Метрологическое обеспечение в области изотермической калориметрии титрования: перспективы разработки стандартных образцов
https://doi.org/10.20915/2077-1177-2023-19-3-31-43
Аннотация
Изотермическая калориметрия титрования (ИТК) позволяет исследовать тепловые эффекты различных химических и физико-химических процессов, в том числе и процессов растворения. Данный метод является сравнительно новым. Поэтому активное расширение области его применения выявило ряд проблем. Например, в рассматриваемой статье поднимается проблема недостаточного метрологического обеспечения изотермических калориметров титрования, что приводит к несогласованности результатов, полученных на различных моделях калориметров, а также к их несоответствию литературным данным. Используемые в настоящее время электрическая и химическая процедуры калибровки калориметров не являются универсальными и имеют ряд ограничений при их применении. Целью настоящего исследования является выработка основных подходов к созданию сертифицированных стандартных образцов с аттестованным значением количества теплоты физико-химических взаимодействий с установленной метрологической прослеживаемостью к основным единицам SI.
В ходе выполнения исследования проведен анализ состояния метрологического обеспечения в области измерений ИТК, сформулированы основные требования к веществам – кандидатам на роль СО; оценена целевая неопределенность значения интегральной теплоты разведения растворов пропанола-1 путем анализа характеристик рабочих средств измерений, что позволило установить требования к методу измерений, применяемому для характеризации СО. Предложен и опробован метод определения аттестованного значения количества интегральной теплоты разведения, обеспечивающий прослеживаемость к государственному первичному специальному эталону единицы количества теплоты в области калориметрии растворения и реакций ГЭТ 133.
В перспективе для реализации проекта необходимо продолжение исследований с целью получения экспериментальных данных по характеризации, оценке однородности и стабильности материала СО, обработки полученных результатов и оценки неопределенности аттестованного значения, что позволит завершить разработку стандартных образцов.
Ключевые слова
Об авторе
К. А. МишинаРоссия
Мишина Карина Андреевна – инженер лаборатории эталонов и научных исследований в области калориметрии горения и особо чистых органических веществ для метрологических целей
190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 19
Список литературы
1. Sarge S. M., Höhne G. W. H., Hemminger W. Calorimetry: fundamentals, instrumentation and applications. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2014. 280 p. https://doi.org/10.1002/9783527649365
2. Kabiri M., Unsworth L. Application of isothermal titration calorimetry for characterizing thermodynamic parameters of biomolecular interactions: peptide self-assembly and protein adsorption case studies // Biomacromolecules. 2014. Vol. 15. P. 3463–3473. https://doi.org/10.1021/bm5004515
3. Survey of the year 2008: applications of isothermal titration calorimetry / R. J. Falconer [et al.] // Journal of Molecular Recognition. 2010. Vol. 23, № 5. P. 395–413. https://doi.org/10.1002/jmr.1025
4. Falconer R. J., Collins B. M. Survey of the year 2009: applications of isothermal titration Calorimetry // Journal of Molecular Recognition. 2011. Vol. 24, № 1. P. 1–16. https://doi.org/10.1002/jmr.1073
5. Prozeller D., Morsbach S., Landfester K. Isothermal titration calorimetry as a complementary method for investigating nanoparticle– protein interactions // Nanoscale. 2019. Vol. 11, № 41. P. 19265–19273. https://doi.org/10.1039/c9nr05790k
6. Wadso I., Goldberg R. N. Standards in isothermal microcalorimetry // Pure and Applied Chemistry. 2001. Vol. 73, № 10. P. 1625– 1639. https://doi.org/10.1351/pac200173101625
7. The Ca2+–EDTA chelation as standard reaction to validate Isothermal Titration Calorimeter measurements (ITC) / C. Rafols [et al.] // Talanta. 2016. Vol. 154. P. 354–359. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2016.03.075
8. Titration calorimetry standards and the precision of isothermal titration calorimetry data / L. Baranauskiene [et al.] // International Journal of Molecular Sciences. 2009. Vol. 10, № 6. P. 2752–2762. https://doi.org/10.3390/ijms10062752
9. Repeatability, precision, and accuracy of the enthalpies and Gibbs energies of a protein–ligand binding reaction measured by isothermal titration calorimetry / V. Paketurytė [et al.] // European Biophysics Journal. 2019. Vol. 48, № 11. P. 139–152. https://doi.org/10.1007/s00249–018–1341-z
10. Dean J. A. Lange’s handbook of chemistry. New York, USA: McGraw-Hill, 1999.
11. Christensen J. J., Hansen L. D., Izatt R. M. Handbook of Proton Ionizations Heats. New York, USA: WileyInterscience, Hoboken, 1976.
12. The ABRF-MIRG’02 study: assembly state, thermodynamic, and kinetic analysis of an enzyme/inhibitor interaction / D. G. Myszka [et al.] // Journal of Biomolecular Techniques. 2003. Vol. 14, № 4. P. 247–269.
