مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة

مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة (Isothermal microcalorimetry IMC) هو طريقة معملية للمراقبة في الوقت الحقيقي والتحليل الديناميكي للعمليات الكيميائية والفيزيائية والبيولوجية. على مدى ساعات أو أيام، يحدد الجهاز بداية ومعدل ومدى وطاقات مثل هذه العمليات للعينات الموجودة في أمبولات صغيرة (على سبيل المثال 3-20 مل) عند درجة حرارة ثابتة (من 15 إلى 150 درجة مئوية °C).

ينجز الجهاز هذا التحليل الديناميكي عن طريق قياس وتسجيل معدل التدفق الحراري الصافي (μJ/s = μW) إلى أو من أمبولة العينة، والكمية التراكمية للحرارة (J) المستهلكة أو المنتجة، مقابل الوقت المنقضي.

يُعد الجهاز أداة تحليلية قوية ومتعددة الاستخدامات لأربعة أسباب وثيقة الصلة هي:

 جميع العمليات الكيميائية والفيزيائية إما أن تكون طاردة للحرارة أو ماصة للحرارة - تُنتج أو تستهلك الحرارة.
 معدل تدفق الحرارة يتناسب طرديا مع معدل العملية التي تحدث.
 إن الجهاز حساس بدرجة كافية لاكتشاف ومتابعة العمليات البطيئة (التفاعلات التي تحدث بسرعة قليلة، نسبة صغيرة سنويًا) في بضعة جرامات من المادة، أو العمليات التي تولد كميات ضئيلة من الحرارة (على سبيل المثال عملية التمثيل الغذائي لبضعة آلاف من الخلايا الحية).
 تتمتع أجهزة IMC عمومًا بنطاق ديناميكي ضخم - حيث يصل تدفق الحرارة إلى حوالي 1  μW حتى 50,000 μW يمكن قياسها بواسطة نفس الجهاز.

وبالتالي فإن طريقة الجهاز لدراسة معدلات العمليات قابلة للتطبيق على نطاق واسع، وتوفر بيانات مستمرة في الزمن الحقيقي، كما أنها حساسة. إن هذا القياس سهل التنفيذ، ويحدث دون مراقبة ولا يسبب أي تداخل (على سبيل المثال، لا توجد حاجة إلى علامات فلورية أو مشعة).

ومع ذلك، هناك تحذيران رئيسيان يجب مراعاتهما عند استخدام الجهاز وهما:

 البيانات المفقودة: إذا استُخدمت أمبولات العينات المعدة خارجيًا، يستغرق الأمر حوالي 40 دقيقة لإدخال الأمبولة ببطء إلى الجهاز دون حدوث أي اضطراب كبير في درجة الحرارة المحددة في وحدة القياس. وبالتالي، لا يجري مراقبة أي عمليات تحدث خلال هذا الوقت.
 البيانات غير ذات الصلة Extraneous data: يسجل الجهاز إجمالي تدفق الحرارة الصافي الناتج أو المستهلَك بواسطة جميع العمليات التي تجري داخل الأمبولة. لذلك، من أجل التأكد من العملية أو العمليات التي تُنتج تدفق الحرارة المُقاس، يجب توخي عناية كبيرة في كل من التصميم التجريبي وفي الاستخدام الأولي للاختبارات الكيميائية والفيزيائية والبيولوجية ذات الصلة، حتى يكون ناتج القياس مُعبرًا عن العملية المطلوب قياسها وليس غيرها.

بشكل عام، فإن التطبيقات الممكنة لالجهاز كثيرة، ويحددها الشخص الذي يختار استخدامها كأداة تحليلية والقيود المادية للطريقة. بالإضافة إلى القيود العامة (التحذيرات الرئيسية) الموصوفة أعلاه، تتضمن هذه القيود حجم العينة والأمبولة، ودرجات الحرارة التي يمكن إجراء القياسات عندها. عادةً ما يكون الجهاز هو الأنسب لتقييم العمليات التي تحدث على مدار ساعات أو أيام. لقد استُخدم الجهاز في مجموعة واسعة للغاية من التطبيقات، وجرى مناقشة العديد من الأمثلة في هذه المقالة، مدعومة بالمراجع للأبحاث المنشورة. وتتراوح التطبيقات التي جرى مناقشتها من قياس التحلل التأكسدي البطيء للبوليمرات وعدم استقرار المواد الكيميائية الصناعية الخطرة إلى الكشف عن البكتيريا في البول وتقييم آثار الأدوية على الديدان الطفيلية. إن التركيز الحالي في هذه المقالة هو على تطبيقات النوع الأخير - علم الأحياء والطب.

 نظرة عامة 
 التعريف والغرض والنطاق 
القياس الحراري هو علم قياس حرارة التفاعلات الكيميائية أو التغيرات الفيزيائية. يُجرى القياس الحراري باستخدام جهاز القياس الحراري (مُسَعِّر).

