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Il C.I.M. nasce nel 1975 come Centro Interfacoltà Misure col fine di mettere a disposizione di Istituti e Dipartimenti dell'Università degli Studi di Parma strumentazioni di misura all'avanguardia, nonché di promuovere la conoscenza e l'impiego di nuove metodiche di misura.

Le principali attività del Centro riguardano lo sviluppo e la gestione di servizi e strumentazioni scientifiche complesse, l'organizzazione di corsi teorici e pratici a livello pre- e post-laurea, lo sviluppo di forme di cooperazione e coordinamento dell'attività di ricerca fra i docenti di diverse Facoltà ed Università.

Art. 1 – Finalità del Centro.Il Centro Interdipartimentale di servizi “ Centro Interdipartimentale Misure Giuseppe Casnati “, di seguito denominato C.I.M., è finalizzato alla gestione ed utilizzazione di servizi e di grandi attrezzature scientifiche di uso comune a più Dipartimenti per esigenze scientifiche e di didattica avanzate.Il Centro si pone l’obiettivo di dare supporto strumentale alle tipologie di ricerca presenti nei Dipartimenti partecipanti.

Scuole precedenti

NMR

AFM

CSC Nano-Isothermal Titration Calorimeter III

Cos’è il calore?

Il Flogisto• Teoria elaborata alla fine del ‘600 dal

chimico tedesco Becher e sviluppata dal medico tedesco Stahl (1697).

• La materia e’ costituita da due componenti: il Flogisto e la Cenere

• Bruciando, il flogisto si libera nell’aria, lasciando solamente la cenere

L’aria “Flogistificata” non riesce più a supportare la combustione

Georg Ernst Stahl (1660–1734),

J.J. Becher (1635-1682)

La Teoria del FlogistoLa teoria del Flogisto spiega perchè:

ü I combustibili perdono peso bruciando, perche’ perdono flogisto.

ü La combustione cessa quando tutto il flogisto e’ fuoriuscito dalla sostanza e ha

saturato l’aria

ü Il carbone lascia pochissimo residuo: e’ flogisto quasi puro

ü Un topolino muore se chiuso in un ambiente sigillato: l’aria si satura di flogisto

ü Alcune ‘calci metalliche’, scaldate con carbone si ritrasformano in metallo: il

carbone cede il flogisto

Problemi della Teoria del Flogisto• Tuttavia, alcune sostanze aumentano di peso dopo

essere state bruciate (il magnesio ad esempio)!

• Joseph Priestly scopre l’ossigeno nel 1774, ma non crede alla teoria dell’ossidazione. Chiama l’ossigeno aria deflogistificata

• Antoine Lavoisier ( 1743-1794) mostra come la combustione non e’ una perdita di flogisto, ma una reazione chimica con l’ossigeno

Joseph Priestly

Antoine-Laurent Lavoisier(1743-1794) e sua moglie

Nel 1620 Sir Francis Bacon ebbe l’intuizione che:

Francis Bacon (1561-1626)Nasce nel 1561 da una potente famiglia alla corte della Regina Elisabetta I di Inghilterra.

il calore era nient’altro che “movimento, rapida e vigorosa agitazione delle particelle di cui è composta la materia “

La sua teoria del calore venne dimenticata

La Teoria del Calorico

Joseph Black

Alla fine del ‘ 700, il chimico inglese Joseph Black, cui si devono le prime esperienze sistematiche di misura del calore che accompagna alcuni passaggi di stato, parlava di “fluido calorico”.

Nello stesso periodo Lavoisier pensava che il “calorico” fosse qualcosa di reale che esisteva in forma legata nei composti chimici e veniva liberato totalmente o parzialmente durante le reazioni (lo considerava una delle 33 sostanze semplici).

La Teoria del Calorico• l’opinione prevalente (Lavoisier, Fourier, Laplace e Poisson), era quindi che il

calore fosse una sorta di fluido misterioso, il calorico, che fluiva in ogni sostanza e spontaneamente passava da un corpo caldo ad un corpo freddo.

