مقياس الحرارة الدقيق متساوي الحرارة
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.
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).