جهاز القياس الحراري الدقيق المتساوي الحرارة (جهاز IMC) هو طريقة معملية لقياس معدل تدفق الحرارة (μJ/s = μW) والكمية التراكمية للحرارة (J) المُستهلَكة أو المُنتَجة في درجة حرارة ثابتة بشكل أساسي بواسطة عينة موضوعة في الجهاز، وذلك في الزمن الحقيقي وبشكل مستمر. تنتج هذه الحرارة عن تغيرات كيميائية أو فيزيائية تحدث في العينة. يتناسب تدفق الحرارة مع المعدل الإجمالي للتغيرات التي تحدث في وقت معين. إن الحرارة الكلية المُنتَجة خلال فترة زمنية معينة تتناسب طرديا مع الكمية التراكمية للتغيرات الكلية التي حدثت.

وبالتالي، فإن الجهاز هو وسيلة للتقييم الديناميكي الكمي لمعدلات وطاقات مجموعة واسعة من عمليات المعدلات، بما في ذلك العمليات البيولوجية. تُعرَّف عملية المعدل هنا على أنها تغير فيزيائي و/أو كيميائي يمكن وصف تقدمه بمرور الوقت إما تجريبياً أو من خلال نموذج رياضي (المراجع : Glasstone، et al. 1941 وJohnson، et al. 1974 ومعادلة معدل التفاعل).

الاستخدام الأبسط لجهاز IMC هو اكتشاف حدوث عملية معدل واحدة أو أكثر في عينة لأن الحرارة يتم إنتاجها أو استهلاكها بمعدل أكبر من حد الكشف للجهاز المستخدم. يمكن أن يكون هذا مفيدًا، على سبيل المثال، كمؤشر عام على أن المادة الصلبة أو السائلة ليست خاملة ولكنها تتغير عند درجة حرارة معينة. في العينات البيولوجية التي تحتوي على وسط نمو، فإن ظهور إشارة تدفق الحرارة المتزايدة والقابلة للكشف بمرور الوقت هو مؤشر عام بسيط لوجود نوع ما من الخلايا المتكاثرة.

تصغير|يسار|120 px|مثال على أمبولة سعة 4 مل لدراسات IMC. الشكل 1

ومع ذلك، بالنسبة لمعظم التطبيقات، من المهم للغاية معرفة، بطريقة ما، ما هي العملية أو العمليات التي يجري قياسها من خلال مراقبة تدفق الحرارة. بشكل عام، يستلزم هذا أولاً الحصول على معرفة فيزيائية وكيميائية وبيولوجية مفصلة للعناصر الموضوعة في أمبولة جهاز IMC قبل وضعها في الجهاز لتقييم تدفق الحرارة بمرور الوقت. ومن الضروري أيضًا تحليل محتويات الأمبولة بعد إجراء قياسات جهاز IMC لتدفق الحرارة لفترة زمنية واحدة أو أكثر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الاختلافات القائمة على المنطق في محتويات الأمبولة لتحديد المصدر أو المصادر المحددة لتدفق الحرارة. عندما يجري إنشاء علاقة معدل العملية وتدفق الحرارة، يصبح من الممكن الاعتماد بشكل مباشر على بيانات جهاز IMC.

ن ما يمكن لجهاز IMC قياسه في الممارسة العملية يعتمد جزئيًا على أبعاد العينة، وهي مقيدة بالضرورة بتصميم الجهاز. تقبل الأداة التجارية المعينة عادةً عينات يصل قطرها وارتفاعها إلى حد ثابت. الأجهزة التي تقبل العينات ذات الأبعاد التي يصل قطرها إلى حوالي 1 أو 2 سم وارتفاعها قرابة 5 سم تُعد أجهزة نموذجية. في جهاز معين، عادةً ما تُنتِج عينات أكبر من نوع معين إشارات تدفق حراري أكبر، وهذا من شأنه أن يعزز الكشف والدقة.

في كثير من الأحيان، تكون العينات هي أمبولات أسطوانية بسيطة بحجم من 3 إلى 20 مل (الشكل 1) تحتوي على مواد يكون مُعدَّل حدوث عملياتها هو موضع الدراسة - مثل المواد الصلبة، والسوائل، والخلايا المزروعة — أو أي تركيبة من هذه العناصر أو غيرها من العناصر المتوقع أن تؤدي إلى إنتاج أو استهلاك الحرارة. يمكن إجراء العديد من قياسات جهاز IMC المفيدة باستخدام أمبولات مغلقة بسيطة، وتعتبر أمبولات الزجاج شائعة الاستخدام لأن الزجاج ليس عرضة للخضوع لتغيرات كيميائية أو فيزيائية بسبب الحرارة. ومع ذلك، يُستخدم في بعض الأحيان أمبولات معدنية أو بوليمرية. كما تتوفر أنظمة الأجهزة/الأمبولات التي تسمح بالحقن أو التحكم في تدفق الغازات أو السوائل و/أو توفير التحريك الميكانيكي للعينة.

تسمح أجهزة IMC التجارية بقياس تدفق الحرارة عند درجات حرارة تتراوح من حوالي 15 درجة درجة مئوية حتى 150 درجة مئوية. قد يكون النطاق لأداة معينة مختلفًا بعض الشيء.

