結(jié)構(gòu)生物學(xué)：熱分析

1、 熱分析熱分析Thermal Analysis概述概述 熱分析可以解釋為以熱進(jìn)行分析的一種方法。 根據(jù)物質(zhì)的溫度變化所引起的性能變化來確定狀態(tài)變化的方法統(tǒng)稱為熱分析。 熱分析是指在程序控制溫度的條件下，測量物質(zhì)的物理性質(zhì)隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系的技術(shù)。熱熱分析裝置分析裝置的的利用利用領(lǐng)域領(lǐng)域印刷DSCTGDTATMA復(fù)合復(fù)合分析分析醫(yī)藥品醫(yī)藥品香料香料 化化妝品妝品有機(jī)有機(jī)、無機(jī)藥無機(jī)藥品品觸媒觸媒火火藥藥食品食品生生物體物體 液晶液晶油脂油脂 肥皂肥皂洗滌劑洗滌劑橡膠橡膠高分子高分子 塑料塑料纖維纖維油墨油墨 顔料顔料 染料染料 塗料塗料粘著粘著劑劑玻璃玻璃金屬金屬陶瓷陶瓷 粘土粘土 礦物礦物水

2、泥水泥電子材料電子材料木材木材 紙紙建材建材公害公害工業(yè)廢棄物工業(yè)廢棄物熱分析熱分析的歷史的歷史規(guī)格規(guī)格熱分析定義熱分析定義 “程序控制溫度”指線性升溫或降溫，也包括恒溫、循環(huán)或非線性升溫、降溫。 “物質(zhì)”指試樣本身和(或)試樣的反應(yīng)產(chǎn)物，包括中間產(chǎn)物 。 “物理性質(zhì)”：質(zhì)量、溫度、能量、尺寸、力學(xué)、聲、光、熱、電、磁等。熱分析技術(shù)熱分析技術(shù) 根據(jù)物理性質(zhì)的不同，建立了相對(duì)應(yīng)的熱分析技術(shù)： 熱重分析 TG （Thermogravimetric Analysis ） 差熱分析 DTA（Differential Thermal Analysis） 差示掃描量熱分析 DSC（Differential

3、 Scanning Calorimetry） 熱機(jī)械分析 TMA （Thermomechanical Analysis） 逸出氣體分析 EGA （Evolved Gas Analysis） 熱電學(xué)分析（Thermoelectrometry） 熱光學(xué)分析（Thermophotometry） 熱分析方法的種類熱分析方法的種類 根據(jù)國際熱分析協(xié)會(huì)(ICTA)的歸納和分類，目前共分為9類17種，其中TG、DTA、DSC和TMA應(yīng)用最為廣泛。物理性質(zhì)熱分析技術(shù)名稱縮寫質(zhì) 量熱重分析法TG溫 度差熱分析DTA熱 量示差掃描量熱法DSC尺 寸熱膨脹（收縮）法TD力學(xué)特性動(dòng)態(tài)力學(xué)分析DMTA熱熱 分分 析析加

4、熱加熱冷卻冷卻熱量變化熱量變化重量變化重量變化長度變化長度變化粘彈性變化粘彈性變化氣體發(fā)生氣體發(fā)生熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)其其 他他DTATGTMADMADSCEGADTG熱分析技術(shù)基礎(chǔ)熱分析技術(shù)基礎(chǔ) 物質(zhì)在加熱、冷卻過程中，隨著物理狀態(tài)、化學(xué)狀態(tài)的變化，通常伴有相應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)或其它性質(zhì)變化。 對(duì)性質(zhì)參數(shù)的測定，可研究分析物質(zhì)的物理、化學(xué)變化過程。熱分析的優(yōu)點(diǎn)熱分析的優(yōu)點(diǎn) 可在寬廣的溫度范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行研究； 可使用各種溫度程序； 對(duì)樣品的物理狀態(tài)無特殊要求； 所需樣品量很少（0.1g - 10mg）； 儀器靈敏度高（質(zhì)量變化精確度達(dá)10-5）； 可與其他技術(shù)聯(lián)用； 可獲取多種信息。熱分析發(fā)展的歷史熱分

