微量量热技术(Microcalorimetry)-北京大学单分子与纳米生物学试验室.PDF

微量量热技术(Microcalorimetry) 吕卓远 常莹 李蒙萌 安健博 北京大学医学部 基础医学院 医学实验 04 级 摘要 我们知道生物大分子，如蛋白质、核酸的特殊空间构象的形成绝大多数是可逆的热力 学反应，因此对此过程的热力学研究有着很大的意义。这个过程需要利用目标分子直接测量 伴随生物大分子反应的热效应。实现这一程序需要具有很高灵敏度的量热技术，即差示扫描 量热技术（DSC ）和等温滴定量热技术（ITC ），得以测量在固定溶液环境下，随温度变化 放出的热量。或测量在固定温度下，随溶液环境变化放出的热量。在本篇综述中，我们主要 介绍 DSC 和 ITC 的主要原理，以及它们在生物医学领域中的应用。 关键词 微量量热技术 差示扫描量热技术 等温滴定量热技术 生物大分子 正文 1．前言 在升温和降温的过程中，物质的结构和化学性质会发生变化，其质量、几何尺寸、光、 电、磁、热、力等物理性质也会发生相应的变化。微量量热技术被定义为在温度程序控制的 条件下测量物质的物理性质和温度关系的一类技术。 微量量热技术是近年来发展起来的一种研究生物热力学与生物动力学的重要结构生物 学方法，它通过高灵敏度、高自动化的微量量热仪连续和准确地监测和记录一个变化过程的 量热曲线，同时提供热力学和动力学信息。 微量量热技术的一个重要特点就是，它可以作为任意反应净变的传感器，具有连续性和 抗干扰性。因此它是一个用于发现和估测反应未知步骤或过程的先进分析技术。 2 ．差示扫描量热技术（DSC ） 差示扫描量热技术是 20 世纪 60 年代以后研制出的一种热分析方法。在样品和参比物同 时程序升温或降温且保持两者温度相同的条件下，测量流入或流出样品和参比物的热量差与 温度关系的技术。 DSC 仪器结构包括温度程序控制系统；测量系统，用于样品物理量转换成电信号并放 大；数据记录、处理和显示系统；样品室，提供适当环境。 DSC分析生物大分子结构变化的基础：由于在给定温度下每个体系总是趋向于达到自由 能最小的状态，所以样品升温或降温的过程中，它可以转变成具有不同自由能的另一种结构 [1] 状态。分析伴随着结构变化所发生的焓变化，就可以得到样品结构变化的某些信息 。 2 ．1 DSC 的主要原理 DSC 主要分为功率补偿型 DSC 和热流型 DSC 。 2 ．1．1 功率补偿型 DSC 功率补偿型 DSC 工作原理建立在所谓“零位平衡”原理上。DSC 热系统可分为两个 控制环路，其中一个环路作为平均温度控制，以保证按照一定的速率去升高样品和参比物的 温度；第二个环路是用来保证当样品和参比物之间一旦出现温度差时能够调节功率输入以消 除这种温度差，这就是零位平衡的原理。 试样在加热的过程中，由于热效应与参比物之间出现温差时，通过差热放大电路和差热 补偿放大器，使得流入补偿电热丝的电流发生变化：当试样吸热时，补偿放大器使得试样一 边的电流立即增大；反之则是参比物一边的电流增大，直到两边的热量平衡，试样与参比物 的温差消失为止。 这样通过连续不断地自动调节加热器的功率，总是可以使样品托架的温度与参比托架的 温度保持相同。这时，有一个与输入到样品池的热流和输入到参比池的热流之间的差值成正 比的信号 dH/dt 被馈送到记录仪中，同时记录样品和参比物的平均温度，将信号 dH/dt 对 时间或平均温度作图就得到了功率补偿型DSC 曲线。 图 1 功率补偿型 DSC 工作原理图 功率补偿型 DSC 特点：精确的温度控制和测量；更快的响应时间和冷却速度；高分辨 率。 2 ．1．2 热流型 DSC 热流型 DSC 是把样品和参比物同时放在同一座康铜板上，在相同的功率下由一个热源 加热，康铜板的作用是给样品和参比物传热并作为测量温度热电偶结点的一极，镍铬合金板 与康铜板组成的热电偶记录样品和参比物的温差。而镍铬合金板和镍铝合金线组成的热电偶 测定样品和参比物的温度。这样热流型 DSC 实际上测定的量是样品与参比