समतापीय अनुमापन कैलोरीमेट्री

रासायनिक ऊष्मागतिकी में, समतापीय अनुमापन कैलोरीमेट्री (आईटीसी) एक भौतिक तकनीक है जिसका उपयोग विलयन (रसायन विज्ञान) में परस्पर अंतःक्रियाओं क्रियाओं के मापदंडों (ऊष्मागतिकी) को निर्धारित करने के लिए किया जाता है। लेबल-मुक्त वातावरण में बड़े अणुओं (प्रोटीन, डीएनए आदि) के लिए छोटे अणुओं (जैसे औषधीय यौगिकों) के बंधन का अध्ययन करने के लिए इसका सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। इसमें दो सेल होते हैं जो एक रुद्धोष्म जैकेट में संलग्न होती हैं। अध्ययन किए जाने वाले यौगिकों को प्रतिरूप सेल में रखा जाता है, जबकि अन्य सेल, संदर्भ सेल का उपयोग उपचार और नियंत्रण समूह के रूप में किया जाता है और इसमें वह बफर होता है सेल निष्क्रिय हो जाता है।

इस तकनीक का विकास 1968 में एच.डी. जॉनसन ने ब्रिघम यंग यूनिवर्सिटी में अपने पीएचडी शोध प्रबंधन के एक भाग के रूप में किया था और माल्वर्न पैनालिटिकल द्वारा व्यावसायिक रूप से पेश किए जाने तक विशिष्ट माना जाता था। 1988 में माइक्रोकैल इंक द्वारा व्यावसायिक रूप से पेश किए जाने तक इसे विशिष्ट माना गया था। अन्य कैलोरीमीटर की तुलना में, आईटीसी का यह लाभ है कि किसी आलोचक की आवश्यकता नहीं होने के कारण सिस्टम और पर्यावरण के बीच कोई ताप विनिमय नहीं था।

ऊष्मागतिकी माप
आईटीसी एक मात्रात्मक संपत्ति तकनीक है जो रासायनिक बंधुता निर्धारित कर सकती है ($$K_a$$), तापीय धारिता परिवर्तन ($$\Delta H$$), और बाइंडिंग स्टॉइकियोमेट्री ($$n$$) विलयन में दो या दो से अधिक अणुओं के बीच संचरण यह समादेश शीर्ष के क्षेत्र को एकीकृत करने और बाध्यकारी प्रकरण अनुपात द्वारा व्यक्तिगत मूल्यों की संकल्पना निर्मित करने से प्राप्त होता है, (किलो कैलोरी/मोल) इन प्रारंभिक मापों से, गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन ($$\Delta G$$) और एन्ट्रापी परिवर्तन ($$\Delta S$$) संबंध का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है:


 * $$\Delta G = -RT\ln{K_a} = \Delta H -T\Delta S$$

(जहाँ $$ R$$ स्थिर गैस है और $$T$$ पूर्ण तापमान है)।

बाइंडिंग एफ़िनिटी के सटीक मापन के लिए, थर्मोग्राम का वक्र सिग्मोइडल होना चाहिए। वक्र का प्रोफाइल सी-वैल्यू द्वारा निर्धारित किया जाता है, जिसकी गणना समीकरण का उपयोग करके की जाती है:


 * $$c = n K_a M$$

जहाँ $$n$$ बंधन की रससमीकरणमिति है, $$K_a$$ संघ स्थिर है और $$M$$ सेल में अणु की सांद्रता है। सी-वैल्यू 1 से 1000 के बीच होनी चाहिए, आदर्श रूप से 10 और 100 के बीच बाइंडिंग एफ़िनिटी के संदर्भ में, यह $$1.0 \times 10^3 $$ ~ $$10^7$$लगभग सीमा के दायरे में होगा।

सहायक अनुमापन
समतापीय अनुमापन कैलोरीमेट्री दो समान सेलों से बना होता है जो अत्यधिक कुशल तापीय संचालन और रासायनिक रूप से निष्क्रिय सामग्री जैसे हेस्टलाय मिश्र धातु या सोने से बना होता है, जो एक रुद्धोष्म जैकेट से घिरा होता है। संवेदनशील थर्मोपाइल/थर्मोकपल परिपथ का उपयोग संदर्भ सेल (बफर या जल से भरा) और मैक्रोमोलेक्यूल युक्त प्रतिरूप सेल के बीच तापमान के अंतर का पता लगाने के लिए किया जाता है। लिगैंड को जोड़ने से पहले, संदर्भ सेल पर एक स्थिर शक्ति (<1 mW) लागू की जाती है। यह फीडबैक परिपथ को निर्देशित करता है कि, प्रतिरूप सेल पर स्थित हीटर को सक्रिय करता है। प्रयोग के दौरान, लिगैंड को सटीक रूप से ज्ञात एलिकोट्स में प्रतिरूप सेल में टाइट्रेट किया जाता है, जिससे ऊष्मा या तो ली जाती है या विकसित होती है (अभिक्रिया की प्रकृति के आधार पर)। मापन में प्रतिरूप और संदर्भ सेलों के बीच समान तापमान बनाए रखने के लिए आवश्यक शक्ति का समय-निर्भर इनपुट सम्मिलित होता है।

