hotchpotch/wikipedia-multilingual-ir-pairs huggingface dataset:
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة الأدوات ومبادئ القياس
يجري عادة قياس تدفق الحرارة بالنسبة إلى ملحق مرجعي reference insert، كما هو موضح في الشكل 3. وهي قسيمة معدنية عادةً تكون مستقرة كيميائيًا وفيزيائيًا عند أي درجة حرارة ضمن نطاق تشغيل الجهاز وبالتالي لن تُنتج أو تستهلك الحرارة بنفسها. للحصول على أفضل أداء، يجب أن يكون للمرجع سعة حرارية قريبة من سعة العينة (على سبيل المثال أمبولة IMC بالإضافة إلى المحتويات).
غالبًا ما يجري تشغيل أجهزة IMC التجارية كمقاييس حرارية للتوصيل الحراري (heat conduction hc) حيث تتدفق الحرارة الناتجة عن العينة (أي المادة في أمبولة) إلى المُشتت الحراري، وهو عادةً ما يكون كتلة من الألومنيوم موجودة في منظم حرارة (مثل حمام درجة حرارة ثابتة). كما ذكر أعلاه، فإن جهاز IMC الذي يعمل في وضع التوصيل الحراري ليس متساوي الحرارة بدقة، لأنه توجد بالضرورة فروق صغيرة بين درجة الحرارة المحددة ودرجة حرارة العينة - بحيث يكون هناك تدفق حراري قابل للقياس. ومع ذلك، فإن الاختلافات الصغيرة في درجة حرارة العينة لا تؤثر بشكل كبير على درجة حرارة المشتت الحراري لأن السعة الحرارية للمشتت الحراري أعلى بكثير من العينة - عادة حوالي 100×.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة الأدوات ومبادئ القياس
يحدث نقل الحرارة بين العينة ومُبدد الحرارة من خلال جهاز Peltier-Seebeck، مما يسمح بالقياس الديناميكي للحرارة المنتَجة أو المستهلَكة. في الأجهزة عالية الجودة، تكون درجة حرارة الترموستات/المبدد الحراري دقيقة عادةً إلى أقل من ±0.1 كلفن، ويجري الحفاظ عليها في حدود أقل من ±100 μK/24hr. الدقة التي يجري بها الحفاظ على درجة حرارة المُبدد الحراري بمرور الوقت هي عامل رئيسي في تحديد دقة قياسات تدفق الحرارة بمرور الوقت. تتمثل ميزة وضع التوصيل الحراري hc في النطاق الديناميكي الكبير. التدفقات الحرارية تبلغ حوالي 50000 μW يمكن قياس بدقة تبلغ حوالي ±0.2 μW. وبالتالي، يمكن قياس تدفق حراري أكبر من 0.2 μW فوق خط الأساس اكتشافًا لتدفق الحرارة، على الرغم من أن الكشف الأكثر تحفظًا يبلغ 10 أضعاف حد الدقة يُستخدم في كثير من الأحيان.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة الأدوات ومبادئ القياس
تعمل بعض أجهزة IMC (أو يمكن تشغيلها أيضًا) كمقاييس تعويض الطاقة (power compensation pc). في هذه الحالة، من أجل الحفاظ على العينة عند درجة الحرارة المحددة، يجري تعويض الحرارة المُنتَجة باستخدام جهاز Peltier-Seebeck. يجري تعويض الحرارة المستهلَكة إما عن طريق سخان كهربائي أو عن طريق عكس قطبية الجهاز (van Herwaarden، 2000). إذا جرى تشغيل أداة معينة في وضع تعويض الطاقة بدلاً من وضع التوصيل الحراري، فإن دقة قياس تدفق الحرارة تظل كما هي (على سبيل المثال، ±0.2 μW). تتمثل ميزة وضع التعويض في وجود ثابت زمني أصغر – أي أن الوقت اللازم لاكتشاف نبضة تدفق حراري معينة أقصر بحوالي 10 مرات من وضع التوصيل الحراري. العيب هو أن النطاق الديناميكي يكون أصغر بمقدار 10 مرات مقارنة بوضع التوصيل الحراري.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة الأدوات ومبادئ القياس
بالنسبة للتشغيل في وضع التوصيل الحراري hc أو تعويض الطاقة pc، تُجرى عادةً المعايرة الروتينية في الأجهزة التجارية باستخدام سخانات كهربائية مدمجة. يمكن التحقق من صحة أداء السخانات الكهربائية باستخدام عينات ذات سعة حرارية معروفة أو عينات تُنتج تفاعلات كيميائية يكون إنتاجها الحراري لكل وحدة كتلة معروفًا من الديناميكا الحرارية (Wadsö و Goldberg 2001). في وضع التوصيل الحراري hc أو تعويض الطاقة pc، تكون الإشارة الناتجة عبارة عن جهد قابل للتسجيل بواسطة الحاسوب، ومعاير لتمثيل تدفق الحرارة في نطاق μW للعينة مقابل الوقت. على وجه التحديد، إذا لم توجد تدرجات حرارية كبيرة في العينة، فإن P=eC[U+t(dU/dt)]، حيث P هي تدفق الحرارة (أي μW)، وεC هو ثابت المعايرة، وU هو فرق الجهد المقاس عبر الموضع الحراري، وt هو ثابت الوقت. في ظل ظروف الحالة المستقرة - على سبيل المثال أثناء إطلاق تيار معايرة كهربائية ثابت، يمكن تبسيط ذلك إلى P=eCU. (Wadsö و Goldberg 2001).
