Изотермическая микрокалориметрия - Isothermal microcalorimetry

Изотермическая микрокалориметрия
Художественное изображение прибора изотермической микрокалориметрии (IMC) и одной из его единиц измерения. Jpg
Акроним IMC
Классификация Термический анализ
Другие техники
Связанный Изотермическая калориметрия титрования
Дифференциальная сканирующая калориметрия

Изотермическая микрокалориметрия ( IMC ) - это лабораторный метод мониторинга и динамического анализа химических, физических и биологических процессов в реальном времени. В течение нескольких часов или дней IMC определяет начало, скорость, степень и энергетику таких процессов для образцов в небольших ампулах (например, 3–20 мл) при постоянной заданной температуре (около 15–150 ° C).

IMC выполняет этот динамический анализ, измеряя и записывая в зависимости от прошедшего времени чистую скорость теплового потока (мкДж / сек = мкВт) к или от ампулы с образцом, а также совокупное количество потребляемого или произведенного тепла (Дж).

IMC - мощный и универсальный аналитический инструмент по четырем тесно связанным причинам:

  1. Все химические и физические процессы являются экзотермическими или эндотермическими - производят или потребляют тепло.
  2. Скорость теплового потока пропорциональна скорости процесса происходит.
  3. IMC достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать и отслеживать либо медленные процессы (реакции, протекающие с частотой несколько процентов в год) в нескольких граммах материала, либо процессы, которые генерируют незначительное количество тепла (например, метаболизм нескольких тысяч живых клеток).
  4. Инструменты IMC обычно имеют огромный динамический диапазон - тепловые потоки не превышают ок. 1 мкВт и прибл. 50 000 мкВт можно измерить тем же прибором.

Таким образом, метод IMC для изучения темпов процессов широко применим, обеспечивает непрерывные данные в реальном времени и является чувствительным. Измерение просто выполнить, оно проводится без участия оператора и не мешает (например, не требуются флуоресцентные или радиоактивные маркеры).

Однако есть два основных предостережения, которые необходимо учитывать при использовании IMC:

  1. Пропущенные данные : если используются ампулы с образцами, приготовленные извне, требуется прибл. 40 минут, чтобы медленно ввести ампулу в прибор без значительного нарушения заданной температуры в измерительном модуле. Таким образом, никакие процессы, происходящие в это время, не отслеживаются.
  2. Посторонние данные : IMC регистрирует совокупный чистый тепловой поток, производимый или потребляемый всеми процессами, происходящими в ампуле. Следовательно, чтобы быть уверенным, какой процесс или процессы производят измеряемый тепловой поток, необходимо проявлять большую осторожность как при планировании эксперимента, так и при первоначальном использовании соответствующих химических, физических и биологических анализов.

В общем, возможные применения IMC ограничены только воображением человека, который решает использовать его в качестве аналитического инструмента, и физическими ограничениями метода. Помимо двух общих ограничений (основных предостережений), описанных выше, эти ограничения включают размер образца и ампулы, а также температуры, при которых можно проводить измерения. IMC обычно лучше всего подходит для оценки процессов, которые происходят в течение нескольких часов или дней. IMC используется в чрезвычайно широком диапазоне приложений, и в этой статье обсуждается множество примеров, подкрепленных ссылками на опубликованную литературу. Обсуждаемые области применения варьируются от измерения медленного окислительного разложения полимеров и нестабильности опасных промышленных химикатов до обнаружения бактерий в моче и оценки воздействия лекарств на паразитических червей. В данной статье основное внимание уделяется приложениям последнего типа - биологии и медицине.

Обзор

Определение, цель и сфера применения

Калориметрия - это наука об измерении теплоты химических реакций или физических изменений. Калориметрия выполняется калориметром .

Изотермическая микрокалориметрия (IMC) - это лабораторный метод для непрерывного измерения в реальном времени скорости теплового потока (мкДж / сек = мкВт) и совокупного количества тепла (Дж), потребляемого или производимого при практически постоянной температуре образцом, помещенным в IMC. инструмент. Такое нагревание происходит из-за химических или физических изменений, происходящих в образце. Тепловой поток пропорционален совокупной скорости изменений, происходящих в данный момент времени. Суммарное тепло, произведенное в течение данного временного интервала, пропорционально совокупному количеству произошедших совокупных изменений.

Таким образом, IMC является средством динамической количественной оценки скорости и энергии широкого диапазона процессов скорости, включая биологические процессы. Скорость процесса определяется здесь как физическое и / или химическое изменение, развитие которого во времени может быть описано либо эмпирически, либо с помощью математической модели ( Библиография : Glasstone, et al. 1941 и Johnson, et al. 1974 и уравнение скорости ).

Самым простым способом использования IMC является обнаружение того, что в образце происходит один или несколько процессов скорости, потому что тепло выделяется или потребляется со скоростью, превышающей предел обнаружения используемого прибора. Это может быть полезно, например, в качестве общего индикатора того, что твердый или жидкий материал не инертен, а вместо этого изменяется при заданной температуре. В биологических образцах, содержащих питательную среду, появление с течением времени обнаруживаемого и возрастающего сигнала теплового потока является простым общим индикатором присутствия некоторых типов реплицирующихся клеток.

Пример ампулы 4 мл для исследований IMC.
рисунок 1

Тем не менее, для большинства приложений крайне важно каким-либо образом знать, какой процесс или процессы измеряются путем мониторинга теплового потока. Как правило, это влечет за собой сначала подробные физические, химические и биологические знания предметов, помещенных в ампулу IMC, прежде чем они будут помещены в прибор IMC для оценки теплового потока с течением времени. Также необходимо проанализировать содержимое ампулы после того, как измерения теплового потока IMC были выполнены в течение одного или нескольких периодов времени. Кроме того, логические вариации содержимого ампулы могут использоваться для идентификации конкретного источника или источников теплового потока. Когда отношения скорости и теплового потока установлены, можно напрямую полагаться на данные IMC.

То, что IMC может измерять на практике, частично зависит от размеров образца, и они обязательно ограничиваются конструкцией прибора. Данный коммерческий инструмент обычно принимает образцы до фиксированного диаметра и высоты. Инструменты, принимающие образцы размером до прибл. 1 или 2 см в диаметре x ок. 5 см в высоту являются типичными. В данном приборе более крупные образцы данного типа обычно производят более сильные сигналы теплового потока, и это может повысить точность обнаружения и точность.

Часто образцы представляют собой простые цилиндрические ампулы объемом от 3 до 20 мл (рис. 1), содержащие материалы, скорость которых представляет интерес, например твердые вещества, жидкости, культивируемые клетки, или любую комбинацию этих или других предметов, которая, как ожидается, приведет к выработке или потреблению тепла. . Многие полезные измерения IMC могут быть выполнены с использованием простых запечатанных ампул, а стеклянные ампулы являются обычным явлением, поскольку стекло не подвержено тепловым химическим или физическим изменениям. Однако иногда используются металлические или полимерные ампулы. Также доступны системы инструмент / ампула, которые позволяют вводить или контролировать поток газов или жидкостей и / или обеспечивают механическое перемешивание образца.

