Thermische Analysatoren

Was ist ein thermischer Analysator?

Ein thermischer Analysator ist jedes Gerät, das mittels Zufuhr oder Ableitung von Wärme die physikalischen oder chemischen Eigenschaften einer Probe misst. Bei dieser Kategorie wissenschaftlicher Instrumente wird gemessen, ob sich die physikalischen Eigenschaften der Probe bei Exposition gegenüber Temperaturänderungen ändern: Sie kann schmelzen, sich entfalten, binden, fest werden, ihre Zusammensetzung verändern, kristallisieren oder in den Glaszustand übergehen, ihre rheologische Eigenschaften verändern und vieles mehr. 

Einige Geräte zur thermischen Analyse können die Temperaturänderung einer Probe in Inkrementen von 0,000001 °C oder weniger überwachen. Solche subtile Temperaturänderungen können beispielsweise den Unterschied zwischen zwei Faltungszuständen eines Proteins oder der Bildung einer Kristallstruktur ausmachen und damit zu deutlich unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften führen, wie z B. Stabilität, Toxizität, Viskoelastizität und Leitfähigkeit.

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Arten von thermischen Analysatoren

Thermischer Analysator	Abkürzung	Angewandte oder überwachte Wärme	Beobachtete Eigenschaft	Abgeleitete Eigenschaften
Differentialscanningkalorimeter	DSC	Angewandt und gemessen	Temperatur	Schmelzpunkt (Tm) Beginn der Entfaltung (Tonset) Enthalpie (∆H) Wärmekapazität (ΔCp)
Isothermes Titrationskalorimeter	ITC	Überwacht	Temperatur	Bindungskonstante (KD) Stöchiometrie (n) Enthalpie (ΔH) Entropie (ΔS) Gibbs-Energie (ΔG)
Differential-Scanning-Fluoreszenz	DSF	Angewendet	Intrinsische Fluoreszenz	Schmelzpunkt (Tm) Beginn der Entfaltung (Tonset) Anzahl der Übergänge (n) Enthalpie (ΔH) Gibbs-Energie (ΔG)*
Thermogravimetrische Analyse	TGA	Angewendet	Probenmasse	Phasenübergangstemperatur Änderung der Probenmasse
Dynamisch-mechanische Analyse	DMA	Angewendet	Mechanische Eigenschaften	Scherspeicher- und Scherverlustmodule (G“, G“)
Wärmeleitfähigkeitsanalysator	TCA	Angewendet	Leitfähigkeit	Wärmeleitfähigkeit

* Bei Durchführung eines Experiments mit isothermer chemischer Denaturierung

Anwendungen von thermischen Analysatoren

Thermische Analysatoren werden in verschiedenen Branchen für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter:

1. Biopharmazeutische Analytik: Bei Biopharmazeutika wird die strukturelle und kolloidale Stabilität eines Proteins in einer gegebenen Formulierung als relativ zur thermischen Stabilität oder zum Schmelzpunkt (T _m ) eines Proteins betrachtet. Ein höherer Schmelzpunkt weist auf eine höhere Stabilität und Haltbarkeit hin.
2. Pharmazeutische Analytik: Thermische Analysatoren können bei der Entwicklung und Analyse von Medikamenten eingesetzt werden, um deren thermische Stabilität, kristalline Struktur , Abbau, Haltbarkeit und Kompatibilität mit anderen Komponenten zu bestimmen.
3. Reaktionskinetik: Die während einer chemischen Reaktion freigesetzte oder absorbierte Wärme kann zur Messung der Eigenschaften einer Reaktion verwendet werden, darunter der Bindungskonstante (K _D ), der Stöchiometrie (n), der Enthalpie (ΔH) und der Entropie (ΔS).
4. Lebensmittelwissenschaft: Thermische Analysatoren werden eingesetzt, um die thermischen Eigenschaften von Lebensmitteln zu untersuchen, z. B. die Glasübergangstemperatur von Zucker und Fetten, was bei der Entwicklung von Lebensmitteln und Lagerbedingungen nützlich ist.
5. Chemische Fertigung: Thermische Analysatoren können zur Optimierung und Qualitätskontrolle chemischer Prozesse eingesetzt werden, z. B. für die Bestimmung des Schmelz- und Kristallisationsverhaltens chemischer Verbindungen.
6. Polymereigenschaften: Thermische Analysatoren können wichtige Informationen über die thermischen und mechanischen Eigenschaften von Polymeren liefern, was für die Entwicklung und Optimierung von polymerbasierten Produkten wie Kunststoffen, Gummi und Verbundwerkstoffen wichtig ist.

