تست های بیوشیمیایی کالریمتری

کالریمتری برای اندازه گیری خواص ترمودینامیکی مانند آنتالپی، آنتروپی و انرژی آزاد گیبس در سیستم های واکنش بیولوژیکی و شیمیایی استفاده می شود. در حالی که انرژی/گرمای آزاد شده در طول این فرآیند ها مهم است، تغییرات آنتروپیک که برگشت ناپذیری و کارایی را منعکس می‌کند به همان اندازه در درک آنها مهم است.

در اصل کالریمتری یک تکنیک اولیه برای اندازه گیری خواص حرارتی مواد، برای ایجاد ارتباط بین دما و خواص فیزیکی مواد است و می توان گفت تنها روش برای تعیین مستقیم آنتالپی است. کالریمتری اغلب در رشته های شیمی، بیوشیمی، زیست شناسی سلولی، بیوتکنولوژی، فارماکولوژی و اخیراً در علم نانو برای اندازه گیری خواص ترمودینامیکی مولکول های زیستی و مواد در اندازه نانو کاربرد دارد.

مهم ترین انواع کالریمتری به دو حالت کلی تقسیم می شوند:

۱- کالریمتری روبشی تفاضلی (ِDifferential Scanning Calorimetry):

در میان انواع مختلف کالریمتری، کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC) یکی از محبوب‌ترین کالریمترهاست.کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC) یک تکنیک حرارتی تحلیلی است که در آن تفاوت در مقدار حرارت مورد نیاز برای افزایش دمای نمونه و مرجع به عنوان تابعی از دما اندازه گیری می شود. در اصل DSC یک دستگاه آنالیز حرارتی است که چگونگی تغییر خواص فیزیکی یک نمونه را به همراه دما در مقابل زمان اندازه گیری می کند. به عبارت دیگر، دستگاه یک ابزار آنالیز حرارتی است که دما و جریان گرمایی مرتبط با انتقال مواد را به عنوان تابعی از زمان و دما تعیین می کند. این نوع کالریمتری انواع مختلفی دارد مانند: conventional DSC، microelectromechanical systems-DSC، infrared-heated DSC، modulated-temperature DSC، gas flow-modulated DSC، parallel-nano DSC، pressure perturbation calorimetry، self-reference DSC، high-performance DSC

این نوع از کالریمتری کاربردهای فراوانی در زیست شناسی، بیوشیمی و نانوفناوری دارد و بزرگترین مزیت آن سهولت و سرعتی است که می توان از آن برای مشاهده انتقال در مواد استفاده کرد.

۲- کالریمتری تیتراسیونی هم دما (Isothermal Titration Calorimetry):

کالریمتری تیتراسیونی هم دما (ITC) تکنیکی است که گرمای آزاد شده یا جذب شده در طی یک واکنش شیمیایی را به عنوان یک پروب (probe) ذاتی اندازه گیری می کند تا هر فرآیند شیمیایی که شامل تغییرات حرارتی خود به خودی در طول واکنش است را مشخص کند. این تکنیک بر اساس اصل اساسی ترمودینامیک کار می کند که در آن تماس بین دو مولکول بسته به نوع اتصال، یعنی گرماده یا گرماگیر، منجر به تولید یا جذب گرما می شود. این روش کالریمتری برای تعیین پارامترهای مختلف واکنش‌های آنزیمی از جمله k_cat, K_M, ΔH کاربرد دارد.

کالریمتری تیتراسیونی هم دما (ITC) ابزاری حساس و دقیق برای مطالعه ترمودینامیک فولدینگ RNA، اتصال RNA به مولکول های کوچک ، برهمکنش های RNA-پروتئین، اتصال پروتئین به پروتئین، اتصال پروتئین به لیگاند، اتصال پروتئین به کربوهیدرات، اتصال پروتئین به لیپید و اتصال به پروتئین DNA را فراهم می کند. دقت و حساسیت بسیار بالای این تکنیک، آن را به عنوان ابزاری ارزشمند برای بیوشیمی RNA تبدیل کرده است. همانطور که اشاره شد ITC به طور خاص، تغییرات گرما را پس از اتصال دو یا چند مولکول، در محلول اندازه‌ گیری می‌کند و ثابت های (Ka)، (ΔCp) واکنش، (ΔG)، آنتروپی (ΔS) و آنتالپی (ΔH) را در اختیار پژوهشگران قرار می دهد. با این حال، این تجزیه و تحلیل معمولاً به غلظت نسبتاً بالایی از نمونه ها نیاز دارد.

مزایای کلیدی این روش عبارتند از مشخصات کامل ترمودینامیکی (استوکیومتری، آنتالپی اتصال و…) در یک آزمایش واحد قابل دستیابی هستند و از این رو، نیازی به نشانگرهای گوناگون (مانند کروموفورها، فلوروفورها) نیست. مورد بعدی که باید به آن اشاره شود این است که این تکنیک، غیرمخرب است. یکی دیگر از مزایای این روش، امکان بررسی تعاملات و واکنش ها در محلول و همچنین موردی که می توان به آن اشاره کرد سرعت قابل توجه این روش است.

ابزار انجام این تکنیک آزمایشگاهی، کالریمتر است که وسیله ای برای اندازه گیری مقدار گرمای منتقل شده به و یا از یک جسم استفاده می شود. به طور ساده کالریمتر ظرفی است که در برابر اتلاف حرارت عایق است و حاوی مایعی با ظرفیت گرمایی مشخص (معمولاً آب) است که واکنش شیمیایی در آن انجام می شود.