等温微量热法
等温滴定量热法（ITC）
等温滴定量热法（ITC）等温滴定量热技术摘要：⽣物⼤分⼦可以和很多配体特异性结合，当物质结合时，热量要么产⽣，要么吸收。
⽣物⼤分⼦与配体相互作⽤的定量描述需要确定反应过程中热⼒学参数的变化。
相互作⽤过程中产⽣的热量变化可以⽤量热计定量监测。
等温滴定量热技术（Isothermal Titration Calorimetry, ITC）是⼀种监测由结合成分的添加⽽起始的任何化学反应的热⼒学技术，它已经成为鉴定⽣物分⼦间相互作⽤的⾸选⽅法。
它通过⾼灵敏度、⾼⾃动化的微量量热仪连续、准确地监测和记录⼀个变化过程的量热曲线，原位、在线和⽆损伤地同时提供热⼒学和动⼒学信息，如结合常数（Ka）、结合位点数（n），结合焓（△H）、熵（△S）、恒压热容（△Cp）和动⼒学数据（如酶促反应的Km和kcat ）。
这些信息提供了⽣物分⼦相互作⽤的真实写照。
由于⼏乎所有的⽣化反应过程都有热量变化，所以ITC具有很⼴泛的应⽤，它可以应⽤于蛋⽩质-蛋⽩质相互作⽤、蛋⽩质折叠/去折叠、蛋⽩质-⼩分⼦相互作⽤、酶-抑制剂相互作⽤、酶促反应动⼒学、药物-DNA/RNA相互作⽤、RNA折叠、蛋⽩质-核酸相互作⽤、核酸-⼩分⼦相互作⽤、核酸-核酸相互作⽤、⽣物分⼦-细胞相互作⽤等⽅⾯。
关键字：等温滴定量热技术、相互作⽤、热⼒学商业化的测量⽣物分⼦相互作⽤热量的灵敏的量热计出现在上世纪80年代后期[1]。
从此这种技术被⼴泛应⽤。
在过去的20年中，等温滴定量热技术（ITC）成为研究相互作⽤的常⽤⽅法。
随着现代ITC仪器的发展，ITC更加灵敏、快速、易⽤。
分⼦识别是⼀个复杂的过程，是⽣命活动的基础。
⽣物分⼦识别过程需要结合反应的热⼒学参数来阐明。
等温滴定微量量热法可以直接定量检测滴定反应过程中的热量变化，确定反应的结合常数K B 、结合计量⽐（n）、反应焓变（?H）、熵变（? S）、恒压热容（△Cp）和动⼒学数据（如酶促反应的Km和kcat ）等热⼒学参数，⽤来表征⽣物分⼦间的相互作⽤。
等温滴定微量热法在雷公藤红素微乳制备中的应用
等温滴定微量热法在雷公藤红素微乳制备中的应用
刘荻;马卓
【期刊名称】《湖北工业大学学报》
【年(卷),期】2016(031)005
【摘要】用等温滴定微量热法测定雷公藤红素微乳中水的体积,微乳中乳化剂为蓖麻油聚氧乙烯醚(ELP),助乳化剂为正丁醇,油相为油酸乙酯,研究ELP与正丁醇质量比分别为1∶1、1.5∶1、2∶1、3∶1下形成微乳时各组分的质量,根据混合溶液与水滴定过程中的热量变化曲线,判断微乳是否形成,得出形成微乳时水的质量,做出4个比例下的伪三元相图,确定最优处方.最优处方比例配制的微乳稳定性好,粒径符合微乳的尺度,证明等温滴定微量热法在雷公藤红素微乳制备中具有可行性.
【总页数】4页(P114-117)
【作者】刘荻;马卓
【作者单位】湖北工业大学生物工程与食品学院,湖北武汉430068;湖北工业大学生物工程与食品学院,湖北武汉430068
【正文语种】中文
【中图分类】R945
【相关文献】
1.等温滴定微量热法在中药研究中的应用 [J], 刘荻;曾勤;马卓
2.反相微乳技术在纳米粒子制备中的应用 [J], 彭春玉;旷亚非;周海晖
3.反相微乳技术在纳米粒子制备中的应用 [J], 彭春玉;旷亚非;周海晖
4.微乳技术在伊维菌素剂型制备中的应用及展望 [J], 王丽坤;金振华;李烨;张备;张莹;鹿凌岩;秦建玲
5.微乳技术在伊维菌素剂型制备中的应用及展望 [J], 王丽坤;金振华;李烨;张备;张莹;鹿凌岩;秦建玲
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ITC等温滴定量热法的操作说明解读
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在恒温下，注射器中的“配体”溶液滴定到包含“高分子”溶液的池中。当配体 注射到池中，两种物质相互作用，释放或吸收的热量与结合量成正比。当池中的 高分子被配体饱和时，热量信号减弱，直到只观察到稀释的背景热量。
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独特特点：
– 它对被研究体系的溶剂性质、光谱性质和电学性质等没有任何限制条件，即 具有非特异性的独特优势，
– 样品用量小，方法灵敏度和精确度高(仪器最小可检测热功率2 nW，最小可 检测热效应0.125uJ，生物样品最小用量0.4ug，温度范围2 ℃ - 80 ℃，滴 定池体积(1.43 ml)。
等温滴定量热法
(Isothermal Titration Calorimetry, ITC)
2011-10-13
Isothermal Titration Calorimetry, ITC
等温滴定量热技术（ITC）是一种监测由结合成分的添加而起始的任何
化学反应的热力学技术，即用一种反应物滴定另一种反应物，随着加 入滴定剂的数量的变化，测量反应体系温度的变化
ITC提供了（△G）以及（△H） 和（△S），产生了结合机理的真 实图像。
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ITC：用生物相关模型系统架起桥梁
ITC的关键优势之一是创建生物相关实验的独特能力。再没有其他技术 能提供完全无标记且液相的分析环境，同时无需靶点高分子或配体的固 定。ITC的应用在相关模型生物系统的建立和验证中起了重要的作用。
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INS
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典型的ITC数据
化学反应的热力学分析方法新技术
化学反应的热力学分析方法新技术一、引言化学反应的热力学分析是研究化学反应过程中能量变化的重要手段。
随着科技的发展，热力学分析方法也在不断更新和创新。
本文将介绍近年来涌现的化学反应热力学分析的新技术，并探讨其应用和优势。
