Gambar Alat Diferensial Scanning Calorimetry [PDF]

Citation preview

MAKALAH KIMIA ANALISIS DIFFERENSIAL SCANNING KALORYMETRI (DSC)



DISUSUN OLEH : 1. ANNISA ANGGRAINI



G701 16 088



2. ANITA RAHMMASARI



G701 16 142



3. DINA MAGHFIRANI



G701 16 034



4. WIA AMALIA



G701 16 003



5. NI KOMANG IRA T



G701 16 092



6. NURUL WIDYA NINGSIH



G701 16 099



7. NUR ALAM



G701 16 273



8. RAYU INDRI PANGESTI



G701 16 098



9. NANDISKA



G701 16 106



10. MUZNA



G701 16 193



11. EKA PUTRI SEPTIA ENGGIE G701 16 157 12. NILAM SARI



G701 16 029 KELAS D



JURUSAN FARMASI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS TADULAKO PALU 2017



BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Differential Scanning Calorimetry (DSC) adalah metode yang sangat ampuh untuk mempelajari sifat termal bahan, termasuk pula bahan bakar. Berbagai informasi dapat diperoleh dengan DSC seperti nilai kalori, suhu transisi fasa, reaksi kimia/fisika dan sebagainya. Kombinasi DSC dan TGA sangat membantu dalam menarik kesimpulan tentang event termal yang terjadi pada bahan sebagai fungsi suhu sekitar. Kalorimetri pemindaian atau DSC Diferensial adalah teknik thermoanalytical di mana perbedaan dalam jumlah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu dari sampel dan acuan yang diukur sebagai fungsi temperatur. Baik sampel dan acuan yang sangat dipertahankan pada suhu yang sama pada hampir seluruh percobaan. Secara umum, program suhu untuk analisis DSC dirancang seperti bahwa peningkatan suhu pemegang sampel linear sebagai fungsi waktu. Sampel referensi harus memiliki kapasitas panas yang jelas atas kisaran temperatur akan dipindai. Prinsip dasar yang mendasari teknik ini adalah, bila sampel mengalami transformasi fisik seperti transisi fase, lebih (atau kurang) panas harus mengalir ke referensi untuk mempertahankan keduanya pada temperatur yang sama. Lebih atau kurang panas yang harus mengalir ke sampel tergantung pada apakah proses ini eksotermik atau endotermik. Misalnya, sebagai sampel padat meleleh cairan itu akan memerlukan lebih banyak panas mengalir ke sampel untuk meningkatkan suhu pada tingkat yang sama sebagai acuan. 1.2 Rumusan Masalah 1. Definisis DSC 2. Alat / intrumen DSC 3. Prinsip dasar DSC 4. Penggunaan DSC 5. Penggunaan dalam bidang farmasi. 6. Keuntungan dan kerugian DSC



DSC (Differential scanning calorymetri) 1. Diferensial scanning calorimetry Kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) adalah salah satu teknik analisis termo-analitik. Kalorimeter mengukur panas masuk atau keluar sampel. Kalorimeter diferensial mengukur panas sampel relatif terhadap referensi. Kalorimeter pemindaian diferensial melakukan semua hal di atas dan memanaskan sampel dengan jalan suhu linier [3]. DSC adalah teknik di mana perbedaan jumlah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu sampel dan suhu referensi diukur . Sampel dan rujukan dipertahankan pada temperatur yang hampir sama sepanjang percobaan. Umumnya, program suhu untuk analisis DSC dirancang sedemikian rupa sehingga suhu sampel meningkat secara linear terhadap waktu. Hanya beberapa mg bahan yang dibutuhkan untuk menjalankan analisis proses eksotermik. (Seperti kristalisasi) sedikit panas diperlukan untuk menaikkan suhu sampel. Dengan mengamati perbedaan aliran panas antara sampel dan referensi, DSC mampu mengukur jumlah panas yang diserap atau dilepaskan selama transisi tersebut . Teknik ini dikembangkan oleh E.S. Watson dan M.J. O’Neill pada tahun 1962, dan diperkenalkan secara komersial pada 1963 di Pittsburgh Conference on Analytical



