熱分析装置

熱分析装置とは

サンプルの物理的または化学的特性を監視するために、熱を追加したり除去したりする機器はすべて、熱分析装置と見なされる可能性があります。このカテゴリの科学装置では、サンプルが温度変化にさらされると、溶融、展開、結合、機械的強度、組成、結晶化またはガラス転移、レオロジー特性などを含む他の物理的特性が変化する可能性があります。 

一部の熱分析装置では、サンプルの温度変化を0.000001 °C以下まで監視できます。このようなわずかな温度変化は、タンパク質の2つの折りたたみ状態やや結晶構造の形成の違いとなり、安定性、毒性、粘弾性、導電性などの物理的特性に大きな違いをもたらす可能性があります。

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熱分析装置の種類

熱分析装置	略語	熱の適用または監視	観察された特性	派生プロパティ
示差走査熱型カロリメーター	.dsc	適用と監視	温度	融点(Tm) 展開の発生(Tonset) エンタルピー(∆H) 熱容量(ΔCp)
等温滴定型カロリメーター	ITC	監視	温度	結合定数(KD) 結合比(n) エンタルピー(ΔH) エントロピー(ΔS) ギブスの自由エネルギー(ΔG)
示差走査型蛍光	DSF	適用済み	自家蛍光	融点(Tm) 展開の発生(Tonset) 転移の数(n) エンタルピー(ΔH) ギブスの自由エネルギー(ΔG)*
熱重量分析	TGA	適用済み	サンプル質量	相転移温度 サンプル質量変化
動的機械的分析	DMA	適用済み	機械的特性	せん断貯蔵弾性率と損失弾性率(G’、G’’)
熱伝導率分析装置	TCA	適用済み	電気伝導度	熱伝導率

*等温化学変性実験を行う場合

熱分析装置の用途

熱分析装置は、さまざまな業界の幅広い用途に使用されており、その中には次のようなものがあります。

1. バイオ医薬品分析： バイオ医薬品の場合、特定の製剤中のタンパク質の構造安定性とコロイド安定性は、タンパク質の熱安定性または融点(T _m )と相対的であると考えられます。融点が高いほど、安定性があり、保存期間が長いことを示します。
2. 医薬品分析： 熱分析装置は、医薬品の開発と分析に使用され、その熱安定性、 結晶構造 、劣化、保存期間、および他の成分との適合性を判断できます。
3. 反応速度： 化学反応中に放出または吸収される熱を使用して、結合定数(K _D )、結合比(n)、エンタルピー(ΔH)、エントロピー(ΔS)などの反応の特性を監視できます。
4. 食品科学： 熱分析装置を使用すると、砂糖や脂肪のガラス転移温度などの食品の熱特性を研究でき、食品の開発や保存条件に役立ちます。
5. 化学製造： 熱分析装置は、化合物の溶融および結晶化挙動の決定など、化学プロセスの最適化と品質管理に使用できます。
6. ポリマー特性評価： 熱分析装置は、ポリマーの熱的および機械的特性に関する重要な情報を提供します。これは、プラスチック、ゴム、複合材料などのポリマーベース製品の開発と最適化に重要です。

MicroCal示差走査熱型カロリメーター(DSC)

示差走査型カロリメトリー (DSC)は、タンパク質やその他の生体分子の構造安定性を特徴付けるために使用される、マイクロカロリメーターの技術です。DSCはシステムを一定間隔で温度を上昇させることによって生じる分子の熱変性に関連した熱変化を測定します。

理論的には、変性中点温度(T_m)が高いほど、その分子は安定であると言えます。DSCは熱変性がもたらすアンフォールディングのエンタルピー変化（∆H）を測定します。また、熱変性を起こす際の熱容量変化(ΔCp)を測定することもできます。DSCを用いることで、生体分子のフォールディングと安定性に寄与する要素を明らかにすることができます。その要素には疎水性相互作用、水素結合、構造エントロピー、物理的環境などがあります。

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MicroCal等温滴定型カロリメトリー(ITC)

等温滴定型カロリメトリー (ITC)は、生体分子相互作用の研究に使用されるラベルフリーの定量技術です。これは、結合反応中に放出される熱(発熱反応)または吸収される熱(吸熱反応)を測定することによって機能します。

ITCはただ１つの測定ですべての結合パラメータを同時に特定できる唯一の手法です。蛍光標識、または固定化などによる結合パートナーの修飾を必要とせず、結合パートナーとの親和性を天然状態で測定します。

結合中の熱変化を測定することで、解離定数（K_D）、結合比（n）、エンタルピー変化（∆H）およびエントロピー変化（ΔS）を正確に特定できます。これにより分子間相互作用の完全な熱力学的プロファイルが得られます。

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示差走査型蛍光(DSF) 

示差走査型蛍光分析(DSF)は、適用された温度に対するタンパク質の固有発光スペクトルを監視する、蛍光分光法に基づく技術です。熱変性過程では、タンパク質を構成するアミノ酸はより親水性の高い環境にさらされ、その結果、自家蛍光アミノ酸(Trp、Tyr)の最大信号(λ_max)が330 nmから350 nmにシフトします。この容易に観察できる信号を温度に対してプロットし、二次導関数をデータに適用して熱転移温度(T_m)を求めることができます。 

単一のタンパク質では複数の熱転移が起こることが多いため、この技術は、タンパク質の構造安定性に対する変異の影響や、タンパク質の安定性に対する緩衝液組成の影響などの用途の監視に非常に適しています。この技術は、低分子量リガンドの結合親和性を研究し、潜在的な薬剤候補の結合親和性をランク付けするために適用することもできます。