تعتبر أجهزة IMC حساسة للغاية - على سبيل المثال، يمكن الكشف عن الحرارة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية البطيئة في العينات التي تزن بضعة جرامات، والتي تحدث بمعدلات استهلاك للمتفاعلات تبلغ بضعة في المائة سنويًا، ويمكن تحديد كميتها في غضون أيام. وتشمل الأمثلة الأكسدة التدريجية لمواد الزرع البوليمرية ودراسات العمر الافتراضي لمستحضرات الأدوية الصيدلانية الصلبة (التطبيقات: المواد الصلبة).

يمكن أيضًا قياس معدل إنتاج الحرارة الأيضية، على سبيل المثال، لبضعة آلاف من الخلايا الحية أو الكائنات الحية الدقيقة أو الكائنات الأولية في المزرعة في أمبولة جهاز IMC. يمكن ربط كمية هذه الحرارة الأيضية (من خلال التجارب) بعدد الخلايا أو الكائنات الحية الموجودة. وبالتالي، يمكن استخدام بيانات جهاز IMC لمراقبة عدد الخلايا أو الكائنات الحية الموجودة في الزمن الحقيقي ومعدل النمو الصافي أو الانخفاض في هذا العدد (التطبيقات: علم الأحياء والطب).

على الرغم من مناقشة بعض التطبيقات غير البيولوجية لجهاز IMC (التطبيقات: المواد الصلبة)، فإن التركيز الحالي في هذه المقالة هو على استخدام جهاز IMC فيما يتعلق بالعمليات البيولوجية (التطبيقات: علم الأحياء والطب).

 البيانات التي نحصل عليها 
تصغير|يسار|330 px|رسم بياني لبيانات جهاز IMC لعملية طاردة للحرارة، في أمبولة محكمة الغلق حيث تبدأ العملية (وبالتالي تدفق الحرارة) وتتسارع وتصل إلى الذروة ثم تهدأ. يوجد أسفل مخطط تدفق الحرارة مخطط يوضح تكامل بيانات تدفق الحرارة لإعطاء الحرارة المتراكمة مقابل الوقت. كما هو موضح بيانياً، يمكن حساب مدة مرحلة التأخر ومعدل توليد الحرارة الأقصى (معدل النمو) من البيانات المتكاملة (Howell, et al. 2011. مستخدم بإذن الناشر). الشكل 2

يظهر عرض رسومي لنوع شائع من بيانات جهاز IMC في الشكل 2. في الأعلى يوجد رسم بياني لتدفق الحرارة المسجل (μJ/s = μW) مقابل الوقت من عينة في أمبولة محكمة الغلق، بسبب عملية طاردة للحرارة تبدأ وتتسارع وتصل إلى ذروة تدفق الحرارة ثم تهدأ. تعتبر مثل هذه البيانات مفيدة بشكل مباشر (على سبيل المثال، الكشف عن عملية ومدتها في ظل ظروف ثابتة)، ولكن يمكن أيضًا تقييم البيانات بسهولة رياضيًا لتحديد معاملات العملية. على سبيل المثال، يوضح الشكل 2 أيضًا تكامل بيانات تدفق الحرارة، مما يعطي الحرارة المتراكمة (J) مقابل الوقت. كما هو موضح، يمكن حساب معاملات مثل معدل النمو الأقصى (توليد الحرارة) للعملية، ومدة مرحلة التأخير قبل أن تصل العملية إلى الحد الأقصى للحرارة من البيانات المتكاملة. يمكن إجراء الحسابات تلقائيًا بسهولة باستخدام بيانات معدل تدفق الحرارة المخزنة كملفات حاسوب. إن تحليل بيانات جهاز IMC بهذه الطريقة لتحديد معاملات النمو له تطبيقات مهمة في علوم الحياة (التطبيقات: علم الأحياء والطب). كما يمكن استخدام معدلات تدفق الحرارة التي نحصل عليها عند سلسلة من درجات الحرارة للحصول على طاقة تنشيط العملية التي يجري تقييمها (Hardison et al. 2003).

 تاريخ التطوير 
يعود الفضل إلى لافوازييه ولابلاس Lavoisier and Laplace في إنشاء واستخدام أول مقياس حرارة متساوي الحرارة في حوالي عام 1780 (المراجع: لافوازييه و لابلاس PS 1780). استخدمت أداتهم الجليد لإنتاج درجة حرارة ثابتة نسبيًا في مساحة محصورة. لقد أدركوا أنه عندما وضعوا عينة مُنتِجة للحرارة على الجليد (مثل حيوان حي)، فإن كتلة الماء السائل المُنتَج بواسطة الجليد الذائب كانت متناسبة بشكل مباشر مع الحرارة التي تُنتجها العينة.