Chemistry



kalorimeter



adiabatik



and



Applied



pertama



Spectroscopy. Diferensial



yang dapat



digunakan



dalam



scanning biokimia



dikembangkan oleh P.L. Privalov dan D.R. Monaselidze pada tahun 1964. Istilah DSC diciptakan untuk menggambarkan instrumen ini yang mengukur energi secara langsung dan memungkinkan pengukuran yang tepat dari kapasitas panas. Ada empat jenis instrumen DSC a. Heat flux DSC b. Power compensated DSC c. Modulated DSC d. Hyper DSC e. Pressure DSC



a. Fluks panas DSC (heat flux DSC) Dalam fluks panas DSC, perbedaan aliran panas ke sampel dan referensi diukur saat suhu sampel berubah pada laju konstan [4]. Rakitan utama sel DSC dilapisi dalam silinder, pemanas perak hitam, yang menghilangkan panas ke spesimen



melalui cakram constantan yang menempel di blok perak. Disk memiliki dua platform yang diangkat dimana sampel dan panci referensi ditempatkan. Sebuah cakram chromel dan kawat penghubung dilekatkan pada bagian bawah setiap platform, dan termokopel kromel-constantan yang dihasilkan digunakan untuk menentukan suhu diferensial yang diminati. Kabel Alumel yang terpasang pada cakram krom memberikan sambungan kromel-alumel untuk mengukur sampel dan suhu referensi secara mandiri.Termokopel terpisah yang disematkan di blok perak berfungsi sebagai pengendali suhu untuk siklus pemanasan terprogram. Dan gas inert dilewatkan melalui sel pada laju alir konstan sekitar 40 ml.



Dalam fluks panas DSC, kita bisa melihat total aliran panas dH



Power compensated DSC Sistem Pengetesan Tipe Disk - Heat Flux DSC Tipe disk yang mengukur sistem pertukaran panas terjadi melalui disk yang merupakan pendukung sampel padat. Aliran panas utama dari tungku melewati simetris cakram dengan konduktivitas termal medium; Inilah ciri utamanya. Dalam beberapa kasus, disk dibuat dengan kombinasi logam (misalnya platinum) dan ditutup dengan keramik. Modifikasi jenis disk DSC sangat umum. Salah satunya adalah HF-DSC dengan triple measuring system. Dengan tiga lokasi terpisah pengukuran panas spesifik diukur



hanya dengan satu putaran. Pada perangkat HF-DSC klasik, tiga pengukuran harus dilakukan (dengan wadah kosong, dengan safir atau sampel inert yang diketahui dan dengan sampel yang diteliti). Modifikasi lain adalah HF-DSC bertekanan tinggi, yang digunakan untuk menentukan tekanan uap dan pemanasan penguapan. Fiturnya adalah kepekaan tinggi dan volume sampel kecil [7].



Sistem pengukur Silinder - Fluks panas DSC Pada sistem pengukur tipe silinder pertukaran panas terjadi antara rongga silinder berbentuk silinder (besar) dan tungku dengan konduktivitas termal rendah (thermopile). Hanya tingkat pemanasan dan pendinginan yang rendah saja. Sensitivitas per satuan volume tinggi bahkan dengan volume sampel yang besar. Sistem ini memiliki konstanta waktu yang lebih besar daripada dua sistem pengukuran pertama. Fluks panas DSC yang beroperasi pada prinsip Calvet menggunakan sistem pengukuran tipe silinder oleh dua silinder alumina sinter yang dipasang sejajar dan simetris di tungku pemanas. Katalis yang digunakan disini diproduksi dari stainless steel. HF-DSC dengan sistem pengukur silinder sesuai untuk sampel berukuran besar.



Dibandingkan dengan aparatus lainnya, tipe silinder memiliki volume yang jauh lebih besar dan oleh karena itu konstanta waktu lebih lama yang bisa selama 40 menit



Sistem pengukur tipe turret - HF DSC Pada pertukaran panas tipe kubah terjadi melalui silinder berongga kecil yang juga berfungsi sebagai pendukung sampel. Silinder berongga kecil digunakan untuk dukungan sampel dan untuk pertukaran panas. Sistem pengukuran turret sangat ideal untuk menentukan kemurnian logam. Keuntungan dari sistem turret ada dalam perpindahan panas dari jaket ke sampel, karena melewati silinder berdinding tipis. Dengan cara ini jalur pelepasan panas yang sangat singkat tercapai. Sistemnya sangat kecil sehingga waktu karakteristiknya sangat singkat. Tidak ada gangguan antara sampel dan saat ini. Tipe menara khusus karena termokopel ketiga yang mengukur inersia termal. Ini adalah teknologi Tzero DSC yang disebut