5、析發(fā)展的歷史 1887年，法國人用熱電偶測溫的方法研究粘土礦物在升溫過程中的熱性質(zhì)的變化。 1891年，英國人使用示差熱電偶和參比物，記錄樣品與參照物間存在的溫度差，發(fā)明了DTA技術(shù)的原始模型.。 1915年，日本人研制出熱天平，開創(chuàng)了TG技術(shù)。 1940-1960年，熱分析向自動(dòng)化、定量化、微型化發(fā)展。 1964年，美國人發(fā)明了DSC, Perkin-Elmer公司率先研制了DSC-1型示差掃描量熱儀。 測量測量能量能量變化的方法變化的方法1.差熱分析 DTA 在程序控溫條件下，測量物質(zhì)與參比物的溫度差與溫度的關(guān)系的方法。 參比物：熱中性體，基準(zhǔn)物。測量溫度范圍內(nèi)不發(fā)生熱效應(yīng)的物質(zhì)。 145

6、0以上煅燒2-3小時(shí)的氧化鋁粉。 DTA曲線：TT、t。2差示掃描量熱法 DSC 在程序控溫條件下，測量輸入到物質(zhì)與參比物的功率差與溫度的關(guān)系的方法。 DSC曲線：dH/dtT、t。 主要用于定量測量各種熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)（熱焓、比熱、熵）。1.差熱分析差熱分析 DTA 在程序控溫條件下，測量物質(zhì)與參比物的T與T、t關(guān)系的一種熱分析方法。1.1 基本原理基本原理 試樣在加熱或冷卻過程中的熱變化導(dǎo)致試樣和參比物間產(chǎn)生T ，由置于兩者中的熱電偶反映出來。 差熱電偶的閉合回路中便有溫差電動(dòng)勢產(chǎn)生，其大小決定于試樣本身熱特性，與T成正比。 通過信號(hào)放大系統(tǒng)和記錄儀得到TT、t曲線，反應(yīng)出試樣本身特性。

7、差熱分析儀差熱分析儀由加熱爐、溫度控制系統(tǒng)、差熱系統(tǒng)、信號(hào)放大系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)組成。（1）加熱爐）加熱爐 作用：加熱試樣 種類： 按爐溫:普通、超高(2400)、低(150250) 按結(jié)構(gòu):立式、臥式、小型、微型 發(fā)熱體材料：根據(jù)使用溫度及條件而不同材 料鎳鉻絲鉑銠絲硅碳棒鎢絲最高使用1100160014002800（2）溫控系統(tǒng)）溫控系統(tǒng) 使?fàn)t溫按給定的速度均勻穩(wěn)定升溫，保證升溫曲線的直線性。（3）DTA曲線的特征曲線的特征 樣品溫度Ts 參比物溫度TT 溫度差TTsTT T是“”為放熱峰， T是“”為吸熱峰。 基線相當(dāng)于T0（無熱效應(yīng)發(fā)生）DTA曲線曲線 由于熱電偶的不對(duì)稱性、試樣與參比物的

8、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)不同，在等速升溫的情況下，基線并非T0。 吸熱、放熱峰在有熱效應(yīng)產(chǎn)生時(shí)出現(xiàn)，其熱效應(yīng)的大小用峰面積表示。 峰的數(shù)目、對(duì)應(yīng)的溫度、峰形可作為物質(zhì)鑒定的依據(jù)。熱反應(yīng)速度的判定熱反應(yīng)速度的判定 DTA曲線的峰形與試樣的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)條件密切相關(guān)，某一試樣給定升溫速度，峰形可表征其熱反應(yīng)速度的變化。 峰形陡，熱反應(yīng)速度快；峰形平緩，熱反應(yīng)速度慢。(4) DTA曲線的影響因素曲線的影響因素 DTA是一種動(dòng)態(tài)技術(shù)，其數(shù)據(jù)的不一致性大多是由于實(shí)驗(yàn)條件不同引起的。 進(jìn)行熱分析時(shí)必須嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，發(fā)表數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)明確測定采用的實(shí)驗(yàn)條件。 實(shí)驗(yàn)條件改變，峰形、峰位、峰面積、峰數(shù)目都可能改變。2. 差示掃