تنبع العديد من تصميمات أجهزة IMC الحديثة من العمل الذي جرى إنجازه في السويد في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات (Wadsö 1968، Suurkuusk & Wadsö 1974). استفاد هذا العمل من التطوير الموازي للأجهزة الإلكترونية ذات الحالة الصلبة - وخاصة التوافر التجاري لأجهزة التأثير الحراري الكهربائي الصغيرة (بيلتييه-سيبيك) لتحويل تدفق الحرارة إلى جهد - والعكس.

في ثمانينيات القرن العشرين، ظهرت تصميمات متعددة القنوات (Suurkuusk 1982)، والتي تسمح بالتقييم المتوازي لعينات متعددة. لقد أدى هذا إلى زيادة كبيرة في قوة وفائدة جهاز IMC وأدى إلى بذل الجهود لضبط الطريقة (Thorén et al. 1989). أُنجز الكثير من التصميم والتطوير الإضافي الذي حدث في تسعينيات القرن العشرين في السويد أيضًا على يد وادسو وسوركوسك وزملائهما. استفاد هذا العمل من التطور الموازي لتقنية الحاسوب الشخصي والتي عززت بشكل كبير القدرة على تخزين ومعالجة وتفسير تدفق الحرارة مقابل بيانات الوقت بسهولة.

استفادت أعمال تطوير الأجهزة منذ تسعينيات القرن العشرين من التطوير المستمر للإلكترونيات الحالة الصلبة solid-state electronics وتقنية الحاسوب الشخصي. وقد أدى هذا إلى إنشاء أدوات لجهاز IMC ذات حساسية واستقرار متزايدين، وأعداد من القنوات المتوازية، وقدرة أكبر على تسجيل بيانات جهاز IMC وتخزينها ومعالجتها بسرعة وبشكل ملائم. فيما يتعلق بالاستخدام الأوسع، كان هناك اهتمام كبير لإنشاء معايير لوصف أداء أدوات جهاز IMC (على سبيل المثال الدقة والضبط والحساسية) وطرق المعايرة (Wadsö و Goldberg 2001).

 الأدوات ومبادئ القياس 
 تكوينات الأدوات 
تصغير|يسار||330 px|نظرة عامة على أداة IMC التي تحتوي على 48 وحدة قياس السعرات الحرارية منفصلة. تظهر وحدة واحدة. تعمل جميع الوحدات عند درجة حرارة محددة يجري التحكم فيها بواسطة منظم الحرارة الخاص بالجهاز، ولكن يمكن بدء القياسات وإيقافها بشكل منفصل في كل وحدة. (بإذن من شركة Waters-TA Instruments، ويلمنجتون، ديلاوير، الولايات المتحدة الأمريكية. http://www.tainstruments.com/)  الشكل 3

إن أجهزة IMC الحديثة هي في الواقع شبه-أدياباتية semi-adiabatic- أي أن انتقال الحرارة بين العينة ومحيطها ليس صفراً (أدياباتي)، لأن قياس IMC لتدفق الحرارة يعتمد على وجود فرق صغير في درجة الحرارة - تقريبًا 0.001 درجة مئوية. ومع ذلك، نظرًا لأن الفرق منخفض جدًا، فإن قياسات IMC متساوية الحرارة بشكل أساسي. الشكل 3. يُظهر نظرة عامة على أداة IMC التي تحتوي على 48 وحدة قياس تدفق الحرارة منفصلة. تظهر وحدة واحدة. وحدة القياس الخاصة بالوحدة عادة ما تكون عبارة عن جهاز Peltier-Seebeck. يقوم الجهاز بإنتاج جهد كهربائي يتناسب مع الفرق في درجة الحرارة بين العينة التي تنتج أو تستهلك الحرارة والمرجع غير النشط حرارياً والذي يكون عند درجة حرارة المشتت الحراري. ويتناسب الفرق في درجات الحرارة بدوره مع المعدل الذي تنتج به العينة الحرارة أو تستهلكها (انظر المعايرة أدناه). تستخدم جميع الوحدات الموجودة في الجهاز نفس المشتت الحراري ومنظم الحرارة وبالتالي تُنتج جميعها البيانات عند نفس درجة الحرارة المحددة. ومع ذلك، فمن الممكن عمومًا بدء وإيقاف القياسات في كل أمبولة بشكل مستقل. في جهاز يعمل بشكل متوازي للغاية (على سبيل المثال 48 قناة) مثل الجهاز الموضح في الشكل 3، فإن هذا يجعل من الممكن إجراء (بدء وإيقاف) العديد من التجارب المختلفة عندما يكون ذلك مناسبًا للقيام بذلك.

وبدلاً من ذلك، يمكن تجهيز أجهزة IMC بوحدات دوبلكس تنتج إشارات تتناسب مع فرق تدفق الحرارة بين أمبولتين. غالبًا ما يكون أحد الأمبولتين من هذا القبيل هو عينة فارغة أو عينة تحكم - أي عينة لا تحتوي على المادة التي تُنتج عملية التغير الحراري المطلوب، ولكن محتواها متطابق تمامًا مع المحتوى الموجود في أمبولة العينة. وهذا يوفر وسيلة للقضاء على التفاعلات البسيطة المنتِجة للحرارة والتي لا تهم — على سبيل المثال التغيرات الكيميائية التدريجية على مدى فترة من الأيام في وسط زراعة الخلايا عند درجة حرارة القياس. يمكن إجراء العديد من قياسات IMC المفيدة باستخدام أمبولات مغلقة بسيطة. ومع ذلك، وكما ذكر أعلاه، تتوفر أنظمة الأجهزة/الأمبولات التي تسمح أو حتى تتحكم في تدفق الغازات أو السوائل إلى و/أو من العينات و/أو توفر التحريك الميكانيكي للعينة.