एक ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया में, प्रतिरूप सेल में तापमान लिगेंड के अतिरिक्त होने पर बढ़ जाता है। यह दो सेलों के बीच एक समान तापमान बनाए रखने के लिए प्रतिरूप सेल की अभिक्रिया शक्ति को कम करने का कारण बनता है (याद रखें: एक संदर्भ शक्ति संदर्भ सेल पर लागू होती है)। ऊष्माशोषी अभिक्रिया में, यह विपरीत होता है; फीडबैक परिपथ एक स्थिर तापमान (इज़ोटेर्मल ऑपरेशन) बनाए रखने के लिए शक्ति बढ़ाता है।

टिप्पणियों को संदर्भ और प्रतिरूप सेल को समय के विरुद्ध एक समान तापमान पर बनाए रखने के लिए आवश्यक शक्ति के रूप में स्थापित किया जाता है। परिणामतः, प्रयोगात्मक कच्चे डेटा में ऊष्मा प्रवाह (शक्ति) के स्पाइक्स की एक श्रृंखला होती है, जिसमें प्रत्येक स्पाइक एक लिगेंड समादेश के अनुरूप होता है। ये ऊष्मा प्रवाह स्पाइक्स/तरंग समय के संबंध में एकीकृत होते हैं, जिससे प्रति समादेश कुल ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। अनुपात [लिगैंड]/[सूक्ष्म कण] के एक फलन के रूप में इन ऊष्मा प्रभावों के प्रारूप के अध्ययन के तहत संचरण के ऊष्मागतिकी मापांक देने के लिए विश्लेषण किया जा सकता है।

इष्टतम परिणाम प्राप्त करने के लिए, प्रत्येक समादेश को अभिक्रिया साम्यावस्था तक पहुंचने के लिए पर्याप्त समय दिया जाना चाहिए। अच्छे माप प्राप्त करने के लिए डीगैसिंग प्रारूप प्रायः आवश्यक होते हैं क्योंकि प्रतिरूप सेल के भीतर गैस के बुलबुले की उपस्थिति रिकॉर्ड किए गए परिणामों में असामान्य डेटा भूखंडों को उत्पन्न करेगी। पूरा प्रयोग कंप्यूटर के नियंत्रण में होता है।

सीधे तौर पर अभिक्रिया के दो घटकों को एक दूसरे से जोड़कर ऊष्मागतिकी डेटा प्राप्त करने के लिए आईटीसी के साथ प्रत्यक्ष अनुमापन सबसे अधिक किया जाता है। हालांकि, कई रासायनिक प्रतिक्रियाओं और बाध्यकारी प्रतिच्छेदन में सी-विंडो के साथ वांछनीय के ऊपर उच्च बाध्यकारी संबंध हो सकते हैं। सी-विंडो की सीमा और कुछ बाध्यकारी प्रतिच्छेदन के लिए शर्तों का निवारण करने के लिए, अनुमापन के विभिन्न तरीकों का प्रदर्शन किया जा सकता है। कुछ मामलों में, समादेश सिरिंज और प्रतिरूप सेल के बीच प्रारूप बदलने का एक रिवर्स टाइट्रेट करना करने से बाध्यकारी तंत्र के आधार पर समस्या हल हो सकती है। अधिकांश उच्च या निम्न आत्मीयता बंधनों के लिए केलेशन या प्रतिस्पर्धी अनुमापन की आवश्यकता होती है। यह विधि प्रतिरूप सेल में प्री-बाउंड जटिल विलयन लोड करके और वांछित सी-विंडो के भीतर उच्च देखे गए बाध्यकारी आत्मीयता के अभिकर्मक के साथ घटकों में से एक को बाध्य करके किया जाता है।

