結構生物學：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行分析的一種方法。 根據物質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，測量物質的物理性質隨溫度變化的函數關系的技術。熱熱分析裝置分析裝置的的利用利用領域領域印刷DSCTGDTATMA復合復合分析分析醫(yī)藥品醫(yī)藥品香料香料 化化妝品妝品有機有機、無機藥無機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”指試樣本身和(或)試樣的反應產物，包括中間產物 。 “物理性質”：質量、溫度、能量、尺寸、力學、聲、光、熱、電、磁等。熱分析技術熱分析技術 根據物理性質的不同，建立了相對應的熱分析技術： 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） 熱機械分析 TMA （Thermomechanical Analysis） 逸出氣體分析 EGA （Evolved Gas Analysis） 熱電學分析（Thermoelectrometry） 熱光學分析（Thermophotometry） 熱分析方法的種類熱分析方法的種類 根據國際熱分析協會(ICTA)的歸納和分類，目前共分為9類17種，其中TG、DTA、DSC和TMA應用最為廣泛。物理性質熱分析技術名稱縮寫質 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力學特性動態(tài)力學分析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)生熱傳導熱傳導其其 他他DTATGTMADMADSCEGADTG熱分析技術基礎熱分析技術基礎 物質在加熱、冷卻過程中，隨著物理狀態(tài)、化學狀態(tài)的變化，通常伴有相應的熱力學性質或其它性質變化。 對性質參數的測定，可研究分析物質的物理、化學變化過程。熱分析的優(yōu)點熱分析的優(yōu)點 可在寬廣的溫度范圍內對樣品進行研究； 可使用各種溫度程序； 對樣品的物理狀態(tài)無特殊要求； 所需樣品量很少（0.1g - 10mg）； 儀器靈敏度高（質量變化精確度達10-5）； 可與其他技術聯用； 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技術的原始模型.。 1915年，日本人研制出熱天平，開創(chuàng)了TG技術。 1940-1960年，熱分析向自動化、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，測量物質與參比物的溫度差與溫度的關系的方法。 參比物：熱中性體，基準物。測量溫度范圍內不發(fā)生熱效應的物質。 145

6、0以上煅燒2-3小時的氧化鋁粉。 DTA曲線：TT、t。2差示掃描量熱法 DSC 在程序控溫條件下，測量輸入到物質與參比物的功率差與溫度的關系的方法。 DSC曲線：dH/dtT、t。 主要用于定量測量各種熱力學、動力學參數（熱焓、比熱、熵）。1.差熱分析差熱分析 DTA 在程序控溫條件下，測量物質與參比物的T與T、t關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致試樣和參比物間產生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勢產生，其大小決定于試樣本身熱特性，與T成正比。 通過信號放大系統和記錄儀得到TT、t曲線，反應出試樣本身特性。

7、差熱分析儀差熱分析儀由加熱爐、溫度控制系統、差熱系統、信號放大系統、記錄系統組成。（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) 按結構:立式、臥式、小型、微型 發(fā)熱體材料：根據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）溫控系統 使爐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。 基線相當于T0（無熱效應發(fā)生）DTA曲線曲線 由于熱電偶的不對稱性、試樣與參比物的