 ملحقات مرجعية 
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).

 طرق التشغيل 
 وضع التوصيل الحراري (hc) 
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×.

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.

 وضع تعويض الطاقة (pc) 
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.

 المعايرة 
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).

 الأمبولات 
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  ) 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.

 المنهجية الأساسية 
 ضبط درجة الحرارة 
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).

 إدخال العينة 
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.

 تسجيل البيانات 
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.

 قابلية الاستخدام 
كما هو موضح أدناه، تتمتع أجهزة IMC بالعديد من المزايا كطريقة لتحليل العمليات، ولكن هناك أيضًا بعض التحذيرات التي يجب الانتباه إليها.

 المزايا 
 قابل للتطبيق على نطاق واسع 
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.

 في الزمن الحقيقي والمستمر 
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.

 حساس وسريع 
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).

 مباشر 
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.

 بسيط 
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.

 لا تداخل 
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.

 تحذيرات 
 البيانات المفقودة 
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).

 البيانات غير ذات الصلة 
يلتقط جهاز IMC إجمالي إنتاج أو استهلاك الحرارة الناتجة عن جميع العمليات التي تجري داخل العينة، بما في ذلك على سبيل المثال:

 التغيرات المحتملة في الحالة الفيزيائية والكيميائية لأمبولة العينة نفسها؛ على سبيل المثال تقليل الضغط في المكونات المعدنية، وأكسدة المكونات البوليمرية.
 تحلل وسط المزرعة يجري فيه دراسة عملية التمثيل الغذائي ونمو الخلايا الحية.

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.

 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.

 مصادر خاصة لمعلومات تطبيق IMC 
 كتيبات 
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.

 ملاحظات التطبيق 
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.

"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.

 أمثلة للتطبيقات 
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.

 المواد الصلبة 
 تشكيل المواد الصلبة 
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).

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).

 الاستقرار 
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.

تصغير|يسار|330 px|تدفق الحرارة مقابل الزمن للتحلل الحراري لـ 80% كتلة من CHP (هيدرو بيروكسيد الكومين) في سلسلة من درجات الحرارة. CHP هو وسيط كيميائي صناعي ومبادر للبلمرة، ويشكل خطر حريق وانفجار موثق. وفقًا للمؤلفين، لم تكن قياس السعرات الحرارية التباينية أو قياس السعرات الحرارية الأدياباتية حساسة بدرجة كافية لالتقاط هذه البيانات (Chen et al. 2008 بإذن الناشر). الشكل 4

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).

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 -  (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).

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  (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  CHP عند 5 درجات حرارة مختلفة (Chen et al. 2008).

 علم الأحياء والطب 
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.
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.

 علم الأحياء الخلوية والأنسجة 
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.

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.

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:

 علم السموم 
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:

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.

تصغير|يسار|330 px|تدفق الحرارة مقابل الوقت لعلاج الخلايا الليفية في المزرعة في أمبولة من الفولاذ المقاوم للصدأ. أ = إدخال الأمبولة إلى موضع القياس، مع وصول تدفق الحرارة الأيضية إلى مستوى التوازن. ب = حقن كبريتات دوديسيل الصوديوم (SDS) الذي أنتج ذروات حادة في تدفق الحرارة مرتبطة بالتخفيف الطارد للحرارة لـ SDS وتحلل الخلايا الليفية. بعد التحلل، عاد معدل تدفق الحرارة إلى ما يقرب من الصفر منذ توقف عملية التمثيل الغذائي للخلايا الليفية. dQ/dt = تدفق الحرارة الأيضية للخلايا الليفية في المزرعة (Liu, et al. 2007 بإذن الناشر). الشكل 5

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:

لقد استُخدمت أمبولات مغلقة بسيطة في أجهزة IMC، ورُوج لها أيضًا لتقييم سمية الخلايا المزروعة لمواد الغرسة الجراحية المرشحة - وبالتالي تعمل كطريقة فحص التوافق الحيوي. في إحدى الدراسات (Xie et al. 2000) قام بتعريض الخلايا الأنبوبية الكلوية الخنزيرية في المزرعة لكل من البوليمرات والمعادن التيتانيوم في شكل "صفائح دقيقة" ذات مساحات سطح معروفة تبلغ بضعة سنتيمترات مربعة. واستنتج المؤلفون أن IMC :