二、等温滴定量热法等温滴定量热法是一种利用量热仪测量化学反应热的方法。
其原理是在恒温条件下，将反应物逐滴加入反应釜中，通过测量反应釜中温度的变化来计算反应热。
相比传统的等温量热法，等温滴定量热法具有较高的灵敏度和准确性，可以更精确地测量反应热。
三、热流量仪测定法热流量仪测定法是一种利用热流量仪测量化学反应热的方法。
热流量仪通过测量流过试样的热量，间接计算出反应热。
与传统的量热法相比，热流量仪测定法具有较高的灵敏度和快速响应的特点，可以实时监测反应过程中的热量变化。
四、微流控技术微流控技术是一种利用微流控芯片进行热力学分析的方法。
通过在微流控芯片中控制反应物的流动速度和反应时间，可以实现对反应过程的精确控制。
微流控技术在化学反应热力学分析中具有快速、自动和高效的优势，可以大大提高实验的效率和准确性。
五、差示扫描量热法差示扫描量热法是一种基于差示扫描量热仪的热力学分析方法。
其原理是将待测样品与参比样品同时加热，通过测量两者之间的温差来计算反应热。
相比传统的量热法，差示扫描量热法具有更高的敏感性和准确性，可以测量相对较小的反应热。
六、计算机模拟方法计算机模拟方法是一种通过数值计算来分析化学反应热力学的方法。
通过建立反应物的分子动力学模型，可以模拟和预测反应过程中的能量变化。
计算机模拟方法具有高度灵活性和可扩展性，可以在实验之前进行预测和优化，为实验提供理论指导。
七、结论近年来，化学反应的热力学分析方法得到了快速发展和创新。
等温滴定量热法、热流量仪测定法、微流控技术、差示扫描量热法和计算机模拟方法等新技术的出现，不仅提高了热力学分析的精确性和灵敏度，还加快了实验的速度和提高了效率。
随着科学技术的不断进步，我们相信这些新技术将会在热力学研究领域发挥更大的作用，并推动化学反应的热力学分析取得更多的突破。
微量热仪TAM使用简介
注意事项
• 样品准备 滴定剂：溶液或者稳定悬浮物
尽量排除其他反应热干扰：
控制M和L离子强度，pH严格一致
• 参数设定： 滴定体积、次数、时间间隔
测定模式：动态校正 反馈模式
信号稳定标准：中
TAM
Thermal Activity Monitor
ITC实验数据处理
• 为了获取热力学信息
A+B = C+D H
安瓶实验数据基础分析
400
PH
350
300
origin软件
250
200
K
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Time(h)
T
PT
• 峰高及其时刻 (PH,PT) 总热量 (Q) 总生长时间（T） 生长速率常数 (K)
TAM
Thermal Activity Monitor
等温滴定量热实验（ITC）
Heat flow (W)Heat flow(W)12840
0
120 240 360 480 600
Time (min)
250
0
100
150 200
150
100
50
0
0
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20
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Time(h)
“热功率－时间” 曲线
TAM
Thermal Activity Monitor
• 动力学信息
Thermal Activity Monitor
准
备
建立实验 开始实验
样
设置参数 收集初始基线
等温滴定微量热仪(ITC)简介
等温滴定微量热仪(ITC)简介等温滴定量热法在生命科学研究中应用申明：本资料来源于网络，版权归原作者所有！等温滴定量热法(Isothermal Titration Calorimetry, ITC)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方法，它通过高灵敏度、高自动化的微量量热仪连续、准确地监测和记录一个变化过程的量热曲线，原位、在线和无损伤地同时提供热力学和动力学信息。
微量热法具有许多独特之处。
它对被研究体系的溶剂性质、光谱性质和电学性质等没有任何限制条件，即具有非特异性的独最小可检测热效应0.125uJ，生物样品最小用量0.4ug，温度范围2 0C - 80 0C，滴定池体积1.43 ml)。
实验时间较短(典型的ITC实验只需30-60分钟，并加上几分钟的响应时间)，操作简单(整个实验由计算机控制，使用者只需输入实验的参数，如温度、注射次数、注射量等，计算机就可以完成整个实验，再由Origin 软件分析ITC得到的数据)。
测量时不需要制成透明清澈的溶液, 而且量热实验完毕的样品未遭破坏，还可以进行后续生化分析。
尽管微量热法缺乏特异性但由于生物体系本身具有特异性，因此这种非特异性方法有时可以得到用特异方法得不到的结果，这有助于发现新现象和新规律，特别适应于研究生物体系中的各种特异过程。
ITC的用途获得生物分子相互作用的完整热力学参数，包括结合常数、结合位点数、摩尔结合焓、摩尔结合熵、摩尔恒压热容，和动力学参数(如酶活力、酶促反应米氏常数和酶转换数)。
ITC的应用范围蛋白质-蛋白质相互作用(包括抗原-抗体相互作用和分子伴侣-底物相互作用)；蛋白质折叠/去折叠；蛋白质-小分子相互作用以及酶-抑制剂相互作用；酶促反应动力学；药物-DNA/RNA相互作用；RNA折叠；蛋白质-核酸相互作用；核酸-小分子相互作用；核酸-核酸相互作用；生物分子-细胞相互作用；……加样体积：（实际体积）cell：1.43 ml，syringe：300 μl准备样品体积（最少量）cell：2 ml，syringe：500 μl样品浓度cell：几十μM到几mMsyringe：几百μM到几十mM测量Kb范围102-1012 M-1滴定实验前恒温30-60 min等温滴定量热实验所需时间，一般1.5-4 hrSample Preparation Guidelines (ITC).Proper sample preparation is essential for successful