8、熱容、導熱系數不同，在等速升溫的情況下，基線并非T0。 吸熱、放熱峰在有熱效應產生時出現，其熱效應的大小用峰面積表示。 峰的數目、對應的溫度、峰形可作為物質鑒定的依據。熱反應速度的判定熱反應速度的判定 DTA曲線的峰形與試樣的性質、實驗條件密切相關，某一試樣給定升溫速度，峰形可表征其熱反應速度的變化。 峰形陡，熱反應速度快；峰形平緩，熱反應速度慢。(4) DTA曲線的影響因素曲線的影響因素 DTA是一種動態(tài)技術，其數據的不一致性大多是由于實驗條件不同引起的。 進行熱分析時必須嚴格控制實驗條件，發(fā)表數據時應明確測定采用的實驗條件。 實驗條件改變，峰形、峰位、峰面積、峰數目都可能改變。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系的方法。 根據測量方法分功率補償型和熱流型。 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、動力學參數。DTADTA存在的兩個缺點：存在的兩個缺點：1 1）試樣在產生熱效應時，升溫速率是非線性的，）試樣在產生熱效應時，升溫速率是非線性的，從而使校正系數從而使校正系數K K值變化，難以進行定量；值變化，難以進行定量；2 2）試樣產生熱效應時，由于與參比物、環(huán)境的溫）試樣產生熱效應時，由于與參比物、環(huán)境的溫度有較大差異，三者之間會發(fā)生熱交換，降低了度有較大差異，三者之間會發(fā)生熱交換

10、，降低了對熱效應測量的靈敏度和精確度。對熱效應測量的靈敏度和精確度。使得差熱技術難以進行定量分析，只能進行定性使得差熱技術難以進行定量分析，只能進行定性或半定量的分析工作。或半定量的分析工作?；驹砘驹?為了克服差熱缺點，發(fā)展了為了克服差熱缺點，發(fā)展了DSC。該法對。該法對試樣產生的熱效應能及時得到應有的補償，試樣產生的熱效應能及時得到應有的補償，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值恒定。測量靈敏度和保證了校正系數值恒定。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償型功率補償型DSCDSC儀器的儀器的主要特點主要特點q1.試樣和參比物分別具有獨立的加熱器和試樣和參比物分別具有獨立的加熱器和傳感器傳感器見圖見圖。整個儀器由兩套控制電路進。整個儀器由兩套控制電路進行監(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定的速率升溫，另一套用來補償二者以預定的速率升溫，另一套用來補償二者之間的溫度差。之間的溫度差。q 2.無論試樣產生任何熱效應，試樣和參比無論試樣產生任何熱效應，試樣和參比物都處于動態(tài)零位平衡狀態(tài)，即二者之間物都處于動態(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技術最本質的區(qū)別。技術最本質的區(qū)別。1.功率補償型功率補償型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加熱塊加熱，下對加熱塊加熱，其熱量通過電熱其熱量通過電熱片同時對試樣和片同時對試樣和參比物加熱，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樣品質量 H樣品單位質量的焓變 K儀器常數（與溫度無關） A峰面積 DSC可直接測量樣品發(fā)生變化時的熱效應。DSC曲線曲線 熱效應：當一個化學反應在恒壓或恒容下發(fā)生時，若始、終態(tài)溫度相等，過程只做膨脹功，不做有用功，系統在過程中吸收、放出的熱為該反應的熱效應。 焓：狀態(tài)函數 恒壓條件下，過程只做膨脹功的焓變等于過程的熱，與體系經歷的過程無關。2.4 DSC應用應用（1）焓變H的測定 采用可靠的純物質和文獻值，預先求出K。 （已知H的樣品，測與H相應的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：一定量物質在恒壓條件

14、下，溫度升高1K時所引起物質焓的增加。 式中：m樣品質量 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 以藍寶石為標準物，精確測定Cp。 相同條件下測藍寶石與樣品DSC曲線，因dT/d t相同，故二者的dT/d t比值與m 和Cp有關。 因m樣、 m標、 Cp標已知，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使用中應注意的問題使用中應注意的問題 可分析固體、液體樣品。 樣品用量0.510mg。 樣品的幾何形狀對峰形有影響。 樣品純度影響：雜質含量越高，轉變峰向低溫方向移動，峰形變寬。DSC 的應用 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，只是需要外加一個滴定模塊（見圖2）。當樣品池發(fā)生反應時， 造成樣品池和參比池之間的溫差被儀器檢測到，放熱反應觸發(fā)恒溫功率的負反饋；而吸熱反 應產生恒溫功率的正反饋保持溫度恒定（見圖3）。ITC 的應用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