قياس الحرارة الدقيق المتساوي

قياس الحرارة الدقيق المتساوي

قياس الحرارة الدقيق المتساوي (Isothermal microcalorimetry) ( IMC ) هو طريقة معملية للمراقبة في الوقت الفعلي و التحليل الديناميكي للعمليات الكيميائية و الفيزيائية و البيولوجية أيضا. أي بما يعني، أن هذا المقياس الحراري يمكنه تحديد بداية و معدل و مدى و طاقات مثل هذه العينات الموجودة في أمبولات صغيرة على مدى ساعات أو أيام ، على سبيل المثال 3-20 مل عند درجة حرارة ثابتة ،حوالي 15 درجة مئوية درجة مئوية–150 °C.

و ينجز IMC هذا التحليل الديناميكي عن طريق قياس و تسجيل معدل التد الحراري الصافي (μJ/s = μW) إلى أو من أمبولة العينة، مقابل الوقت المنقضي و الكمية التراكمية للحرارة (J) المستهلكة أو المنتجة.

إضافة إلى ذلك، تُعد المقياس أداة تحليلية قوية و متعددة الاستخدامات لأربعة أسباب وثيقة الصلة:

1. جميع العمليات الكيميائية و الفيزيائية إما أن تكون طاردة للحرارة أو ماصة لها - تنتج أو تستهلك الأخيرة.
2. معدل تدفق الحرارة يتناسب طرديا مع معدل العملية التي تحدث.
3. إن الأداة حساسة بدرجة كافية لاكتشاف و متابعة العمليات البطيئة و التفاعلات التي تتم بسرعة قليلة % سنويًا في بضعة جرامات من المادة، أو العمليات التي تولد كميات ضئيلة من الحرارة ،على سبيل المثال : عملية التمثيل الغذائي لبضعة آلاف من الخلايا الحية.
4. تتمتع أجهزة الأداة عمومًا بنطاق ديناميكي ضخم أيضا.حيث يصل تدفق الحرارة إلى حوالي 10 ... 1 μW و بارتفاع يصل إلى ca. 50,000.و يمكن قياس μW بواسطة نفس الجهاز.

و بالتالي، فإنها تعد طريقة لدراسة معدلات العمليات القابلة للتطبيق على نطاق واسع جدا، و توفر بيانات مستمرة في الوقت الفعلي، كما أنها حساسة.إضافة إلى ذلك، فإنها سهلة التنفيذ، و تتم دون مراقبة و لاتسبب أي تداخل مطلقا و لا تستدعي الحاجة إلى علامات فلورية أو مشعة.

ومع ذلك، هناك تحذيران رئيسيان يجب مراعاتهما عند استخدامها:

1. البيانات المفقودة : إذا تم استخدام أمبولات العينات المعدة خارجيًا، سيستغرق الأمر حوالي 40 دقيقة لإدخال الأمبولة ببطء إلى الجهاز دون حدوث أي اضطراب كبير في درجة الحرارة المحددة في وحدة القياس. و بالتالي، لا تتم مراقبة أي عمليات تجري خلال هذا الوقت.
2. البيانات غير ذات الصلة : تسجل الأداة إجمالي تدفق الحرارة الصافي الناتج أو المستهلك بواسطة جميع العمليات التي تجري داخل الأمبولة. لذلك، من أجل التأكد من العملية أو العمليات التي تنتج تدفق الحرارة المقاس، يجب توخي عناية كبيرة في كل من التصميم التجريبي و في الاستخدام الأولي للاختبارات الكيميائية والفيزيائية والبيولوجية ذات الصلة أيضا.

و بشكل عام، فإن التطبيقات الممكنة لـلأداة محدودة فقط في خيال الشخص الذي يختار استخدامها كأداة تحليلية و كذلك في وجود القيود المادية التي تواجهها. فبالإضافة إلى القيود العامة (التحذيرات الرئيسية) الموصوفة أعلاه، تتضمن باقي القيود حجم العينة و الأمبولة، و درجات الحرارة التي يمكن إجراء القياسات فيها. و عادةً ما يكون IMC هو الأنسب لتقييم العمليات التي تتم على مدار ساعات أو أيام.

الأداة استخدمت في مجموعة كبيرة جدا من التطبيقات، و قد نوقشت العديد من الأمثلة في هذه المقالة مدعومة بالمراجع و الأدبيات المنشورة. حيث تتراوح التطبيقات من قياس التحلل التأكسدي البطيء للبوليمرات وعدم استقرار المواد الكيميائية الصناعية الخطرة إلى اكتشاف البكتيريا في البول وتقييم تأثيرات الأدوية على الديدان الطفيلية. لكن، هذا المقال سيركز أكثر على تطبيقات النوع الأخير :علم الأحياء والطب.

الملخص العام

التعريف و الغاية والنطاق

القياس الحراري (Calorimetry)هو علم قياس حرارة التفاعلات الكيميائية أو التغيرات الفيزيائية. و يتم إجراءه باستخدام جهاز القياس الحراري (calorimeter).

الأداة (IMC) هي طريقة معملية لقياس معدل تدفق الاحترار(μJ/s = μW) و الكمية التراكمية المستهلكة أو المنتجة له (J) في درجة حرارة ثابتة بشكل أساسي بواسطة عينة موضوعة في الجهاز، و ذلك يتم في الوقت الفعلي و بشكل مستمر أيضا. فينتج الاحترار عن تغيرات كيميائية أو فيزيائية تحدث في العينة. كما يتناسب تدفقه مع المعدل الإجمالي للتغيرات التي تحدث في وقت معين. لذلك، فإن الاحترار الكلي المنتج خلال فترة زمنية معينة يتناسب طرديا مع الكمية التراكمية للتغيرات الكلية التي حدثت.

وبالتالي، فإن الأداة هي وسيلة للتقييم الديناميكي الكمي لمعدلات و طاقات مجموعة واسعة من عمليات المعدلات، بما في ذلك العمليات البيولوجية. فيتم تعريف عملية المعدل هنا على أنها تغيير فيزيائي و/أو كيميائي يمكن وصف تقدمه بمرور الوقت إما تجريبياً أو من خلال نموذج رياضي ( المراجع : Glasstone، et al. 1941 وJohnson، et al. 1974 ومعادلة المعدل ).

الاستخدام الأبسط لـلجهاز هو اكتشاف حدوث عملية معدل واحدة أو أكثر في عينة لأن الاحترار يتم إنتاجه أو استهلاكه بمعدل أكبر من حدود الكشف للجهاز المستخدم. مما يمكن أن يكون مفيدًا، على سبيل المثال، كمؤشر عام على أن المادة الصلبة أو السائلة ليست خاملة ولكنها تتغير عند درجة حرارة معينة. في العينات البيولوجية التي تحتوي على وسط نمو، فإن ظهور إشارة تدفق الحرارة المتزايدة والقابلة للكشف بمرور الوقت هو مؤشر عام بسيط لوجود نوع ما من الخلايا المتكاثرة.

مثال على أمبولة سعة 4 مل لدراسات IMC.



</br> الشكل 1

ومع ذلك، بالنسبة لمعظم التطبيقات، من المهم للغاية معرفة، بطريقة ما، ما هي العملية أو العمليات التي يتم قياسها من خلال مراقبة تدفق الاحترار. بشكل عام، يستلزم ذلك أولاً الحصول على معرفة فيزيائية و كيميائية و بيولوجية مفصلة للعناصر الموضوعة في أمبولة الجهاز قبل وضعها فيه لتقييم تدفق الاحترار بمرور الوقت. ثانيا، من الضروري أيضًا تحليل محتويات الأمبولة بعد إجراء قياسات IMC لتدفق الحرارة لفترة زمنية واحدة أو أكثر. ثالثا، يمكن أيضًا استخدام الاختلافات القائمة على المنطق في محتوى الأمبولة لتحديد المصدر أو المصادر المحددة لتدفق الحرارة. عندما يتم إنشاء علاقة معدل العملية وتدفق الاحترار، يصبح من الممكن الاعتماد بشكل مباشر على بيانات الأداة.

ما يمكن قياسه بواسطة الجهاز يعتمد عمليًا و جزئيًا على أبعاد العينة، التي تكون مقيدة بالضرورة بتصميم الجهاز. عادةً ما تقبل أداة تجارية معينة عينات يصل قطرها و ارتفاعها إلى ثابتين. أما الأجهزة التي تقبل عينات بأبعاد تصل إلى حوالي 1 أو 2 سم في القطر × حوالي 5 سم في الارتفاع هي نموذجية. و في أداة معينة، عادةً ما تنتج العينات الأكبر من نوع معين إشارات تدفق حراري أكبر، و هذا يمكن أن يزيد من احتمالية الكشف بدقة متناهية.