ITC testing. In particular, the minimal guidelines below must be strictly followed to insure an accurate estimate of stoichiometry (n), heat of binding (H), and binding constant (Kb) (or dissociation constant Kd = 1/Kb).1.) The macromolecule solution (the sample to be placed in the reaction cell) must have a volume of at least2.1 ml. The lowest concentration which can be studied is 3 M and this is adequate only for tight binding where Kd is smaller than 1 M. For weaker interactions, the macromolecule concentration should be 5 times Kd, or higher if possible. Preferably, the macromolecule solution should be dialyzed exhaustively against buffer for final equilibration.2.) The ligand solution (the sample to be placed in the injection syringe) must have a volume of at least 0.7 ml. Its concentration should be at least 10 times higher than the concentration of macromolecule (if the macromolecule has multiple binding sites for ligand, then the ligand concentration must be increased accordingly). The buffer solution in which the ligand is dissolved should be exactly the same buffer against which the macromolecule has been equilibrated.3.) After both solutions have been prepared, the pH of each should be checked carefully. If they are different by more that 0.05 pH units, then one of the solutions must be back-titrated so they are within the limit of 0.05 pH units. If any particles are visible in either solution, they should be filtered out.4.) If possible, the concentrations of both solutions should be accurately determined after final preparation. Accurate determination of binding parameters is only possible if concentrations of binding components are known precisely.5.) At least 20 ml of buffer must be sent along with the two samples, since this is used for rinsing the cell and for dilution if necessary.6.) If possible, DTT should be avoided as a disulfide reagent and replaced by -mercaptoethanol or TCEP.等温滴定微量热仪（ITC）基本介绍等温滴定微量热仪（ITC）基本介绍（美国MicroCal ，美国微量热公司）仪器设备名称：等温滴定微量热仪制造国别：美国制造厂商：美国微量热公司规格型号：VP-ITC品牌：MicroCal总代理商：华嘉（香港）有限公司技术指标：短期噪音水平：0.5纳卡/秒(2 纳瓦)。
ITC(等温滴定量热)培训第一课原理介绍
+
- 焓变和熵变均不利，反应不会自发进行
16 / 29-0301-14 AA
ITC 在生命科学和药物研发中的应用
• 分析生物分子的相互作用
– 证实结合以及活性 – 确定化学计量比和热力学参数
• 研究任意两个生物分子的相互作用
– 蛋白，核酸，脂质，药物，抑制剂等 – 结构生物学以及结构-活性间的关系
10 / 29-0301-14 AA
热力学 1(4)
kcal/mole of injectant
0
Ligand A into
-2
compound X
-4
-6
-8
-10
-12
-14
0
Ligand B into compound X
1
2
3
4
Molar ratio
相同的亲和力和化学计量比，但是 不同的焓变 （热量）
MicroCal™ ITC 系统 培训课程
等温滴定量热法 (ITC) 的介绍
目标
• 等温滴定量热(ITC)的原理介绍 • 介绍焓，熵和自由能的定义，理解生物分子相互作用和分子识
别 • 常用应用的介绍
4 / 29-0301-14 AA
为何使用微量热技术?