Коммерческие приборы IMC позволяют измерять тепловой поток в диапазоне температур от прибл. 15 ° С - 150 ° С. Диапазон для данного инструмента может несколько отличаться.

IMC чрезвычайно чувствителен - например, тепло от медленных химических реакций в образцах массой несколько граммов, происходящее при скорости потребления реагентов несколько процентов в год, может быть обнаружено и количественно определено в течение нескольких дней. Примеры включают постепенное окисление полимерных материалов имплантатов и исследования срока годности твердых фармацевтических лекарственных форм ( Применение: твердые материалы ).

Также можно измерить скорость метаболического производства тепла, например, нескольких тысяч живых клеток, микроорганизмов или простейших в культуре в ампуле IMC. Количество такого метаболического тепла можно коррелировать (экспериментально) с количеством присутствующих клеток или организмов. Таким образом, данные IMC можно использовать для мониторинга в реальном времени количества присутствующих клеток или организмов и чистой скорости роста или уменьшения этого количества ( Приложения: Биология и медицина ).

Хотя обсуждаются некоторые небиологические применения IMC ( Приложения: твердые материалы ), в данной статье основное внимание уделяется использованию IMC в связи с биологическими процессами ( Приложения: Биология и медицина ).

Полученные данные

График данных IMC для типичного экзотермического скоростного процесса в запаянной ампуле, в котором процесс (и, следовательно, тепловой поток) начинается, ускоряется, достигает пика и затем спадает. Под графиком теплового потока находится график, показывающий интеграцию данных теплового потока для получения накопленного тепла в зависимости от времени. Как показано графически, продолжительность лаг-фазы и максимальная скорость тепловыделения (скорость роста) могут быть рассчитаны на основе интегрированных данных (по данным Howell, et al. 2011. Используется с разрешения издателя).
Рис. 2

Графическое отображение общего типа данных IMC показано на рис. 2. Вверху приведен график зависимости зарегистрированного теплового потока (μ W = μ Дж / с) от времени для образца в запаянной ампуле из-за экзотермический процесс, который начинается, ускоряется, достигает пика теплового потока и затем стихает. Такие данные непосредственно полезны (например, обнаружение процесса и его продолжительности при фиксированных условиях), но данные также легко оцениваются математически для определения параметров процесса. Например, на рис. 2 также показано объединение данных теплового потока, показывающее накопленное тепло (Дж) в зависимости от времени. Как показано, такие параметры, как максимальная скорость роста (тепловыделения) процесса и продолжительность лаг-фазы до того, как процесс достигнет максимального тепловыделения, могут быть рассчитаны на основе интегрированных данных. Расчеты с использованием данных о тепловом потоке, хранящихся в компьютерных файлах, легко автоматизировать. Такой анализ данных IMC для определения параметров роста имеет важные приложения в науках о жизни ( приложения: биология и медицина ). Кроме того, скорости теплового потока, полученные при ряде температур, можно использовать для получения энергии активации оцениваемого процесса (Hardison et al. 2003).

История развития

Лавуазье и Лапласу приписывают создание и использование первого изотермического калориметра в ок. 1780 ( Библиография: Lavoisier A & Laplace PS 1780 ). В их инструменте использовался лед для создания относительно постоянной температуры в ограниченном пространстве. Они поняли, что когда они помещали выделяющий тепло образец на лед (например, живое животное), масса жидкой воды, производимой тающим льдом, была прямо пропорциональна теплу, производимому образцом.

Многие современные конструкции инструментов IMC являются результатом работ, выполненных в Швеции в конце 1960-х - начале 1970-х годов (Wadsö 1968, Suurkuusk & Wadsö 1974). В этой работе использовались преимущества параллельной разработки твердотельных электронных устройств - в частности, коммерческая доступность устройств с малым термоэлектрическим эффектом (Пельтье-Зеебека) для преобразования теплового потока в напряжение - и наоборот.

В 1980-х годах появились многоканальные конструкции (Сууркууск, 1982), которые позволяют проводить параллельную оценку нескольких образцов. Это значительно увеличило мощность и полезность IMC и привело к усилиям по совершенствованию метода (Thorén et al. 1989). Большая часть дальнейшего проектирования и развития, выполненных в 1990-х годах, также была выполнена в Швеции Вадсё и Сууркууском и их коллегами. В этой работе использовались преимущества параллельного развития технологий персональных компьютеров, которые значительно расширили возможности простого хранения, обработки и интерпретации данных о тепловом потоке в зависимости от времени.

Работа по разработке приборов с 1990-х годов позволила получить дополнительные преимущества от непрерывного развития твердотельной электроники и персональных компьютеров. Это создало инструменты IMC с повышенной чувствительностью и стабильностью, количеством параллельных каналов и еще большей способностью удобно записывать, хранить и быстро обрабатывать данные IMC. В связи с более широким использованием, значительное внимание было уделено созданию стандартов для описания характеристик инструментов IMC (например, точность, точность, чувствительность) и методов калибровки (Wadsö and Goldberg 2001).

Инструменты и принципы измерения

Конфигурации инструментов

Обзор прибора IMC, который содержит 48 отдельных калориметрических модулей. Показан один модуль. Все модули работают при заданной заданной температуре, контролируемой термостатом прибора, но измерения можно запускать и останавливать отдельно в каждом модуле. (С разрешения Waters-TA Instruments, Уилмингтон, Делавэр, США. Http://www.tainstruments.com/ )
Рис. 3

Современные приборы IMC фактически являются полуадиабатическими, т.е. теплопередача между образцом и его окружением не равна нулю (адиабатическая), потому что измерение теплового потока IMC зависит от наличия небольшого перепада температур - ок. 0,001 ° С. Однако из-за того, что разница настолько мала, измерения IMC по существу изотермические. На рис. 3. показан обзор прибора IMC, который содержит 48 отдельных модулей измерения теплового потока. Показан один модуль. Измерительным блоком модуля обычно является устройство Пельтье-Зеебека. Устройство создает напряжение, пропорциональное разнице температур между образцом, который выделяет или потребляет тепло, и термически неактивным эталоном, имеющим температуру радиатора. Разница температур, в свою очередь, пропорциональна скорости, с которой образец вырабатывает или потребляет тепло (см. Калибровка ниже). Все модули в приборе используют один и тот же радиатор и термостат и, таким образом, все выдают данные при одной и той же заданной температуре. Однако, как правило, можно начинать и останавливать измерения в каждой ампуле независимо. В высокопараллельном (например, 48-канальном) приборе, подобном показанному на рис. 3, это позволяет проводить (запускать и останавливать) несколько различных экспериментов всякий раз, когда это удобно.

