核磁法測(cè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以及與DSC測(cè)Tg對(duì)比
 

玻璃態(tài)與玻璃化轉(zhuǎn)變

無(wú)定形聚合物在較低的溫度下，分子熱運(yùn)動(dòng)能量很低，只有較小的運(yùn)動(dòng)單元如側(cè)基、支鏈和鏈節(jié)能夠運(yùn)動(dòng)，而分子鏈和鏈段均處于被凍結(jié)狀態(tài)，這時(shí)的聚合物所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性質(zhì)和玻璃相似，故稱這種狀態(tài)為玻璃態(tài)(glassy-state)。
 

玻璃化轉(zhuǎn)變是無(wú)定型聚合物在經(jīng)受熱過(guò)程或加入增塑劑(比如水)后產(chǎn)生的一種物理變化，隨著溫度的降低，聚合物從橡膠態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，用Tg表示。Tg是十分重要的物理化學(xué)參數(shù)，它能決定食品體系的質(zhì)量、安全性和穩(wěn)定性。
 

在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度之下，聚合物處于一種剛性的狀態(tài)，內(nèi)部具有很高的黏度，分子遷移和擴(kuò)散實(shí)際上可視為不存在，此時(shí)一切造成食品品質(zhì)變化的反應(yīng)的反應(yīng)速率都大大降低，甚至不發(fā)生反應(yīng)。
 

當(dāng)溫度升高到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，聚合物軟化或轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)，體系黏度降低而分子遷移增加，這種情況下食品體系容易發(fā)生腐敗變質(zhì)。所以，測(cè)得食品體系的Tg值，將其在低于Tg的條件下保藏，可以最大限度地保存其原有的色、香、味、形等食用品質(zhì)以及營(yíng)養(yǎng)成分。
 

目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)定Tg的方法有差示掃描量熱法(DSC)、動(dòng)力機(jī)械分析法(DMA)、熱機(jī)械法(TMA)、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械法(DMTA)，與核磁共振法(NMR)等。采用NMR技術(shù)來(lái)測(cè)定玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度是一項(xiàng)新技術(shù)，它能夠進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、全方位的定量測(cè)量，而且對(duì)樣品不具有破壞性，在測(cè)量食品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及其他方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
 

低場(chǎng)核磁共振法測(cè)試Tg原理與優(yōu)勢(shì)：

NMR是一種通過(guò)測(cè)定活性原子核的弛豫特性來(lái)描述分子運(yùn)動(dòng)特性的技術(shù)。用NMR測(cè)定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是基于弛豫時(shí)間(T1、T2)可以衡量玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)分子鏈段運(yùn)動(dòng)的急劇變化。與上述方法相比，NMR對(duì)所測(cè)食品樣品沒(méi)有限制，對(duì)樣品亦不具破壞性，靈敏度高，能夠快速、實(shí)時(shí)、全方位、定量的研究樣品。

玻璃化轉(zhuǎn)變是指非晶態(tài)的高聚物（包括晶態(tài)高聚物中的非晶體部分）從玻璃態(tài)到高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變或者從高彈態(tài)到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變。許多研究人員已經(jīng)接受食品也是聚合物這一觀點(diǎn)并將其作為聚合物體系進(jìn)行分析，聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)是分子運(yùn)動(dòng)，聚合物由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)時(shí)，含有質(zhì)子的基團(tuán)運(yùn)動(dòng)頻率增加，這些變化可由弛豫時(shí)間T1和T2來(lái)衡量。
 

當(dāng)聚合物處于玻璃態(tài)時(shí)，T2不隨溫度而變，表現(xiàn)出剛性晶格的性質(zhì)，玻璃化轉(zhuǎn)變后，突破剛性晶格的限制，T2隨溫度升高而增大。繪制T2-溫度曲線，T2轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。
 

T2-溫度曲線和T1-溫度曲線都是由兩條近似直線的不同斜率的直線部分組成，這兩條直線的交點(diǎn)就看作為相轉(zhuǎn)變點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的溫度就是相轉(zhuǎn)變溫度，即我們所要測(cè)定的Tg。對(duì)于“U”曲線，其最低點(diǎn)，即為相轉(zhuǎn)變點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)溫度為Tg。
 

DSC與核磁法測(cè)Tg對(duì)比

當(dāng)物質(zhì)的物理性質(zhì)發(fā)生變化（例如結(jié)晶、熔融或晶型轉(zhuǎn)變等），或者起化學(xué)變化時(shí)，往往伴隨著熱力學(xué)性質(zhì)如熱焓、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)的變化。DSC就是通過(guò)測(cè)定其熱力學(xué)性質(zhì)的變化來(lái)表征物理或化學(xué)變化過(guò)程的。它是在程序控制溫度條件下，測(cè)量輸入給樣品與參比物的功率差與溫度關(guān)系的一種熱分析方法。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄的信息是保持樣品和參比樣的溫度相同時(shí)，兩者的熱量之差，因此DSC得到的曲線橫軸為溫度(時(shí)間)，縱軸為熱量差。
 

由于DSC測(cè)試時(shí)樣品用量很少，一般以mg為單位，對(duì)于非均相體系，不具有代表性；由于樣品量少，升溫速度快，很容易沖過(guò)Tg點(diǎn)，而帶來(lái)誤差。
 

核磁法測(cè)試時(shí)樣品用量一般是以克為單位，可精確控制樣品的升溫速度，測(cè)試結(jié)果更精確，也更能代表非均相體系的Tg值。
 

變溫核磁共振分析儀