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة الأدوات ومبادئ القياس
يمكن إجراء العديد من قياسات IMC المفيدة للغاية في أمبولات محكمة الغلق (الشكل 1) والتي توفر مزايا البساطة والحماية من التلوث و(حيثما لزم الأمر) هامش كبير من السلامة البيولوجية للأشخاص الذين يتعاملون مع الأمبولات أو يتعرضون لها. يمكن أن تحتوي الأمبولة المغلقة على أي تركيبة مرغوبة من المواد الصلبة أو السوائل أو الغازات أو العناصر ذات الأصل البيولوجي. يمكن التحكم في تركيبة الغاز الأولية في مساحة رأس الأمبولة عن طريق إغلاق الأمبولة في بيئة الغاز المطلوبة.
ولكن، هناك أيضًا تصميمات لأجهزة/أمبولات IMC تسمح بالتدفق المتحكم فيه للغاز أو السائل عبر الأمبولة أثناء القياس و/أو التحريك الميكانيكي. بالإضافة إلى ذلك، مع الملحقات المناسبة، يمكن تشغيل بعض أجهزة IMC كأجهزة ITC (قياس السعرات الحرارية بالمعايرة المتساوية الحرارة isothermal titration calorimetry). يمكن تناول موضوع ITC في مكان آخر (انظر قياس السعرات الحرارية بالمعايرة المتساوية الحرارة Isothermal titration calorimetry). بالإضافة إلى ذلك، يمكن لبعض أجهزة IMC تسجيل تدفق الحرارة أثناء تغير درجة الحرارة ببطء (مسحها) بمرور الوقت. يجب أن يكون معدل المسح بطيئًا (حوالي ± 2 °C/h ) من أجل الحفاظ على عينات مقياس IMC (على سبيل المثال بضعة جرامات) قريبة بدرجة كافية من درجة حرارة المشتت الحراري ( أي أقل من 0.1 °C). المسح السريع لدرجة الحرارة هو مجال أجهزة المسح التبايني للسعرات الحرارية (DSC) والتي تستخدم عمومًا عينات أصغر بكثير. يمكن تشغيل بعض أجهزة المسح التبايني DSC في وضع IMC، ولكن حجم الأمبولة الصغيرة (وبالتالي العينة) اللازمة للمسح يحد من فائدة وحساسية أجهزة المسح التبايني DSC المستخدمة في وضع IMC.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة المنهجية الأساسية
يُقاس معدل تدفق الحرارة (μJ/s = μW) عن طريق ضبط منظم حرارة جهاز IMC أولاً على درجة حرارة محددة والسماح لمُبدد الحرارة الخاص بالجهاز بالاستقرار عند تلك الدرجة. إذا ضُبِط جهاز IMC الذي يعمل عند درجة حرارة معينة على درجة حرارة جديدة، فقد يستغرق إعادة الاستقرار عند إعداد درجة الحرارة الجديدة عدة ساعات — أو حتى يومًا كاملاً. كما شُرح أعلاه، فإن تحقيق والحفاظ على درجة حرارة مستقرة بدقة يعد أمرًا أساسيًا لتحقيق قياسات دقيقة لتدفق الحرارة في نطاق μW على مدى فترات زمنية ممتدة (على سبيل المثال أيام).
