CALORIMETRIA. Il calore è una forma di energia che fluisce da o verso il sistema in presenza di un gradiente di temperatura T. T y.

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "CALORIMETRIA. Il calore è una forma di energia che fluisce da o verso il sistema in presenza di un gradiente di temperatura T. T y."

Marina Franceschini
6 anni fa
Visualizzazioni

1 Cenni su DSC e CD

2 CALORIMETRIA Il calore è una forma di energia che fluisce da o verso il sistema in presenza di un gradiente di temperatura T Q f ( T ) dove T T x y, z i T y x, z j T z x, y k La maggior parte dei fenomeni che si verificano in seno ad un sistema è accompagnata da un effetto termico, Q, rilevabile sperimentalmente. Lo scopo della calorimetria è la determinazione della quantità di calore, Q, ceduto o assorbito dal sistema.

3 Eventi che comportano scambi di calore (ad una data T e p) tra sistema e ambiente calorimetrico: Reazioni chimiche Cambiamenti di stato fisico di sostanze pure (fusione, evaporazione, sublimazione) Ripartizione tra due solventi (es. acqua/etere) Adsorbimento di liquidi (acqua) da parte di sostanze solide Denaturazione delle proteine Formazione di fasi "gel" Processi di polimerizzazione Processi metabolici di organismi viventi

4 Se si vuole conoscere sia Q che la T alla quale un certo fenomeno si manifesta (ad una data p, cioè in condizioni isoterme e isobare), si deve operare imponendo un gradiente di T prossimo allo zero. Naturalmente questa condizione comporta che il flusso di calore sia prossimo allo zero Per questo motivo, i calorimetri sono apparecchiature in cui l ambiente che scambia calore col campione è un corpo di elevata capacità termica, la cui temperatura, T A, differisce sempre di pochi centesimi di grado da quella, T S, del campione collocato al suo interno e in equilibrio termico con esso. Il calorimetro è isolato dal mondo esterno.

5 AMBIENTE ESTERNO superficie adiabatica Ambiente Q 0 Sistema Q 0 calorimetrico Condizioni ideali: T S = T A dt Condizioni reali: T S = T A D T AMBIENTE ESTERNO

6 Il calore scambiato tra ambiente calorimetrico e sistema è funzione della differenza (T A - T S ). Nei calorimetri detti ADIABATICI si mantiene (con un dispositivo di riscaldamento elettrico) T A = T S, in modo che non vi sia flusso di calore tra i due scomparti e si registra la variazione nel tempo di T S. La differenza T = (T S,finale - T S,iniziale ) = (T A,finale - T A,iniziale ) dipende solo dalla quantità di calore prodotta in S" e si ha: Q S = C A DT dove C A è la capacità termica dell'ambiente calorimetrico, determinata a priori con esperimenti ad hoc per i quali è nota Q S.

7 Per esigenze pratiche sono così nate, nella scia della calorimetria tradizionale, nuove metodiche tra cui la: CALORIMETRIA DIFFERENZIALE A SCANSIONE (DSC). La DSC consente di rilevare le variazioni di entalpia del sistema come quantità di calore, Q, emesse o assorbite dal sistema stesso, o come variazioni della derivata dq/dt, nel corso della scansione di temperatura. Si tratta quindi di INDAGINI DINAMICHE. La DSC è una tecnica "DIFFERENZIALE", cioè rivolta alla determinazione della differenza tra il calore (svolto o assorbito) dal sistema in esame, "s", e da un sistema di riferimento, "r", costituito da materiale "termicamente inerte" nell'intervallo di temperatura considerato.

8 Lo strumento rileva la differenza di temperatura (Ts - Tr) nel corso della scansione, come differenza di potenziale agli estremi di due termocoppie, in contatto rispettivamente con "s" e con "r".

9 Nella DSC, la differenza di T attiva un dispositivo che scalda "s" o "r", in modo da mantenere (Ts - Tr) = 0. La quantità di calore necessaria a questa compensazione è prodotta per effetto joule con una corrente elettrica che percorre un filamento di resistenza R, prossimo a "s" o a "r". L'intensità, i, di questa corrente è il segnale dello strumento DSC, che viene espresso come (i 2 R) = dq/dt = potenza erogata. Abitualmente, la differenza (Ts - Tr), o il segnale dq/dt, viene riportato in funzione del tempo t, o della temperatura del sistema di riferimento, T r = T r (t). La registrazione di una scansione prende il nome di "TRACCIATO".

10 Tipologia di segnali in un Tracciato DSC Picco esotermico Picco endotermico T(t)

11 Il segnale DSC in assenza di fenomeni, cioè quando l evento in corso è il semplice riscaldamento del campione e del materiale di riferimento, é descritto dalla espressione: D dq dt dq dt s dq dt r dt dt dq dt s dq dt r m s C p, s m r C p, r dove i suffissi s e r indicano campione e riferimento ; Cp e indicano calore specifico e velocità di scansione della temperatura, dt/dt.