В качестве альтернативы инструменты IMC могут быть оснащены дуплексными модулями, которые выдают сигналы, пропорциональные разнице теплового потока между двумя ампулами. Одна из двух таких дуплексных ампул часто является холостым или контрольным образцом, т. Е. Образцом, который не содержит материала, вызывающего интересующий процесс скорости, но содержание которого в остальном идентично тому, что находится в ампуле образца. Это обеспечивает средства для устранения незначительных реакций с выделением тепла, которые не представляют интереса, например постепенных химических изменений в течение нескольких дней в среде для культивирования клеток при температуре измерения. Многие полезные измерения IMC могут быть выполнены с использованием простых запаянных ампул. Однако, как упоминалось выше, доступны системы инструмент / ампула, которые позволяют или даже контролируют поток газов или жидкостей к образцам и / или от них и / или обеспечивают механическое перемешивание образцов.

Справочные вставки

Тепловой поток обычно измеряется относительно эталонной вставки, как показано на рис. 3. Обычно это металлический образец, который химически и физически стабилен при любой температуре в рабочем диапазоне прибора и, таким образом, сам не выделяет и не потребляет тепло. Для достижения наилучших результатов эталон должен иметь теплоемкость, близкую к теплоемкости образца (например, ампула IMC с содержимым).

Режимы работы

Режим теплопроводности (hc)

Коммерческие приборы IMC часто работают как калориметры теплопроводности (hc), в которых тепло, выделяемое образцом (т.е. материалом в ампуле), течет к радиатору, обычно к алюминиевому блоку, содержащемуся в термостате (например, бане с постоянной температурой). Как упоминалось выше, прибор IMC, работающий в режиме hc, не является точно изотермическим, потому что обязательно существуют небольшие различия между заданной температурой и температурой образца, так что существует измеримый тепловой поток. Однако небольшие колебания температуры образца не оказывают существенного влияния на температуру радиатора, поскольку теплоемкость радиатора намного выше, чем у образца - обычно около 10%. 100 ×.

Теплообмен между образцом и радиатором происходит через устройство Пельтье-Зеебека , позволяющее динамически измерять выделяемое или потребляемое тепло. В приборах исследовательского качества температура термостата / радиатора обычно имеет точность <± 0,1 K и поддерживается в пределах прибл. <± 100 мкК / 24ч. Точность, с которой температура радиатора поддерживается с течением времени, является основным фактором, определяющим точность измерений теплового потока с течением времени. Преимущество hc-режима - большой динамический диапазон. Тепловые потоки ок. 50 000 мкВт можно измерить с точностью прибл. ± 0,2 мкВт. Таким образом, измеряя тепловой поток ок. > 0,2 мкВт выше базовой линии означает обнаружение теплового потока, хотя часто используется более консервативное определение 10-кратного предела точности.

Режим компенсации мощности (ПК)

Некоторые приборы IMC работают (или могут также работать) как калориметры компенсации мощности (ПК). В этом случае, чтобы поддерживать образец при заданной температуре, выделяемое тепло компенсируется с помощью устройства Пельтье-Зеебека. Потребляемое тепло компенсируется электрическим нагревателем или изменением полярности устройства (van Herwaarden, 2000). Если данный прибор работает в режиме ПК, а не в режиме hc, точность измерения теплового потока остается прежней (например, около ± 0,2 мкВт). Преимущество режима компенсации заключается в меньшей постоянной времени, т. Е. Время, необходимое для обнаружения данного импульса теплового потока, примерно в 10 раз меньше, чем в режиме теплопроводности. Недостаток - ок. В 10 раз меньший динамический диапазон по сравнению с режимом hc.

Калибровка

Для работы в режиме hc или pc обычная калибровка коммерческих приборов обычно выполняется с помощью встроенных электрических нагревателей. Рабочие характеристики электрических нагревателей, в свою очередь, могут быть подтверждены с использованием образцов с известной теплоемкостью или образцов, которые вызывают химические реакции, тепловыделение которых на единицу массы известно из термодинамики (Wadsö and Goldberg 2001). В режиме hc или pc результирующий сигнал представляет собой регистрируемое компьютером напряжение, откалиброванное для представления теплового потока в диапазоне μ W в зависимости от времени. В частности, если в образце нет значительных температурных градиентов, то P = e C [U + t (dU / dt)], где P - тепловой поток (т.е. μ Вт), ε C - калибровочная константа, U - измеренный потенциал. разность термобатареи, а t - постоянная времени. В установившемся режиме - например, во время высвобождения постоянного электрического калибровочного тока, это упрощается до P = e C U. (Wadsö and Goldberg 2001).

Ампулы

Многие очень полезные измерения IMC можно проводить в запечатанных ампулах (рис. 1), которые предлагают преимущества простоты, защиты от загрязнения и (при необходимости) значительного запаса биобезопасности для людей, имеющих дело с ампулами или контактировавших с ними. Закрытая ампула может содержать любую желаемую комбинацию твердых веществ, жидкостей, газов или предметов биологического происхождения. Исходный состав газа в свободном пространстве ампулы можно контролировать путем герметизации ампулы в требуемой газовой среде.

Однако существуют также конструкции инструментов / ампул IMC, которые позволяют контролировать поток газа или жидкости через ампулу во время измерения и / или механического перемешивания. Кроме того, при наличии соответствующих принадлежностей некоторые приборы IMC могут работать как приборы ITC (изотермической калориметрии титрования). Тема ITC освещена в другом месте (см. Изотермическая калориметрия титрования ). Кроме того, некоторые приборы IMC могут регистрировать тепловой поток, в то время как температура медленно изменяется (сканируется) с течением времени. Скорость сканирования должна быть низкой. ± 2 K ° / ч - для того, чтобы образцы с шкалой IMC (например, несколько граммов) были достаточно близки к температуре радиатора (<примерно 0,1 ° C). Быстрое сканирование температуры - это прерогатива приборов дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), которые обычно используют гораздо меньшие образцы. Некоторые инструменты DSC могут работать в режиме IMC, но небольшой размер ампулы (и, следовательно, образца), необходимый для сканирования, ограничивает полезность и чувствительность инструментов DSC, используемых в режиме IMC.

Базовая методология

Установка температуры

Измерения скорости теплового потока (мкДж / сек = мкВт) выполняются, сначала устанавливая термостат прибора IMC на выбранную температуру и позволяя радиатору прибора стабилизироваться при этой температуре. Если прибор IMC, работающий при одной температуре, настроен на новую температуру, повторная стабилизация при новой настройке температуры может занять несколько часов или даже день. Как объяснено выше, достижение и поддержание точно стабильной температуры имеет основополагающее значение для достижения точных измерений теплового потока в диапазоне мкВт в течение длительного времени (например, дней).

Представляем образец

После стабилизации температуры, если используется приготовленная извне ампула (или какой-либо твердый образец с размерами ампулы), ее медленно вводят (например, опускают) в измерительный модуль прибора, как правило, поэтапно. Цель состоит в том, чтобы гарантировать, что к тому времени, когда ампула / образец окажется в положении измерения, его температура будет близка (в пределах 0,001 ° C) к температуре измерения. Это сделано для того, чтобы любой измеренный затем тепловой поток был обусловлен процессами изменения скорости образца, а не продолжающимся процессом доведения образца до заданной температуры. Время введения образца в ампуле IMC объемом 3–20 мл в положение измерения составляет ок. 40 минут на многих инструментах. Это означает, что тепловой поток от любых процессов, происходящих в образце в течение периода введения, не будет регистрироваться.