Metode ini merupakan kombinasi dari kalorimeter isotermal dan perangkat mode HF-DSC. Dalam kalorimeter isotermal, panas yang dihasilkan oleh sampel, mengalir melalui tahanan termal ke dalam jaket air. Perbedaan suhu pada resistansi termal diukur. [8] Micro DSC memiliki kemampuan yang sama untuk mengukur sifat termal sebagai perangkat DSC biasa. Salah satu kelebihannya adalah sensitivitas yang sangat tinggi namun di sisi lain kisaran suhu sangat sempit (-20 ° C sampai ≈120 ° C).



b. Power kompensasi DSC Dalam kompensasi daya DSC, suhu sampel dan referensi dijaga tetap sama satu sama lain sementara kedua suhu meningkat atau menurun secara linier. Daya yang dibutuhkan untuk menjaga suhu sampel sama dengan suhu referensi yang diukur. Dalam kompensasi daya DSC dua unit pemanas independen dipekerjakan. Unit pemanas ini cukup kecil, memungkinkan laju pemanasan, pendinginan dan ekuilibrasi yang cepat. Unit pemanas disematkan pada pendingin panas yang dikontrol suhu besar. Sampel dan pemegang referensi memiliki termometer resistansi platina untuk terus memantau suhu bahan. Sampel dan referensi dipertahankan pada suhu yang diprogram dengan menerapkan kekuatan pada sampel dan pemanas referensi. Instrumen mencatat perbedaan daya yang diperlukan untuk mempertahankan sampel dan referensi pada suhu yang sama dengan fungsi suhu yang diprogram. DSC berkekuatan daya memiliki sensitivitas yang lebih rendah dibanding DSC fluks panas, namun waktu responnya lebih cepat.



Semua PC DSC memiliki prinsip dasar yang sama. Tapi, salah satu PC DSC khusus adalah foto DSC. Dimana pengukuran langsung aliran radiasi terjadi pada sumber cahaya. Dengan cara ini degradasi material juga bisa diamati. Tingkat pemanasan maksimum untuk PCC yang tidak dimodifikasi.



c. Modulasi DSC Modulated DSC menggunakan pengaturan pemanasan dan sel yang sama seperti metode DSC fluks panas. Ini adalah teknik baru yang diperkenalkan pada tahun 1993 . Keuntungan utama teknik ini adalah pemisahan kejadian tumpang tindih pada DSC scan. Di MDSC, jalan pemanasan linier biasanya dilapis dengan fungsi sinusoidal (MDSC) yang didefinisikan oleh frekuensi dan amplitudo untuk menghasilkan



suhu



bentuk



gelombang



sinus



versus



fungsi



waktu.



Dengan menggunakan matematika Fourier, sinyal DSC dibagi menjadi dua komponen: tidak mencerminkan kejadian reversibel (kinetik) dan kejadian reversibel,



MDSC merupakan perpanjangan dari DSC konvensional. Penerapannya diakui untuk penentuan suhu transisi gelas yang tepat dan untuk mempelajari energi relaksasi. Ini telah diterapkan untuk penentuan transisi kaca film Hydroxypropylmethylcellulose dan untuk studi lactose amorf serta beberapa obat kaca [11]. Resolusi tinggi PC-DSC atau jenis kompensasi kompensasi DSC yang baru memberikan hasil terbaik untuk analisis pencairan dan kristalisasi logam atau deteksi suhu transisi gelas (Tg) pada obat-obatan. Fast scan DSC memiliki kemampuan untuk melakukan pengukuran aliran panas yang valid dengan tingkat kontrol linier cepat (sampai 500 K terutama dengan pendinginan, dimana tarifnya lebih tinggi dibandingkan dengan PC DSC klasik. Standar DSC beroperasi di bawah 10 K Manfaat perangkat semacam itu adalah kepekaan yang meningkat pada tingkat yang lebih tinggi (yang memungkinkan studi kinetika yang lebih baik dalam prosesnya), penekanan transformasi yang tidak diinginkan seperti transformasi padat padat dll .Ini memiliki kepekaan yang besar juga pada tingkat pemanasan 500 K dengan bahan sampel 1 mg. Teknik ini sangat tepat untuk industri farmasi untuk pengujian obat pada suhu yang berbeda dimana tingkat pemanasan cepat diperlukan untuk menghindari reaksi yang tidak diinginkan lainnya.



