Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) | kalorymetry i mikrokalorymetry

Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) jest techniką termoanalityczną, w której mierzone są zmiany cieplne w badanym materiale pojawiające się przy kontrolowanym wzroście (bądź spadku) temperatury. Analiza DSC jest uznaną metodą charakterystyki materiałowej. Metoda DSC wykorzystywana jest także do badania stabilności molekuł, w inżynierii białek, projektowaniu leków i produkcji biofarmaceutycznej, czyli tam, gdzie uzyskanie najtrwalszego związku jest najważniejsze.

 

Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) w inżynierii materiałowej umożliwia:

  • analizę fazową próbki,
  • oznaczanie składu chemicznego i czystości materiału,
  • pomiar ciepła zachodzących przemian fazowych i reakcji chemicznych,
  • wyznaczanie temperatury zeszklenia,
  • wyznaczanie parametrów kinetycznych reakcji.

 

Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) w badaniu biomolekuł umożliwia:

  • selekcję najbardziej stabilnych związków w badaniach nad biofarmaceutykami,
  • badania interakcji z ligandami,
  • szybką optymalizację warunków oczyszczania i produkcji,
  • szybkie określenie optymalnych warunków przechowywania dla preparatów ciekłych.

 

Zasada pomiaru DSC

Podstawą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) jest pomiar różnicy strumienia cieplnego powstającego między celką zawierającą badaną próbkę i celką referencyjną, które znajdują się w danym momencie, w takich samych warunkach temperaturowych. Technika DSC opiera się na założeniu, że jeśli w badanym materiale zachodzą przemiany fizyczne podczas stopniowego ogrzewania, szybkość dostarczania ciepła do tej próbki będzie inna niż w przypadku materiału referencyjnego (w którym w danym zakresie temperatur nie będą zachodziły żadne przemiany). Jeżeli w badanej próbce zachodzą procesy egzotermiczne (np. krystalizacja), to szybkość dostarczania ciepła będzie mniejsza niż w materiale odniesienia. W przypadku reakcji endotermicznych (np. topnienie) szybkość ta będzie większa.

W najprostszym przypadku różnicowa kalorymetria skaningowa umożliwia wyznaczenie temperatury przejścia fazowego (Tm), natomiast szczegółowa analiza danych pozwala na wyznaczenie wartości wielkości termodynamicznych charakteryzujących obserwowany proces, takich jak wartość pojemności cieplnej (ΔCp) w funkcji temperatury, zmiana entalpii (ΔH), entropii (ΔS), czy energii swobodnej Gibbsa (ΔG).

 

Omówienie metody DSC na przykładzie badania biomolekół:

Dokładność i wysoka jakość danych uzyskanych z eksperymentu DSC pomagają w procesie tworzenia potencjalnych terapeutyków.

Makromolekuły i kompleksy wielkocząsteczkowe (>5000 daltonów), takie jak białka, kwasy nukleinowe czy tłuszcze, tworzą dobrze opisane struktury, które przechodzą pod wpływem temperatury zmiany konformacyjne. Te rearanżacje strukturalne powodują absorpcję ciepła wywołaną przez zmianę i przeniesienie wiązań niekowalencyjnych. Skaningowe mikrokalorymetry różnicowe mierzą ilość absorbowanego ciepła.

Biomolekuła w roztworze występuje w równowadze między jej formą natywną (zwiniętą), a zdenaturowaną (rozwiniętą). Im wyższa temperatura przejścia fazowego (Tm), tym bardziej stabilna molekuła. Różnicowy kalorymetr skaningowy  używany jest do wyznaczania entalpii (ΔH) rozwijania, które wywołane jest podgrzewaniem oraz zmian pojemności cieplnej (ΔCp) w wyniku denaturacji. DSC pomaga wyjaśnić czynniki, które przyczyniają się do zwijania i stabilności natywnych biomolekuł, w tym: interakcje hydrofobowe, wiązania wodorowe, konformacyjna entropia i wpływ środowiska.

skaningowa kalorymetria różnicowa DSC - wykresy

Rys. 1. Wykresy charakterystyczne dla skaningowej kalorymetrii różnicowej: zmiana pojemności cieplnej (ΔCp) w funkcji temperatury.

Jak działa różnicowy kalorymetr skaningowy?

Termiczny rdzeń każdego systemu DSC składa się z dwóch celek: referencyjnej i badawczej. Urządzenie jest zaprojektowane tak, aby przy podgrzewaniu utrzymać obie celki w tej samej temperaturze.

różnicowy kalorymetr skaningowy - schemat pomiaru

Rys. 2. Skaningowa kalorymetria różnicowa. Podczas pomiaru podgrzewane zostają: cela referencyjna i badawcza.

Wykonywanie pomiarów DSC 

Aby wykonać pomiar za pomocą DSC, najpierw celkę referencyjną należy wypełnić buforem (badanie biomolekuł) lub wykorzystać pusty tygielek/materiał referencyjny (badanie materiałów), następnie w celce badawczej umieszczamy naszą próbką. W kolejnym kroku obie celki są podgrzewane w stałym gradiencie temperaturowym. Absorpcja ciepła przez próbkę powoduje powstanie różnicy temperatur obu celek (ΔT). To powoduje wzrost napięcia na ogniwach Peltiera, a tym samym wzrost energii, aby przywrócić zerową różnicę temperatur między celkami. W przeciwnym wypadku celki osiągnęłyby równowagę temperaturową tylko w wyniku pasywnego przewodnictwa cieplnego między sobą.