Если используется ампула на месте и вводится какой-либо агент или образец, это также вызывает период нестабильности, но это примерно примерно так. 1 минута. На рис. 5 представлены примеры как длительного периода, необходимого для стабилизации инструмента, если ампула вводится напрямую, так и короткого периода нестабильности из-за инъекции.

Запись данных

После процесса введения тепловой поток образца можно непрерывно точно регистрировать до тех пор, пока это представляет интерес. Чрезвычайная стабильность приборов исследовательского уровня (<± 100 мкК / 24 ч) означает, что точные измерения могут быть (и часто производятся) в течение нескольких дней. Поскольку сигнал теплового потока по существу считывается в реальном времени, он служит средством для принятия решения о том, происходит ли интересующий тепловой поток по-прежнему. Кроме того, современные приборы хранят данные о тепловом потоке в зависимости от времени в виде компьютерных файлов, поэтому возможно графическое отображение как в реальном времени, так и ретроспективное, а также математический анализ данных.

Юзабилити

Как указано ниже, IMC имеет много преимуществ в качестве метода анализа тарифных процессов, но есть также некоторые предостережения, которые необходимо учитывать.

Преимущества

Широко применимо

Может быть изучен любой процесс изменения скорости - если подходящие образцы будут соответствовать геометрии модуля инструмента IMC и продолжаться со скоростью, соответствующей методологии IMC (см. Выше). Как показано в разделе « Приложения» , IMC используется для количественной оценки чрезвычайно широкого диапазона скоростных процессов in vitro - например, от стабильности полимеров в твердом состоянии (Hardison et al. 2003) до эффективности лекарственных соединений против паразитических червей (Maneck et al. 2011). ). IMC также может определять совокупную скорость неописанных, сложных или множественных взаимодействий (Lewis & Daniels). Это особенно полезно для сравнительного скрининга - например, влияния различных комбинаций состава материала и / или процессов изготовления на общую физико-химическую стабильность.

В реальном времени и непрерывно

Данные теплового потока IMC получаются как колебания напряжения в зависимости от времени, сохраняются в виде компьютерных файлов и могут отображаться практически в реальном времени - по мере того, как происходит процесс изменения скорости. Напряжение, связанное с тепловым потоком, непрерывно во времени, но в современных приборах оно обычно измеряется в цифровом виде. Частота цифровой выборки может контролироваться по мере необходимости, т.е. частая выборка быстрых изменений теплового потока для лучшего разрешения по времени или более медленная выборка медленных изменений для ограничения размера файла данных.

Чутко и быстро

IMC достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать и количественно определять за короткое время (часы, дни) реакции, которые потребляют лишь несколько процентов реагентов в течение длительного времени (месяцы). Таким образом, IMC позволяет избежать длительного ожидания, которое часто требуется, пока не накопится достаточно продукта реакции для обычных (например, химических) анализов. Это относится как к физическим, так и к биологическим образцам (см. Приложения ).

Прямой

При каждой комбинации переменных образца и заданной температуры, представляющей интерес, IMC обеспечивает прямое определение кинетики теплового потока и совокупной теплоты скоростных процессов. Это избавляет от необходимости предполагать, что процесс изменения скорости остается неизменным при изменении температуры или других контролируемых переменных перед измерением IMC.

Простой

Для сравнения влияния экспериментальных переменных (например, начальных концентраций) на процессы скорости IMC не требует разработки и использования химических или других методов анализа. Если требуются абсолютные данные (например, количество продукта, произведенного в процессе), тогда анализы можно проводить параллельно на образцах, идентичных тем, которые использовались для IMC (и / или на образцах IMC после прогонов IMC). Полученные данные анализа используются для калибровки данных скорости, полученных IMC.

Не мешающий

IMC не требует добавления маркеров (например, флуоресцентных или радиоактивных веществ) для определения скорости процесса. Можно использовать чистые образцы, и после прогона IMC образец остается неизменным (за исключением процессов, которые имели место). Образец post-IMC может быть подвергнут любой физической, химической, морфологической или другой оценке, представляющей интерес.

Предостережения

Пропущенные данные

Как указано в описании методологии, когда используется метод IMC для введения запечатанной ампулы, невозможно уловить тепловой поток в течение первых ок. 40 минут, пока образец медленно доводится до заданной температуры. Таким образом, в этом режиме IMC лучше всего подходит для изучения процессов, которые начинаются медленно или медленно при заданной температуре. Это предостережение также относится к времени до введения, то есть времени, прошедшему между подготовкой образца (в котором затем может начаться процесс измерения скорости) и запуском процесса введения IMC (Charlebois et al. 2003). Этот последний эффект обычно сводится к минимуму, если температура, выбранная для IMC, значительно выше (например, 37 ° C), чем температура, при которой готовится образец (например, 25 ° C).

Посторонние данные

IMC фиксирует совокупное производство или потребление тепла в результате всех процессов, происходящих в образце, включая, например,

  • Возможные изменения физико-химического состояния самой ампулы с образцом; например, снятие напряжений в металлических компонентах, окисление полимерных компонентов.
  • Деградация питательной среды, в которой изучается метаболизм и рост живых клеток.

Таким образом, при планировании и разработке экспериментов необходимо проявлять большую осторожность, чтобы определить все возможные процессы, которые могут иметь место. Часто бывает необходимо разработать и провести предварительные исследования, предназначенные для систематического определения наличия нескольких процессов и, если да, их вклада в совокупный тепловой поток. Одна из стратегий, позволяющая исключить посторонние данные о тепловом потоке, состоит в том, чтобы сравнить тепловой поток для образца, в котором происходит интересующий процесс скорости, с потоком от холостого образца, который включает в себя все, что есть в интересующем образце, за исключением предмета, который будет пройти процесс процентной ставки. Это может быть достигнуто напрямую с помощью приборов, имеющих дуплексные модули IMC, которые сообщают о чистой разнице теплового потока между двумя ампулами.

Приложения

После обсуждения некоторых специальных источников информации о приложениях IMC, рассматриваются несколько конкретных категорий IMC-анализа тарифных процессов, а недавние примеры (со ссылками на литературу) обсуждаются в каждой категории.

Специальные источники информации о приложениях IMC

Справочники

В библиографии перечислены четыре обширных тома Справочника по термическому анализу и калориметрии: Vol. 1 Принципы и практика (1998), Vol. 2 Приложения к неорганическим и другим материалам (2003), Vol. 3 Applications to Polymers and Plastics (2002), и Vol. 4 От макромолекул к человеку (1999). Они представляют собой основной источник информации о приложениях и примерах IMC (и ссылки на них), опубликованные до ок. 2000 г.

Примечания к применению

Некоторые производители приборов IMC собрали заметки по применению и сделали их общедоступными. Заметки часто (но не всегда) являются адаптацией журнальных статей. Примером может служить Microcalorimetry Compendium Vol. I и II предлагаются TA Instruments, Inc. и перечислены в библиографии .