9、描量熱法差示掃描量熱法 DSC 在程序控溫條件下，測量輸入到樣品與參比物的功率差與溫度關(guān)系的方法。 根據(jù)測量方法分功率補(bǔ)償型和熱流型。 分辨能力和靈敏度高，使用溫度范圍較寬（-175725）。 測量各種熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)。DTADTA存在的兩個(gè)缺點(diǎn)：存在的兩個(gè)缺點(diǎn)：1 1）試樣在產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，升溫速率是非線性的，）試樣在產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，升溫速率是非線性的，從而使校正系數(shù)從而使校正系數(shù)K K值變化，難以進(jìn)行定量；值變化，難以進(jìn)行定量；2 2）試樣產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，由于與參比物、環(huán)境的溫）試樣產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，由于與參比物、環(huán)境的溫度有較大差異，三者之間會(huì)發(fā)生熱交換，降低了度有較大差異，三者之間會(huì)發(fā)生熱交換

10、，降低了對(duì)熱效應(yīng)測量的靈敏度和精確度。對(duì)熱效應(yīng)測量的靈敏度和精確度。使得差熱技術(shù)難以進(jìn)行定量分析，只能進(jìn)行定性使得差熱技術(shù)難以進(jìn)行定量分析，只能進(jìn)行定性或半定量的分析工作?；虬攵康姆治龉ぷ??；驹砘驹?為了克服差熱缺點(diǎn)，發(fā)展了為了克服差熱缺點(diǎn)，發(fā)展了DSC。該法對(duì)。該法對(duì)試樣產(chǎn)生的熱效應(yīng)能及時(shí)得到應(yīng)有的補(bǔ)償，試樣產(chǎn)生的熱效應(yīng)能及時(shí)得到應(yīng)有的補(bǔ)償，使得升溫速度始終跟隨爐溫線性升溫，試使得升溫速度始終跟隨爐溫線性升溫，試樣與參比物之間樣與參比物之間無溫差、無熱交換無溫差、無熱交換，試樣，試樣保證了校正系數(shù)值恒定。測量靈敏度和保證了校正系數(shù)值恒定。測量靈敏度和精度大有提高。精度大有提高?；?/p>

11、原理基本原理2.2 差示掃描量熱儀差示掃描量熱儀差示掃描量熱儀差示掃描量熱儀功率補(bǔ)償型功率補(bǔ)償型DSCDSC儀器的儀器的主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)q1.試樣和參比物分別具有獨(dú)立的加熱器和試樣和參比物分別具有獨(dú)立的加熱器和傳感器傳感器見圖見圖。整個(gè)儀器由兩套控制電路進(jìn)。整個(gè)儀器由兩套控制電路進(jìn)行監(jiān)控。一套控制溫度，使試樣和參比物行監(jiān)控。一套控制溫度，使試樣和參比物以預(yù)定的速率升溫，另一套用來補(bǔ)償二者以預(yù)定的速率升溫，另一套用來補(bǔ)償二者之間的溫度差。之間的溫度差。q 2.無論試樣產(chǎn)生任何熱效應(yīng)，試樣和參比無論試樣產(chǎn)生任何熱效應(yīng)，試樣和參比物都處于動(dòng)態(tài)零位平衡狀態(tài)，即二者之間物都處于動(dòng)態(tài)零位平衡狀態(tài)，即二者之