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة المنهجية الأساسية
بعد تثبيت درجة الحرارة، إذا استُخدمت أمبولة مُجهزة خارجيًا (أو بعض العينات الصلبة ذات أبعاد الأمبولة)، يجري إدخالها ببطء (على سبيل المثال خفضها) في وحدة القياس الخاصة بالأداة، وعادةً ما يحدث ذلك على مراحل. الغرض من ذلك هو التأكد من أنه بحلول الوقت الذي تكون فيه الأمبولة/العينة في وضع القياس، تكون درجة حرارتها قريبة من درجة الحرارة القياسية (يُسمح بفرق في حدود 0.001 درجة مئوية). ويحدث ذلك بحيث يكون أي تدفق حراري يجري قياسه بعد ذلك نتيجة للعمليات في العينة وليس نتيجة لعملية مستمرة لجلب العينة إلى درجة الحرارة المحددة. الوقت اللازم لإدخال العينة في أمبولة IMC سعة 3-20 مل إلى موضع القياس هو تقريبًا 40 دقيقة في العديد من الآلات. وهذا يعني أن تدفق الحرارة من أي عمليات تجري داخل العينة خلال فترة الإدخال لن يجري تسجيله.
إذا استُخدمت أمبولة موضعية، وحُقن بعض العوامل أو العينات، فإن هذا يؤدي أيضًا إلى فترة من عدم الاستقرار، ولكنها في حدود 1 دقيقة. يوضح الشكل 5 أمثلة لكل من الفترة الطويلة اللازمة لتثبيت الجهاز إذا جرى إدخال أمبولة مباشرة، والفترة القصيرة من عدم الاستقرار بسبب الحقن.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة المنهجية الأساسية
بعد عملية الإدخال، يمكن تسجيل تدفق الحرارة للعينة بدقة وبشكل مستمر، للمدة المطلوبة. إن الاستقرار الشديد للأجهزة المخصصة للبحث ( < ±100 μK/24h) يعني أنه يمكن إجراء قياسات دقيقة (وهذا يحدث غالبًا) لفترة تمتد لأيام. نظرًا لأن إشارة تدفق الحرارة قابلة للقراءة بشكل أساسي في الزمن الحقيقي، فهي وسيلة لتحديد ما إذا كان تدفق الحرارة المطلوب لا يزال يحدث أم لا. بالإضافة إلى ذلك، تقوم الأجهزة الحديثة بتخزين بيانات تدفق الحرارة مع الوقت في صورة ملفات حاسوب، وبالتالي فإن العرض الرسومي في الزمن الحقيقي والاسترجاعي والتحليل الرياضي للبيانات أمر ممكن.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة قابلية الاستخدام
كما هو موضح أدناه، تتمتع أجهزة IMC بالعديد من المزايا كطريقة لتحليل العمليات، ولكن هناك أيضًا بعض التحذيرات التي يجب الانتباه إليها.
يمكن دراسة أي عملية معدل تغير إذا كانت العينات تتناسب مع الأبعاد الهندسية لجهاز IMC، وتستمر بمعدلات مناسبة لمنهجية IMC (انظر أعلاه). كما هو موضح أدناه تطبيقات، يُستخدم IMC لقياس نطاق واسع للغاية من عمليات معدل التغير في المختبر - على سبيل المثال استقرار الحالة الصلبة للبوليمرات (Hardison et al. 2003) لمعرفة فعالية المركبات الدوائية ضد الديدان الطفيلية (Maneck et al. 2011). يمكن لجهاز IMC أيضًا تحديد المعدل الإجمالي للتفاعلات غير المحددة أو المعقدة أو المتعددة (Lewis & Daniels). وهذا مفيد بشكل خاص للفحص المقارن - على سبيل المثال تأثير مجموعات مختلفة من تركيب المواد و/أو عمليات التصنيع على الاستقرار الفيزيائي والكيميائي العام.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة قابلية الاستخدام
يمكن الحصول على بيانات تدفق الحرارة من جهاز IMC على هيئة تقلبات في الجهد مقابل الوقت، وتخزينها على هيئة ملفات حاسوب ويمكن عرضها بشكل أساسي في الزمن الحقيقي — أثناء حدوث عملية التغير. حيث ييكون الجهد المرتبط بتدفق الحرارة مستمرًا بمرور الوقت، ولكن في الأجهزة الحديثة لا يحدث قياس مستمر مع الزمن وإنما تُؤخذ عينات من القياسات عادةً رقميًا. يمكن التحكم في تردد أخذ العينات الرقمية حسب الحاجة - أي أخذ عينات متكررة من تغيرات تدفق الحرارة السريعة للحصول على دقة زمنية أفضل أو أخذ عينات أبطأ من التغييرات البطيئة من أجل الحد من حجم ملف البيانات.