«Белки» первый раздел заметок в Vol. I, здесь не представляет интереса, поскольку описывает исследования с использованием изотермической калориметрии титрования . Последующие разделы Vol. I, Life & Biological Sciences и Pharmaceuticals содержат примечания по применению как IMC, так и дифференциальной сканирующей калориметрии . Vol. Вторая часть сборника почти полностью посвящена приложениям IMC. Его разделы озаглавлены «Цемент», «Энергетика», «Материалы» и «Прочее». Возможный недостаток этих двух конкретных сборников заключается в том, что ни одна из заметок не датирована. Хотя сборники были опубликованы в 2009 году, некоторые из примечаний описывают инструменты IMC, которые использовались много лет назад и больше не доступны. Таким образом, некоторые из заметок, хотя и актуальны и поучительны, часто описывают исследования, проведенные до 2000 года.

Примеры приложений

В общем, возможные применения IMC ограничиваются только воображением человека, который решает использовать IMC в качестве аналитического инструмента - в рамках ранее описанных ограничений, представленных существующими инструментами и методологией IMC. Это потому, что это универсальное средство для мониторинга любого химического, физического или биологического процесса. Ниже приведены некоторые категории приложений IMC с примерами в каждой. В большинстве категорий опубликованных примеров намного больше, чем упомянутых и упомянутых. Категории несколько произвольны и часто пересекаются. Другой набор категорий может быть столь же логичным, и можно добавить больше категорий.

Твердые материалы

Формирование

IMC широко используется для изучения скорости образования различных материалов с помощью различных процессов. Он лучше всего подходит для изучения процессов, которые происходят медленно, то есть в течение нескольких часов или дней. Ярким примером является изучение реакций гидратации и схватывания кальциевых минеральных цементных составов. В одной статье представлен обзор (Gawlicki, et al. 2010), а в другой описывается простой подход (Evju 2003). Другие исследования сосредоточены на понимании гидратации цемента, предоставленном IMC в сочетании с ИК-спектроскопией (Ylmen et al. 2010), и на использовании IMC для изучения влияния переменных состава на гидратацию и время схватывания цемента (Xu et al. 2011).

IMC также можно удобно использовать для изучения скорости и количества гидратации (в воздухе с известной влажностью) минералов кальция или других минералов. Чтобы обеспечить воздух известной влажности для таких исследований, небольшие емкости с насыщенными солевыми растворами можно поместить в ампулу IMC вместе с образцом негидратированного минерала. Затем ампулу герметично закрывают и вводят в прибор IMC. Насыщенный солевой раствор поддерживает воздух в ампуле при известной относительной влажности, а различные обычные солевые растворы обеспечивают влажность в диапазоне, например, от 32 до 100%. Такие исследования были выполнены на частицах гидроксиапатита кальция с размером микрон и кальцийсодержащих «наночастицах» биоактивного стекла (Doostmohammadi et al. 2011).

Стабильность

IMC хорошо подходит для быстрой количественной оценки скорости медленных изменений материалов (Willson et al. 1995). Такие оценки по-разному описываются как исследования стабильности, разложения или срока годности .

Зависимость теплового потока от времени термического разложения 80 мас.% ГПК ( гидропероксида кумола ) при различных температурах. ТЭЦ - это промышленный промежуточный химический продукт и инициатор полимеризации, который имеет документально подтвержденную пожаро- и взрывоопасность. По словам авторов, ни дифференциальная сканирующая калориметрия, ни адиабатическая калориметрия не были достаточно чувствительны, чтобы получить эти данные (из Chen et al. 2008 с разрешения издателя).
Рис. 4

Например, IMC в течение многих лет широко использовался в исследованиях срока годности твердых лекарственных форм в фармацевтической промышленности (Pikal et al. 1989, Hansen et al. 1990, Konigbauer et al. 1992). IMC обладает способностью обнаруживать медленные деградация во время моделирования хранения на полке намного быстрее, чем традиционные аналитические методы, и без необходимости использования методов химического анализа. IMC также является быстрым и чувствительным методом для определения часто функционально важного аморфного содержания лекарств, таких как нифедипин (Vivoda et al. 2011).

IMC можно использовать для быстрого определения скорости медленных изменений в промышленных полимерах. Например, известно, что стерилизация гамма-излучением материала, часто используемого для хирургических имплантатов, - сверхвысокомолекулярного полиэтилена (UHMWPE), - приводит к образованию свободных радикалов в полимере. В результате происходит медленное окисление и постепенное нежелательное охрупчивание полимера на полке или in vivo. IMC может обнаруживать тепло, связанное с окислением, и количественно определять скорость окисления ок. 1% в год в облученном СВМПЭ при комнатной температуре на воздухе (Charlebois et al. 2003). В соответствующем исследовании энергия активации была определена на основе измерений при ряде температур (Hardison et al. 2003).

IMC также очень полезен при оценке «потенциала выхода из-под контроля» материалов, которые представляют значительную опасность пожара или взрыва. Например, его использовали для определения автокаталитической кинетики гидропероксида кумола (ГПК), промежуточного продукта, который используется в химической промышленности и внезапное разложение которого вызвало ряд пожаров и взрывов. На рис. 4 показаны данные IMC, подтверждающие термическое разложение ГПК при 5 различных температурах (Chen et al. 2008).

Биология и медицина

Термин «метаболизм» может использоваться для описания исследований количественного измерения скорости производства или потребления тепла в зависимости от времени клетками (включая микробы) в культуре, образцами тканей или небольшими целыми организмами. Как описано ниже, метаболизм может быть полезен в качестве диагностического инструмента; особенно в либо (а) идентификации природы образца по его тепловому потоку в зависимости от размера при заданном наборе условий, либо (б) определении воздействия, например, фармацевтических соединений на метаболические процессы, органический рост или жизнеспособность. Метаболизм связан с метаболомикой . Последнее представляет собой систематическое изучение уникальных химических отпечатков пальцев, которые оставляют после себя определенные клеточные процессы; т.е. изучение их низкомолекулярных профилей метаболитов. Когда IMC используется для определения метаболизма, продукты изучаемых метаболических процессов впоследствии становятся доступными для исследований метаболомики. Поскольку IMC не использует биохимические или радиоактивные маркеры, образцы после IMC состоят только из продуктов метаболизма и оставшейся культуральной среды (если таковая использовалась). Если метаболизм и метаболомика используются вместе, они могут обеспечить исчерпывающую запись метаболического процесса, происходящего in vitro: его скорость и энергетику, а также продукты его метаболизма.

Для определения метаболизма с использованием IMC, конечно, должно быть достаточное количество клеток, тканей или организмов, изначально присутствующих (или присутствующих позже, если репликация происходит во время измерений IMC), чтобы генерировать сигнал теплового потока, превышающий предел обнаружения данного прибора. Знаменательная общая статья 2002 года по теме метаболизма дает прекрасную перспективу для рассмотрения метаболических исследований IMC (см. « Библиографию» , West, Woodruff and Brown, 2002). Он описывает, как связаны скорости метаболизма и как они масштабируются во всем диапазоне от «молекул и митохондрий до клеток и млекопитающих». Что важно для IMC, авторы также отмечают, что, хотя скорость метаболизма данного типа клеток млекопитающих in vivo заметно снижается с увеличением размера (массы) животного, размер животного-донора не влияет на скорость метаболизма клетки при культивировании. in vitro.