 

Generowanie danych i analiza

Wynikiem pomiaru wykonanego za pomocą metody DSC jest termogram przedstawiający tzw. krzywą DSC, będącą zależnością mierzonej różnicy strumieni cieplnych od temperatury. Ilość ciepła dostarczonego w celu wyrównania temperatury między celkami obrazowana jest w postaci piku, jako efekt cieplny danego procesu. Powierzchnia pod pikiem jest równa entalpii zachodzącej przemiany.

W przypadku białek jest to entalpia rozwijania łańcucha białkowego) i jest wyrażona w kaloriach (bądź dżulach) na mol. Modele termodynamiczne pomagają nam również określić energię swobodną Gibbsa (ΔG), entalpię kalorymetryczną (ΔHcal), entalpię van`t Hoffa (ΔHvH), entropię (ΔS) i zmianę pojemności cieplnej (ΔCp) związanej z przemianą formy zwiniętej w rozwiniętą.

 

różnicowy kalorymetr skaningowy generowanie wyników

Rys. 3. Analiza DSC. Wyznaczanie parametrów termodynamicznych białek z wykresu.

różnicowa kalorymetria skaningowa krzywa polimeru

Rys. 4. Skaningowa kalorymetria różnicowa. Przykładowa krzywa DSC polimeru.

Różnicowa kalorymetria skaningowa stosowana jest także w badaniach polimerów oraz tworzyw sztucznych. Wykorzystywana jest do wyznaczania temperatury topnienia i przemian polimorficznych, temperatury zeszklenia i rozkładu oraz ciepła właściwego, ciepła topnienia, ciepła krystalizacji, ciepła przemian polimorficznych i reakcji chemicznych, a także do określenia entropii przemian i stopnia krystaliczności oraz opisu „historii termicznej” związków wielkocząsteczkowych.

 

Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) – zastosowanie

Mikrokalorymetria i kalorymetria DSC są szeroko stosowane w odkrywaniu i rozwijaniu nowych leków, a także charakterystyce materiałów.

 

Najczęstsze zastosowania metody DSC (w badaniach biomolekuł):

  • selekcja najbardziej stabilnych związków w badaniach nad biofarmaceutykami,
  • badanie interakcji z ligandami,
  • szybka optymalizacja warunków oczyszczania i produkcji,
  • szybkie określenie optymalnych warunków przechowywania dla preparatów ciekłych.

 

Najczęstsze zastosowania metody DSC (w badaniach materiałów):

  • przemysł tworzyw sztucznych i badania polimerów,
  • kontrola jakości,
  • elektronika,
  • przemysł chemiczny,
  • przemysł spożywczy,
  • przemysł metalurgiczny,
  • przemysł naftowy i gazowy.

 

Rodzaj aplikacji i możliwości urządzenia są ogromne, ograniczeniem jest tak naprawdę możliwość wprowadzenia próbki do celi i potem bezproblemowego jej usunięcia. Urządzenie jest również bardzo czułe co musi się wiązać z odpowiednim dobraniem parametrów eksperymentu abyśmy byli w stanie zaobserwować i dobrze przeanalizować wyniki, które otrzymamy (granice temperaturowe skanu, szybkość skanowania, itp.).

 

Podsumowanie

Skaningowa kalorymetria różnicowa jest bardzo szeroko stosowana w charakterystyce materiałów, charakterystyce białek i innych makromolekuł z bardzo prostej przyczyny – jest nam w stanie dać bardzo dużo informacji o przemianie fizycznej, której ulega materiał bez konieczności specjalnego przygotowania próbki. Często mówi się, że pomiar ciepła (kalorymetria) jest metodą fundamentalną – przepływ ciepła towarzyszy każdej przemianie fizycznej bez względu na jej rodzaj. Określenie temperatury topnienia bądź temperatury przemiany fazowej w przypadku cząsteczek niebiałkowych, w połączeniu z entalpią całego procesu pozwala nam określić jak stabilna jest molekuła.

Analiza danych uzyskanych za pomocą kalorymetru DSC jest intuicyjna i prosta. W naszej ofercie znajdziecie Państwo zarówno mikrokalorymetry MicroCal PEAQ-DSC firmy Malvern Panalytical do badania białek i makromolekuł, jak i kalorymetry NEXTA DSC600 i DSC200 firmy Hitachi, które w usprawnią pracę laboratoryjną.

Rodzina MicroCal DSC

Mierzone parametry:Temperatura przemiany fazowej, entalpia, zmiana pojemności cieplnej
Zakres temperatur:-10°C - 130°C
Wydajność:Do 50 próbek na 24h
Technika:Skaningowa kalorymetria różnicowa - DSC

Różnicowe kalorymetry skaningowe (DSC): NEXTA DSC600 i NEXTA DSC200

Mierzone parametry: przepływ ciepła
Zakres temperatur:od -150 °C do 725 °C
Zastosowanie analiza termiczna, charakterystyka procesów i parametrów termodynamicznych