MicroCal Differentialscanningkalorimeter (DSC)

Die Differentialscanningkalorimetrie (DSC) ist ein mikrokalorimetrisches Verfahren, mit dem die strukturelle Stabilität von Proteinen oder anderen Biomolekülen charakterisiert werden kann. Dabei wird die Wärmeänderung gemessen, die mit der thermischen Denaturierung des Moleküls einhergeht, wenn dieses mit einer konstanten Rate erwärmt wird.

Theoretisch gesehen, ist das Molekül umso stabiler, je höher der Mittelpunkt des thermischen Übergangs (T_m) liegt. Mittels DSC wird die Enthalpie (∆H) der Entfaltung gemessen, die aus der hitzeinduzierten Denaturierung resultiert. Mit diesem Verfahren kann auch die Änderung der Wärmekapazität (ΔCp) der Denaturierung bestimmt werden. Mithilfe der DSC können die Faktoren erkannt werden, die zur Faltung und Stabilität von Biomolekülen beitragen. Zu diesen gehören hydrophobe Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken, konformationelle Entropie und die physikalische Umgebung.

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MicroCal isotherme Titrationskalorimetrie (ITC)

Die isotherme Titrationskalorimetrie (ITC) ist ein markerfreies Quantifizierungsverfahren, das zur Untersuchung von biomolekularen Wechselwirkungen eingesetzt wird. Bei der ITC wird die während eines Bindungsvorgangs freigesetzte (exotherme Reaktionen) oder absorbierte (endotherme Reaktionen) Wärme gemessen.

Die ITC ist das einzige Verfahren, mit dem alle Bindungsparameter in einem einzigen Experiment simultan bestimmt werden können. Es erfordert keine Modifikation der Bindungspartner, weder mit Fluoreszenzmarkern noch durch Immobilisierung. Die ITC misst die Affinität von Bindungspartnern in ihrem nativen Zustand.

Die Messung der Wärmeübertragung während der Bindung ermöglicht die genaue Bestimmung der Bindungskonstanten (K_D), der Reaktionsstöchiometrie (n), der Enthalpie (∆H) und der Entropie (ΔS). Diese Werte liefern ein komplettes thermodynamisches Profil der molekularen Wechselwirkung.

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Differential-Scanning-Fluorescence (DSF) 

Das Verfahren der Differential-Scanning-Fluorimetrie (DSF) basiert auf der Fluoreszenzspektroskopie und misst das intrinsische Emissionsspektrum eines Proteins relativ zur angewandten Temperatur. Während eines thermischen Denaturierungsprozesses werden Aminosäuren, die ein Protein bilden, hydrophileren Umgebungen ausgesetzt, wodurch sich das Emissionsmaximum (λ_max) der intrinsisch fluoreszierenden Aminosäuren (Trp, Tyr) von 330 nm auf 350 nm verschiebt. Dieses leicht zu beobachtende Signal kann dann mit der Temperatur korreliert und die zweite Ableitung auf die Daten angewendet werden, um die Temperaturen des thermischen Übergang (T_m) zu ermitteln. 

Oft können mehrere thermische Übergänge an einem einzelnen Protein auftreten, weshalb sich dieses Verfahren hervorragend für die Überwachung von Anwendungen wie die Auswirkung von Mutationen auf die Strukturstabilität eines Proteins oder die Auswirkung einer Pufferzusammensetzung auf die Proteinstabilität eignet. Mit dem Verfahren lassen sich sogar die Bindungsaffinitäten von niedermolekularen Liganden untersuchen, um die Bindungsaffinitäten potenzieller Wirkstoffkandidaten einzuordnen.