في كثير من الأحيان، تكون العينات عبارة عن أمبولات أسطوانية بسيطة بحجم من 3 إلى 20 مل (الشكل 1) تحتوي على مواد تكون عملياتها ذات أهمية مثل المواد الصلبة و السوائل، و الخلايا المزروعة — أو أي تركيبة من هذه العناصر أو غيرها من العناصر المتوقع أن تؤدي إلى إنتاج أو استهلاك الحرارة. كما يمكن إجراء العديد من قياسات الأداة المفيدة باستعمال أمبولات مغلقة بسيطة، فتعتبر أمبولات الزجاج شائعة لأن الزجاج ليس عرضة للخضوع لتغيرات كيميائية أو فيزيائية تنتج الاحترار. و مع ذلك، يتم في بعض الأحيان استخدام أنواع معدنية أو بوليمرية. كما تتوفر أنظمة الأجهزة أو الأمبولات التي تسمح بالحقن أو التحكم في تدفق الغازات أو السوائل و/أو توفير التحريك الميكانيكي للعينة.

تسمح أجهزة المقياس الحرارية التجارية بقياس تدفق الاحترار عند درجات حرارة تتراوح غالبا من حوالي 150 درجة فهرنهايت (38 درجة مئوية). 15 درجة مئوية – 150 درجة مئوية. قد يكون النطاق لأداة معينة مختلفا بعض الشيء.

تعتبر الأداة حساسة للغاية، فعلى سبيل المثال، يمكن الكشف عن الاحترار الناتج عن التفاعلات الكيميائية البطيئة في العينات التي تزن بضعة جرامات، و التي تحدث بمعدلات استهلاك للمتفاعلات تبلغ بضعة في المائة سنويًا، و يمكن تحديد كميتها في غضون أيام. و تشمل الأمثلة على ذلك:الأكسدة التدريجية لمواد الزرع البوليمرية و دراسات العمر الافتراضي لمستحضرات الأدوية الصيدلانية الصلبة.

يمكن أيضًا قياس معدل إنتاج الحرارة الأيضية، على سبيل المثال، لبضعة آلاف من الخلايا الحية أو الكائنات الحية الدقيقة أو الكائنات الأولية (protozoa)في الثقافة في أمبولة الأداة. حيث يمكن ربط كمية هذه الحرارة الأيضية بعدد الخلايا أو الكائنات الحية الموجودة. و بالتالي، يمكن استخدام بياناتها في علم الأحياء و الطب لمراقبة عدد الخلايا أو الكائنات الحية الموجودة في الوقت الحقيقي ومعدل النمو الصافي أو الانخفاض في هذا العدد.

على الرغم من وجود بعض التطبيقات غير البيولوجية لـ للأداة و نعني بذلك المواد الصلبة كما ذكر سابفا، فإن التركيز الحالي في هذه المقالة هو على استخدامها فيما يتعلق بالعمليات البيولوجية خاصة التطبيقات في علم الأحياء والطب .

البيانات المحصل عليها

رسم بياني لبيانات IMC لعملية معدل طارد للحرارة العامة في أمبولة محكمة الغلق حيث تبدأ العملية (وبالتالي تدفق الحرارة) و تتسارع لكي تصل إلى الذروة ثم تهدأ. يوجد أسفل مخطط تدفق الحرارة مخطط يوضح تكامل بيانات تدفق الحرارة لإعطاء الحرارة المتراكمة مقابل الوقت. كما هو موضح بيانياً، يمكن حساب مدة مرحلة التأخر ومعدل توليد الحرارة الأقصى (معدل النمو) من البيانات المتكاملة (بعد هاول وآخرون 2011. مستخدم بإذن الناشر).



</br> الشكل 2

يظهر عرض رسومي لنوع شائع من بيانات IMC في الشكل 2. ففي الأعلى يوجد رسم بياني لتدفق الحرارة المسجل (μJ/s = μW) مقابل الوقت من عينة في أمبولة محكمة الغلق، بسبب عملية معدل طارد للحرارة تبدأ و تتسارع لكي تصل إلى ذروة تدفق الاحترار ثم تهدأ. و تعتبر مثل هذه البيانات مفيدة بشكل مباشر (على سبيل المثال، اكتشاف عملية و مدتها في ظل ظروف ثابتة)، كما يمكن أيضًا تقييم البيانات بسهولة رياضيًا لتحديد معلمات العملية. على سبيل المثال، يوضح الشكل 2 أيضًا تكامل بيانات تدفق الاحترار، مما يعطي الحرارة المتراكمة (J) مقابل الوقت. و يمكن حساب معلمات مثل معدل النمو الأقصى (توليد الحرارة) للعملية، و مدة مرحلة التأخير قبل أن تصل العملية إلى الحد الأقصى للاحترار من البيانات المتكاملة.^[1] إضافة إلى ذلك، فيمكن إجراء الحسابات تلقائيًا بسهولة باستخدام بيانات معدل تدفق الاحترار المخزن كملفات كمبيوتر. نتيجة لذلك، فإن تحليل بيانات الجهاز بهذه الطريقة لتحديد معلمات النمو له تطبيقات مهمة في علوم الحياة ( التطبيقات: علم الأحياء والطب ). كما يمكن استخدام معدلات تدفق الاحترار التي تم الحصول عليها عند سلسلة من درجات الحرارة للحصول على طاقة تنشيط العملية التي يتم تقييمها (Hardison et al. 2003).^[2]

تاريخ التطور

يعود الفضل إلى لافوازييه و لابلاس(Lavoisier and Laplace) في إنشاء و استخدام أول مقياس حراري دقيق في حوالي عام 1850. حيث استخدمت أداتهم الجليد لإنتاج درجة حرارة ثابتة نسبيًا في مساحة محصورة. ثم بعدها أدركوا أنه عندما وضعوا عينة منتجة للحرارة على الجليد (مثل حيوان حي)، فإن كتلة الماء السائل المنتجة تلك بواسطة الجليد الذائب كانت متناسبة بشكل مباشر مع الحرارة التي تنتجها العينة.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

تنبع العديد من تصميمات أجهزة المقياس الحديثة من العمل الذي تم إجراؤه في السويد في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات (Wadsö 1968، ^[3] Suurkuusk & Wadsö 1974 ^[4] ). حيث استفاد هذا العمل من التطوير الموازي للأجهزة الإلكترونية ذات الحالة الصلبة ، وخاصة التوفر التجاري لأجهزة التأثير الحراري الكهربائي الصغيرة لتحويل تدفق الحرارة إلى جهد و العكس صحيح.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

في ثمانينيات القرن العشرين، ظهرت تصميمات متعددة القنوات (Suurkuusk 1982)، ^[5] و التي سمحت في ذلك الوقت بالتقييم المتوازي لعينات متعددة. مما أدى هذا إلى زيادة كبيرة في قوة و فائدة المقياس الحراري الدقيق وأدى إلى بذل الجهود لضبط الطريقة (Thorén et al. 1989).^[6] بعدها تم تحقيق الكثير من التصميم و التطوير الإضافي في تسعينيات القرن العشرين في السويد أيضًا على يد وادسو وسوركوسك و زملائهما. فاستفاد هذا العمل من التطور الموازي لتكنولوجيا الكمبيوتر الشخصي والتي عززت بشكل كبير القدرة على تخزين و معالجة وتفسير تدفق الحرارة مقابل بيانات الوقت بسهولة.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

استفادت أعمال تطوير الأجهزة منذ تسعينيات القرن العشرين من التطور المستمر لإلكترونيات الحالة الصلبة و تكنولوجيا الكمبيوتر الشخصي. وقد أدى هذا إلى إنشاء أدوات للمقياس الجديد ذات حساسية و استقرار متزايدين، و أعداد من القنوات المتوازية، و قدرة أكبر على تسجيل البيانات و تخزينها و معالجتها بسرعة فائقة. أما فيما يتعلق بالاستعمال الأوسع، تم إيلاء اهتمام كبير لإنشاء معايير لوصف أداء أدوات الجهاز ،على سبيل المثال الدقة والضبط والحساسية و طرق المعايرة(Wadsö و Goldberg 2001).^[7]

الأدوات و مبادئ القياس

تكوينات الأجهزة

نظرة عامة على أداة IMC التي تحتوي على 48 وحدة قياس السعرات الحرارية منفصلة. تظهر وحدة واحدة. تعمل جميع الوحدات عند درجة حرارة محددة يتم التحكم فيها بواسطة منظم الحرارة الخاص بالجهاز، ولكن يمكن بدء القياسات وإيقافها بشكل منفصل في كل وحدة. (بإذن من شركة Waters-TA Instruments، ويلمنجتون، ديلاوير، الولايات المتحدة الأمريكية. http://www.tainstruments.com/ )