12、間的溫度差的溫度差 T等于等于0。這是這是DSC和和DTA技術(shù)最本質(zhì)的區(qū)別。技術(shù)最本質(zhì)的區(qū)別。1.功率補(bǔ)償型功率補(bǔ)償型DSCDSC測量的測量的基本原理基本原理2.熱流型熱流型DSC與與DTA儀器十分相儀器十分相似，是一種定量似，是一種定量的的DTA儀器。儀器。不同之處在于試樣不同之處在于試樣與參比物托架下，與參比物托架下，置一電熱片，加置一電熱片，加熱器在程序控制熱器在程序控制下對(duì)加熱塊加熱，下對(duì)加熱塊加熱，其熱量通過電熱其熱量通過電熱片同時(shí)對(duì)試樣和片同時(shí)對(duì)試樣和參比物加熱，使參比物加熱，使之受熱均勻。之受熱均勻。2.3 DSC曲線曲線 dH/dt熱流率，樣品吸、放熱的速率，mJ/s ；DSC

13、曲線曲線AKHm 峰面積代表熱量變化。 式中：m樣品質(zhì)量 H樣品單位質(zhì)量的焓變 K儀器常數(shù)（與溫度無關(guān)） A峰面積 DSC可直接測量樣品發(fā)生變化時(shí)的熱效應(yīng)。DSC曲線曲線 熱效應(yīng)：當(dāng)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)在恒壓或恒容下發(fā)生時(shí)，若始、終態(tài)溫度相等，過程只做膨脹功，不做有用功，系統(tǒng)在過程中吸收、放出的熱為該反應(yīng)的熱效應(yīng)。 焓：狀態(tài)函數(shù) 恒壓條件下，過程只做膨脹功的焓變等于過程的熱，與體系經(jīng)歷的過程無關(guān)。2.4 DSC應(yīng)用應(yīng)用（1）焓變H的測定 采用可靠的純物質(zhì)和文獻(xiàn)值，預(yù)先求出K。 （已知H的樣品，測與H相應(yīng)的A） 測定樣品峰面積A，求出H。（2）比熱容）比熱容Cp的測定的測定 比熱容：一定量物質(zhì)在恒壓條件

14、下，溫度升高1K時(shí)所引起物質(zhì)焓的增加。 式中：m樣品質(zhì)量 Cp樣品定壓比熱容 dT/d t升、降溫速率dtdTCmdtdHP比熱容比熱容Cp的測定的測定 以藍(lán)寶石為標(biāo)準(zhǔn)物，精確測定Cp。 相同條件下測藍(lán)寶石與樣品DSC曲線，因dT/d t相同，故二者的dT/d t比值與m 和Cp有關(guān)。 因m樣、 m標(biāo)、 Cp標(biāo)已知，通過曲線可知一定溫度下dH/d t ，即可求該溫度下樣品的Cp 。2.5 DSC使用中應(yīng)注意的問題使用中應(yīng)注意的問題 可分析固體、液體樣品。 樣品用量0.510mg。 樣品的幾何形狀對(duì)峰形有影響。 樣品純度影響：雜質(zhì)含量越高，轉(zhuǎn)變峰向低溫方向移動(dòng)，峰形變寬。DSC 的應(yīng)用 Prot

15、ein Stability DNA-Drug Binding Studies Protein Formulation Stability Stability of Mutant and Wild-Type Proteins Membrane and Lipid Stability Polynucleotide Stability等溫滴定微量量熱法（ITC） ITC 工作原理與DSC 相似，只是需要外加一個(gè)滴定模塊（見圖2）。當(dāng)樣品池發(fā)生反應(yīng)時(shí)， 造成樣品池和參比池之間的溫差被儀器檢測到，放熱反應(yīng)觸發(fā)恒溫功率的負(fù)反饋；而吸熱反 應(yīng)產(chǎn)生恒溫功率的正反饋保持溫度恒定（見圖3）。ITC 的應(yīng)用Prot

16、ein-proteinProtein-small molecule interactionProtein-carohydrateProtein-lipid interactionProtein-nucleic acid interactionNucleic acid-nucleic acid interactionNucleic acid-small molecule interactionNucleic acid-lipid interactionLipid-lipid interactionLipid-small molecule interactionAntibody studiesReceptor studies