في دراسة أخرى لمواد الزرع (Doostmohammadi et al. 2011)، قاموا بتعريض كل من مزرعة الخميرة سريعة النمو ومزرعة الخلايا الغضروفية البشرية لجزيئات (قطرها < 50 ميكرومتر) من هيدروكسيباتيت الكالسيوم (HA) والزجاج السيليكا النشط بيولوجيًا (المحتوي على الكالسيوم). أدت جزيئات الزجاج إلى إبطاء أو تقليص نمو الخميرة كدالة لزيادة تركيز الجزيئات. كانت جزيئات HA أقل تأثيرًا بكثير ولم تمنع نمو الخميرة تمامًا بنفس التركيزات. كانت تأثيرات كلا النوعين من الجسيمات على نمو الخلايا الغضروفية ضئيلة عند التركيز المستخدم. واستنتج المؤلفون أن:

 علم الأحياء الدقيقة 
تصغير|330 px|يسار|مثال كيف أن بيانات تدفق الحرارة المرتبطة بالنمو مقابل الوقت من البكتيريا في المزرعة في وسط معين في أمبولة مغلقة يوضح تسلسل الأنشطة الأيضية التي تحدث. تنتقل البكتيريا إلى استهلاك مصادر الكربون الأقل كفاءة مع استنفاد المصادر الأكثر كفاءة. أدى تحليل البيانات إلى إظهار القمم التي يمكن تخصيصها للأوضاع الأيضية الموضحة. هذا التسلسل المستخدم لبكتيريا الإشريكية القولونية معروف جيدًا في مجال علم الأحياء الدقيقة (Braissant et al. 2010 بإذن الناشر). الشكل 6

بدأت المنشورات التي تصف استخدام IMC في علم الأحياء الدقيقة في ثمانينيات القرن العشرين (Jesperson 1982). في حين استخدمت بعض دراسات علم الأحياء الدقيقة جهاز IMC لدراسة الفيروسات (Heng et al. 2005) والفطريات (Antoci et al. 1997)، إلا أن معظمها كان معنيًا بالبكتيريا. توفر ورقة بحثية حديثة (Braissant et al. 2010) مقدمة عامة لطرق التمثيل الغذائي في علم الأحياء الدقيقة ونظرة عامة على التطبيقات في علم الأحياء الدقيقة الطبي والبيئي. تشرح الورقة أيضًا كيف أن بيانات تدفق الحرارة مقابل الوقت للبكتيريا في المزرعة هي تعبير دقيق - كما تحدث بمرور الوقت - عن التقلبات في النشاط الأيضي للكائنات الحية الدقيقة ومعدلات التكاثر في وسط معين (الشكل 6).

تصغير|350 px|يسار|توضيح لكيفية اعتماد وقت IMC للكشف عن وجود البكتيريا على العدد الأولي للبكتيريا الموجودة (CFU)، وحساسية الجهاز ومستوى تدفق الحرارة فوق خط الأساس الذي تم اختياره للإشارة إلى نمو البكتيريا. CFU = وحدة تشكيل المستعمرة. (Braissant et al. 2010 بإذن الناشر). الشكل 7

بشكل عام، يبلغ حجم البكتيريا حوالي 1/10 من حجم الخلايا الثديية وتُنتج ربما 1/10 من الحرارة الأيضية، أي حوالي 3x10 −12 واط/خلية. وهكذا، بالمقارنة مع الخلايا الثديية (انظر أعلاه) حوالي 10 أضعاف عدد البكتيريا تقريبًا 330,000 - يجب أن تكون موجودة لإنتاج تدفق حراري يمكن اكتشافه - أي 1 ميكروواط. ومع ذلك، فإن العديد من البكتيريا تتكاثر بسرعة أكبر بكثير من الخلايا الثديية، وغالبًا ما يتضاعف عددها في غضون دقائق (انظر نمو البكتيريا). ونتيجة لذلك، فإن عددًا أوليًا صغيرًا من البكتيريا الموجودة في المزرعة والتي لا يمكن اكتشافها في البداية بواسطة IMC تُنتج بسرعة عددًا يمكن اكتشافه. على سبيل المثال، فإن 100 بكتيريا تتضاعف كل 20 دقيقة سوف تُنتج في أقل من 4 ساعات ما يزيد عن 330,000 بكتيريا وبالتالي تدفق حراري يمكن اكتشافه بواسطة أجهزة IMC. وبالتالي، يمكن استخدام IMC للكشف السهل والسريع عن البكتيريا في المجال الطبي. تشمل الأمثلة الكشف عن البكتيريا في منتجات الصفائح الدموية البشرية (Trampuz et al. 2007) والبول (Bonkat et al. 2011) والكشف السريع عن مرض السل (Braissant et al. 2010، Rodriguez et al. 2011). يوضح الشكل 7 مثالاً لأوقات الكشف عن بكتيريا السل كدالة للكمية الأولية للبكتيريا الموجودة في أمبولة IMC مغلقة تحتوي على وسط مزرعة.