</br> الشكل 3

إن أدوات المقياس الحراري المتساو الحديث هي في الواقع أجهزة شبه كظيمية(semi)-adiabatic) أي أن انتقال الحرارة بين العينة و محيطها ليس صفراً أو كظيميا، لأن قياس الجهاز لتدفق الاحترار يعتمد على وجود فرق صغير في درجة الحرارة - تقريبًا. 0.001 °م.^[7] و مع ذلك، نظرًا لأن الفرق منخفض جدًا، فإن قياساتها متساوية الحرارة بشكل أساسي. الشكل 3. يظهر نظرة عامة على الأداة التي تحتوي على 48 وحدة قياس تدفق الحرارة منفصلة. تظهر نموذج واحد حيث وحدة القياس الخاصة به عادة ما تكون عبارة عن جهاز Peltier-Seebeck الذي يقوم بإنتاج جهد كهربائي يتناسب مع الفرق في درجة الاحترار بين العينة التي تنتج أو تستهلك الحرارة و المرجع غير النشط حرارياً و الذي يكون عند مؤشر درجة حرارة المشتت الحراري. يتناسب الفرق في درجات الحرارة بدوره مع المعدل الذي تنتج به العينة الحرارة أو تستهلكها (انظر المعايرة أدناه). و تستخدم جميع النماذج الموجودة في الجهاز نفس المشتت ومنظم الحرارة وبالتالي تنتج جميعها البيانات عند نفس درجة الاحترار المحددة. و مع ذلك، فمن الممكن عمومًا بدء و إيقاف القياسات في كل أمبولة بشكل مستقل. ففي جهاز متوازي للغاية (على سبيل المثال 48 قناة) مثل الجهاز الموضح في الشكل 3، فإن هذا يجعل من الممكن إجراء البدء والإيقاف العديد من التجارب المختلفة عندما يكون ذلك مناسبًا للقيام بذلك.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

و بدلاً من ذلك، يمكن تجهيز أجهزة المقياس الحراري الدقيق بوحدات دوبلكس تنتج إشارات تتناسب مع فرق تدفق الحرارة بين أمبولتين. غالبًا ما يكون أحد الأمبولتين من هذا القبيل عبارة عن عينة فارغة أو عينة تحكم أي أنها في كلتا الحالتين لا تحتوي على المادة التي تنتج عملية المعدل المطلوب، و لكن محتواها متطابق تمامًا مع ذلك الموجود في أمبولة العينة. و هذا يوفر وسيلة للقضاء على التفاعلات البسيطة المنتجة للحرارة و التي لا تهم — على سبيل المثال بالتغيرات الكيميائية التدريجية على مدى فترة من الأيام في وسط زراعة الخلايا عند درجة حرارة القياس. كما يمكن إجراء العديد من قياسات الأداة المفيدة باستخدام أمبولات مغلقة بسيطة. ومع ذلك، و كما ذكر أعلاه، تتوفر أنظمة أدوات أو أمبولات تسمح أو حتى تتحكم في تدفق الغازات أو السوائل إلى و/أو من العينات و/أو توفر التحريك الميكانيكي للعينة.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

إدخالات مرجعية

يتم قياس تدفق الحرارة عادةً بالنسبة إلى ملحق مرجعي، كما هو موضح في الشكل 3. وهي عبارة عن قسيمة معدنية عادةً تكون مستقرة كيميائيًا و فيزيائيًا عند أي درجة حرارة ضمن نطاق تشغيل الجهاز و بالتالي لن تنتج أو تستهلك الاحترار بنفسها. لذلك ، و للحصول على أفضل أداء، يجب أن يكون للمرجع سعة حرارية قريبة من سعة العينة (على سبيل المثال أمبولة IMC بالإضافة إلى المحتويات).^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

طرق التشغيل

وضع التوصيل الحراري (hc)

غالبًا ما يتم تشغيل أجهزة IMC التجارية كمقاييس حرارية للتوصيل الحراري (hc) حيث تتدفق الحرارة الناتجة عن العينة (أي المادة في أمبولة) إلى المشتت الحراري ، و هو عادةً كتلة من الألومنيوم موجودة في منظم حرارة (مثل حمام درجة حرارة ثابتة). و كما ذكر أعلاه، فإن جهاز IMC الذي يعمل في وضع hc ليس متساوي الحرارة بدقة لأنه توجد بالضرورة فروق صغيرة بين درجة الحرارة المحددة و درجة حرارة العينة - بحيث يكون هناك تدفق حراري قابل للقياس. ومع ذلك، فإن الاختلافات الصغيرة في درجة احترار العينة لا تؤثر بشكل كبير على درجة حرارة المشتت الحراري لأن السعة الحرارية لهذا الأخير أعلى بكثير من العينة - عادة حوالي 10 ... 100×.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

يتم نقل الاحترار بين العينة و مبدد الحرارة من خلال جهاز Peltier-Seebeck ، مما يسمح بالقياس الديناميكي لدرجة الاحترار المنتجة أو المستهلكة. في الأجهزة عالية الجودة، تكون درجة حرارة الترموستات/المشتت الحراري دقيقة عادةً إلى < ±0.1 كلفن ويتم الحفاظ عليها في حدود < ±100 μK/24 ساعة تقريبًا. الدقة التي يتم بها الحفاظ على درجة احترار المشتت الحراري بمرور الوقت هي عامل رئيسي في تحديد دقة قياسات تدفق الحرارة بمرور الوقت. و تتمثل ميزة وضع hc في النطاق الديناميكي الكبير. فتدفقات حرارية تبلغ حوالي 50000 يمكن من خلالها قياس μW بدقة تبلغ حوالي ±0.2 μW. وبالتالي، يمكن قياس تدفق حراري يبلغ حوالي > 0.2 يشكل μW فوق خط الأساس اكتشافًا لتدفق الحرارة، على الرغم من أن الكشف الأكثر تحفظًا يبلغ 10 أضعاف حد الدقة  يتم استخدامه كثيرًا.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

وضع تعويض الطاقة (pc)

تعمل بعض أجهزة IMC (أو يمكن تشغيلها أيضًا) كمقاييس تعويض القدرة (pc). في هذه الحالة، و من أجل الحفاظ على العينة عند درجة الحرارة المحددة، يتم تعويض الحرارة المنتجة باستخدام جهاز Peltier-Seebeck. حيث يتم تعويض الحرارة المستهلكة إما عن طريق سخان كهربائي أو عن طريق عكس قطبية الجهاز (van Herwaarden، 2000).^[8] أما إذا تم تشغيل أداة معينة في وضع الكمبيوتر الشخصي بدلاً من وضع hc، فإن دقة قياس تدفق الحرارة تظل كما هي (على سبيل المثال ca. ±0.2 μW). تتمثل ميزة وضع التعويض في وجود ثابت زمني أصغر – أي أن الوقت اللازم لاكتشاف نبضة تدفق حراري معينة أقصر بحوالي 10 مرات من وضع التوصيل. العيب هو أن ca يعد نطاقا ديناميكيا أصغر بمقدار 10 مرات مقارنةً بوضع hc.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

المعايرة

بالنسبة للتشغيل في وضع hc أو pc، يتم إجراء المعايرة الروتينية في الأجهزة التجارية باستخدام سخانات كهربائية مدمجة. فيمكن التحقق من صحة أداء تلك السخانات الكهربائية باستخدام عينات ذات سعة حرارية معروفة أو عينات تنتج تفاعلات كيميائية يكون إنتاجها الحراري لكل وحدة كتلة معروفًا من الديناميكا الحرارية (Wadsö و Goldberg 2001).^[7] في وضع hc أو pc، تكون الإشارة الناتجة عبارة عن جهد قابل للتسجيل بواسطة الكمبيوتر، و معاير لتمثيل تدفق الحرارة في نطاق μ W للعينة مقابل الوقت. على وجه التحديد، إذا لم توجد تدرجات حرارية كبيرة في العينة، فإن P = e _C [ U + t (dU/dt) ] ، حيث P هو تدفق الحرارة (أي μW)، وε _{C هو} ثابت المعايرة، وU هو فرق الجهد المقاس عبر الموضع الحراري، وt هو ثابت الوقت. في ظل ظروف الحالة المستقرة - على سبيل المثال أثناء إطلاق تيار معايرة كهربائية ثابت، يتم تبسيط ذلك إلى P = e _C U. (Wadsö و Goldberg 2001).^[7]

الأمبولات

يمكن إجراء العديد من قياسات IMC المفيدة للغاية في أمبولات محكمة الغلق (الشكل 1) و التي غالبا ما توفر مزايا كالبساطة و الحماية من التلوث و(حيثما لزم الأمر) هامش كبير من السلامة البيولوجية للأشخاص الذين يتعاملون مع الأمبولات أو يتعرضون لها. يمكن أن تحتوي الأمبولة المغلقة على أي تركيبة مرغوبة من المواد الصلبة أو السوائل أو الغازات أو العناصر ذات الأصل البيولوجي. كما يمكن التحكم في تركيبة الغاز الأولية في مساحة رأس الأمبولة عن طريق إغلاقها في بيئة الغاز المطلوبة.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