d. Tekanan DSC (Pleasure DSC) Pada tekanan DSC, sampel dapat dikirim ke tekanan yang berbeda, yang memungkinkan karakterisasi zat pada tekanan proses atau untuk membedakan puncak yang tumpang tindih. Aplikasi teknik ini mencakup studi tentang reaksi sensitif tekanan, evaluasi katalis, dan resolusi transisi yang tumpang tindih .



2. Prinsip dasar DSC Prinsip dasar yang mendasari teknik ini adalah bahwa ketika sampel mengalami transformasi fisik seperti transisi fase, perubahan panas akan diperlukan untuk mengalir dari referensi dan sampel untuk mempertahankan keduanya pada suhu yang sama. Apakah panas yang dibutuhkan kurang atau lebih yang harus mengalir ke sampel tergantung pada apakah proses ini eksotermik atau endotermik. Misalnya, sebagai sampel padat yang meleleh menjadi cairan, itu akan memerlukan lebih banyak panas mengalir ke sampel untuk meningkatkan suhu pada tingkat yang sama sebagai referensi. Hal ini disebabkan penyerapan panas oleh sampel karena mengalami transisi endotermik fase dari padat ke cair. Demikian juga, sebagai sampel mengalami proses eksotermik (seperti kristalisasi) lebih sedikit panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sampel. Dengan mengamati perbedaan aliran panas antara sampel dan referensi, diferensial scanning kalorimeter mampu mengukur jumlah panas yang diserap atau dilepaskan selama transisi tersebut. DSC juga dapat digunakan untuk mengamati perubahan fisik yang lebih halus, seperti transisi kaca. Hal ini banyak digunakan dalam pengaturan industri sebagai instrumen pengendalian kualitas karena penerapannya dalam mengevaluasi kemurnian sampel dan untuk mempelajari kemurnian polimer.



(DSC)



Bagian bagian dari alat DSC: (Heat flux DSC)



3. Penggunaan DSC DSC digunakan untuk mengamati perubahan fasa lebih halus, seperti transisi kaca. DSC banyak digunakan dalam pengaturan industri sebagai instrumen pengendalian kualitas karena penerapannya dalam mengevaluasi kemurnian sampel dan untuk mempelajari pengobatan polimer. Hasil percobaan DSC adalah pemanasan atau pendinginan kurva. Polimer sering dianggap sebagai material yang tidak mampu memberikan performa yang baik pada termperatur tinggi. Namun, pada kenyataannya,



terdapat beberapa polimer yang cocok untuk penggunaan pada temperatur tinggi, bahkan lebih baik daripada traditional materials. Pada polimer, khususnya plastik, definisi temperatur tinggi adalah suhu diatas 135oC. Pada temperatur tinggi, polimer tidak hanya melunak, tetapi juga dapat mengalami degradasi termal. Sebuah plastik yang mengalami pelunakan pada temperatur tinggi tetapi mulai mengalami degradasi termal pada suhu yang jauh lebih rendah hanya dapat digunakan pada suhu di bawah suhu dia mulai mengalami degradasi. Menentukan temperatur aplikasi membutuhkan pengetahuan mengenai perilaku degradasi termal dari polimer tersebut. Titik pelunakan pada polimer sangatlah ditentukan oleh tipe polimer yang digunakan. Pada polimer amorf, suhu yang penting adalah Tg (glass transition temperature). Sedangkan, pada polimer kristalin dan semikristalin, suhu yang penting terletak pada Tm (melting point). DSC merupakan alat berbasis analisis termal yang bisa mengetahui profil sampel pada suhu tertentu biasanya untuk analisa di bidang farmasi menggunakan range suhu antara 40-300 C. Kapan mengalami proses endotermik maupun eksotermiknya, dan juga mengetahui gelation temperature dari sampelnya. Bahkan bisa mengetahui adanya interaksi antara campuran suatu zat dibandingkan dengan zat tunggalnya, bisa terbentuk amorphus atau kristalin. 1. Penggunaan analisis kualitatif i. Mengamati perubahan fasa lebih halus misalnya transisi kaca. 2. Penggunaan pada analisis kuantitatif i. Mengukur sifat termoplastik penting termasuk : titik leleh, kalor peleburan, persen kristalinitas, suhu transisi. ii. analisis proses eksotermik yaitu mengukur energi secara langsung dan memungkinkan pengukuran yang tepat dari kapasitas panas. Dalam industri farmasi perlu memiliki senyawa imaging-obat dengan baik dalam rangka untuk menentukan parameter proses. Misalnya, untuk memberikan obat dalam bentuk amorf, maka