无标记
宽广的动态范围
信息丰富
使用方便
• 直接测量热量变 化 (ITC)
这告诉我们不同的结合机制
11 / 29-0301-14 AA
热力学 2(4)
DG = RT ln KD DG = DH –TDS
ΔH,焓 （enthalpy），反映氢键和范德华键 的变化
-TΔS, 熵（entropy），反映疏水作用的变化 和/或构象变化
等温滴定微量热仪(ITC)简介
等温滴定微量热仪(ITC)简介等温滴定量热法在生命科学研究中应用申明：本资料来源于网络，版权归原作者所有！等温滴定量热法(Isothermal Titration Calorimetry, ITC)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方法，它通过高灵敏度、高自动化的微量量热仪连续、准确地监测和记录一个变化过程的量热曲线，原位、在线和无损伤地同时提供热力学和动力学信息。
微量热法具有许多独特之处。
它对被研究体系的溶剂性质、光谱性质和电学性质等没有任何限制条件，即具有非特异性的独最小可检测热效应0.125uJ，生物样品最小用量0.4ug，温度范围2 0C - 80 0C，滴定池体积1.43 ml)。
实验时间较短(典型的ITC实验只需30-60分钟，并加上几分钟的响应时间)，操作简单(整个实验由计算机控制，使用者只需输入实验的参数，如温度、注射次数、注射量等，计算机就可以完成整个实验，再由Origin 软件分析ITC得到的数据)。
测量时不需要制成透明清澈的溶液, 而且量热实验完毕的样品未遭破坏，还可以进行后续生化分析。
尽管微量热法缺乏特异性但由于生物体系本身具有特异性，因此这种非特异性方法有时可以得到用特异方法得不到的结果，这有助于发现新现象和新规律，特别适应于研究生物体系中的各种特异过程。
ITC的用途获得生物分子相互作用的完整热力学参数，包括结合常数、结合位点数、摩尔结合焓、摩尔结合熵、摩尔恒压热容，和动力学参数(如酶活力、酶促反应米氏常数和酶转换数)。
ITC的应用范围蛋白质-蛋白质相互作用(包括抗原-抗体相互作用和分子伴侣-底物相互作用)；蛋白质折叠/去折叠；蛋白质-小分子相互作用以及酶-抑制剂相互作用；酶促反应动力学；药物-DNA/RNA相互作用；RNA折叠；蛋白质-核酸相互作用；核酸-小分子相互作用；核酸-核酸相互作用；生物分子-细胞相互作用；……加样体积：（实际体积）cell：1.43 ml，syringe：300 μl准备样品体积（最少量）cell：2 ml，syringe：500 μl样品浓度cell：几十μM到几mMsyringe：几百μM到几十mM测量Kb范围102-1012 M-1滴定实验前恒温30-60 min等温滴定量热实验所需时间，一般1.5-4 hrSample Preparation Guidelines (ITC).Proper sample preparation is essential for successful ITC testing. In particular, the minimal guidelines below must be strictly followed to insure an accurate estimate of stoichiometry (n), heat of binding (H), and binding constant (Kb) (or dissociation constant Kd = 1/Kb).1.) The macromolecule solution (the sample to be placed in the reaction cell) must have a volume of at least2.1 ml. The lowest concentration which can be studied is 3 M and this is adequate only for tight binding where Kd is smaller than 1 M. For weaker interactions, the macromolecule concentration should be 5 times Kd, or higher if possible. Preferably, the macromolecule solution should be dialyzed exhaustively against buffer for final equilibration.2.) The ligand solution (the sample to be placed in the injection syringe) must have a volume of at least 0.7 ml. Its concentration should be at least 10 times higher than the concentration of macromolecule (if the macromolecule has multiple binding sites for ligand, then the ligand concentration must be increased accordingly). The buffer solution in which the ligand is dissolved should be exactly the same buffer against which the macromolecule has been equilibrated.3.) After both solutions have been prepared, the pH of each should be checked carefully. If they are different by more that 0.05 pH units, then one of the solutions must be back-titrated so they are within the limit of 0.05 pH units. If any particles are visible in either solution, they should be filtered out.4.) If possible, the concentrations of both solutions should be accurately determined after final preparation. Accurate determination of binding parameters is only possible if concentrations of binding components are known precisely.5.) At least 20 ml of buffer must be sent along with the two samples, since this is used for rinsing the cell and for dilution if necessary.6.) If possible, DTT should be avoided as a disulfide reagent and replaced by -mercaptoethanol or TCEP.等温滴定微量热仪（ITC）基本介绍等温滴定微量热仪（ITC）基本介绍（美国MicroCal ，美国微量热公司）仪器设备名称：等温滴定微量热仪制造国别：美国制造厂商：美国微量热公司规格型号：VP-ITC品牌：MicroCal总代理商：华嘉（香港）有限公司技术指标：短期噪音水平：0.5纳卡/秒(2 纳瓦)。
等温滴定量热仪(ITC)
无需标记、无需检测方法开发，快速获得结果
ITC 是基于复合物形成时所放出或吸收的热量的精确测定，它是在一个实验中能够同时测量所有结 合参数的先进技术。它测量在天然状态下结合伴侣的亲和力，无需使用荧光标签修饰组分或使样品 固定化。 总而言之，ITC 是与众不同的。