ومع ذلك، هناك أيضًا تصميمات لأمبولات الجهاز تسمح بالتدفق المتحكم فيه للغاز أو السائل عبر الأمبولة أثناء القياس و/أو التحريك الميكانيكي. بالإضافة إلى ذلك ، مع الملحقات المناسبة، يمكن تشغيل بعض أجهزة القياس كأجهزة ITC ، مما يعني قياس السعرات الحرارية بالمعايرة المتساوية الحرارة. و سيتم تناول موضوع ITC في مكان آخر (انظر قياس السعرات الحرارية بالمعايرة المتساوية الحرارة ). بالإضافة إلى ذلك، يمكن لبعض أجهزة الجهاز تسجيل تدفق الحرارة أثناء تغير درجة الحرارة ببطء بمرور الوقت. يجب أن يكون معدل المسخ بطيئًا (حوالي ± 2 °C/h ) من أجل الحفاظ على عينات المقياس ،على سبيل المثال بضعة جرامات، قريبة بدرجة كافية من درجة حرارة المشتت الحراري ( < ca. 0.1 °C). المسح السريع لدرجة الحرارة هو مجال المسح التفاضلي للسعرات الحرارية (DSC) و التي تستخدم عمومًا عينات أصغر بكثير. يمكن تشغيل بعض أجهزتها في وضع IMC، و لكن حجم الأمبولة الصغيرة وبالتالي العينة اللازمة للمسح يحد من فائدة و حساسية أجهزة DSC المستخدمة في وضع IMC.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

المنهجية الأساسية

ضبط درجة الحرارة

يتم إنجاز قياسات معدل التدفق الحراري (μJ/s = μW) عن طريق ضبط منظم حرارة الجهاز أولاً على درجة حرارة محددة و السماح لمبدد الاحترار الخاص بالجهاز بالاستقرار عند تلك درجة الحرارة. إذا تم ضبط الأخير الذي يعمل عند درجة حرارة معينة على درجة حرارة جديدة، فقد يستغرق إعادة الاستقرار عند إعداد درجة الحرارة الجديدة عدة ساعات —وحتى يومًا كاملاً. كما تم شرحه أعلاه، فإن تحقيق والحفاظ على درجة حرارة مستقرة بدقة يعد أمرًا أساسيًا لتحقيق قياسات جد دقيقة لتدفق الحرارة في نطاق μW على مدى فترات زمنية ممتدة (على سبيل المثال أيام).^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

تقديم عينة

بعد تثبيت درجة الحرارة، إذا تم استخدام أمبولة مُجهزة خارجيًا أو بعض العينات الصلبة ذات أبعاد الأمبولة، يتم إدخالها ببطء في وحدة القياس الخاصة بالأداة، و عادةً ما يتم ذلك على مراحل متعددة. الغرض من ذلك هو التأكد من أنه بحلول الوقت الذي تكون فيه الأمبولة في وضع القياس، تكون درجة احترارها قريبة من (في حدود 0.001 درجة مئوية) °C) من درجة الحرارة القياسية. ويتم ذلك بحيث يكون أي تدفق حراري يقاس بعد ذلك نتيجة لعمليات معدل العينة وليس نتيجة لعملية مستمرة لجلب العينة إلى درجة الحرارة المحددة. الوقت اللازم لإدخال العينة في أمبولة جهاز دقيق متساو سعة 3-20 مل إلى موضع القياس هو حوالي. 40 دقيقة في العديد من الآلات. وهذا يعني أن تدفق الحرارة من أي عمليات تجري داخل العينة خلال فترة التقديم لن يتم تسجيله.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

إذا تم استخدام أمبولة موضعية، وتم حقن بعض العوامل أو العينات، فإن هذا يؤدي أيضًا إلى فترة من عدم الاستقرار، و لكنها من النوعca.1 دقيقة. يوضح الشكل 5 أمثلة لكل من الفترة الطويلة اللازمة لتثبيت الجهاز إذا تم ادخال أمبولة ما مباشرة، والفترة القصيرة من عدم الاستقرار بسبب الحقن.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

تسجيل البيانات

بعد عملية التقديم، يمكن تسجيل تدفق الحرارة للعينة بدقة وبشكل مستمر، طالما كان الأمر مثيرًا للاهتمام. إن الاستقرار الشديد للأجهزة المخصصة للبحث ( < ±100 μK/24h) يعني أنه يمكن إجراء قياسات دقيقة لفترة من الأيام. نظرًا لأن إشارة تدفقها قابلة للقراءة بشكل أساسي في الوقت الفعلي، فهي بمثابة وسيلة لتحديد ما إذا كان تدفق الحرارة المطلوب لا يزال يحدث أم لا. بالإضافة إلى ذلك، تقوم الأجهزة الحديثة بتخزين بيانات تدفق الحرارة مقابل الوقت كملفات كمبيوتر، و بالتالي فإن العرض الرسومي في الوقت الحقيقي والاسترجاعي والتحليل الرياضي للبيانات أمر ممكن.^{[بحاجة لمصدر]}</link>^{[ بحاجة لمصدر ]}

التطبيقات

1. Howell، M؛ Wirz D؛ Daniels AU؛ Braissant O (نوفمبر 2011). "Application of a microcalorimetric method for determining drug susceptibility in Mycobacterium species". Journal of Clinical Microbiology. ج. 50 ع. 1: 16–20. DOI:10.1128/JCM.05556-11. PMC:3256699. PMID:22090404.
2. Hardison، A؛ Lewis GW؛ Daniels AU (2003). "Determination of the activation energies of and aggregate rates for exothermic physico-chemical changes in UHMWPE by isothermal heat-conduction microcalorimetry (IHCMC)". Biomaterials. ج. 24 ع. 28: 5145–51. DOI:10.1016/S0142-9612(03)00461-7. PMID:14568431.
3. Wadsö، L (1968). "Design and testing of a microreaction calorimeter" (PDF). Acta Chemica Scandinavica. ج. 22: 927–937. DOI:10.3891/acta.chem.scand.22-0927.
4. Suurkuusk، J؛ Wadsö، L (1974). "Design and testing of an improved precise drop calorimeter for the measurement of heat capacity of small samples". J. Chem. Thermodynamics. ج. 6 ع. 7: 667–679. Bibcode:1974JChTh...6..667S. DOI:10.1016/0021-9614(74)90117-7.
5. Suurkuusk J، Wadsö I (1982). "A multichannel microcalorimetry system". Chemica Scripta. ج. 20: 155–163. ISSN:0004-2056.
6. Thorén، SA؛ Suurkuusk J؛ Holma B (1989). "Operation of a multichannel microcalorimetry system in the micro-submicrowatt region: some methodological aspects". Journal of Biochemical and Biophysical Methods. ج. 18 ع. 2: 149–156. DOI:10.1016/0165-022X(89)90076-6. PMID:2745930.
7. Wadsö، I؛ Goldberg، RN (2001). "Standards in isothermal microcalorimetry". Pure Appl. Chem. ج. 73 ع. 10: 1625–1639. DOI:10.1351/pac200173101625. S2CID:44976071.
8. van Herwaarden، S. (2000). "17. Calorimetry measurement". في Webster، J.G. (المحرر). Mechanical Variables Measurement — Solid, Fluid, and Thermal. CRC Press. ص. 17.1–16. DOI:10.1201/9781003418214-17. ISBN:978-1-003-41821-4.

بعد مناقشة بعض المصادر الخاصة لمعلومات تطبيق الأداة، يتم تغطية العديد من الفئات المحددة لتحليله عبر عمليات التقييم، ويتم مناقشة الأمثلة الحديثة (مع المراجع الأدبية) في كل فئة.

تدفق الحرارة مقابل الزمن اللازم للتحلل الحراري لـ 80% كتلة من CHP ( هيدرو بيروكسيد الكومين ) في سلسلة من درجات الحرارة. CHP عبارة عن وسيط كيميائي صناعي ومبادر للبلمرة وهو يشكل خطر حريق وانفجار موثق. وفقًا للمؤلفين، لم تكن قياس السعرات الحرارية التفاضلية أو قياس السعرات الحرارية الأدياباتية حساسة بدرجة كافية لالتقاط هذه البيانات (من Chen et al. 2008 بإذن الناشر).

علم السموم

اعتبارًا من عام 2012، لم يتم استخدام الجهاز على نطاق واسع في علم سموم الخلايا المزروعة على الرغم من أنه تم الإستعانة به بشكل دوري و ناجح منذ الثمانينيات. يُعد التصوير المقطعي المحوسب مفيدًا في علم السموم عندما يكون من المرغوب فيه مراقبة عملية التمثيل الغذائي للخلايا المزروعة في الوقت الفعلي و تحديد معدل التدهور الأيضي كدالة لتركيز عامل سام محتمل. كان أحد أقدم التقارير (Ankerst et al. 1986) ^[1] حول استخدام الأداة في علم السموم. و هو دراسة السمية الخلوية المعتمدة على الأجسام المضادة (ADCC) ضد خلايا الورم الميلانيني البشري من مجموعات مختلفة من المصل المضاد والأجسام المضادة وحيدة النسيلة وكذلك الخلايا الليمفاوية في الدم المحيطي كخلايا مؤثرة. تم قياس حركية تدفق الحرارة الأيضية لخلايا الورم الميلانيني مقابل الوقت في أمبولات مغلقة لمدة 20 ساعة. واستنتج المؤلفون أن:

"...تعتبر القياسات الحرارية الدقيقة طريقة حساسة ومناسبة بشكل خاص لتحليل حركية السمية الخلوية."

