Analizadores térmicos

¿Qué es un analizador térmico?

Cualquier instrumento que utilice la adición o sustracción de calor para monitorear las propiedades físicas o químicas de una muestra podría considerarse un analizador térmico. En esta categoría de instrumento científico, la exposición de la muestra a un cambio de temperatura puede cambiar otras propiedades físicas, incluidas la fusión, el despliegue, la unión, la resistencia mecánica, la composición, la cristalización o transición vítrea, propiedades reológicas y mucho más. 

Algunos instrumentos de análisis térmico pueden controlar el cambio de temperatura de una muestra hasta 0,000001 °C o menos. Estos cambios sutiles en la temperatura pueden marcar la diferencia entre, por ejemplo, dos estados plegados de una proteína o la formación de la estructura cristalina, y pueden dar como resultado propiedades físicas significativamente diferentes, que incluyen aspectos como la estabilidad, la toxicidad, la viscoelasticidad y la conductividad.

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Tipos de analizadores térmicos

Analizador térmico	Abreviatura	Calor aplicado o monitoreado	Propiedad observada	Propiedades derivadas
Calorímetro de barrido diferencial	DSC	Aplicado y monitoreado	Temperatura	Punto de fusión (Tm) Punto de inicio de despliegue (Tonset) Entalpía (∆H) Capacidad de calor (ΔCp)
Calorímetro de titulación isotérmica	ITC	Monitoreado	Temperatura	Constante de unión (KD) Estequiometría (n) Entalpía (ΔH) Entropía (ΔS) Energía libre de Gibbs (ΔG)
Fluorescencia de barrido diferencial	DSF	Aplicado	Fluorescencia intrínseca	Punto de fusión (Tm) Inicio del despliegue (Tonset) Cantidad de transiciones (n) Entalpía (ΔH) Energía libre de Gibbs (ΔG)*
Análisis termogravimétrico	TGA	Aplicado	Masa de la muestra	Temperatura de transición de fase Cambio de masa de la muestra
Análisis mecánico dinámico	DMA	Aplicado	Propiedades mecánicas	Módulos de almacenamiento y de pérdida de elasticidad (G’, G’’)
Analizador de conductividad térmica	TCA	Aplicado	Conductividad	Conductividad térmica

* Cuando se realiza un experimento de desnaturalización química isotérmica.

Aplicaciones de analizadores térmicos

Los analizadores térmicos tienen una amplia gama de aplicaciones en diversas industrias, que incluyen las siguientes:

1. Análisis biofarmacéutico: Para los productos biofarmacéuticos, la estabilidad estructural y coloidal de una proteína en una formulación dada se considera relativa a la estabilidad térmica o al punto de fusión (T _m ) de una proteína. Un punto de fusión más alto indica una mayor estabilidad y vida útil.
2. Análisis farmacéutico: Los analizadores térmicos se pueden utilizar en el desarrollo y análisis de fármacos para determinar su estabilidad térmica, estructura cristalina , degradación, vida útil y compatibilidad con otros componentes.
3. Cinética de reacción: El calor liberado o absorbido durante una reacción química se puede utilizar para controlar las propiedades de la reacción, incluidas la constante de unión (K _D ), la estequiometría (n), la entalpía (ΔH) y la entropía (ΔS).
4. Ciencia de los alimentos: Los analizadores térmicos se pueden utilizar para estudiar las propiedades térmicas de los alimentos, como la temperatura de transición vítrea de azúcares y grasas, que es útil en el desarrollo de productos alimenticios y condiciones de almacenamiento.
5. Fabricación de productos químicos: Los analizadores térmicos se pueden utilizar en la optimización y el control de calidad de los procesos químicos, como la determinación del comportamiento de fusión y cristalización de compuestos químicos.
6. Caracterización de polímeros: Los analizadores térmicos pueden proporcionar información fundamental sobre las propiedades térmicas y mecánicas de los polímeros, lo cual es importante en el desarrollo y la optimización de productos basados en polímeros como plásticos, caucho y compuestos.

Calorímetros de barrido diferencial (DSC) MicroCal

La calorimetría de barrido diferencial (DSC, del inglés “Differential Scanning Calorimetry”) es una técnica microcalorimétrica utilizada para caracterizar la estabilidad estructural de una proteína u otra biomolécula. Lo hace mediante la medición del cambio de calor asociado con la desnaturalización térmica de la molécula cuando se calienta a un ritmo constante.

En teoría, cuanto mayor sea el punto medio de transición térmica (T_m), más estable será la molécula. La DSC mide la entalpía (∆H) de despliegue que resulta de la desnaturalización inducida por calor. También se utiliza para determinar el cambio en la capacidad de calor (ΔCp) de la desnaturalización. La DSC puede dilucidar los factores que contribuyen al plegado y la estabilidad de las biomoléculas. Estos factores incluyen interacciones hidrofóbicas, enlaces de hidrógeno, entropía de conformación y ambiente físico.

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Calorimetría de titulación isotérmica (ITC) MicroCal

La calorimetría de titulación isotérmica (ITC, del inglés “Isothermal Titration Calorimetry”) es una técnica de cuantificación sin etiquetas utilizada en estudios de interacciones biomoleculares. Funciona midiendo el calor liberado (reacciones exotérmicas) o absorbido (reacciones endotérmicas) durante un evento de unión.

ITC es la única técnica que puede determinar simultáneamente todos los parámetros de enlace en un solo experimento. No requiere modificación de los componentes de la unión, ya sea con etiquetas fluorescentes o a través de inmovilización, lo que mide la afinidad de los componentes de la unión en su estado nativo.

La medición de la transferencia de calor durante la unión permite la determinación exacta de las constantes de unión (K_D), la estequiometría de la reacción (n), la entalpía (∆H) y la entropía (∆S). Esto proporciona un perfil termodinámico completo de la interacción molecular.

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Fluorescencia de barrido diferencial (DSF) 

La fluorimetría de barrido diferencial (DSF, del inglés “Differential Scanning Fluorimetry”) es una técnica basada en espectroscopía de fluorescencia que monitorea el espectro de emisión intrínseco de una proteína en relación con la temperatura aplicada. Durante un proceso de desnaturalización térmica, los aminoácidos que componen una proteína se exponen a ambientes más hidrofílicos, lo que hace que la señal máxima (λ_máx) de los aminoácidos intrínsecamente fluorescentes (Trp, Tyr) cambie de 330 nm a 350 nm. Luego de eso, esta señal fácilmente observable se puede trazar respecto de la temperatura y la segunda derivada aplicada a los datos con el fin de encontrar las temperaturas de transición térmica (T_m). 

Muchas transiciones térmicas pueden ocurrir en una sola proteína, lo que hace que esta técnica sea altamente adecuada para aplicaciones de monitoreo como el efecto de mutaciones en la estabilidad estructural de la proteína y el efecto de la composición de la solución amortiguadora en la estabilidad de la proteína. La técnica puede incluso aplicarse para estudiar las afinidades de unión de ligandos de bajo peso molecular con el fin de clasificar las afinidades de unión de potenciales candidatos a fármacos.