تعتبر أجهزة IMC حساسة بدرجة كافية للكشف عن التفاعلات وقياسها في أوقات قصيرة (ساعات، أيام) والتي تستهلك فقط نسبة قليلة من المتفاعلات على مدى فترات طويلة (أشهر). وبالتالي، يتجنب جهاز IMC الانتظار الطويل اللازم غالبًا حتى يتراكم ما يكفي من مُنتَج التفاعل للاختبارات التقليدية (مثل الكيميائية). ينطبق هذا على العينات الفيزيائية والبيولوجية على حد سواء (انظر التطبيقات).
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة قابلية الاستخدام
في كل مجموعة من متغيرات العينة ودرجة الحرارة المحددة المطلوبة، يوفر جهاز IMC تحديدًا مباشرًا لحركية تدفق الحرارة ومعدل الحرارة التراكمي للعمليات. يؤدي هذا إلى تجنب أي حاجة إلى افتراض أن عملية التغير تظل كما هي عند تغيير درجة الحرارة أو المتغيرات الأخرى التي يجري التحكم فيها قبل قياس IMC.
لإجراء مقارنات بين تأثير المتغيرات التجريبية (على سبيل المثال التركيزات الأولية) على عمليات التغيير، لا يتطلب جهاز IMC تطوير واستخدام طرق التحليل الكيميائية أو غيرها من الطرق. إذا كانت هناك حاجة إلى بيانات مطلقة (على سبيل المثال كمية المُنتَج الناتج بواسطة عملية ما)، فيمكن إجراء الاختبارات بالتوازي على عينات مطابقة لتلك المستخدمة في جهاز IMC (و/أو على عينات IMC بعد تشغيلات IMC). تُستخدم بيانات التحليل الناتجة لمعايرة بيانات معدل التغير التي نحصل عليها بواسطة جهاز IMC.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة قابلية الاستخدام
لا يتطلب جهاز IMC إضافة علامات (على سبيل المثال، المواد الفلورية أو المشعة) لالتقاط عمليات معدل التغير. يمكن استخدام العينات غير المغشوشة، وبعد تشغيل IMC، تظل العينة دون تغيير (باستثناء العمليات التي حدثت). يمكن إخضاع العينة بعد IMC لأي نوع من التقييم الفيزيائي أو الكيميائي أو المورفولوجي أو أي تقييم آخر ذي أهمية.
كما هو موضح في وصف المنهجية، عندما يُستخدم طريقة IMC لإدخال أمبولة محكمة الغلق، فإنه من غير الممكن التقاط تدفق الحرارة لمدة 40 دقيقة أثناء إدخال العينة ببطء إلى درجة الحرارة المحددة. لذلك، في هذا الوضع، يكون جهاز IMC هو الأنسب لدراسة العمليات التي تبدأ ببطء أو تحدث ببطء عند درجة حرارة معينة. ينطبق هذا التحذير أيضًا على الوقت قبل الإدخال - أي الوقت المنقضي بين تحضير العينة (حيث قد تبدأ عملية معدل التغير) وبدء عملية إدخال IMC (Charlebois et al. 2003). يجري عادةً تقليل هذا التأثير الأخير إذا كانت درجة الحرارة المختارة لجهاز أعلى بشكل كبير (على سبيل المثال 37 درجة مئوية) من درجة الحرارة التي يجري بها تحضير العينة (على سبيل المثال 25 درجة مئوية).
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة قابلية الاستخدام
يلتقط جهاز IMC إجمالي إنتاج أو استهلاك الحرارة الناتجة عن جميع العمليات التي تجري داخل العينة، بما في ذلك على سبيل المثال:
لذلك، يجب توخي عناية كبيرة في التخطيط والتصميم التجريبي لتحديد جميع العمليات المحتملة التي قد تحدث. غالبًا ما يكون من الضروري تصميم وإجراء دراسات أولية تهدف إلى تحديد ما إذا كانت هناك عمليات متعددة تحدث بشكل منهجي متزامن، وإذا كان الأمر كذلك، فما هي مساهماتها في تدفق الحرارة الكلي. إحدى الاستراتيجيات، من أجل القضاء على بيانات تدفق الحرارة غير ذات الصلة، هي مقارنة تدفق الحرارة لعينة تجري فيها عملية معدل التغير المطلوبة مع تدفق عينة فارغة تتضمن كل شيء في العينة المطلوبة - باستثناء العنصر الذي سيخضع لعملية معدل التغير المطلوبة. يمكن إنجاز ذلك بشكل مباشر باستخدام أجهزة تحتوي على وحدات IMC مزدوجة الاتجاه والتي تُظهر فرق التدفق الحراري الصافي بين أمبولتين.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
بعد مناقشة بعض المصادر الخاصة بمعلومات تطبيقات جهاز IMC، وُجد أنه يُغطي العديد من الفئات المحددة لتحليل عمليات معدل التغير، وفيما يلي مناقشة لبعض الأمثلة الحديثة (مع المراجع المنشورة) في كل فئة.