يتم استخدام الأداة أيضًا في علم السموم البيئية. في دراسة مبكرة (Thorén 1992) ^[2] حيث تم تقييم السمية ضد الطبقات الأحادية من الخلايا البلعمية السنخية لجزيئات MnO ₂ و TiO ₂ و SiO ₂ (السيليكا). وكانت نتائجها متوافقة مع النتائج التي تم الحصول عليها عن طريق تلطيخ إستر الفلوريسين و تحليل الصور المجهرية — باستثناء أن التقنية أظهرت تأثيرات سامة للكوارتز لا يمكن تمييزها عن طريق تحليل الصور. وأشارت الملاحظة الأخيرة — والتي تتفق مع التأثيرات السنخية المعروفة — إلى أن الأداة كانت تقنية أكثر حساسية.

تدفق الحرارة مقابل الوقت لعلاج الخلايا الليفية في الثقافة في أمبولة من الفولاذ المقاوم للصدأ. أ = إدخال الأمبولة إلى موضع القياس، مع وصول تدفق الحرارة الأيضية إلى مستوى التوازن. ب = حقن كبريتات دوديسيل الصوديوم (SDS) الذي أنتج ذروات حادة في تدفق الحرارة مرتبطة بالتخفيف الطارد للحرارة لـ SDS وتحلل الخلايا الليفية. بعد التحلل، عاد معدل تدفق الحرارة إلى ما يقرب من الصفر منذ توقف عملية التمثيل الغذائي للخلايا الليفية. dQ/dt = تدفق الحرارة الأيضية للخلايا الليفية في الثقافة (من Liu, et al. 2007 بإذن الناشر). الشكل 5

في الآونة الأخيرة (Liu et al. 2007)، ^[3] تم إثبات أن التقنية توفر بيانات أيضية ديناميكية لتقييم السمية ضد الخلايا الليفية لـ Cr (VI) من كرومات البوتاسيوم. و يوضح الشكل 5 النتائج الأساسية التي تحدد تدفق الحرارة الأيضية من الخلايا الليفية المزروعة قبل تقييم تأثيرات Cr(VI). واستنتج المؤلفون أن:

"يبدو أن القياس الدقيق للسعرات الحرارية يعد تقنية مريحة وسهلة لقياس العمليات الأيضية... في... الخلايا الحية. وعلى النقيض من إجراءات التحليل البيولوجي القياسية، تسمح هذه الألة بإجراء قياسات مستمرة لعملية التمثيل الغذائي للخلايا الحية. وبالتالي فقد أظهرنا أن الكروم السداسي يضعف المسارات الأيضية للخلايا الليفية البشرية و بالاخص استخدام الجلوكوز."

لقد استخدمت أداةIMC في أمبولات مغلقة بسيطة وتم الترويج لها أيضًا لتقييم سمية الخلايا المزروعة لمواد الغرسة الجراحية المرشحة — و لالتالي فهي تعمل كطريقة فحص التوافق الحيوي. في إحدى الدراسات (Xie et al. 2000) ^[4] تم تعريض الخلايا الأنبوبية الكلوية الخنزيرية في المزرعة لكل من البوليمرات و المعادن التيتانيوم في شكل "صفائح دقيقة" ذات مساحات سطح معروفة تبلغ بضعة سم ² . واستنتج المؤلفون أن IMC

"...إنها طريقة سريعة، وسهلة التشغيل، و ذات قابلية جيدة للتكرار. و يمكن لهذه التقنية الحالية في أغلب الحالات أن تحل محل التحقيقات التي تستغرق وقتًا أطول باستخدام المجهر الضوئي و الإلكتروني لتحديد كمية الخلايا الملتصقة."

في دراسة أخرى لمواد الزرع (Doostmohammadi et al. 2011) ^[5] ، تم تعريض كل من ثقافة الخميرة سريعة النمو وثقافة الخلايا الغضروفية البشرية لجزيئات (قطرها < 50 ميكرومتر) من هيدروكسيباتيت الكالسيوم (HA) والزجاج السيليكا النشط بيولوجيًا، فأدت جزيئات الزجاج إلى إبطاء أو تقليص نمو الخميرة كدالة لزيادة تركيز الجزيئات. كانت جزيئات HA أقل تأثيرًا بكثير ولم تمنع نمو الخميرة تمامًا بنفس التركيزات. كانت تأثيرات كلا النوعين من الجسيمات على نمو الخلايا الغضروفية ضئيلة عند التركيز المستخدم. واستنتج المؤلفون أن:

"يمكن تقييم السمية الخلوية للمواد الجسيمية مثل الزجاج النشط بيولوجيًا و جزيئات هيدروكسيباتيت باستخدام طريقة القياس الحراري الدقيق. وهي طريقة حديثة لدراسة التوافق البيولوجي للمواد الحيوية و سميتها الخلوية في المختبر والتي يمكن استخدامها جنبًا إلى جنب مع الاختبارات التقليدية القديمة."

علم الأحياء الدقيقة

مثال لكيفية عكس بيانات تدفق الحرارة المرتبطة بالنمو مقابل الوقت من البكتيريا في الثقافة في وسط معين في أمبولة مغلقة تسلسل الأنشطة الأيضية التي تحدث. تنتقل البكتيريا إلى استهلاك مصادر الكربون الأقل كفاءة مع استنفاد المصادر الأكثر كفاءة. أدى تحليل البيانات إلى إظهار القمم التي يمكن تخصيصها للأوضاع الأيضية الموضحة. هذا التسلسل المستخدم لبكتيريا الإشريكية القولونية معروف جيدًا في مجال علم الأحياء الدقيقة (من Braissant et al. 2010 بإذن الناشر). الشكل 6

بدأت المنشورات التي تصف استخدام الأداة في البروز في علم الأحياء الدقيقة في ثمانينيات القرن العشرين (Jesperson 1982).^[6] في حين تم توجيه بعض دراسات علم الأحياء الدقيقة إلى الفيروسات (Heng et al. 2005) ^[7] والفطريات (Antoci et al. 1997)، ^[8] فإن معظمها كان معنيًا بالبكتيريا. توفر ورقة بحثية حديثة (Braissant et al. 2010) ^[9] مقدمة عامة لطرق التمثيل الغذائي للأداة في علم الأحياء الدقيقة ونظرة عامة على التطبيقات في علم الأحياء الدقيقة الطبي والبيئي. تشرح الورقة أيضًا كيف أن بيانات تدفق الحرارة مقابل الوقت للبكتيريا في الثقافة هي تعبير دقيق — كما تحدث بمرور الوقت — عن التقلبات في النشاط الأيضي للكائنات الحية الدقيقة ومعدلات التكاثر في وسط معين (الشكل 6).

توضيح لكيفية اعتماد وقت IMC للكشف عن وجود البكتيريا على العدد الأولي للبكتيريا الموجودة (CFU)، وحساسية الجهاز ومستوى تدفق الحرارة فوق خط الأساس الذي تم اختياره للإشارة إلى نمو البكتيريا. CFU = وحدة تشكيل المستعمرة. (مقتبس من Braissant et al. 2010 بإذن الناشر). الشكل 7

بشكل عام، يبلغ حجم البكتيريا حوالي 1/10 من حجم الخلايا الثديية و تنتج ربما 1/10 من الحرارة الأيضية، أي حوالي 10% من الخلايا الثديية. 3x10 ⁻¹² واط/خلية. و هكذا، بالمقارنة مع الخلايا الثديية (انظر أعلاه) حوالي. 10 أضعاف عدد البكتيريا - تقريبًا. 330,000—يجب أن تكون موجودة لإنتاج تدفق حراري يمكن اكتشافه—أي 1 ميكروواط.^[9] و مع ذلك، فإن العديد من البكتيريا تتكاثر بسرعة أكبر بكثير في الثقافة مقارنة بخلايا الثدييات، و غالبًا ما يتضاعف عددها في غضون دقائق (انظر نمو البكتيريا ). و نتيجة لذلك، فإن عددًا أوليًا صغيرًا من البكتيريا الموجودة في الثقافة و التي لا يمكن اكتشافها في البداية بواسطة IMC تنتج بسرعة عددًا يمكن اكتشافه. على سبيل المثال، فإن 100 بكتيريا تتضاعف كل 20 دقيقة سوف تنتج في أقل من 4 ساعات > 330,000 بكتيريا و بالتالي تدفق حراري يمكن اكتشافه بواسطة التقنية. و نتيجة لذلك، يمكن الاستعانة بها للكشف السهل و السريع عن البكتيريا في المجال الطبي. تشمل الأمثلة الكشف عن البكتيريا في منتجات الصفائح الدموية البشرية (Trampuz et al. 2007) ^[10] و البول (Bonkat et al. 2011) ^[11] و الكشف السريع عن مرض السل (Braissant et al. 2010، ^[12] Rodriguez et al. 2011 ^[13] ). يوضح الشكل 7 مثالاً لأوقات الكشف عن بكتيريا السل كدالة للكمية الأولية للبكتيريا الموجودة في أمبولة IMC مغلقة تحتوي على وسط ثقافي.