13. Calibration of nanowatt isothermal titration calorimeters with overflow reaction vessels / N. A. Demarse [et al.] // Analytical Biochemistry. 2011. Vol. 41, № 7. P. 247–255. https://doi.org/10.1016/j.ab.2011.06.014
14. A multi-laboratory benchmark study of isothermal titration calorimetry (ITC) using Ca2+ and Mg2+ binding to EDTA / A. VelazquezCampoy [et al.] // European Biophysics Journal. 2021. Vol. 50, № 3–4. P. 429–451. https://doi.org/10.1007/s00249-021-01523-7
15. Chemical calibration of isothermal titration calorimeters: An evaluation of the dilution of propan-1-ol into water as a test reaction using different calorimeters, concentrations, and temperatures / R. Adao [et al.] // Journal of Chemical Thermodynamics. 2012. Vol. 52. P. 57–63. https://doi.org/10.1016/j.jct.2011.12.018
16. Kantonen S. A., Henriksen N. M., Gilson M. K. Evaluation and minimization of uncertainty in ITC binding measurements: Heat error, concentration error, saturation, and stoichiometry // Biochimica et Biophysica Acta. 2017. Vol. 1861, № 2. P. 485–498. https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2016.09.002
17. Bayesian analysis of isothermal titration calorimetry for binding thermodynamics / T. H. Nguyen [et al.] // PLOS ONE. 2018. Vol. 13, № 9. P. 1–26. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0203224
18. Hansen L. D., Quinn C. Obtaining precise and accurate results by ITC // European Biophysics Journal. 2019. Vol. 48, № 8. P. 825– 835. https://doi.org/10.1007/s00249-019-01399-8
19. Tellinghuisen J., Chodera J. D. Systematic errors in isothermal titration calorimetry: Concentrations and baselines // Analytical Biochemistry. 2011. Vol. 414, № 2. P. 297–299. https://doi.org/10.1016/j.ab.2011.03.024
20. Usually overlooked problems related with measurements of high-heat efects using power compensation isothermal titration calorimetry / Ž. Medoš [et al.] // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2021. Vol. 145. P. 87–96. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09663-2
21. Wadsö I. Needs for standards in isothermal microcalorimetry // Thermochimica Acta. 2000. Vol. 347, № 1–2. P. 73–77. https://doi.org/10.1016/S0040–6031(99)00418-9
22. Darnell A., SikkLy L., Porosk P. Uncertainty of small enthalpy effects measured by isothermal calorimetric titration // Journal of Chemical Metrology. 2021. Vol. 15, № 1. P. 25–37. https://doi.org/10.25135/jcm.57.21.03.1994
23. Gherrou A., Buschmann H.-J., Schollmeyer E. Complex formation of crown ethers and cryptands with Ba2+ in the biphasic system chloroform/water studied by titration calorimetry // Thermochimica Acta. 2005. Vol. 425, № 1–2. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/S0040–6031(03)00369-1
24. Buschmann H. J., Mutihac R. C., Schollmeyer E. Complex formation of 18-crown-6 with metal cations and ammonium ions in dioxane– water mixtures // Thermochimica Acta. 2008. Vol. 472, № 1–2. P. 17–19. https://doi.org/10.1016/j.tca.2008.03.010
25. Boyce S. E., Tellinghuisen J., Chodera J. D. Avoiding accuracy-limiting pitfalls in the study of protein-ligand interactions with isothermal titration Calorimetry // Preprint submitted to Analytical Biochemistry. 2015. https://doi.org/10.1101/023796
26. Turnbull W. B., Daranas A. H. On the value of c: Can low affinity systems be studied by isothermal titration calorimetry? Journal of the American Chemical Society. 2003. Vol. 125, № 48. P. 14859–14866. https://doi.org/10.1021/ja036166s
27. Impact of protein and ligand impurities on ITC-derived protein–ligand thermodynamics / S. Grüner [et al.] // Biochimica et Biophysica Acta. 2014. Vol. 1840, № 9. P. 2843–2850. https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2014.04.018
28. Isothermal titration calorimetry for drug design: Precision of the enthalpy and binding constant measurements and comparison of the instruments / V. Linkuviene [et al.] // Analytical Biochemistry. 2016. Vol. 515. P. 61–64. https://doi.org/10.1016/j.ab.2016.10.005
Рецензия
Для цитирования:
Мишина К.А. Метрологическое обеспечение в области изотермической калориметрии титрования: перспективы разработки стандартных образцов. Эталоны. Стандартные образцы. 2023;19(3):31-43. https://doi.org/10.20915/2077-1177-2023-19-3-31-43
For citation:
Mishina K.A. Metrological Support in the Field of Isothermal Titration Calorimetry: Prospects for the Development of Reference Materials. Measurement Standards. Reference Materials. 2023;19(3):31-43. (In Russ.) https://doi.org/10.20915/2077-1177-2023-19-3-31-43

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0).