量热与热分析（五）：同步热分析（STA）

在前四期内容中，我们分别认识了热重分析（TGA）、差热分析（DTA）、和差示扫描量热法（DSC）——TGA擅长追踪质量变化，DTA和DSC专注捕捉热效应。但在实际研究中，很多材料的热行为是“质量变化与热效应同步发生"的。若分别用TGA和DSC测试，不仅需要两份样品，还可能因样品差异、实验条件细微不同导致数据无法匹配。而同步热分析（STA）的出现，恰好解决了这一难题。本期，我们就来解开同步热分析的奥秘。

图1 中科热仪STA-790型同步热分析仪

同步热分析（Simultaneous Thermal Analysis，简称STA，也称综合热分析）是在程序控制温度和一定气氛下，对一个试样同时采用两种或多种分析技术的热分析联用方法。常见的主要有热重-差热分析技术和热重-差示扫描量热技术两种。其核心是将热重分析（TGA）与差示扫描量热法（DSC）或差热分析（DTA）整合在同一台仪器中，在同一次实验、同一程序控温条件下，对同一份样品同时进行质量和热量的测量。

从仪器结构来看，STA的关键设计在于“共用加热炉与样品池"：

• 加热炉采用高精度程序控温系统，确保样品受热均匀，且温度变化速率温度（与TGA、DSC的加热炉原理一致，但需适配两种检测模块）；

• 样品池安装高精度天平传感器，实时监测样品质量变化（TGA模块核心）;

• 样品与参比物之间嵌入热流或温度差传感器，同步捕捉热效应（DSC/DTA模块核心）。

图2 上皿式TG-DTA仪的结构图

当样品在加热过程中发生变化时（如分解、相变），天平传感器记录质量数据，热效应传感器同步记录热流或温度差数据，最终输出“质量-温度"“热流-温度"两条曲线，实现“一次实验，双重数据"的效果。由于需要将不同的传感器连接在一起，因此仪器的结构变得相对比较复杂。仪器设计的妥协和折中的处理，可能会引起仪器的一个或多个信号的测量灵敏度下降。

1.消除样品差异与实验误差

传统分开测试时，需准备两份相同样品，但即使是同批次样品，也可能存在粒度、密度细微差异；且两次实验的升温速率、气氛流量等条件难以一致，导致质量变化与热效应的“时间/温度对应关系"不准确。而STA用同一份样品、同一套实验条件，能精准建立“质量变化与热效应"的关联，如明确“某一失重台阶对应的是吸热还是放热反应"，为解析反应机理提供更可靠的依据。

2.减少样品用量，适配微量样品

对于珍贵样品（如稀有金属材料、医药研发中的微量中间体），传统分开测试需消耗两份样品，而STA仅需一份样品即可同时获取两种数据，大大降低了样品消耗成本。

3.提供实验效率，缩短分析周期

分开测试测试TGA和DSC，需分别设置参数、等待实验完成，整个过程可能耗时数小时；而STA一次实验即可完成两种测试，且数据同步输出，后续无需手动匹配数据，显著提升了分析效率，尤其适合批量样品检测。

1.矿物分解途径研究

矿物（如碳酸盐、硫酸盐等）的热分解过程往往不是“一步完成"，而是伴随多步失重（如脱水、脱气、晶型转变），且每一步失重都对应特定的热效应。STA通过同步记录“质量-温度"“热流-温度"曲线，能清晰解析矿物的分解途径。

矿物分解途径研究是探索矿物在热、化学或物理作用下发生结构破坏、成分分离的过程及机制。下图显示了使用STA-790同步热分析仪在不同气氛下得到水合草酸钙的热重和热流曲线。在第二段分解过程中，空气气氛下表现为吸热，氮气气氛下为放热，显示了分解途径的差异性。

图3 水合草酸钙不同气氛下的热重与热流同步曲线

2.聚合物组分研究

聚合物材料包含基体树脂、增塑剂、填充剂、稳定剂等多种组分，不同组分的热行为（如挥发、分解）存在温度重叠。传统方法需通过溶剂萃取、色谱分离等复杂前处理才能分析组分，而STA可通过“不同组分的失重-热效应特征"，直接识别聚合物中的复杂组分，甚至定量计算各组分含量，实现快速分析。

聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）的分解温度相近，单独用TGA测试时，两者的分解失重会叠加为一个宽台阶，无法区分。而通过STA的同步热流曲线，可利用两者分解热效应的差异实现识别区分，根据吸热峰的温度区间和峰面积，不仅能确认PP和PS的存在，还能够计算含量占比，无需复杂的前处理步骤。

3.药物稳定性评估

某些药物在储存过程中可能发生晶型转变或降解，且伴随质量与热效应变化。若药物降解产生小分子杂质（如水分、气体），会出现失重。晶型的转变通常伴随吸热或放热，通过对比新鲜样品与储存后样品的STA曲线，可同时判断“是否发生晶型转变"以及“是否降解"，全面评估药物稳定性。