بالنسبة للميكروبات الموجودة في وسائط النمو في أمبولات مغلقة، يمكن أيضًا استخدام بيانات التدفق الحراري للجهاز لتقدير معلمات نمو الميكروبات الأساسية عن قرب؛ أي الحد الأقصى لمعدل النمو و مدة مرحلة التأخر قبل تحقيق الحد الأقصى لمعدل النمو. يعد هذا تطبيقًا خاصًا مهمًا للتحليل الأساسي لهذه المعلمات التي تم شرحها سابقًا ( نظرة عامة: البيانات التي تم الحصول عليها ).

لسوء الحظ، تحتوي الأدبيات العلمية التي تطرقت موضوع المقياس على بعض الأوراق المنشورة التي تم فيها فهم العلاقة بين بيانات تدفق الحرارة و نمو الميكروبات في الأمبولات المغلقة بشكل خاطئ. ومع ذلك، في عام 2013 تم نشر توضيح موسع يصف (أ) تفاصيل العلاقة بين بيانات التدفق الحراري الجهاز و نمو الميكروبات، (ب) اختيار النماذج الرياضية التي تصف نمو الميكروبات و (ج) تحديد معلمات نمو الميكروبات من بياناته باستخدام هذه النماذج (Braissant et al. 2013). ^[14]

الديناميكية الدوائية

في امتداد منطقي لقدرة IMC على اكتشاف و قياس نمو البكتيريا، يمكن إضافة تركيزات معروفة من المضادات الحيوية إلى ثقافة البكتيريا، و من ثم يمكن استخدام التقنية لقياس آثارها على القدرة على البقاء والنمو. حيث يمكن لـها في الأمبولات المغلقة التقاط المعلومات الدوائية الأساسية بسهولة — على سبيل المثال الحد الأدنى للتركيز المثبط (MIC) للمضاد الحيوي اللازم لإيقاف نمو كائن حي معين. بالإضافة إلى ذلك، يمكنه توفير معلمات نمو ديناميكية في وقت واحد — وقت التأخير و معدل النمو الأقصى (انظر الشكل 2، هاويل وآخرون 2011، برايسانت وآخرون 2013)، ^[15][14] و التي تقيم آليات العمل. يتم الإشارة إلى الفعل القاتل للبكتيريا (انظر مبيد البكتيريا ) من خلال زيادة وقت التأخير كدالة لزيادة تركيز المضاد الحيوي، في حين يتم الإشارة إلى الفعل المضاد للبكتيريا (انظر العامل المضاد للبكتيريا ) من خلال انخفاض معدل النمو مع التركيز. إضافة إلى ذلك، لقد تم إثبات نهج IMC لتقييم المضادات الحيوية لعدد من أنواع البكتيريا و المضادات الحيوية (von Ah et al. 2009).^[16] كما يمكن لـهذا في الأمبولات المغلقة أيضًا التمييز بسرعة بين سلالات البكتيريا الطبيعية و المقاومة مثل المكورات العنقودية الذهبية (von Ah et al. 2008، ^[17] Baldoni et al. 2009 ^[18] ). تم استخدام التقنية أيضًا لتقييم تأثيرات المطهرات على قابلية بقاء البكتيريا الفموية الملتصقة بمواد زراعة الأسنان (Astasov-Frauenhoffer et al. 2011).^[19] في دراسة سابقة ذات صلة، تم استعمال IMC لقياس حرارة التصاق البكتيريا السنية بالزجاج (Hauser-Gerspach et al. 2008).^[20]

و قد تم إثبات استخدام ناجح مماثل لـ IMC لتحديد تأثيرات الأدوية المضادة للأورام على خلايا الورم في المزرعة في غضون ساعات قليلة (Schön and Wadsö 1988).^[21] و بدلاً من نهج الأمبولة المغلقة، تم استخدام إعدادات الأداة التي سمحت بحقن الدواء في العينات المخفوقة.

الكائنات متعددة الخلايا

من الممكن استخدام الأداة لإجراء دراسات أيضية للكائنات الحية متعددة الخلايا - إذا كانت صغيرة بما يكفي لوضعها في أمبولات (Lamprecht & Becker 1988).^[22] تم إجراء دراساتها على عملية التمثيل الغذائي لعذراء الحشرات أثناء حركات التهوية (Harak et al. 1996) ^[23] و تأثيرات العوامل الكيميائية على نمو العذراء (Kuusik et al. 1995).^[24] وقد أثبتت أيضًا فعاليتها في تقييم تأثيرات الشيخوخة على عملية التمثيل الغذائي للديدان الخيطية (Braekman et al. 2002).^[25]

لقد أثبتت أيضًا أنها مفيدة للغاية في التقييمات المختبرية لتأثيرات الأدوية على الديدان الطفيلية الاستوائية (Manneck et al. 2011-1، ^[26] Maneck et al. 2011-2، ^[27] Kirchhofer et al. 2011).^[28] ومن السمات المثيرة للاهتمام في هذه الدراسات استخدام نظام حقن يدوي بسيط لإدخال الأدوية في أمبولات مغلقة تحتوي على الديدان. كما أنها لا يوثق فقط الانخفاض الأيضي العام بمرور الوقت بسبب الأدوية، بل يوثق أيضًا التردد الإجمالي لنشاط الحركة الديدانية وانخفاضه في السعة بمرور الوقت كما ينعكس في التقلبات في بيانات تدفق الحرارة.

علم الأحياء البيئي

بسبب تنوعها، يمكن أن تكون IMC أداة فعالة في مجالات علم الأحياء النباتية والبيئية. في دراسة مبكرة (هانسن وآخرون 1989)، ^[29] تم قياس معدل التمثيل الغذائي لعينات أنسجة استنساخ شجرة الصنوبر. كان المعدل قابلاً للتنبؤ بمعدلات نمو الأشجار على المدى الطويل، و كان متسقًا للعينات من شجرة معينة، و وجد أنه يرتبط بالاختلافات المعروفة في النمو طويل الأمد للاستنساخ من أشجار مختلفة.

يعد التمثيل الغذائي للبكتيريا الأكسالوترية أمرًا شائعًا في البيئة، و خاصة في التربة. تتمتع البكتيريا الأكسالاتية بالقدرة على استخدام الأكسالات كمصدر وحيد للكربون والطاقة. تم استخدام الأداة في أمبولة مغلقة لدراسة استقلاب بكتيريا التربة الأكسالوترية المعرضة لكل من وسط محسن يحتوي على أكسالات البوتاسيوم كمصدر وحيد للكربون وتربة نموذجية (Bravo et al. 2011).^[30] باستخدام وسط مُحسَّن، تم رصد نمو ستة سلالات مختلفة من بكتيريا التربة بسهولة وقياسها كميًا وتمييزها على مدى فترة زمنية محددة (أيام). كان قياس الألة لتدفق الحرارة الأيضية البكتيرية في التربة النموذجية أكثر صعوبة، ولكن تم إثبات مفهومه.

حليب القمر هو مادة بيضاء كريمية توجد في الكهوف. و هو عبارة عن راسب بلوري ناعم غير متصلب من الحجر الجيري ويتكون بشكل أساسي من كربونات الكالسيوم و والمغنيسيوم الذي قد يكون للميكروبات دور في تكوينه. من الصعب استنتاج الأنشطة الميكروبية في حليب القمر من خلال الاختبارات الكيميائية الثابتة والمجهرية القياسية لتركيبه وبنيته. تم استخدام الأداة في أمبولة مغلقة لحل هذه المشكلة (Braissant, Bindscheidler et al. 2011).^[31] كان من الممكن تحديد معدلات نمو المجتمعات الميكروبية الكيميائية غير المغذية على حليب القمر بعد إضافة مصادر كربون مختلفة تحاكي الخلطات التي قد تتلامس مع الحليب بسبب ذوبان الثلوج أو هطول الأمطار. وكان النشاط الأيضي مرتفعا ومماثلا لما هو موجود في بعض الترب.

وجد هاريس وآخرون (2012)، ^[32] الذين يدرسون أنظمة إدخال الأسمدة المختلفة، أنه عندما يتم التعبير عنها كمخرجات حرارية لكل وحدة كتلة حيوية ميكروبية للتربة، فإن المجتمعات الميكروبية تحت أنظمة الأسمدة العضوية تنتج حرارة مهدرة أقل من تلك الموجودة تحت الأنظمة غير العضوية.

علم الغذاء

لقد ثبت أن الأداة لها استخدامات متنوعة في علوم وتكنولوجيا الأغذية . (Wadsö و Galindo 2009) ^[33] يناقش التطبيقات الناجحة في تقييم تنفس جرح قطع الخضار، و موت الخلايا بسبب التبييض، وتخمير الحليب، والوقاية من التلف الميكروبيولوجي، والمعالجة الحرارية ومدة الصلاحية. تستعرض دراسة أخرى (جاليندو وآخرون 2005) ^[34] الاستخدام الناجح لـلأداة لمراقبة وتوقع التغيرات في الجودة أثناء تخزين الفواكه والخضروات المعالجة بشكل بسيط.