पोस्ट-हॉक विश्लेषण और प्रोटॉन इन्वेंट्री
एकत्रित प्रायोगिक डेटा न केवल ब्याज की संचरण के बाध्यकारी ऊष्मागतिकी को दर्शाता है, बल्कि इससे जुड़े किसी भी प्रतिस्पर्धी साम्यावस्था में योगदान देता है। हेस के नियम की प्रक्रिया के माध्यम से, प्रायोगिक ऊष्मागतिकी से बफ़र विलयन या विलायक-स्वतंत्र एन्थैल्पी निर्धारित करने के लिए पोस्ट-हॉक विश्लेषण किया जा सकता है। नीचे दिए गए उदाहरण में एक धातु आयन (M) और एक लिगैंड (L) के बीच एक सरल अन्योन्य क्रिया को दिखाया गया है। B इस संचरण के लिए उपयोग बफर का प्रतिनिधित्व करता है और प्रोटॉन का प्रतिनिधित्व करता है।

$$- (n_{H+}) \Delta H_{LH}$$

$$(n_{H+}) \Delta H_{BH}$$

$$\Delta H_{ML}$$ इसलिए,"$\Delta H_{ITC} = -\Delta H_{MB} - (n_{H+}) \Delta H_{LH} + (n_{H+}) \Delta H_{BH} + \Delta H_{ML}$"जिसे मेटल-लिगैंड इंटरेक्शन की एन्थैल्पी की गणना करने के लिए आगे संसाधित किया जा सकता है। यद्यपि यह उदाहरण एक धातु और एक लिगेंड के बीच है, यह बाध्यकारी अंतःक्रियाओं के संबंध में किसी भी आईटीसी प्रयोग पर लागू होता है।

विश्लेषण के एक भाग के रूप में, सॉल्वेंट-स्वतंत्र ऊष्मागतिकी की गणना करने के लिए कई प्रोटॉन की आवश्यकता होती है। इसे एक ग्राफ बनाकर आसानी से किया जा सकता है जैसा कि नीचे दिखाया गया है।

इस आलेख का रैखिक समीकरण y = mx + b:"$\Delta H_{ITC} = (n_{H+}) \Delta H_{BH} + [ -\Delta H_{MB} - (n_{H+}) \Delta H_{LH} + \Delta H_{ML} ]$"

साम्यावस्था स्थिरांक
अभिक्रिया का साम्यावस्था स्थिरांक भी अन्य प्रतिस्पर्धी साम्यावस्था से स्वतंत्र नहीं है। प्रतियोगिता में प्रायोगिक स्थितियों के आधार पर बफर प्रतिच्छेदन और अन्य पीएच-निर्भर प्रतिक्रियाएं सम्मिलित होंगी। प्रजातियों के अलावा अन्य प्रजातियों से प्रतिस्पर्धा कारक में सम्मिलित है, Q निम्नलिखित समीकरण में: "$Q = \Sigma (\beta _n [\Chi ]_n)$"जहाँ, $$X$$ किसी बफर या प्रोटॉन जैसी प्रजातियों का प्रतिनिधित्व करता है, $$\beta$$ उनके संतुलन स्थिरांक का प्रतिनिधित्व करता है, जब,"$K_{ML} = K_{ITC} Q$"

अनुप्रयोग
पिछले 30 वर्षों से, समतापीय अनुमापन कैलोरीमेट्री का उपयोग व्यापक क्षेत्रों में किया गया है। पुराने दिनों में, इस तकनीक का उपयोग आधारभूत छोटे आणविक अंतःक्रियाओं के लिए मौलिक ऊष्मागतिकी मूल्यों को निर्धारित करने के लिए किया जाता था। हाल के वर्षों में, आईटीसी का उपयोग अधिक औद्योगिक रूप से लागू क्षेत्रों में किया गया है, जैसे दवा की खोज और सिंथेटिक सामग्री का परीक्षण। यद्यपि यह अभी भी मौलिक रसायन शास्त्र में भारी उपयोग किया जाता है, प्रवृत्ति जैविक पक्ष में स्थानांतरित हो गई है, जहां लेबल मुक्त और बफर स्वतंत्र मूल्यों को प्राप्त करना अपेक्षाकृत कठिन है।

एंजाइम गतिविज्ञान
आईटीसी से ऊष्मागतिकी डेटा का उपयोग करना, प्रोटॉन या इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण, अपरस्थलता और सहकारिता और एंजाइम अवरोधक सहित एंजाइम गतिविज्ञान को निकालना संभव है। आईटीसी समय के साथ डेटा एकत्र करता है जो किसी भी गतिज प्रयोगों के लिए उपयोगी होता है, लेकिन विशेष रूप से समादेश के निरंतर विभाज्य होने के कारण प्रोटीन के साथ गणना के संदर्भ में, अलग-अलग स्थितियों (पीएच, उत्परिवर्तित पेप्टाइड श्रृंखला और बाध्यकारी साइटों आदि का उपयोग) के प्रयोगात्मक डेटा की तुलना करके, साम्यावस्था और बंधन की प्रवणताओं को सीधे तौर पर उपयोग किया जा सकता है।