Клеточная и тканевая биология

Клетки млекопитающих в культуре имеют скорость метаболизма ок. 30 × 10 -12 Вт / ячейка (рис. 2 и 3 в библиографии: West, Woodruff and Brown, 2002 ). По определению, приборы IMC имеют чувствительность не менее 1 × 10 −6 Вт (т. Е. 1 мкВт). Таким образом, метаболическое тепло ок. Обнаруживается 33000 клеток. Основываясь на этой чувствительности, IMC использовался для выполнения большого количества новаторских исследований метаболизма культивируемых клеток млекопитающих в 1970-х и 1980-х годах в Швеции. Одна статья (Monti 1990) служит подробным руководством по работе, проделанной до 1990 года. Она включает пояснительный текст и 42 ссылки на исследования IMC теплового потока от культивированных человеческих эритроцитов , тромбоцитов , лимфоцитов , клеток лимфомы, гранулоцитов , адипоцитов , скелетных мышц и т. Д. и ткань миокарда. Исследования были проведены, чтобы определить, как и где IMC можно использовать в качестве метода клинической диагностики и / или дать представление о метаболических различиях между клетками здоровых людей и людей с различными заболеваниями или проблемами со здоровьем.

Разработки с ок. 2000 г. в IMC (например, массивно-параллельные инструменты, компьютерное хранение и анализ данных теплового потока в реальном времени) стимулировали дальнейшее использование IMC в биологии культивируемых клеток. Например, IMC был оценен для оценки индуцированной антигеном пролиферации лимфоцитов (Murigande et al. 2009) и выявил аспекты пролиферации, не наблюдаемые при использовании обычного метода непостоянного анализа радиоактивных маркеров. IMC также применяется в области тканевой инженерии . Одно исследование (Santoro et al. 2011) продемонстрировало, что IMC можно использовать для измерения скорости роста (т.е. пролиферации) в культуре человеческих хондроцитов, собранных для использования в тканевой инженерии. Он показал, что IMC потенциально может служить для определения эффективности различных составов питательных сред, а также для определения того, могут ли клетки, пожертвованные данным человеком, расти достаточно эффективно, чтобы рассмотреть возможность их использования для производства сконструированной ткани.

IMC также использовался для измерения метаболической реакции культивируемых макрофагов на остатки хирургического износа имплантата. IMC показал, что реакция была сильнее на частицы полиэтилена с диапазоном размеров мкм, чем на частицы сплава Co аналогичного размера (Charlebois et al. 2002). В соответствующей статье рассматривается общая тема применения IMC в области синтетических твердых материалов, используемых в хирургии и медицине (Lewis and Daniels 2003).

По крайней мере, два исследования показали, что IMC может иметь существенное значение при опухолевой патологии. В одном исследовании (Bäckman 1990) была измерена скорость производства тепла клетками Т-лимфомы, культивируемыми в суспензии. Изменения температуры и pH вызывали значительные колебания, но не скорость перемешивания и концентрация клеток. Более прямое исследование возможного диагностического использования (Kallerhoff et al. 1996) дало многообещающие результаты. Для исследованных образцов биопсии мочеполовой ткани результаты показали:

«можно различать образцы нормальной и опухолевой ткани с помощью микрокалориметрического измерения, основанного на явно более высокой метаболической активности злокачественной ткани. Более того, микрокалориметрия позволяет дифференцировать и классифицировать образцы тканей по их гистологической классификации».

Токсикология

По состоянию на 2012 год IMC не получил широкого распространения в токсикологии культивируемых клеток, хотя он периодически и успешно использовался с 1980-х годов. IMC полезен в токсикологии, когда желательно наблюдать метаболизм культивируемых клеток в реальном времени и количественно оценить скорость метаболического снижения как функцию концентрации возможно токсического агента. Одним из самых ранних сообщений (Ankerst et al. 1986) об использовании IMC в токсикологии было исследование антителозависимой клеточной токсичности (ADCC) против клеток меланомы человека различных комбинаций антисыворотки, моноклональных антител, а также лимфоцитов периферической крови в качестве эффекторных клеток. Кинетику метаболического теплового потока клеток меланомы в зависимости от времени в закрытых ампулах измеряли в течение 20 часов. Авторы пришли к выводу, что

«... микрокалориметрия - чувствительный и особенно подходящий метод анализа кинетики цитотоксичности».

IMC также используется в токсикологии окружающей среды. В одном из ранних исследований (Thorén 1992) оценивали токсичность в отношении монослоев альвеолярных макрофагов частиц MnO 2 , TiO 2 и SiO 2 (диоксид кремния). Результаты IMC соответствовали результатам, полученным путем окрашивания сложным эфиром флуоресцеина и анализа микроскопических изображений, за исключением того, что IMC показала токсические эффекты кварца, не различимые при анализе изображений. Последнее наблюдение - в соответствии с известными альвеолярными эффектами - показало авторам, что IMC является более чувствительной техникой.

Зависимость теплового потока от времени для обработки фибробластов в культуре в перемешиваемой ампуле из нержавеющей стали. A = введение ампулы в положение измерения, при этом метаболический тепловой поток достигает равновесного уровня. B = инъекция додецилсульфата натрия (SDS), которая дает резкие пики теплового потока, связанные с экзотермическим разбавлением SDS и лизисом фибробластов. После лизиса скорость теплового потока вернулась к нулю, поскольку метаболизм фибробластов прекратился. dQ / dt = метаболический тепловой поток фибробластов в культуре (от Лю и др., 2007 г. с разрешения издателя). Рис. 5

Гораздо позже (Liu et al. 2007) было показано, что IMC предоставляет динамические метаболические данные, которые оценивают токсичность Cr (VI) из хромата калия в отношении фибробластов. На рис. 5 показаны исходные результаты определения метаболического теплового потока от культивируемых фибробластов до оценки эффектов Cr (VI). Авторы пришли к выводу, что

«Микрокалориметрия представляется удобным и простым методом измерения метаболических процессов ... в ... живых клетках. В отличие от стандартных процедур биоанализа, этот метод позволяет непрерывно измерять метаболизм живых клеток. Таким образом, мы показали, что Cr ( VI) нарушает метаболические пути фибробластов человека и особенно утилизацию глюкозы ».

Простые закрытые ампулы IMC также использовались и пропагандировались для оценки токсичности культивируемых клеток потенциальных материалов для хирургических имплантатов и, таким образом, служат в качестве метода скрининга биосовместимости. В одном исследовании (Xie et al. 2000) клетки почечных канальцев свиней в культуре подвергались воздействию как полимеров, так и металлического титана в форме «микропланшетов» с известной площадью поверхности в несколько см 2 . Авторы пришли к выводу, что IMC

«... это быстрый метод, удобный в использовании и с хорошей воспроизводимостью. Настоящий метод в большинстве случаев может заменить более трудоемкие световые и электронные микроскопические исследования для количественного определения прилипших клеток».