بالنسبة للميكروبات الموجودة في وسائط النمو في أمبولات مغلقة، يمكن أيضًا استخدام بيانات تدفق الحرارة IMC لتقدير معاملات نمو الميكروبات الأساسية عن كثب؛ أي الحد الأقصى لمعدل النمو ومدة مرحلة التأخر قبل تحقيق الحد الأقصى لمعدل النمو. وهذا تطبيق خاص مهم للتحليل الأساسي لهذه المعاملات التي جرى شرحها سابقًا ( نظرة عامة: البيانات التي تم الحصول عليها).

لسوء الحظ، تحتوي المنشورات حول IMC على بعض الأوراق المنشورة التي جرى فيها فهم العلاقة بين بيانات تدفق الحرارة ونمو الميكروبات في الأمبولات المغلقة بشكل خاطئ. ومع ذلك، في عام 2013 نُشر توضيح موسع يصف (أ) تفاصيل العلاقة بين بيانات تدفق الحرارة IMC ونمو الميكروبات، (ب) اختيار النماذج الرياضية التي تصف نمو الميكروبات و (ج) تحديد معاملات نمو الميكروبات من بيانات IMC باستخدام هذه النماذج (Braissant et al. 2013).

 الديناميكية الدوائية 
في امتداد منطقي لقدرة أجهزة IMC على اكتشاف وقياس نمو البكتيريا، يمكن إضافة تركيزات معروفة من المضادات الحيوية إلى مزرعة البكتيريا، ومن ثم يمكن استخدام IMC لقياس آثارها على القدرة على البقاء والنمو. يمكن لـ IMC في الأمبولات المغلقة التقاط المعلومات الدوائية الأساسية بسهولة - على سبيل المثال الحد الأدنى للتركيز المثبط (MIC) للمضاد الحيوي اللازم لإيقاف نمو كائن حي معين. بالإضافة إلى ذلك، يمكنه توفير معاملات نمو ديناميكية في وقت واحد - وقت التأخير ومعدل النمو الأقصى (انظر الشكل 2، Howell et al 2011، Braissant et al. 2013)، والتي تقيم آليات العمل. يُشار إلى الفعل القاتل للبكتيريا (انظر مبيد البكتيريا) من خلال زيادة وقت التأخير كدالة لزيادة تركيز المضاد الحيوي، في حين يُشار إلى الفعل المضاد للبكتيريا (انظر العامل المضاد للبكتيريا) من خلال انخفاض معدل النمو مع التركيز. لقد أمكن إثبات نهج IMC لتقييم المضادات الحيوية لعدد من أنواع البكتيريا والمضادات الحيوية (von Ah et al. 2009). يمكن لـ IMC في الأمبولات المغلقة أيضًا التمييز بسرعة بين سلالات البكتيريا الطبيعية والمقاومة مثل المكورات العنقودية الذهبية (von Ah et al. 2008، Baldoni et al. 2009). استُخدم IMC أيضًا لتقييم تأثيرات المطهرات على قابلية بقاء البكتيريا الفموية الملتصقة بمواد زراعة الأسنان (Astasov-Frauenhoffer et al. 2011). في دراسة سابقة ذات صلة، استُخدم IMC لقياس حرارة التصاق البكتيريا السنية بالزجاج (Hauser-Gerspach et al. 2008).

وقد ثبُت استخدام ناجح مماثل لـ IMC لتحديد تأثيرات الأدوية المضادة للأورام على خلايا الورم في المزرعة في غضون ساعات قليلة (Schön and Wadsö 1988). وبدلاً من نهج الأمبولة المغلقة، استُخدم إعداد IMC الذي سمح بحقن الدواء في العينات المخفوقة.

 الكائنات متعددة الخلايا 
من الممكن استخدام IMC لإجراء دراسات أيضية للكائنات الحية متعددة الخلايا - إذا كانت صغيرة بما يكفي لوضعها في أمبولات IMC (Lamprecht & Becker 1988). أُجريت دراسات بجهاز IMC على عملية التمثيل الغذائي لعذراء الحشرات أثناء حركات التهوية (Harak et al. 1996) وتأثيرات العوامل الكيميائية على نمو العذراء (Kuusik et al. 1995). وقد أثبتت نتائج IMC أيضًا فعاليتها في تقييم تأثيرات الشيخوخة على عملية التمثيل الغذائي للديدان الخيطية (Braekman et al. 2002).

لقد أثبتت تجارب IMC أيضًا أنها مفيدة للغاية في التقييمات المختبرية لتأثيرات الأدوية على الديدان الطفيلية الاستوائية (Manneck et al. 2011-1، Maneck et al. 2011-2، Kirchhofer et al. 2011). ومن السمات المثيرة للاهتمام في هذه الدراسات استخدام نظام حقن يدوي بسيط لإدخال الأدوية في أمبولات مغلقة تحتوي على الديدان. كما أن نتائج IMC لا توثق فقط الانخفاض الأيضي العام بمرور الوقت بسبب الأدوية، بل توثق أيضًا التردد الإجمالي لنشاط الحركة لدى الديدان وانخفاضه في السعة بمرور الوقت كما ينعكس في التقلبات في بيانات تدفق الحرارة.