تسرد قائمة الفهرس أربعة مجلدات موسعة من كتاب دليل التحليل الحراري والسعرات الحرارية: المجلد-1 المبادئ والممارسة (1998)، المجلد-2 تطبيقات على المواد غير العضوية والمتنوعة (2003)، المجلد-3 تطبيقات على البوليمرات والبلاستيك (2002)، والمجلد-4 من الجزيئات الكبيرة إلى الإنسان (1999). تشكل هذه المصادر مصدرًا رئيسيًا للمعلومات (والمراجع المنشورة) حول أمثلة لتطبيقات IMC المنشورة قبل عام 2000.
قام بعض مصنعي أجهزة IMC بتجميع ملاحظات التطبيق وجعلها متاحة للجمهور. الملاحظات في كثير من الأحيان (ولكن ليس دائمًا) هي تعديلات لأوراق بحثية من المجلات. ومن الأمثلة على ذلك كتاب Microcalorimetry Compendium المجلد I و II من إصدار TA Instruments، Inc. وهو مذكور في قائمة المراجع.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
"البروتينات" القسم الأول من الملاحظات في المجلد I، لا يهم هنا، لأنه يصف الدراسات التي تستخدم قياس السعرات الحرارية بالمعايرة المتساوية الحرارة ITC. بينما الأقسام اللاحقة من المجلد I فتحتوي على أمثلة من سلسلة العلوم الحياتية والبيولوجية والصيدلانية وملاحظات تطبيقية لكل من IMC وقياس السعرات الحرارية التباينية. المجلد II من الكتاب مخصص بالكامل تقريبًا لتطبيقات IMC. وتحمل أقسامه عناوين: الأسمنت، والطاقة، والمواد، وغيرها. لكن يوجد عيب في هاذين المجلدين المحددين هو أن الملاحظات غير مؤرخة. على الرغم من أن هذه الملخصات نُشرت في عام 2009، فإن بعض الملاحظات تصف أدوات IMC التي كانت قيد الاستخدام منذ سنوات ولم تعد متاحة. وهكذا، فإن بعض الملاحظات، رغم أهميتها وفوائدها، تصف في كثير من الأحيان دراسات أجريت قبل عام 2000.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
بشكل عام، فإن التطبيقات الممكنة لجهاز IMC يحددها الشخص الذي يختار استخدام الجهاز كأداة تحليلية - ضمن القيود الموصوفة سابقًا والتي تقدمها أدوات ومنهجية IMC الحالية. وذلك لأنه وسيلة عالمية لمراقبة أي عملية كيميائية أو فيزيائية أو بيولوجية. فيما يلي بعض فئات تطبيقات IMC مع أمثلة لكل منها. في معظم الفئات، يوجد عدد أكبر بكثير من الأمثلة المنشورة من تلك المذكورة والمشار إليها. الفئات حادة إلى حد ما، وغالبا ما تتداخل. ربما يكون من المنطقي وجود مجموعة مختلفة من الفئات، ومن الممكن إضافة المزيد من الفئات.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
تُستخدم أجهزة IMC على نطاق واسع لدراسة معدلات تكوين مجموعة متنوعة من المواد من خلال عمليات مختلفة. من الأفضل دراسة العمليات التي تحدث ببطء، أي على مدى ساعات أو أيام. ومن الأمثلة البارزة على ذلك دراسة تفاعلات الترطيب والتصلب لصيغ الأسمنت المعدني الكالسيوم. تقدم إحدى الورقات البحثية نظرة عامة لذلك (Gawlicki، et al. 2010) وتصف ورقة أخرى نهجًا بسيطًا (Evju 2003). تركز دراسات أخرى على الرؤى المتعلقة بترطيب الأسمنت التي توفرها تقنية IMC جنبًا إلى جنب مع التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (Ylmen et al. 2010) وعلى استخدام تقنية IMC لدراسة تأثير المتغيرات التركيبية على ترطيب الأسمنت وأوقات التصلب (Xu et al. 2011).