Isothermal Titration Calorimetry (ITC) 应用研究领域目录
B
A
0 -2
ऐ ( ∆H)
10 5 փ૧ ∆G ∆H -T ∆S ᆶ૧
kcal/mole ጀ
-6 -8 -10 -12 -14 0 1 ఊܻԲ ࣅბऺଉბ (n) 2 ൕࢅ૰ (K D)
kcal/mole
-4
0 -5 -10 -Байду номын сангаас5 -20
A. ITC 测量热力学性质包括：相互作用的化学计量学（n）、亲和力常数（KD）、焓变化（∆H）、熵变化（∆S）。 B. 利用三个具有相同结合能 （∆G） 的相互作用解释热力学特征。 结合亲和力是结合焓 ( ∆H) 和结合熵 ( ∆S) 的共同作用的结果。 结合焓反映了由于氢键形成和范德华力产生的相互作用强度。结合熵是复合物形成时来自去溶剂化和构象变化的熵变化 的组合。
* 具体应用参考文献查阅可登陆
4
技术优势及应用实例 ：
将药物的先导化合物的优化 带到一个新的水平
更深刻的见解
药物应该以高亲和力和选择性结合目标。传统上，先导化合物的优化一直被剖析亲和力组成的研究 所推动。然而，热力学变量 ( ∆H, ∆S) 也是结合的基础，它们能够提供有关相互作用的更深刻的见解。 MicroCal ™量热仪具有足够的灵敏度和通量用于有效测定先导化合物优化所需的所有结合参数，以 指导先导化合物的优化。
微量量热技术(DSC and ITC)
微量量热技术(DSC and ITC)药学院 10489629 差示扫描量热法(ＤＳＣ)量热法（Calorimetry）是指在程序控温过程中，测量热量随时间的变化关系。
差示扫 描量热法(DSC)是一种比较新颖而且有效的热分析技术,DSC 的技术发展也仅有四十年的历 史,但是,由于技术上的进步和计算机的广泛使用,赋予 DSC 仪具有操作简便、分辨率高、定 量性好和基线回复快的优点,因而在各个领域得到了广泛的应用。
DSC 是在程序控制温度下,测量输给样品和参比物之间的热量差与温度关系的一种技 术。
根据测量方法的不同,可分为功率补偿差示扫描量热法和热流式差示扫描量热法。
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。
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 的温谱图（见下图） 。
热流型 DSC 的热分析系统与功率补偿型 DSC 的差别较大。
试样和参比物同时放在同一座 薄铜片上,由一个热源加热,铜片的作用是给试样和参比物传热和作为测温电偶的一极,镍铬 合金线与铜片组成的热电偶记录试样和参比物的温差,而镍铬合金线和镍铝合金线组成的热 电偶测定试样的温度,这样热流型 DSC 为热分析系统实际上测定的量是试样与参比物的温差 (ΔT = Ts – Tc),然后由从标准物质得到的ΔT 与热量之间的相互关系,求得样品的热焓温 度或时间的变化曲线。
等温滴定量热技术
等温滴定量热技术等温滴定量热技术是一种能够研究溶解热、反应热、吸附热等反应热效应的实验技术，它可以定量测定物质的热化学性质，包括热力学参数、化学反应动力学参数等，是化学和材料学等领域重要的实验手段。
等温滴定量热技术的基本原理是利用微量热法，即将被测样品在等温条件下加入到反应池中，在一定时间间隔内持续注入滴定液，从而发生显著反应，这种反应释放或吸收能量，导致反应体系温度发生变化，采用高精度量热仪测量反应热效应，从而获得样品的热化学性质。
等温滴定量热技术主要分为平衡热量法和动态热量法两种方法。
平衡热量法是通过将反应池维持在等温状态，在一段时间内等待反应体系达到平衡状态，然后进行滴定，测量反应热量。
这种方法可以减小反应过程中外部因素的影响，同时也可以消除热失控导致的误差。
而动态热量法则是在滴定过程中，实时测量反应体系的温度变化，以获得较高的实验精度。
等温滴定量热技术具有以下优点：首先，利用等温条件进行反应，保证了反应的可重复性。
其次，在不需求外热量或热量损失的情况下，可以实现精确测量反应热，避免了因加热或冷却而导致的额外的误差。
最后，由于等温滴定量热技术对样品量非常少，因此可以进行昂贵或危险的试剂或实验条件下的实验。
应用等温滴定量热技术可以获得广泛的信息，例如热容、热力学参数、化学反应速率、表面化学结构和气体吸附等。
在实践中，等温滴定量热技术用于研究各种类型的化学反应，例如溶解、复分解、离子交换等。
它还可以应用于催化剂、生物大分子、纳米材料等重要领域的研究。
总之，等温滴定量热技术是一种非常强大的实验手段，它可以准确地测定物质的热化学性质，从而为学术研究和工业生产提供关键的信息。
随着技术的不断完善，这种实验技术将会发挥越来越重要的作用。
微量量热技术(DSC and ITC)
微量量热技术(DSC and ITC)药学院 10489629 差示扫描量热法(ＤＳＣ)量热法（Calorimetry）是指在程序控温过程中，测量热量随时间的变化关系。
差示扫 描量热法(DSC)是一种比较新颖而且有效的热分析技术,DSC 的技术发展也仅有四十年的历 史,但是,由于技术上的进步和计算机的广泛使用,赋予 DSC 仪具有操作简便、分辨率高、定 量性好和基线回复快的优点,因而在各个领域得到了广泛的应用。
DSC 是在程序控制温度下,测量输给样品和参比物之间的热量差与温度关系的一种技 术。
根据测量方法的不同,可分为功率补偿差示扫描量热法和热流式差示扫描量热法。
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。
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 的温谱图（见下图） 。
热流型 DSC 的热分析系统与功率补偿型 DSC 的差别较大。
试样和参比物同时放在同一座 薄铜片上,由一个热源加热,铜片的作用是给试样和参比物传热和作为测温电偶的一极,镍铬 合金线与铜片组成的热电偶记录试样和参比物的温差,而镍铬合金线和镍铝合金线组成的热 电偶测定试样的温度,这样热流型 DSC 为热分析系统实际上测定的量是试样与参比物的温差 (ΔT = Ts – Tc),然后由从标准物质得到的ΔT 与热量之间的相互关系,求得样品的热焓温 度或时间的变化曲线。
等温滴定量热法讲解
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ITC
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在恒温下，注射器中的“配体”溶液滴定到包含“高分子”溶液的池中。当配体
注射到池中，两种物质相互作用，释放或吸收的热量与结合量成正比。当池中的
高分子被配体饱和时，热量信号减弱，直到只观察到稀释的背景热量。
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图形
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上图：
横坐标：时间
纵坐标：热功率
– 实验时间较短(典型的ITC实验只需30-60分钟，并加上几分钟的响应时间)，
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灵敏度的提高
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history
?Since the beginning of 1990s, the number of published papers related to ‘‘isothermal titration calorimetry '' has symptomatically increased due to rapid diffusion of new commercial calorimeters in the scientific community.