В другом исследовании материалов имплантата (Doostmohammadi et al.2011) как быстрорастущая культура дрожжей, так и культура хондроцитов человека подвергались воздействию частиц (диаметром <50 мкм) гидроксиапатита кальция (HA) и биоактивного (содержащего кальций) кварцевого стекла. Стеклянные частицы замедляли или ограничивали рост дрожжей в зависимости от увеличения концентрации частиц. Частицы ГК имели гораздо меньший эффект и никогда полностью не подавляли рост дрожжей при тех же концентрациях. Влияние обоих типов частиц на рост хондроцитов было минимальным при применяемой концентрации. Авторы пришли к выводу, что

«Цитотоксичность твердых частиц, таких как биоактивное стекло и частицы гидроксиапатита, можно оценить с помощью метода микрокалориметрии. Это современный метод исследования биосовместимости и цитотоксичности биоматериалов in vitro, который можно использовать наряду со старыми традиционными анализами».

Микробиология
Пример того, как данные о тепловом потоке, связанном с ростом, от времени для бактерий в культуре в данной среде в запечатанной ампуле, отражают последовательность происходящих метаболических процессов. Бактерии переходят к потреблению менее эффективных источников углерода, поскольку более эффективные источники истощаются. Деконволюция данных дала показанные пики, которые можно отнести к показанным метаболическим режимам. Эта последовательность для используемых бактерий E. coli хорошо известна в области микробиологии (из Braissant et al. 2010 с разрешения издателя). Рис.6

Публикации, описывающие использование IMC в микробиологии, начались в 1980-х годах (Jesperson 1982). Хотя некоторые микробиологические исследования IMC были направлены на вирусы (Heng et al. 2005) и грибы (Antoci et al. 1997), большинство из них было связано с бактериями. В недавней статье (Braissant et al. 2010) дается общее введение в методы метаболизма IMC в микробиологии и обзор их применения в медицинской микробиологии и микробиологии окружающей среды. В документе также объясняется, как данные о тепловом потоке в зависимости от времени для бактерий в культуре являются точным выражением - поскольку они происходят с течением времени - колебаний метаболической активности микроорганизмов и скорости репликации в данной среде (рис. 6).

Иллюстрация того, как IMC время обнаружения присутствия бактерий зависит от исходного количества присутствующих бактерий (КОЕ), чувствительности прибора и уровня теплового потока выше базового, который выбран как индикатор роста бактерий. КОЕ = колониеобразующая единица. (адаптировано из Braissant et al. 2010 с разрешения издателя). Рис.7

В общем, бактерии составляют примерно 1/10 размера клеток млекопитающих и производят примерно 1/10 метаболического тепла, т.е. 3x10 −12 Вт / элемент. Таким образом, по сравнению с клетками млекопитающих (см. Выше) ок. В 10 раз больше бактерий - ок. 330 000 - должны присутствовать для создания заметного теплового потока, то есть 1 мкВт. Однако многие бактерии размножаются в культуре на несколько порядков быстрее, чем клетки млекопитающих, часто удваивая свое количество за считанные минуты (см. Бактериальный рост ). В результате небольшое начальное количество бактерий в культуре, изначально не обнаруживаемых IMC, быстро дает поддающееся обнаружению количество. Например, 100 бактерий, удваивающихся каждые 20 минут, менее чем за 4 часа произведут> 330 000 бактерий и, следовательно, тепловой поток, обнаруживаемый IMC. Следовательно, IMC можно использовать для простого и быстрого обнаружения бактерий в области медицины. Примеры включают обнаружение бактерий в продуктах тромбоцитов крови человека (Trampuz et al. 2007) и моче (Bonkat et al. 2011) и быстрое обнаружение туберкулеза (Braissant et al. 2010, Rodriguez et al. 2011). На рис. 7 показан пример времени обнаружения бактерий туберкулеза в зависимости от исходного количества бактерий, присутствующих в закрытой ампуле IMC, содержащей культуральную среду.

Для микробов в питательной среде в закрытых ампулах данные теплового потока IMC также можно использовать для точной оценки основных параметров роста микробов; т. е. максимальная скорость роста и продолжительность лаг-фазы до достижения максимальной скорости роста. Это важное специальное приложение базового анализа этих параметров, о котором говорилось ранее ( Обзор: полученные данные ).

К сожалению, в литературе IMC есть некоторые опубликованные статьи, в которых связь между данными о тепловом потоке и ростом микробов в закрытых ампулах была неправильно понята. Однако в 2013 году было опубликовано подробное разъяснение, описывающее (а) детали взаимосвязи между данными теплового потока IMC и ростом микробов, (b) выбор математических моделей, которые описывают рост микробов и (c) определение параметров роста микробов на основе данных IMC. используя эти модели (Braissant et al. 2013).

Фармакодинамика

В качестве логического расширения способности IMC обнаруживать и количественно определять рост бактерий, известные концентрации антибиотиков могут быть добавлены к бактериальной культуре, и IMC может затем использоваться для количественной оценки их влияния на жизнеспособность и рост. IMC в закрытой ампуле может легко собрать основную фармакологическую информацию - например, минимальную ингибирующую концентрацию (МИК) антибиотика, необходимую для остановки роста данного организма. Кроме того, он может одновременно обеспечивать параметры динамического роста - время задержки и максимальную скорость роста (см. Рис. 2, Howell et al. 2011, Braissant et al. 2013), которые оценивают механизмы действия. На бактерицидное действие (см. Бактерицид ) указывает увеличенное время задержки в зависимости от увеличения концентрации антибиотика, тогда как на бактериостатическое действие (см. Бактериостатическое средство ) указывает уменьшение скорости роста с концентрацией. Подход IMC к оценке антибиотиков был продемонстрирован для ряда типов бактерий и антибиотиков (von Ah et al. 2009). IMC в закрытых ампулах также может быстро дифференцировать нормальные и устойчивые штаммы бактерий, таких как Staphylococcus aureus (von Ah et al. 2008, Baldoni et al. 2009). IMC также использовался для оценки воздействия дезинфицирующих средств на жизнеспособность бактерий полости рта, прилипших к материалам дентальных имплантатов (Astasov-Frauenhoffer et al. 2011). В более раннем исследовании IMC использовался для измерения теплоты адгезии стоматологических бактерий к стеклу (Hauser-Gerspach et al. 2008).

Было продемонстрировано аналогичное успешное использование IMC для определения эффектов противоопухолевых препаратов на опухолевые клетки в культуре в течение нескольких часов (Schön and Wadsö 1988). Вместо метода закрытой ампулы использовалась установка IMC, которая позволяла вводить лекарство в перемешиваемые образцы.

По состоянию на 2013 год IMC менее широко использовался в фармакодинамических исследованиях клеток млекопитающих in vitro, чем в микробных исследованиях.