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
يمكن أيضًا استخدام IMC بسهولة لدراسة معدل وكمية الترطيب (في الهواء ذي الرطوبة المعروفة) للمعادن الكالسيومية أو المعادن الأخرى. لتوفير هواء ذو رطوبة معروفة لمثل هذه الدراسات، يمكن وضع حاويات صغيرة من المحاليل الملحية المشبعة في أمبولة جهاز IMC مع عينة معدنية غير مائية. وبعد ذلك تُغلق الأمبولة ونقوم بإدخالها إلى جهاز IMC. يحافظ محلول الملح المشبع على الهواء داخل الأمبولة عند درجة رطوبة نسبية معروفة rH، وتوفر محاليل الملح الشائعة المختلفة رطوبة تتراوح من 32% إلى 100% rH. أُجريت مثل هذه الدراسات على جزيئات هيدروكسيباتيت الكالسيوم بحجم ميكرومتر وجزيئات "نانو" زجاجية نشطة بيولوجيًا تحتوي على الكالسيوم (Doostmohammadi et al. 2011).
تعتبر أجهزة IMC مناسبة تمامًا لقياس معدلات التغيرات البطيئة في المواد بسرعة (Willson et al. 1995). تُوصف مثل هذه التقييمات بشكل مختلف على أنها دراسات للاستقرار، أو التدهور، أو مدة الصلاحية.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
على سبيل المثال، يُستخدم IMC على نطاق واسع لسنوات عديدة في دراسات العمر الافتراضي لمستحضرات الأدوية الصلبة في صناعة الأدوية (Pikal et al. 1989، Hansen et al. 1990، Konigbauer et al. 1992.) تتمتع أجهزة IMC بالقدرة على اكتشاف التحلل البطيء أثناء محاكة التخزين على الرفوف في وقت أسرع كثيرًا من الطرق التحليلية التقليدية ودون الحاجة إلى استخدام تقنيات التحليل الكيميائي. تُعد أجهزة IMC أيضًا طريقة سريعة وحساسة لتحديد المحتوى غير المتبلور الذي غالبًا ما يكون مهمًا وظيفيًا للأدوية مثل نيفيديبين (Vivoda et al. 2011).
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
مكن استخدام IMC لتحديد معدل التغيرات البطيئة في البوليمرات الصناعية بسرعة. على سبيل المثال، من المعروف أن استخدام أشعة غاما لتعقيم مادة تُستخدم بشكل متكرر في عمليات زرع الأعضاء الجراحية - البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي ‏ (UHMWPE) - يؤدي إلى إنتاج جذور حرة في البوليمر. وتكون النتيجة هي الأكسدة البطيئة والهشاشة التدريجية غير المرغوب فيها للبوليمر عند التخزين على الرف أو داخل الجسم. يمكن لجهاز IMC اكتشاف الحرارة المرتبطة بالأكسدة وتحديد معدل الأكسدة بحوالي 1% سنويًا في البولي إيثيلين UHMWPE المشع في درجة حرارة الغرفة في الهواء (Charlebois et al. 2003). في دراسة ذات صلة، أمكن تحديد طاقة التنشيط من خلال القياسات عند سلسلة من درجات الحرارة (Hardison et al. 2003).
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
كما أن أجهزة IMC مفيدة للغاية في تقييم "جهد الهروب runaway potential" للمواد التي تشكل مخاطر كبيرة للحرائق أو الانفجار. على سبيل المثال، فقد استُخدم لتحديد حركية التحفيز الذاتي لبيروكسيد الكومين ‏ (CHP)، وهو وسيط يستخدم في الصناعة الكيميائية والذي تسبب تحلله المفاجئ في عدد من الحرائق والانفجارات. الشكل 4 يوضح بيانات IMC التي توثق التحلل الحراري لبيروكسيد الكومين ‏ CHP عند 5 درجات حرارة مختلفة (Chen et al. 2008).