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history
?built in the secondhalf of the 1960s to study chemical reactions.
?During the1970s, the sensitivity of instruments was in the range of mJ, and other first applications were developed such as the study of (metal + ligand) complexes [8] and the adsorption of aromatic compounds by molecular sieves .
TAM检测方法
TAM （过碳酸钠热稳定性TAM 检测方法）作为洗衣粉和洗涤剂的主要配方，目前过碳酸钠在世界上的产量是很大的。
但是过碳酸钠对热不稳定，并且以下方案中会导致热降解：4 NaCO3(s) . 1½ H2O (l) ↔4 Na2CO3 (s) + 3 O2(g) + 6 H2O (g)这种降解会有两种严重的后果：第一，由于水和碳酸钠的生成，过碳酸钠的纯度降低。
粉末中的水分会改表reology，这就给运输和抽水带来困难。
第二，这个反应在释放热量的同时生成氧气。
在一定的储存条件下，这些原料是可以积攒热量并自动加热。
而在生成氧气情况下自动加热，对工厂的安全生产是绝对个威胁。
因此，无论是对过碳酸钠的生产商还是对洗涤产品的制造商，降解过程中产生的热量都是个大问题，因为在对此产品的大批量储存时，安全性大大折扣。
为了对过碳酸钠的降解率有个更好的评估，等温微量热法被证明是快速，简单而且可信的。
目前，世界上几大实验室已经运用这种技术发展了几种方法对过碳酸钠的活性做出了定性评估。
以下是宝洁公司使用方法的描述：实验一个2277的热活性检测仪，温度设置在40°C。
取2g的过碳酸钠并放入一个容量为3毫升，一次性卷边密封的安瓿瓶内。
卷边和瓶盖必须调整好适合放到量热计中。
把样品放入到量热仪中，同时用一个空安瓿瓶做参考。
30分钟后，量热仪将达到热平衡。
48小时内每60秒要做一次数据记录。
结果和讨论16和48小时后，分别计算比热流。
如果在这两个时间点比热流均低于10 µW/g，那么说明过碳酸钠的热稳定性是达标的而且可以使用。
通过等温微量热法，过碳酸钠的稳定性如图1所示，结论如表格2所示结论在洗涤行业中，对过碳酸钠稳定性的质量控制中，等温微量热法已经被证明是一种非常有效的途径。
这种检测方法简便，清晰，非劳动密集的，快速，健康的。
这种方法正在逐步成为检测过碳酸钠稳定性的工业标准。
图示1 40°C时，等温热量热法下，过碳酸钠的稳定性。
微量热技术
图5
的一致性。因此，微量热技术已经成为快速筛选溶液环境中 蛋白质稳定性的首选工具。DSC通过简便、快速、精确的测 定蛋白样品在不同液体制剂条件中的热转换中值Tm(相变温 度)作为判别蛋白稳定性的相关指标。应用稳定性指示分析法 可以在进入下游工艺开发之前就筛选出具有价值的候选制 剂，加速后续的稳定性研究，更可以节约大量的时间和经费 投入。
根据热量的变换，DSC可以快速简便的鉴定出最具稳定 结构的基因工程蛋白。热稳定性的增高和蛋白表达水平的提 高、蛋白功能片断数量的增加均是紧密相关的。(数据和图像 引用自Stephen Demarest,Biogen-Idec)
生物制药液体制剂的稳定性研究
对于生物制药企业而言，快速找到正确的液体制剂是极 为重要的。传统溶液长期稳定性研究的实验涉及将不同浓度 的蛋白质储存在各种缓冲液体系中(包含或不含赋形剂)，并 施加一系列压力、温度以及光照条件。目前，相关监管机构 正积极提倡使用稳定性指示分析法(stability indicating assays) 评估生物制剂的稳定性和保质期。由于使用DSC方法预测稳 定性的结果和长期稳定性研究的结果相比，两者显示出良好
图4
原理篇
应用示例
我们注意到在中国药典2010版中，在第二部关于化学 药品、抗生素、生化药品、药用辅料的检定方法中，已经在 其附录中已提及采用热分析技术，其中包括差示扫描量热方 法来进行检定和应用。在此，我们需要补充说明的是，该差 示扫描量热技术是普通、常规的量热技术，在量热技术中测 量不到的微弱、缓慢的热量变化就需要采用高灵敏度的微量 热差示扫描量热技术来进行检定和表征。特别是近年来对于 氨基酸、多肽、蛋白质、酶类等生化药品，就愈来愈需要借 助于微量热差示扫描技术(DSC)的介入和表征。而且对于液体 制剂的研究，微量热技术(特别是微量热DSC技术)的优势表现 更为突出。
ITC(等温量热滴定法)
