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什麼是微量熱技術

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什麼是微量熱技術

微熱量熱技術是指在穩定、隔絕的體系下,在程序控制溫度的條件下,測量樣品(特別是液體樣品)隨溫度或時間變化所吸收或放出的全部熱量。微熱量熱技術可以研究諸多化學、物理學、生物學過程中微小的熱量變化。

技術特點和原理

微熱量熱技術可以分析從無機物到有機物、從無生命體系到有生命體系,並且不限制分析試樣的物態(固、液、氣,透明或不透明)。它能直接監測化學、生物體系所固有的熱學過程而不會干擾化學、生物體系正常活動,且熱測量之後不會影響到研究對象。

該技術測量的熱量是特指用一般常規普通的量熱技術無法測得的微弱熱量變化,一般至少在微瓦和鈉瓦的級別,可見該技術對量熱的靈敏度提出了很高的要求,因此該技術命名爲微量熱技術。該技術主要包括兩種核心技術,一種是測量單個樣品隨程序溫度變化(或時間變化)而進行的量熱,另一種是在恆定溫度條件下測量隨時間變化的實時熱量變化。

微量熱法(包括等溫滴定量熱和差示掃描量熱)是近年來發展起來的一種研究生物熱力學與生物動力學的重要結構生物學方法,它透過高靈敏度、高自動化的微量量熱儀連續和準確地監測和記錄一個變化過程的量熱曲線,原位(in situ)、在線(on-line)和無損傷地同時提供熱力學和動力學資訊。

微量熱法具有以下特點:

1、它不干擾蛋白質和核酸的生理功能,具有非特異性的獨特優勢,即對被研究蛋白質和核酸體系的溶劑性質、光譜性質和電學性質等沒有任何限制條件。

2、樣品用量小,方法靈敏度高,測量時不需要製成透明清澈的溶液。

3、量熱實驗完畢的樣品未遭破壞,還可以進行後續生化分析。

4、微量熱法缺乏特異性。但由於蛋白質和核酸本身具有特異性,因此這種非特異性方法有時可以得到用特異方法得不到的結果,這有助於發現新現象和新規律。

微量熱法在生物大分子研究中的應用主要有:

1、酶促反應

2、 蛋白質去摺疊/摺疊

3、抗原-抗體相互作用

4、分子伴侶-底物相互作用

5、藥物-核酸相互作用

等溫滴定量熱法(Isothermal Titration Calorimetry,ITC)

實驗是透過滴定反應物到含有反應所必須的另一反應物的樣品溶液中。每次滴定後,反應熱放出或吸收,這些都可以被ITC所檢測到。檢測到的熱效應的熱力學分析提供了結合反應相關的能量過程的定量特徵,可以直接測量與常溫下發生的反應過程相關的能量學參數。

1 ITC的特點

ITC能測量到的熱效應最低可達125 nJ,最小可檢測熱功率2 nW,生物樣品最小用量0.4 μg,而且這些年來ITC的靈敏度得到了提高,降低了響應時間(小於10 s)。ITC不需要固定或改變反應物,因爲結合熱的產生是自發的。

獲得物質相互作用完整的熱力學數據包括結合常數(Ka)、結合位點數(n),結合焓(△H)、恆壓熱容(△Cp)和動力學數據(如酶促反應的Km和kcat)。

ITC也比那些選擇分析方式(如分析型超速離心法,AUC)快,一個單純的AUC實驗需要幾個小時甚至幾天去完成,而典型的ITC實驗只需30~60分鐘,在加上幾分鐘的響應時間。整個實驗有計算機控制,使用者只需輸入實驗的參數(溫度、注射次數、注射量等)計算機就可以完成整個實驗,再由Origin軟件分析ITC得到的數據。其精確度高以及操作簡單。