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
يمكن استخدام مصطلح علم الأيض metabolismics لوصف دراسات القياس الكمي لمعدل إنتاج الحرارة أو استهلاكها مقابل الوقت بواسطة الخلايا (بما في ذلك الميكروبات) في المزرعة، أو بواسطة عينات الأنسجة، أو بواسطة الكائنات الحية الصغيرة الكاملة. كما هو موضح لاحقًا، يمكن أن يكون علم التمثيل الغذائي مفيدًا كأداة تشخيصية؛ وخاصةً في (أ) تحديد طبيعة العينة من تدفق الحرارة مقابل الزمن في ظل مجموعة معينة من الظروف، أو (ب) تحديد تأثيرات المركبات الصيدلانية، على سبيل المثال، على العمليات الأيضية أو النمو العضوي أو القدرة على البقاء. يرتبط علم الأيض بعلم الميتابولوميات metabolomics. أما الأخير فهو الدراسة المنهجية للبصمات الكيميائية الفريدة التي تتركها العمليات الخلوية المحددة وراءها؛ أي دراسة ملفات تعريف نواتج الأيض الجزيئية الصغيرة. عندما يُستخدم IMC لتحديد التمثيل الغذائي، فإن منتجات العمليات الأيضية المدروسة تكون متاحة لاحقًا للدراسات الميتابولومياتية. نظرًا لأن IMC لا يستخدم علامات كيميائية حيوية أو مشعة، فإن العينات التي يجري جمعها بعد IMC تتكون فقط من المنتجات الأيضية ووسط المزرعة المتبقي (إذا استُخدم أي منها). إذا استُخدم علم التمثيل الغذائي وعلم الميتابولوميات معًا، فيمكنهما توفير سجل شامل لعملية التمثيل الغذائي التي تحدث في المختبر: معدلها وطاقتها ومنتجاتها الأيضية.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
لتحديد التمثيل الغذائي باستخدام IMC، يجب بالطبع أن يكون هناك ما يكفي من الخلايا أو الأنسجة أو الكائنات الحية الموجودة في البداية (أو موجودة لاحقًا إذا كان التضاعف يحدث أثناء قياسات IMC) لتوليد إشارة تدفق حراري أعلى من حد اكتشاف جهاز معين. قدمت ورقة بحثية عامة بارزة صدرت عام 2002 حول موضوع التمثيل الغذائي منظورًا ممتازًا يمكن من خلاله النظر في الدراسات الأيضية لـ IMC (انظر المراجع، West، Woodruff and Brown 2002). يصف كيف ترتبط معدلات التمثيل الغذائي وكيفية تدرجها على النطاق الكامل من "الجزيئات والميتوكوندريا إلى الخلايا والثدييات". ومن المهم بالنسبة لـ IMC أن المؤلفين لاحظوا أيضًا أنه في حين ينخفض معدل التمثيل الغذائي لنوع معين من الخلايا الثديية في الجسم الحي بشكل ملحوظ مع زيادة حجم الحيوان (الكتلة)، فإن حجم الحيوان المانح ليس له تأثير على معدل التمثيل الغذائي للخلية عند زراعته في المختبر.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
تتمتع الخلايا الثديية في المزرعة بمعدل أيضي يبلغ حوالي 30×10 −12 واط/خلية (الشكلان 2 و3 في المراجع: ويست، وودروف وبراون 2002). حسب التعريف، تتمتع أجهزة IMC بحساسية لا تقل عن 1×10−6 W (أي 1 μW). لذلك، فإن الحرارة الأيضية لقرابة 33000 خلية يُمكن اكتشافها. وبناءً على هذه الحساسية، فقد استُخدمت أجهزة IMC لإجراء عدد كبير من الدراسات الرائدة حول عملية التمثيل الغذائي للخلايا الثديية المزروعة في سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين في السويد. تعتبر إحدى الأوراق البحثية (Monti 1990) هي دليل موسع للعمل الذي تم إنجازه حتى عام 1990. وتحتوي على نص توضيحي و42 مرجعًا لدراسات IMC لتدفق الحرارة من كريات الدم الحمراء والصفائح الدموية واللمفاويات وخلايا الليمفوما والحبيبات والخلايا الدهنية والعضلات الهيكلية والأنسجة العضلية القلبية البشرية المزروعة. أجريت الدراسات لتحديد كيفية وأين يمكن استخدام IMC كطريقة تشخيصية سريرية و/أو تقديم رؤى حول الاختلافات الأيضية بين الخلايا من الأشخاص الأصحاء والأشخاص الذين يعانون من أمراض مختلفة أو مشاكل صحية.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
أدت التطورات التي حدثت في مجال أجهزة IMC منذ عام 2000 (على سبيل المثال، الأجهزة المتوازية الضخمة، والتخزين والتحليل المستند إلى الحاسوب في الزمن الحقيقي لبيانات تدفق الحرارة) إلى تحفيز المزيد من استخدام IMC في علم الأحياء الخلوية المزروعة. على سبيل المثال، استُخدم IMC لتقييم تكاثر الخلايا الليمفاوية المستحث بالمستضد (Murigande et al. 2009) وكشف عن جوانب من التكاثر لم يُمكن رؤيتها باستخدام طريقة اختبار العلامة المشعة غير المستمرة التقليدية. وقد أمكن تطبيق IMC أيضًا في مجال هندسة الأنسجة. أظهرت إحدى الدراسات (Santoro et al. 2011) أنه يمكن استخدام IMC لقياس معدل النمو (أي الانتشار) في مزرعة الخلايا الغضروفية البشرية المحصودة لاستخدامها في هندسة الأنسجة. وأظهرت الدراسة أن تقنية IMC يمكن أن تساعد في تحديد فعالية تركيبات وسائط النمو المختلفة، وكذلك تحديد ما إذا كانت الخلايا التي يتبرع بها فرد معين يمكن زراعتها بكفاءة كافية للنظر في استخدامها لإنتاج الأنسجة الهندسية.