化合物X与TP的ITC结果
GE Healthcare 公开技术质料
ITC应用举例
软凝聚态物理：纳米颗粒（NP）与脂质体（LP）的作用研究
酸性NP + 流动相LP
碱性NP + 凝胶相LP
ITC应用举例
药物研发早期阶段对假正面结果的排除 化合物Y，是否与目标蛋白TP有特异性结合？
MicroCal Auto- ITC200
GE Healthcare 公开技术质料
MicroCal ITC200
ITC实验
1. 将参与反应的一种反应物配制成溶液， 加入样品池（sample cell）
2. 将参与反应的另一种反应物配制成溶液， 作为滴定液（injectant），加入微量注 射器（syringe）
假设 蛋白浓度 2.3 μM KD = 135 nM n=1
第2批次蛋白中活性成分仅~25%
ITC应用举例
药物研发早期阶段对假正面结果的排除
筛选能与目标蛋白TP 特异性结合的化合物
已知化合物X可与目标蛋白TP特异 性结合 根据ITC，得KD = 4.9 μM， n ~ 1 与其他实验方法所得结果相吻合
¾ 可直接测量反应过程的热效应 ¾ 为反应热力学提供定量分析： ① 结合常数（KD） ② 反应的化学计量比（n） ③ 反应引起的焓变（∆H） ④ 反应引起的熵变（∆S） ¾ 帮助定性判断引起结合反应的非共价键结合力的特征： ① 范德华作用 ② 疏水作用 ③ 氢键
…
GE Healthcare 公开技术质料
抑制剂CBS与呋喃苯胺酸（emide） 与BCA的结合能力基本一致（KD，∆G）
但结合机理是否一样？
GE Healthcare 公开技术质料
硅溶胶硅酸钾混合物微量热法研究
５ ０ ５
Ｏ
硅 溶胶 与硅 酸钾 混 合 ，两 者立 刻 发 生界 面化 反 映在 的微量 热 曲线 最高 峰 的左边 部分 ，如 图 ２
学反 应 ，而且化 学 反应 非常 复 杂【９１埘。根 据 Ｂｅｅｚｅｒ 所示 ，即硅溶胶 中的 ＳｉＯ 胶体粒子溶解反应更为
等【ｕ’ｌ２】所报道 的数学计算方法 ，算 出硅溶胶的反 剧烈。微量热曲线最高峰的右边部分则表明 ，硅
解决建筑外墙涂料的其中一种性能 ，如涂层在高 动搅拌速度进行 ，硅酸钾 向硅溶胶中慢慢滴加 ，
气温条件下的耐沾污性问题 ，具有很重要的现实 滴完后再搅拌 １ｍｉｎ，将得 到的样品分为两部分 ，
意义【 。硅溶胶与钾水玻璃混合物作为单组份涂 一 部分样 品直接 用 于粒 径 测定 ，另 一 部分 则经 过
究硅酸的聚合通常用钼酸 比色法 、色谱法和流变
性测量等表征方法 ，然而 ，对于硅溶胶 和钾水玻
璃这两种材料 的混合过程 ，这些方法都不适用。 本文试图采用新颖 的研究方法 ，即等温热导微量 热法研究硅溶胶与钾水玻璃的混合过程 ，从热力
１－３ 测试 表征 粒 径用 Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ（Ｎａｎｏ．＆ＺＥＮ １ ６００，Ｍａｌｖｅｍ
１．１ 原材 料
为 ２５．０＊Ｃ，微量热参数的确定参照作者以前的工
硅 溶 胶 （ＣＨ８３．１２５）：Ｏ．２４ ｗｔ％ Ｎａ２０．２５．２４ 作 【８］ｏ
ｗｔ％ Ｓｉ０２，密度 １．１６５ ｇ／ｅｍ ；硅 酸钾 （ＧＨＳＫ）：７．９
、Ｖｔ％ Ｋ２Ｏ，２０．６３ ｗｔ％ ＳｉＯ２，模 数 ＭＲ＝４．０９，密 度
和转折 ，具 有 时刻快 速 变化 和 不 同变 化路 径 的显 断变小，这是曲线峰高和焓变（△Ｈ）值随硅溶胶含
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混合流动量热法的应用举例(3)
稀释热的测定 溶液被稀释则溶质粒子间平均 距离被拉大。溶质－溶质、溶质－溶剂分子间 相互作用发生变化，在宏观上就表现出热效应。 通过改变溶剂组成、温度、被稀释组分的初始 浓度和稀释程度等因素，测定大量稀释热数据。 对数据进行分析总结出一定规律，再探讨规律 与溶液微观结构变化的联系，这是溶液化学较 有力的研究手段。（Thermochimica Acta, 2005, 429 (1): 81-86; Jounal of Chemical and Engineering Data, 2005 50 (3): 769-773， ）
滴定式等温微量热(ITC)应用举例（2）
冠醚和小分子客体物质的配合物形成热力学函 数的测定
• 冠醚和IC1分子的相互作用是较早的超分子物理 化 学 研 究 内 容 ， （M. Nour, L. A. Shahada, Spectrochim. Acta, 1988, 44A, 1277），IC1分子的 正电端I原子和冠醚的氧原子靠近，由于I原子半 径相当大，它可同时和若干个氧原子相互吸引。 从 形 成 焓 看 ， IC1 与 冠 醚 的 分 子 间 力 顺 序 ： 18C6>15C5>12C4。这很可能是因为环小的冠醚 难以通过构象改变而形成多氧集团所致。
