Analyseurs thermiques

Qu'est-ce qu'un analyseur thermique ?

Tout instrument qui utilise l'addition ou la soustraction de chaleur pour surveiller les propriétés physiques ou chimiques d'un échantillon peut être considéré comme un analyseur thermique. Dans cette catégorie d'instruments scientifiques, l'exposition de l'échantillon à un changement de température peut modifier d'autres propriétés physiques, y compris la fusion, le repliement, la liaison, la force mécanique, la composition, la cristallisation ou la transition vitreuse, les propriétés rhéologiques et bien plus encore. 

Certains instruments d'analyse thermique peuvent surveiller le changement de température d'un échantillon jusqu'à 0,000001 °C ou moins. Ces changements subtils de température peuvent expliquer la différence entre, par exemple, deux états repliés d'une protéine, ou la formation d'une structure cristalline, et peuvent être à l'origine de propriétés physiques significativement différentes, comme la stabilité, la toxicité, la viscoélasticité et la conductivité.

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Types d'analyseurs thermiques

Analyseur thermique	Abréviation	Chaleur appliquée ou surveillée	Propriété observée	Propriétés dérivées
Calorimètre différentiel à balayage	DSC	Appliquée et surveillée	Température	Point de fusion (Tm) Début du repliement (Tdébut) Enthalpie (∆H) Capacité calorifique (ΔCp)
Calorimètre de titration isotherme	ITC	Surveillée	Température	Constante de liaison (KD) Stœchiométrie (n) Enthalpie (ΔH) Entropie (ΔS) Énergie libre de Gibbs (ΔG)
Système de fluorimétrie différentielle à balayage	DSF	Appliquée	Fluorescence intrinsèque	Point de fusion (Tm) Début du repliement (Tdébut) Nombre de transitions (n) Enthalpie (ΔH) Énergie libre de Gibbs (ΔG)*
Système d'analyse thermogravimétrique	TGA	Appliquée	Masse d'échantillon	Température de transition de phase Changement de masse d'échantillon
Système d'analyse mécanique dynamique	DMA	Appliquée	Propriétés mécaniques	Modules de stockage et de perte (G', G'') pour le cisaillement
Analyseur de conductivité thermique	TCA	Appliquée	Conductivité	Conductance thermique

* Lors de la réalisation d'une expérience de dénaturation chimique isotherme

Applications des analyseurs thermiques

Les analyseurs thermiques présentent une large gamme d'applications dans divers secteurs, notamment :

1. Analyse biopharmaceutique : pour les produits biopharmaceutiques, la stabilité structurelle et colloïdale d'une protéine dans une formulation donnée est considérée comme liée à sa stabilité thermique ou à son point de fusion (T _m ). En effet, un point de fusion plus élevé indique une plus grande stabilité et une plus grande durée de conservation.
2. Analyse pharmaceutique : les analyseurs thermiques peuvent être utilisés dans le développement et l'analyse de médicaments, afin de déterminer leur stabilité thermique, leur structure cristalline , leur dégradation, leur durée de conservation et leur compatibilité avec d'autres composants.
3. Cinétique de réaction : la chaleur libérée ou absorbée au cours d'une réaction chimique peut être utilisée pour surveiller les propriétés de la réaction, y compris la constante de liaison (K _D ), la stœchiométrie (n), l'enthalpie (ΔH) et l'entropie (ΔS).
4. Science alimentaire : les analyseurs thermiques peuvent être utilisés pour étudier les propriétés thermiques des aliments, telles que la température de transition vitreuse des sucres et des graisses, ce qui est utile dans le développement des produits alimentaires et les conditions de stockage.
5. Fabrication de produits chimiques : les analyseurs thermiques peuvent être utilisés dans l'optimisation et le contrôle de la qualité des procédés chimiques, tels que la détermination du comportement de fusion et de cristallisation des composés chimiques.
6. Caractérisation de polymères : les analyseurs thermiques peuvent fournir des informations essentielles sur les propriétés thermiques et mécaniques des polymères, ce qui est important dans le développement et l'optimisation de produits à base de polymères tels que les plastiques, le caoutchouc et les composites.

Calorimètres à balayage différentiel MicroCal (DSC)

La Calorimétrie Différentielle à Balayage (DSC) est une technique de microcalorimétrie utilisée pour caractériser la stabilité structurelle d'une protéine ou d'une autre biomolécule. Cette caractérisation exploite la mesure de la variation de chaleur associée à la dénaturation thermique de la molécule lorsque celle-ci est chauffée à vitesse constante.

En théorie, plus la température médiane de transition thermique (T_m) est élevée, plus la molécule est stable. La DSC mesure l'enthalpie (∆H) qui résulte d'un changement de conformation induit par une élévation de température. Elle peut également être utilisée pour déterminer la variation de capacité calorifique (ΔCp) associée à la dénaturation. La DSC permet d'identifier les facteurs contribuant au repliement et à la stabilité des biomolécules. Ces facteurs incluent les interactions hydrophobes, les liaisons hydrogène, l'entropie conformationnelle et l'environnement physique.

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Titration Calorimétrique Isotherme (ITC) MicroCal

La Titration Calorimétrique Isotherme (ITC) est une technique de quantification sans marquage utilisée dans les études des interactions biomoléculaires. Elle fonctionne en mesurant la chaleur libérée (réactions exothermiques) ou absorbée (réactions endothermiques) lors d'un événement de liaison.

L'ITC est la seule technique capable de déterminer simultanément tous les paramètres de liaison en une seule expérience. Elle ne nécessite aucune modification des partenaires impliqués dans la liaison, que ce soit par marquage fluorescent ou par immobilisation, mesurant ainsi l'affinité de partenaires de liaison dans leur état natif.

La mesure du transfert thermique durant la liaison permet une détermination précise des constantes de liaison (K_D), de la stœchiométrie (n), de l'enthalpie (∆H) et de l'entropie (ΔS) de la réaction. Ceci fournit un profil thermodynamiques complet des paramètres de l'interaction moléculaire.

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Fluorimétrie différentielle à balayage (DSF) 

La fluorimétrie différentielle à balayage (DSF) est une technique basée sur la spectroscopie de fluorescence qui surveille le spectre d'émission intrinsèque d'une protéine par rapport à la température appliquée. Au cours d'un processus de dénaturation thermique, les acides aminés qui composent une protéine sont exposés à des environnements plus hydrophiles, ce qui provoque le décalage du signal maximal (λ_max) des acides aminés intrinsèquement fluorescents (Trp, Tyr) de 330 nm à 350 nm. Il est alors possible de tracer ce signal facilement observable en fonction de la température, et d'appliquer la dérivée seconde aux données pour trouver les températures de transition thermique (T_m). 

De multiples transitions thermiques peuvent souvent se produire dans une seule protéine, ce qui rend cette technique très appropriée pour surveiller des applications telles que l'effet des mutations sur la stabilité structurelle des protéines et l'effet de la composition du tampon sur la stabilité des protéines. Cette technique peut même être appliquée pour étudier les affinités de liaison de ligands de faible poids moléculaire, afin de classer les affinités de liaison des candidats potentiels à un médicament.