diinginkan untuk memproses obat pada suhu di bawah kondisi di mana kristalisasi dapat terjadi



4. Analisis DSC di bidang farmasi. Dalam industri farmasi perlu memiliki senyawa imaging-obat dengan baik dalam rangka untuk menentukan parameter proses. Misalnya, untuk memberikan obat dalam bentuk amorf, maka diinginkan untuk memproses obat pada suhu di bawah kondisi di mana kristalisasi dapat terjadi. Dalam penelitian makanan ilmu pengetahuan, DSC digunakan dalam hubungannya dengan teknik analisis termal lainnya untuk menentukan dinamika air. Perubahan distribusi air mungkin berkorelasi dengan perubahan tekstur. Serupa dengan pelajaran ilmu bahan, efek penyembuhan pada produk kembang gula/permen juga dapat dianalisis. Kurva DSC juga dapat digunakan untuk mengevaluasi obat dan kemurnian polimer. Hal ini dimungkinkan karena suhu di mana campuran senyawa mencair tergantung pada jumlah relatifnya. Efek ini disebabkan oleh fenomena yang dikenal sebagai depresi titik beku, yang terjadi bila bahan terlarut asing ditambahkan ke larutan. Akibatnya, senyawa yang kurang murni akan menunjukkan puncak lebur yang diperluas yang dimulai pada suhu yang lebih rendah dari senyawa murni. Obat-obat yang sering dianalisis dengan DSC untuk menguji kemurniannya maupun interaksinya antara lain: 1. Trimetoprim 2. Sulfametoksazol 3. Glimpirid 4. Ketoprofen 5. Gliklazid 6. Amoksisilin



7. Dll. 5. Keuntungan dan kerugian dari analisis dengan DSC Keuntungan : 1. Jumlah material yang dibutuhkan sedikit sehingga memastika keseragaman distribusi suhu dan resolusi yang tinggi. 2. Data yang diperoleh dari analisis DSC dapat digunakan untuk mempelajari kalor reaksi,



kinetika,



kapasitas



kalor,



transisi



fase,



kestabilan



termal,



kemurnian,komposisi sampel, titik kritis, dan diagram fase. Termogram hasil analisis DSC darisuatu bahan polimer akan memberikan informasi titik transisi kaca (Tg), yaitu suhu pada saat polimer berubah dari bersifat kaca menjadi seperti karet, titik kristalisasi( Tc), yaitu pada saat polimer berbentuk kristal, titik leleh (Tm), yaitu saat polimer berwujud cairan, dan titik dekomposisi (Td), yaitu saat polimer mulai rusak. Kerugian dari analisis DSC: Kerugian dari analisis DSC di pengaruhi oleh



beberapa factor yaitu, Perlu



diperhatikan beberapa paramater yang berpengaruh dalam suatu percobaan. Sebagai contoh, pengaruh dari lingkungan spesimen, komposisi, ukuran dan permukaan hingga perbandingan volume yang kesemuanya berpengaruh terhadap reaksi penguraian (dekomposisi) bubuk. Sementara variabel-variabel tertentu tersebut mungkin saja tidak berpengaruh terhadap perubahan fase dasar dari suatu material padat. Dalam beberapa keadaan, tingkat evolusi panas bisa cukup tinggi untuk memenuhi tanggapan terhadap kemampuan sistem pengukuran. Untuk pengukuran temperatur terhadap transformasi fase, sebaiknya dipastikan agar suhu puncak tidak berbeda menurut ukuran contoh