等温微量热法(IMC)及其在溶 液化学研究中的应用
Isothermal Micro-Calorimetry （ITC）and Its Application to Studies on Solution Chemistry
热导式量热计（Heat Conduction
Calorimeter）
热导式量热计的特征是测量容器之外的环境温度 被严格恒定（现在温度控制精度常好于 0.0001℃）。安装在反应池与参比池间的精密 热电偶堆测定体系与参比池间的温差。反馈电路 通过电加热消除这种温差。加热用电的能量就等 于反应器中体系的热效应。体系因反应、溶解、 分子缔合或解离等过程的热效应而放出或。
致配合物形成 。
*滴定式量热法中试剂溶液的混合装置
混合流动量热法的应用举例
测定超额焓（excess enthalpy， HEm） 沸点不太低的有机溶剂间的混合热在等温等压
的实验条件下就是超额焓（excess enthalpy， HEm），通常用流动量热计测量。在流动量热 计的测量容器中两种液体可以各种比例的流速 同时注入、充分混合，然后输出。测量容器全 部由液体充满，不存在气相，消除了蒸发热的 干扰。
例：TAM2277支持的微量热系统
*回顾热电偶工作原理
*接触电势
流动(混合)式量热计
(Mix-)flowing Calorimeter 将双子式 量热计的两个容器用适当方式连通起来 后，测量时用两股管路将两液体（或气 体）同时等温、逆向地输入工作单元的 容器中，使之充分混合、完成物理或化 学过程之后流经参比容器后再排出。热 流量测定方法同上。
混合流动量热法的应用举例(2)
早在上世纪90年代，二茂铁及其一些衍 生物与β -环糊精的包合过程热力学参量、 及（因尿素分子和茂环间存在着选择性分 子间力而导致的）尿素对β -环糊精-二茂 铁（或其衍生物）配合过程影响的热力学
的测量(L. A. Godnea et al, J. Phys. Chem B., 1997, 101, 3378. )
等温滴定量热法（ITC）
（3）K很小 滴定过程只相当于把一小部分溶剂加入大量溶
剂中，无热量放出或吸收的信号，不能测定任 何热力学参量。这种情况有时也是由于两种反 应物分子与溶剂分子作用太强所致，例如硝基 甲烷和18C6在稀水溶液中就是这种情况。如 以苯为溶剂，两者的分子间作用则相当强，导
等温滴定量热法（ITC）
等 温 滴 定 量 热 法 （ Isothermal Titration Calorimetry，简称ITC）。可用于测定溶液中 分子配位或聚集过程的热力学参量。其基本实验 方法是：在量热容器中先加入一定量的被滴定剂 （titrand）溶液，然后在搅拌下分步注入滴定 剂（titrant in aliquots）溶液（通常每次的加 入量相等），每步滴定的热量分别测出。
滴定式等温微量热(ITC)应用举例（1）
环糊精包络性能的重要性，在各种溶液系统中 的相关研究已有许多报导。较早的如-和-环 糊精与脂环醇及环己酮在水溶液中的包合过程 的热力学研究，ITC结果表明(M. V.
Rekharsky et al, J. Phys. Chem, B 1997,
101, 87. )， -环糊精和5种含氧脂环化合物 的分子间力大小相近（△H差别不大），而 β -环糊精则是显示出明确的选择性分子间力。 比较几种脂环醇，可看出β -环糊精和较大的 环亲合力较强。
混合流动量热法的应用举例(1)
烃类（非极性溶剂）同系物相混合，往往具较 小的正或负摩尔超额焓（HEm）或近于理想溶 液(J. B. Ott et al, J. Chem. Thermodynamics, 1996, 28, 187 )。例如 在273.15到373.15K的温度范围、5到 15MPa的压力范围内丙烷和乙烷的混合热在 3等超K压 额J.操 体m作 积ol-时 ，1内的 即。关等超系温额是等焓H压HE下E=m液和U体E超m混+额合P内V后能E总mU体（Em积V间E的是在 变化量）。如此小的超额焓不能不考虑体积变 化VE的影响。
依可获取热力学参量多少，可分三种情况：
等温滴定量热法（ITC）
（1）平衡常数K很大（11配合的K >108）， 则在滴定的等当点前的每步注入后几乎无滴定 剂剩余，每次滴定后的热量传递相等。这类体 系用滴定量热法只能测得热效应和配位比。
(2) K中等，每步注入后达平衡剩余的滴定剂 逐次增多,热效应逐次递减。通过假设合适的反 应模式，把K、△H作为待定参数，用计算机 数据拟合技术可把它们同时求出，现在的商品 量热计大都附有这种软件。