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
كما استُخدم IMC لقياس الاستجابة الأيضية للخلايا البلعمية المزروعة لبقايا التآكل الناتجة عن الغرسات الجراحية. أظهرت IMC أن الاستجابة كانت أقوى لجزيئات البولي إيثيلين ذات النطاق الحجمي ميكرومتر مقارنة بجزيئات سبائك الكوبالت ذات الحجم المماثل (Charlebois et al. 2002). تتناول ورقة بحثية ذات صلة الموضوع العام لتطبيق IMC في مجال المواد الصلبة الاصطناعية المستخدمة في الجراحة والطب (لويس ودانييلز 2003).
أشارت دراستان على الأقل إلى أن جهاز IMC يمكن أن يكون له استخدام كبير في علم أمراض الأورام. في إحدى الدراسات (Bäckman 1990)، أمكن قياس معدل إنتاج الحرارة لخلايا الليمفوما التائية T-lymphoma cells المزروعة في المعلق. لقد أدت التغيرات في درجة الحرارة ودرجة الحموضة إلى حدوث اختلافات كبيرة، ولكن معدل التحريك وتركيز الخلايا لم يُحدثا أي اختلافات. وقد أسفرت دراسة أكثر مباشرة للاستخدام التشخيصي المحتمل (Kallerhoff et al. 1996) عن نتائج واعدة. بالنسبة لعينات خزعة أنسجة الجهاز البولي التناسلي التي تمت دراستها، أظهرت النتائج:
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
اعتبارًا من عام 2012، لم يُستخدم IMC على نطاق واسع في علم سموم الخلايا المزروعة على الرغم من أنه قد استُخدم بشكل دوري وناجح منذ الثمانينيات. يُعد التصوير المقطعي المحوسب مفيدًا في علم السموم عندما يكون مطلوب مراقبة عملية التمثيل الغذائي للخلايا المزروعة في الزمن الحقيقي وتحديد معدل التدهور الأيضي كدالة لتركيز عامل سام محتمل. كان أحد أقدم التقارير (Ankerst et al. 1986) حول استخدام IMC في علم السموم هو دراسة السمية الخلوية المعتمدة على الأجسام المضادة (ADCC) ضد خلايا الورم الميلانيني البشري من مجموعات مختلفة من المصل المضاد والأجسام المضادة وحيدة النسيلة وكذلك الخلايا الليمفاوية في الدم المحيطي كخلايا مؤثرة. أمكن قياس حركية تدفق الحرارة الأيضية لخلايا الورم الميلانيني مقابل الوقت في أمبولات مغلقة لمدة 20 ساعة. واستنتج المؤلفون أن:
مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة التطبيقات
يُستخدم IMC أيضًا في علم السموم البيئية. في دراسة مبكرة (Thorén 1992) أمكن تقييم السمية في الطبقات الأحادية من الخلايا البلعمية السنخية alveolar لجزيئات MnO2 و TiO2 و SiO2 (السيليكا). وكانت نتائج IMC متوافقة مع النتائج التي حُصل عليها عن طريق تلطيخ إستر الفلوريسين وتحليل الصور المجهرية - باستثناء أن نتائج IMC أظهرت تأثيرات سامة للكوارتز لا يمكن تمييزها عن طريق تحليل الصور. وأشارت الملاحظة الأخيرة - والتي تتفق مع التأثيرات السنخية المعروفة - إلى أن استخدام IMC كانت تقنية أكثر حساسية.
في الآونة الأخيرة (Liu et al. 2007)، أمكن إثبات أن أجهزة IMC توفر بيانات أيضية ديناميكية لتقييم السمية في الخلايا الليفية لـ Cr(VI) من كرومات البوتاسيوم. يوضح الشكل 5 النتائج الأساسية التي تحدد تدفق الحرارة الأيضية من الخلايا الليفية المزروعة قبل تقييم تأثيرات Cr(VI). واستنتج المؤلفون أن: