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[1]。
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