12 dq dt La linea di base cambia nell intervallo (T o, T e ) T o T e T Se si sottrae il tracciato ottenuto quando la cella campione é vuota, cioè il contributo uguale a: D dq dt bianco - mrc p, r

13 si ottiene la cosidetta linea di base, cioé dq dt baseline msc p, s che può essere facilmente convertita nelle coordinate (C p,s, T ) se sono note la massa del campione, m s, e la velocità di sansione,. Se il campione nell intervallo di temperatura indagato subisce una trasformazione con variazione di entalpia, DH, l espressione analitica del tracciato DSC include questo nuovo contributo, dq dt D H m s d dt D H m s d dt dove indica il grado di avanzamento del processo e d/dt é la velocità del processo.

14 Il processo ha inizio ad una temperatura T o dove il fenomeno diventa spontaneo (DG 0); a questa temperatura esso ha velocità piuttosto piccola. Alla fine del processo, cioè alla temperature T e, la velocità è ugualmente piccola, poichè il fenomeno si esaurisce. Per questo motivo il segnale DSC ha la forma di picco (verso il basso, o verso l alto, a seconda del segno del corrispondente DH), sovrapposto alla linea di base. La trasformazione comporta anche un cambiamento di C p,s. Questo significa che la linea di base si modifica nel corso del processo, cioè nella regione sottostante il picco. Essa ha una forma sigmoide, compresa tra un valore iniziale C p,s,o e un valore finale C p,s,e, C ( 1) p, s p, s, e p, s, o C C

15 Tracciato DSC dopo elaborasione: (Segnale - linea di base)/(massa velocità di scansione C p app Area = Q = m S DH T

16 Se il processo in corso all'interno di "s" è una reazione chimica, il profilo del picco DSC corrisponde dunque al suo svolgimento e dà direttamente informazioni sulla velocità dell'evento. ( t ) t ( dq / 0 ( dq / 0 dt dt )dt ) dt Area Parziale Area Totale Un'analisi del profilo del picco DSC permette di risalire a tutti i parametri cinetici del processo. d K(T ) 1 dt dove K(T) è la costante cinetica e n è l'ordine di reazione. n

17 I sistemi costituiti da più componenti, come quelli di interesse biologico e farmacologico, possono dare tracciati DSC con più picchi parzialmente sovrapposti. In questi casi la scelta della linea di base deve necessariamente essere approssimata: in genere ci si limita ad identificarla con la retta che congiunge il punto di inizio e quello di fine del segnale. Il tracciato viene quindi scomposto con procedure di calcolo iterativo in componenti semplici ai quali si attribuisce per semplicità una forma gaussiana: C p Aexp( 2 T / B ) ciascuno dei picchi gaussiani può essere trattato separatamente, secondo le modalità viste

18 Heat Flux / (mw g -1 ) conalbumin Lysozyme + ovoalbumin Intemediate ovoalbumin Stable ovoalbumin T/ C

19 Nel caso di scansioni isoterme, la variabile indipendente del tracciato DSC è il tempo. In questo caso la forma del tracciato dipende dal tipo di processo che ha luogo nel calorimetro e dalle modalità con cui esso viene studiato. L'area sottesa al tracciato corrisponde direttamente al calore che accompagna il processo e il profilo del segnale corrisponde direttamente alla legge cinetica seguita dal processo alla temperatura considerata. La velocità con la quale la trasformazione in corso interessa via via tutta la massa, m s, del campione è: v d m dt s m s,totale d dt

20 Cenni sul Dicroismo Circolare

25 Dicroismo circolare (CD)

28 Cromofori nelle proteine Il legame peptidico (210 nm) Centrato a 280 nm Ponte disolfuro (250 nm)

30 Geometria di un esperimento di assorbimento

31 Spettroscopia di dicroismo circolare Il fenomeno del Dicroismo Circolare (CD) si osserva quando un campione otticamente attivo assorbe in maniera differente la luce circolarmente polarizzata destra da quella circolarmente polarizzata sinistra. La differenza di assorbimento è piccola (generalmente ) che corrisponde ad una ellitticità di pochi centesimi di grado. Spettri CD relativi a strutture secondarie diverse di peptidi, acidi nucleici e polisaccaridi sono diversi e quindi questa tecnica dà informazioni sulla struttura secondaria di macromolecole biologiche.

32 Cromofori in ambienti asimmetrici assorbono in modo diverso radiazioni polarizzate circolarmente in senso opposto

33 I 0 (n) l I(n) C =concentrazione Legge di Lambert-Beer: A I ( ( n log 0 I ( n A( n ( n lc n

34 Ellitticità in relazione alla legge di Lambert-Beer DA = A l - A r = l lc - r lc = D lc [] = 3298 Legame peptidico ( nm)

35 Curve di denaturazione termica di proteine

Documenti analoghi

L ANALISI TERMICA determina l effetto prodotto da un aumento di temperatura su alcune proprietà fisiche del campione. (TG, DTA, TMA, EA, DSC, etc)

La CALORIMETRIA determina le quantità di calore prodotte dalle trasformazioni fisiche e chimiche di un campione. (Calorimetria adiabatica ed isoterma) L ANALISI TERMICA determina l effetto prodotto da