiệm đo lường ở chế độ Advanced Tzero, người dùng có thể khai báo loại chén đựng mẫu như: nhôm, nhôm hàn kín hơi, nhôm hàn kín hơi phủ alodined, vàng, vàng hàn kín hơi, chén thể tích lớn. Người dùng cũng có thể khai báo loại khí là không khí thường, khí nitơ, oxy, heli, hay khí trơ bên ngoài. Nếu như người dùng sử dụng loại chén hay loại khí không có trong danh mục thì có thể khai báo cho chương trình là “other”.

Vũ Sỹ