وقد أثبتت التقنية فعاليتها أيضًا في إنجاز الاختبارات الأنزيمية لحمض الاوريتيك في الحليب (Anastasi et al. 2000) ^[35] و حمض الماليك في الفواكه و النبيذ والمشروبات الأخرى وكذلك منتجات التجميل (Antonelli et al. 2008).^[36] تم استخدام الألة أيضًا لتقييم فعالية عوامل مكافحة التسمير على البطاطس الطازجة المقطعة (Rocculi et al. 2007).^[37] لقد أثبتت التقنية فعاليتها أيضًا في تقييم مدى تأثير المجالات الكهربائية النبضية منخفضة الطاقة (PEFs) على حرارة إنبات بذور الشعير - وهو أمر مهم فيما يتعلق باستخدامها في إنتاج مشروبات الشعير (Dymek et al. 2012).^[38]

انظرأيضا

• قياس السعرات الحرارية
• الديناميكا الحرارية الكيميائية
• المسح التفاضلي لقياس السعرات الحرارية
• قياس السعرات الحرارية بالمعايرة المتساوية الحرارة
• معادلة المعدل
• قياس السعرات الحرارية بالامتصاص
• التحليل الحراري
• التأثير الحراري الكهربائي

الفهرس

• Harris، JA؛ Ritz، K؛ Coucheney، E؛ Grice، SM؛ Lerch، TZ؛ Pawlett، M؛ Herrmann، AM (2012). "The thermodynamic efficiency of soil microbial communities subject to long-term stress is lower than those under conventional input regimes". Soil Biology & Biochemistry. ج. 47: 149–157. Bibcode:2012SBiBi..47..149H. DOI:10.1016/j.soilbio.2011.12.017.
• Glasstone S, Laidler KJ, Eyring H (1941) The theory of rate processes: the kinetics of chemical reactions, viscosity, diffusion and electrochemical phenomena. McGraw-Hill (New York). 611p.
• Johnson FH, Eyring H, Stover BJ (1974) The theory of rate processes in biology and medicine. Wiley (New York), (ردمك 0-471-44485-5), 703p.
• Lavoisier A & Laplace PS (1780) M´emoire sur la chaleur. Académie des Sciences, Paris.
• Brown ME, Editor (1998) Vol. 1 Principles and Practice (691p.), in Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. Gallagher PK (Series Editor). Elsevier (London).
• Brown ME and Gallagher PK, Editors (2003) Vol. 2 Applications to Inorganic and Miscellaneous Materials (905p.), in Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. Gallagher PK (Series Editor). Elsevier (London). (ردمك 978-0-444-82086-0)ISBN 978-0-444-82086-0
• Cheng SZD, Editor (2002) Vol. 3 Applications to Polymers and Plastics (828p.) in Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. Gallagher PK (Series Editor). Elsevier (London).
• Kemp RB, Editor (1999) Vol. 4 From Macromolecules to Man (1032p.), in Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. Gallagher PK (Series Editor). Elsevier (London).
• Microcalorimetry Compendium Vol. 1: Proteins, Life & Biological Sciences, Pharmaceuticals (2009). TA Instruments, Inc. (New Castle DE, USA).
• Microcalorimetry Compendium Vol. 2: Cement, Energetics, Material, Other (2009). TA Instruments, Inc. (New Castle DE, USA).
• West، GB؛ Woodruff، WH؛ Brown، JH (2002). "Allometric scaling of metabolic rate from molecules and mitochondria to cells and mammals". PNAS. ج. 99 ع. Suppl 1: 2473–2478. Bibcode:2002PNAS...99.2473W. DOI:10.1073/pnas.012579799. PMC:128563. PMID:11875197.