झिल्ली और स्व-संयोजन पेप्टाइड अध्ययन
मेम्ब्रेन प्रोटीन और सेल्फ-असेंबलिंग पेप्टाइड के माध्यम से कुछ प्रोटीनों के सेल्फ-असेंबली गुणों का इस तकनीक के तहत अध्ययन किया जा सकता है, क्योंकि यह एक लेबल-मुक्त कैलोरीमीटर है। मेम्ब्रेन प्रोटीन को उचित घुलनशीलता और शुद्धिकरण प्रोटोकॉल के चयन में कठिनाइयों के लिए जाना जाता है। जैसा कि आईटीसी एक गैर-विनाशकारी कैलोरीमेट्रिक उपकरण है, इसे प्रोटीन के लिए ज्ञात बाध्यकारी लिगैंड को बांधकर वांछित बाध्यकारी साइटों के साथ प्रोटीन के अंश का पता लगाने के लिए एक डिटेक्टर के रूप में उपयोग किया जा सकता है। यह सुविधा स्व-संयोजन प्रोटीन के अध्ययन में भी लागू होती है, विशेष रूप से उनके परिवर्तन (आनुवांशिकी) के ऊष्मागतिकी को मापने के उपयोग में प्रयोग किया जाता है।

औषधि विकास
बाध्यकारी आत्मीयता औषधीय रसायन शास्त्र में एक बड़ा महत्व रखती है, क्योंकि दवाओं को वांछित सीमा के भीतर प्रोटीन को प्रभावी ढंग से बाध्य करने की आवश्यकता होती है। हालांकि, दवाओं को डिजाइन करते समय थैलेपी परिवर्तन और ऊष्मागतिकी मापदंडों का अनुकूलन बेहद मुश्किल होता है। आईटीसी बाइंडिंग एफिनिटी, एन्थैल्पिक/एन्ट्रोपिक योगदान और इसके बाइंडिंग स्टोइकोमेट्री को कम करके इस समस्या का आसानी से निवारण करता है।

चिरल रसायन
ऊपर दिए गए विचारों को लागू करते हुए, इस तकनीक के साथ-साथ ऑर्गेनोमेटेलिक यौगिकों की चिरायता (रसायन विज्ञान) को भी घटाया जा सकता है। प्रत्येक चिराल यौगिक के अपने विशिष्ट गुण और बाध्यकारी तंत्र होते हैं जो एक दूसरे से तुलनीय होते हैं, जिससे ऊष्मागतिकी गुणों में अंतर होता है। एक बाध्यकारी साइट में चिरल समाधानों को बाइंड करके चिरल के प्रकार को कम किया जा सकता है और उद्देश्य के आधार पर, कौन सा चिरल यौगिक बंधन के लिए अधिक उपयुक्त है।

मेटल बाइंडिंग प्रतिच्छेदन
प्रोटीन और जैविक सामग्री के अन्य घटकों के लिए धातु आयनों को बांधना आईटीसी के सबसे लोकप्रिय उपयोगों में से एक है, क्योंकि ओवोट्रांसफेरिन से फेरिक आयरन बाइंडिंग अध्ययन लिन एट अल द्वारा प्रकाशित किया गया है। माइक्रोकैल इंक से यह जैविक प्रणालियों में उपयोग किए जाने वाले कुछ धातु आयनों के कारण d10 है, इलेक्ट्रॉन विन्यास जिसका अध्ययन अन्य सामान्य तकनीकों जैसे यूवी-विज़ स्पेक्ट्रोफोटोमेट्री यूवी-विज़ स्पेक्ट्रोफोटोमेट्री या इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक अनुनाद के साथ नहीं किया जा सकता है। जैविक प्रणालियों में धातु बाध्यकारी एंजाइमों की बड़ी बहुतायत के कारण यह जैव रासायनिक और औषधीय अध्ययनों की निकटता से संबंधित है।

कार्बन नैनोट्यूब और संबंधित सामग्री
जैविक अणुओं और ग्राफीन प्रतिच्छेदन के साथ ऊष्मागतिकी बाइंडिंग प्रतिच्छेदन निर्धारित करने के लिए कार्बन नैनोट्यूब का अध्ययन करने में तकनीक का अच्छी तरह से उपयोग किया गया है। कार्बन नैनोट्यूब के साथ आईटीसी का एक और उल्लेखनीय उपयोग ग्राफीन कम्पोजिट और पॉलीविनायल अल्कोहल (PVA) से कार्बन नैनोट्यूब तैयार करने का अनुकूलन है। पीवीए असेंबली प्रक्रिया को ऊष्मागतिकी रूप से मापा जा सकता है क्योंकि दो अवयवों का मिश्रण एक ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया है, और आईटीसी द्वारा इसकी बाध्यकारी प्रवृत्ति को आसानी से देखा जा सकता है।

यह भी देखें

 * विशिष्ट प्रणाली की स्कैनिंग उष्मामिति
 * दोहरी ध्रुवीकरण इंटरफेरोमेट्री
 * कैलोरीमेट्री
 * दबाव त्रुटि कैलोरीमेट्री
 * सतह प्लासमॉन अनुनाद