Многоклеточные организмы

Можно использовать IMC для проведения метаболических исследований живых многоклеточных организмов, если они достаточно малы, чтобы их можно было поместить в ампулы IMC (Lamprecht & Becker 1988). Были проведены исследования IMC метаболизма куколки насекомых во время вентиляции (Harak et al. 1996) и воздействия химических веществ на рост куколки (Kuusik et al. 1995). IMC также оказался эффективным в оценке влияния старения на метаболизм нематодных червей (Braekman et al. 2002).

IMC также оказался весьма полезным для in vitro оценки воздействия фармацевтических препаратов на тропических паразитических червей (Manneck et al. 2011-1, Maneck et al. 2011-2, Kirchhofer et al. 2011). Интересной особенностью этих исследований является использование простой ручной системы инъекций для введения фармацевтических препаратов в запаянные ампулы, содержащие глистов. Кроме того, IMC документирует не только общее снижение метаболизма с течением времени из-за лекарств, но также общую частоту моторной активности червя и ее снижение амплитуды с течением времени, что отражается в колебаниях данных теплового потока.

Экологическая биология

Благодаря своей универсальности IMC может быть эффективным инструментом в области биологии растений и окружающей среды. В одном из первых исследований (Hansen et al. 1989) была измерена скорость метаболизма образцов ткани клона лиственницы. Скорость была предсказуемой для долгосрочных темпов роста деревьев, была согласована для образцов с данного дерева и, как было обнаружено, коррелировала с известными вариациями в долгосрочном росте клонов с разных деревьев.

Бактериальный оксалотрофный метаболизм обычен в окружающей среде, особенно в почвах. Оксалотрофные бактерии способны использовать оксалат в качестве единственного источника углерода и энергии. IMC в закрытых ампулах использовался для изучения метаболизма оксалотрофных почвенных бактерий, подвергшихся воздействию как оптимизированной среды, содержащей оксалат калия в качестве единственного источника углерода, так и модельной почвы (Bravo et al. 2011). Используя оптимизированную среду, рост шести различных штаммов почвенных бактерий легко отслеживался, воспроизводился количественно и дифференцировался в течение нескольких дней. Измерение теплового потока метаболического метаболизма бактерий в модельной почве с помощью IMC было более трудным, но была продемонстрирована проверка концепции.

Лунное молоко - это белый кремообразный материал, который можно найти в пещерах. Это незатвердевающий мелкокристаллический осадок известняка, состоящий в основном из карбонатов кальция и / или магния. В его образовании могут быть задействованы микробы. Трудно сделать вывод о микробной активности лунного молока на основе стандартных статических химических и микроскопических анализов состава и структуры лунного молока. Для решения этой проблемы использовалась закрытая ампульная IMC (Braissant, Bindscheidler et al. 2011). Было возможно определить скорость роста хемогетеротрофных микробных сообществ на лунном молоке после добавления различных источников углерода, имитирующих смеси, которые вступили бы в контакт с лунным молоком из-за таяния снега или дождя. Метаболическая активность была высокой и сопоставима с таковой в некоторых почвах.

Харрис и др. (2012), изучая различные режимы внесения удобрений, обнаружили, что, если выразить это как тепловыделение на единицу микробной биомассы почвы, микробные сообщества при режимах органических удобрений производят меньше отходящего тепла, чем при неорганических режимах.

Наука о еде

Было показано, что IMC находит разнообразное применение в пищевой науке и технологиях. В обзоре (Wadsö and Galindo 2009) обсуждаются успешные применения для оценки дыхания при резке овощей, гибели клеток в результате бланширования, ферментации молока, предотвращения микробиологической порчи, термической обработки и срока хранения. В другой публикации (Галиндо и др., 2005) рассматривается успешное использование IMC для мониторинга и прогнозирования изменений качества во время хранения минимально обработанных фруктов и овощей.

IMC также доказала свою эффективность при проведении ферментативных анализов на оротовую кислоту в молоке (Anastasi et al. 2000) и яблочную кислоту во фруктах, винах и других напитках, а также в косметических продуктах (Antonelli et al. 2008). IMC также использовался для оценки эффективности агентов против потемнения на свежесрезанном картофеле (Rocculi et al. 2007). IMC также доказал свою эффективность в оценке того, в какой степени низкоэнергетические импульсные электрические поля (PEF) влияют на теплоту прорастания семян ячменя, что важно в связи с их использованием в производстве солодовых напитков (Dymek et al. 2012).

Смотрите также

Библиография

  • Harris, JA; Ритц, К; Coucheney, E; Грайс, С. М.; Лерх, Т.З .; Полетт, М; Херрманн, AM (2012). «Термодинамическая эффективность почвенных микробных сообществ, подверженных длительному стрессу, ниже, чем при обычных режимах ввода». Биология и биохимия почвы . 47 : 149–157. DOI : 10.1016 / j.soilbio.2011.12.017 .
  • Glasstone S, Laidler KJ, Eyring H (1941) Теория скоростных процессов: кинетика химических реакций, вязкость, диффузия и электрохимические явления. Макгроу-Хилл (Нью-Йорк). 611стр.
  • Джонсон Ф. Х., Эйринг Х., Стовер Б. Дж. (1974) Теория скоростных процессов в биологии и медицине. Wiley (Нью - Йорк), ISBN  0-471-44485-5 , 703p.
  • Лавуазье А и Лаплас PS (1780) Мемуар-сюр-ла-Шалёр. Академия наук, Париж.
  • Браун ME, редактор (1998) Vol. 1 Принципы и практика (691 стр.), Справочник по термическому анализу и калориметрии. Галлахер П.К. (редактор серии). Эльзевир (Лондон).
  • Браун М.Э. и Галлахер П.К., Редакторы (2003) Vol. 2 Приложения к неорганическим и другим материалам (905 стр.), Справочник по термическому анализу и калориметрии. Галлахер П.К. (редактор серии). Эльзевир (Лондон). ISBN  978-0-444-82086-0
  • Ченг СЖД, редактор (2002) Vol. 3 Приложения к полимерам и пластмассам (828 стр.) В Справочнике по термическому анализу и калориметрии. Галлахер П.К. (редактор серии). Эльзевир (Лондон).
  • Кемп РБ, редактор (1999) Vol. 4 От макромолекул к человеку (1032 стр.), Справочник по термическому анализу и калориметрии. Галлахер П.К. (редактор серии). Эльзевир (Лондон).
  • Справочник по микрокалориметрии Vol. 1: Белки, биологические и биологические науки, фармацевтика (2009). TA Instruments, Inc. (Ньюкасл, Делавэр, США).
  • Справочник по микрокалориметрии Vol. 2: Цемент, Энергетика, Материалы, Прочее (2009). TA Instruments, Inc. (Нью-Касл, Делавэр, США).
  • Запад, Великобритания; Вудрафф, WH; Браун, JH (2002). «Аллометрическое масштабирование скорости метаболизма от молекул и митохондрий к клеткам и млекопитающим» . PNAS . 99 : 2473–2478. Bibcode : 2002PNAS ... 99.2473W . DOI : 10.1073 / pnas.012579799 . PMC  128563 . PMID  11875197 .

использованная литература

внешние ссылки

Некоторые источники инструментов, принадлежностей, расходных материалов и программного обеспечения IMC