 علم الأحياء البيئي 
يمكن أن تكون أجهزة IMC أداة فعالة في مجالات علم الأحياء النباتية والبيئية وذلك بسبب تنوعها. ففي دراسة مبكرة (Hansen et al. 1989)، جرى قياس معدل التمثيل الغذائي لعينات أنسجة استنساخ شجرة الصنوبر. كان المعدل قابلاً للتنبؤ بمعدلات نمو الأشجار على المدى الطويل، وكان متسقًا للعينات من شجرة معينة، ووجد أنه يرتبط بالاختلافات المعروفة في النمو طويل الأمد للاستنساخات من أشجار مختلفة.

يعد التمثيل الغذائي للبكتيريا الأكسالوترية oxalotrophic أمرًا شائعًا في البيئة، وخاصة في التربة. تتمتع البكتيريا الأكسالاتية بالقدرة على استخدام الأكسالات كمصدر وحيد للكربون والطاقة. استُخدم IMC في أمبولة مغلقة لدراسة استقلاب بكتيريا التربة الأكسالوترية المعرضة لكل من وسط محسن يحتوي على أكسالات البوتاسيوم كمصدر وحيد للكربون وتربة نموذجية (Bravo et al. 2011). باستخدام وسط مُحسَّن، جرى رصد نمو ستة سلالات مختلفة من بكتيريا التربة بسهولة وقياسها كميًا وتمييزها على مدى فترة زمنية محددة (أيام). كان قياس IMC لتدفق الحرارة الأيضية البكتيرية في التربة النموذجية أكثر صعوبة، ولكن تم إثبات مفهومه.

 Moonmilk هو مادة بيضاء كريمية توجد في الكهوف. وهو عبارة عن راسب بلوري ناعم غير متصلب من الحجر الجيري ويتكون بشكل أساسي من كربونات الكالسيوم و/أو المغنيسيوم. قد يكون للميكروبات دور في تكوينه. من الصعب استنتاج الأنشطة الميكروبية في حليب القمر من خلال الاختبارات الكيميائية الثابتة والمجهرية القياسية لتركيب حليب القمر وبنيته. استُخدم IMC في أمبولة مغلقة لحل هذه المشكلة (Braissant, Bindscheidler et al. 2011). كان من الممكن تحديد معدلات نمو المجتمعات الميكروبية الكيميائية غير المغذية على حليب القمر بعد إضافة مصادر كربون مختلفة تحاكي الخلطات التي قد تتلامس مع حليب القمر بسبب ذوبان الثلوج أو هطول الأمطار. وكان النشاط الأيضي مرتفعا ومماثلا لما هو موجود في بعض الترب.

وجد هاريس وآخرون (2012)، الذين درسوا أنظمة إدخال الأسمدة المختلفة، أنه عند التعبير عنها كمخرجات حرارية لكل وحدة كتلة حيوية ميكروبية للتربة، فإن المجتمعات الميكروبية تحت أنظمة الأسمدة العضوية تنتج حرارة مهدرة أقل من تلك الموجودة تحت الأنظمة غير العضوية.

 علم الغذاء 
لقد ثبت أن IMC لها استخدامات متنوعة في علوم وتكنولوجيا الأغذية. تناقش النظرة العامة (Wadsö و Galindo 2009) التطبيقات الناجحة في تقييم تنفس جرح قطع الخضار، وموت الخلايا بسبب التبييض، وتخمير الحليب، والوقاية من التلف الميكروبيولوجي، والمعالجة الحرارية ومدة الصلاحية. تستعرض دراسة أخرى (Galindo et al. 2005) الاستخدام الناجح لـ IMC لمراقبة وتوقع التغيرات في الجودة أثناء تخزين الفواكه والخضروات المعالجة بشكل بسيط.

وقد أثبتت تقنية IMC فعاليتها أيضًا في إنجاز الاختبارات الأنزيمية  في الحليب (Anastasi et al. 2000) وحمض الماليك في الفواكه والنبيذ والمشروبات الأخرى وكذلك منتجات التجميل (Antonelli et al. 2008). استُخدم IMC أيضًا لتقييم فعالية عوامل مكافحة التسمير على البطاطس الطازجة المقطعة (Rocculi et al. 2007). لقد أثبتت تقنية IMC فعاليتها أيضًا في تقييم مدى تأثير المجالات الكهربائية النبضية منخفضة الطاقة (PEFs) على حرارة إنبات بذور الشعير - وهو أمر مهم فيما يتعلق باستخدامها في إنتاج مشروبات الشعير (Dymek et al. 2012).

 انظر أيضًا 
 قياس السعرات الحرارية
 الديناميكا الحرارية الكيميائية
 المسح التبايني لقياس السعرات الحرارية
 قياس السعرات الحرارية بالمعايرة المتساوية الحرارة
 معادلة المعدل

 التحليل الحراري
 التأثير الحراري الكهربائي

 المراجع 

تصنيف:عمليات حيوية
تصنيف:مسعرية
تصنيف:عمليات كيميائية
تصنيف:انتقال الحرارة
تصنيف:علم المواد