المراجع

1. Ankerst، J؛ Sjögren، HO؛ Fäldt، R (1986). "Use of microcalorimetry in analyzing the kinetics of ADCC". Journal of Immunological Research Methods. ج. 88 ع. 2: 259–264. DOI:10.1016/0022-1759(86)90014-1. PMID:3958501.
2. Thorén، SA (1992). "Calorimetry: a new quantitative in vitro method in cell toxicology. A dose/effect study of alveolar macrophages exposed to particles". J Toxicol Environ Health. ج. 36 ع. 4: 307–18. Bibcode:1992JTEHA..36..307T. DOI:10.1080/15287399209531641. PMID:1507265.
3. Liu، W.؛ Chaspoul، F.؛ Berge Lefranc، D.؛ Decome، L.؛ Gallice، P. (12 يوليو 2007). "Microcalorimetry as a tool for Cr(VI) toxicity evaluation of human dermal fibroblasts". Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. ج. 89 ع. 1: 21–24. DOI:10.1007/s10973-006-7918-2. S2CID:96774590.
4. Xie، Y؛ Depierre JW؛ Nässberger LN (2000). "Biocompatibility of microplates for culturing epithelial renal cells evaluated by a microcalorimetric technique". Journal of Materials Science: Materials in Medicine. ج. 11 ع. 9: 587–591. DOI:10.1023/A:1008984304821. PMID:15348389. S2CID:25818381.
5. Doostmohammadi، A؛ Monshi A؛ Fathi MH؛ Karbasi S؛ Braissant O؛ Daniels AU (2011). "Direct cytotoxicity evaluation of 63S bioactive glass and bone-derived hydroxyapatite particles using yeast model and human chondrocyte cells by microcalorimetry". Journal of Materials Science: Materials in Medicine. ج. 22 ع. 10: 2293–2300. DOI:10.1007/s10856-011-4400-x. PMID:21786131. S2CID:25271308.
6. Jespersen، N.D. (1982). Biochemical and Clinical Applications of Thermometric and Thermal Analysis. Elsevier. ج. 12. ISBN:0-444-42062-2. OCLC:8171558.
7. Heng، Z.؛ Congyi، Z.؛ Cunxin، W.؛ Jibin، W.؛ Chaojiang، G.؛ Jie، L.؛ Yuwen، L. (يناير 2005). "Microcalorimetric study of virus infection; The effects of hyperthermia and 1b recombinant homo interferon on the infection process of BHK-21 cells by foot and mouth disease virus". Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. ج. 79 ع. 1: 45–50. DOI:10.1007/s10973-004-0560-y. S2CID:98578017.
8. Antoce، O-A؛ Antocie، V؛ Takahashi، K؛ Pomohaci، N؛ Namolosanu، I (1997). "Calorimetric determination of the inhibitory effect of C1-C4 n-alcohols on growth of some yeast species". Thermochimica Acta. ج. 297 ع. 1–2: 33–42. Bibcode:1997TcAc..297...33A. DOI:10.1016/s0040-6031(97)00162-7.
9. Braissant، O.؛ Wirz, D.؛ Gopfert, B.؛ Daniels, A. U. (2010). "Use of isothermal microcalorimetry to monitor microbial activities". FEMS Microbiol. Lett. ج. 303 ع. 1: 1–8. DOI:10.1111/j.1574-6968.2009.01819.x. PMID:19895644.
10. Trampuz، A؛ Salzmann S؛ Antheaume J؛ Daniels AU (2007). "Microcalorimetry: a novel method for detection of microbial contamination in platelet products". Transfusion. ج. 47 ع. 9: 1643–50. DOI:10.1111/j.1537-2995.2007.01336.x. PMID:17725729. S2CID:21221691.
11. Bonkat، G؛ Braissant O؛ Widmer AF؛ Frei R؛ Rieken M؛ Wyler S؛ Gasser TC؛ Wirz D؛ Daniels AU (2011). "Rapid detection of urinary tract pathogens using microcalorimetry: principle, technique and first results". British Journal of Urology International. ج. 110 ع. 6: 892–7. DOI:10.1111/j.1464-410X.2011.10902.x. PMID:22313675. S2CID:34620719.
12. Braissant، O؛ Wirz D؛ Gopfert B؛ Daniels AU (2010). "The heat is on: rapid microcalorimetric detection of mycobacteria in culture". Tuberculosis (Edinb). ج. 90 ع. 1: 57–59. DOI:10.1016/j.tube.2009.11.001. PMID:19969505.
13. Rodríguez، D؛ Daniels AU؛ Urrusti JL؛ Wirz D؛ Braissant O (أكتوبر 2011). "Evaluation of a low-cost calorimetric approach for rapid detection of tuberculosis and other mycobacteria in culture". Journal of Applied Microbiology. ج. 111 ع. 4: 1016–24. DOI:10.1111/j.1365-2672.2011.05117.x. PMID:21797951. S2CID:205324227.
14. Braissant، O؛ Bonkat، G؛ Wirz، D (2013). "Microbial growth and isothermal microcalorimetry: Growth models and their application to microcalorimetric data". Thermochimica Acta. ج. 555: 64–71. Bibcode:2013TcAc..555...64B. DOI:10.1016/j.tca.2012.12.005.
15. اكتب عنوان المرجع بين علامتي الفتح <ref> والإغلاق </ref> للمرجع Howell
16. von Ah، U؛ Wirz D؛ Daniels AU (2009). "Isothermal micro calorimetry—a new method for MIC determinations: results for 12 antibiotics and reference strains of E. coli and S. aureus". BMC Microbiol. ج. 9 ع. 1: 106. DOI:10.1186/1471-2180-9-106. PMC:2692853. PMID:19470161.
17. von Ah، U؛ Wirz D؛ Daniels AU (2008). "Rapid differentiation of methicillin-susceptible Staphylococcus aureus from methicillin-resistant S. aureus and MIC determinations by isothermal microcalorimetry". J Clin Microbiol. ج. 46 ع. 6: 2083–7. DOI:10.1128/JCM.00611-08. PMC:2446841. PMID:18417657.
18. Baldoni، D؛ Hermann H؛ Frei R؛ Trampuz A؛ Steinhuber A (2009). "Performance of microcalorimetry for early detection of methicillin resistance in clinical isolates of Staphylococcus aureus". J Clin Microbiol. ج. 47 ع. 3: 774–776. DOI:10.1128/JCM.02374-08. PMC:2650961. PMID:19158262.
19. Astasov-Frauenhoffer، M؛ Braissant O؛ Hauser-Gerspach I؛ Daniels AU؛ Wirz D؛ Weiger R؛ Waltimo T (2011). "Quantification of vital adherent Streptococcus sanguinis cells on protein-coated titanium after disinfectant treatment" (PDF). Journal of Materials Science: Materials in Medicine. ج. 22 ع. 9: 2045–51. DOI:10.1007/s10856-011-4377-5. PMID:21670995. S2CID:11255313.
20. Hauser-Gerspach، I؛ Scandiucci de Freitas P؛ Daniels AU؛ Meyer J (2008). "Adhesion of Streptococcus sanguinis to glass surfaces measured by isothermal microcalorimetry (IMC)". J Biomed Mater Res B. ج. 85 ع. 1: 42–9. DOI:10.1002/jbm.b.30914. PMID:17696148.
21. Schön، Wadsö I (1988). "The potential use of microcalorimetry in predictive tests of the action of antineoplastic drugs on mammalian cells". Cytobios. ج. 55 ع. 220: 33–39. PMID:3265371.
22. Lamprecht، I؛ Becker، W (1988). "Combination of calorimetry and endoscopy for monitoring locomotor activities of small animals". Thermochimica Acta. ج. 130: 87–93. Bibcode:1988TcAc..130...87L. DOI:10.1016/0040-6031(88)87053-9.
23. Harak، M؛ Lamprecht، I؛ Kuusik، A (1996). "Metabolic cost of ventilating movements in pupae of Tenebrio molitor and Galleria mellonella studied by direct calorimetry". Thermochimica Acta. ج. 276: 41–47. Bibcode:1996TcAc..276...41H. DOI:10.1016/0040-6031(95)02750-5.
24. Kuusik، A؛ Harak، M؛ Hiiesaar، K؛ Metspalu، L؛ Tartes، U (1995). "Studies on insect growth regulating (IGR) and toxic effects of Ledum palustre extracts on Tenebrio molitor pupae (Coleoptera, Tenebrionidae) using calorimetric recordings". Thermochimica Acta. ج. 251: 247–253. Bibcode:1995TcAc..251..247K. DOI:10.1016/0040-6031(94)02048-s.
25. Braeckman، BP؛ Houthoofd K؛ De Vreese A؛ Vanfleteren JR (2002). "Assaying metabolic activity in ageing Caenorhabditis elegans". Mechanisms of Ageing and Development. ج. 123 ع. 2002: 105–119. DOI:10.1016/S0047-6374(01)00331-1. PMID:11718805. S2CID:26024344.
26. Manneck، T؛ Braissant O؛ Ellis W؛ Keiser J (2011). "Schistosoma mansoni: Antischistosomal activity of the four optical isomers and the two racemates of mefloquine on schistosomula and adult worms in vitro and in vivo". Experimental Parasitology. ج. 127 ع. 1: 260–9. DOI:10.1016/j.exppara.2010.08.011. PMID:20732321.
27. Manneck، T؛ Braissant O؛ Haggenmueller Y؛ Keiser J (2011). "Isothermal Microcalorimetry To Study Drugs against Schistosoma mansoni". Journal of Clinical Microbiology. ج. 49 ع. 4: 1217–25. DOI:10.1128/JCM.02382-10. PMC:3122815. PMID:21270220.
28. Kirchhofer، C؛ Vargas M؛ Braissant O؛ Dong Y؛ Wang X؛ Vennerstrom JL؛ Keiser J (2011). "Activity of OZ78 analogues against Fasciola hepatica and Echinostoma caproni". Acta Tropica. ج. 118 ع. 1: 56–62. DOI:10.1016/j.actatropica.2011.02.003. PMC:3066657. PMID:21316331.
29. Hansen، LD؛ Lewis، EA؛ Eatough، DJ؛ Fowler، DP؛ Criddle، RS (1989). "Prediction of long-term growth rates of larch clones by calorimetric measurement of metabolic heat rates". Canadian Journal of Forest Research. ج. 19 ع. 5: 606–611. DOI:10.1139/x89-095.
30. Bravo، D؛ Braissant O؛ Solokhina A؛ Clerc M؛ Daniels AU؛ Verrecchia E؛ Junier P (2011). "Use of an isothermal microcalorimetry assay to characterize microbial oxalotrophic activity". FEMS Microbiology Ecology. ج. 78 ع. 2: 266–74. Bibcode:2011FEMME..78..266B. DOI:10.1111/j.1574-6941.2011.01158.x. PMID:21696406.
31. Braissant O، Bindschedler S، Daniels AU، Verrecchia EP، Cailleau G (أبريل 2012). "Microbiological activities in moonmilk monitored using isothermal microcalorimetry (cave of "Vers chez le Brandt", Neuchatel, Switzerland)" (PDF). Journal of Cave and Karst Studies. ج. 74 ع. 1: 116–126. DOI:10.4311/2011JCKS0213.
32. Harris، JA؛ Ritz، K؛ Coucheney، E؛ Grice، SM؛ Lerch، TZ؛ Pawlett، M؛ Herrmann، AM (2012). "The thermodynamic efficiency of soil microbial communities subject to long-term stress is lower than those under conventional input regimes". Soil Biology & Biochemistry. ج. 47: 149–157. Bibcode:2012SBiBi..47..149H. DOI:10.1016/j.soilbio.2011.12.017.
33. Wadsö، L؛ Gomez Galindo، F (2009). "Isothermal calorimetry for biological applications in food science and technology". Food Control. ج. 20 ع. 10: 956–961. DOI:10.1016/j.foodcont.2008.11.008. S2CID:73702189.
34. Gomez Galindo، F؛ Rocculi، P؛ Wadsö، L؛ Sjöholm، I (2005). "The potential of isothermal calorimetry in monitoring and predicting quality changes during processing and storage of minimally processed fruits and vegetables". Trends Food Sci Technol. ج. 16 ع. 8: 325–331. DOI:10.1016/j.tifs.2005.01.008.
35. Anastasi، G؛ Antonelli ML؛ Biondi B؛ Vinci G (2000). "Orotic acid: a milk constituent Enzymatic determination by means of a new microcalorimetric method". Talanta. ج. 52 ع. 5: 947–952. DOI:10.1016/S0039-9140(00)00433-1. PMID:18968055.
36. Antonelli، ML؛ Spadaro C؛ Tornelli RF (2008). "A microcalorimetric sensor for food and cosmetic analyses: L-malic acid determination". Talanta. ج. 74 ع. 5: 1450–4. DOI:10.1016/j.talanta.2007.09.035. PMID:18371803.
37. Rocculi، P؛ Gomez Galindo، F؛ Mendozac، F؛ Wadsö، L؛ Romani، S؛ Dalla Rosa، M؛ Sjöholm، I (2007). "Effects of the application of anti-browning substances on the metabolic activity and sugar composition of fresh-cut potatoes". Postharvest Biology and Technology. ج. 43: 151–157. DOI:10.1016/j.postharvbio.2006.08.002.
38. Dymek K، Dejmek P، Panarese V، Vicente AA، Wadsö L، Finnie C، Galindo FG (يونيو 2012). "Effect of pulsed electric field on the germination of barley seeds". LWT - Food Science and Technology. ج. 47 ع. 1: 161–6. DOI:10.1016/j.lwt.2011.12.019. hdl:1822/22504.

روابط خارجية

بعض المصادر لأجهزة IMC والملحقات والإمدادات والبرامج

• كالميتريكس
• أدوات تي ايه
• سيتارام
• سيمسيل
• تكوينات جهاز قياس الحرارة الدقيقة لامتصاص التدفق Microscal Ltd (أرشيف 2005)