• La teoria del calorico assegnava a questo fluido strane proprietà. Prima di tutto non aveva peso: scaldare un etto di ferro non portava ad un aumento del suo peso; però occupava spazio. I corpi, infatti, aumentavano di volume se riscaldati.

• I corpi caldi contengono piu’ calorico del corpi freddi

• Mettendo a contatto un corpo caldo con un corpo freddo,

il calorico fluisce dal corpo caldo a quello freddo

• Nonostante i numerosi tentativi, il calorico sfuggiva ad ogni sforzo per essere isolato e investigato direttamente.

SADI CARNOT (1796-1832): Formula il concetto di rendimento di una macchina a vapore e ne circoscrive le limitazioni: stabilisce così inconsapevolmente una nuova attenzione verso tutti i tipi di trasformazione, dalla conversione dell’energia racchiusa nel carbone in lavoro meccanico allo schiudersi di una foglia. Accettò la teoria in voga a quel tempo (Refléctions sur la puissance motrice du feu, 1824) che il calore fosse un tipo di fluido senza massa, il fluido calorico. Partiva dal presupposto che il calore venisse conservato(come l’acqua che scorre e produce la rotazione delle pale di un mulino) e che la macchina compisse lavoro per il fatto che il fluido scorreva da una sorgente calda, termicamente “alta”, verso un elemento freddo, termicamente “basso”.

La nascita della termodinamica

J. P. JOULE (1818-1889): I suoi esperimenti scientifici, eseguiti negli anni 1840 nei laboratori della fabbrica di birra del padre, confermarono che il calore non si conserva: mostrò che il lavoro poteva essere convertito quantitativamente in calore. Ciò rappresentò la nascita del concetto di equivalente meccanico del calore e dimostrò che calore e lavoro sono mutuamente convertibili e che il calore non è una sostanza come l’acqua

Il riconoscimento e l’enunciazione del principio universale della conservazione dell’energia è dovuto principalmente a James Prescott Joules (1818-1889), birraio e appassionato di scienza.

L’energia dell’universo (sistema + ambiente) è conservata.

∆E = q + w

Nonostante il Calore e il Lavoro non siano delle funzioni di stato, sperimentalmentesi osserva che la loro somma è una variazione di una funzione di stato chiamataEnergia Interna (indicata con E o U).

Julius Robert von Mayer(1814-1878)

Convenzione: calore assorbito dal sistema e lavoro compiuto sul sistema sono quantità positive.

N.B.: La convenzione di assumere il lavoro fatto sul sistema come positivo è la più attuale. In testi meno recenti, la convenzione è che sia positivo il lavoro fatto dal sistema, per cui la prima legge è scritta come

∆E = q – w

+w -w

+q -q

sistema

I trasferimenti di energia fra il sistema e l’ambiente avvengono attraverso trasformazioni nelle quali ha luogo un cambiamento di stato del sistema stesso.

L’energia può essere trasferita attraverso una alterazione di alcune proprietà fisiche macroscopiche del sistema, quali il suo volume o la sua superficie: in questo caso il flusso di energia viene chiamato lavoro ( es.: il lavoro volumico)

Il trasferimento di energia fra sistema e ambiente può aver luogo anche senza variazione delle sopra menzionate variabili estensive: il flusso energetico viene in questo caso chiamato calore ed il trasferimento di energia avviene a livello atomico o molecolare poiché ha a che fare direttamente con i moti delle particelle di cui è costituito il sistema.

Il calore non è una forma di energia: è il nome di un modo per trasferire energia.

Lo stesso vale per il lavoro.

Calore Lavoro

sistemasistema

ambiente ambiente

∆E = q + w

dE = đq + đw

Per lavoro solo di tipo volumico:

dE = đq - PdV

L’L’entalpiaentalpia HH

Definita H = E + PV

dH = d(E + PV) = đq + đw+ PdV + VdP

Per lavoro solo di tipo volumico:

dH = đq + VdP

Osservazione importante:

dE = đq - PdV

dH = đq + VdP

Se la trasformazione avviene a V = cost → dV= 0 → dE = đq

Se la trasformazione avviene a P = cost → dP= 0 → dH = đq

Pertanto la determinazione del calore scambiato in un processo che avvenga a V costante o a P costante permette di misurare rispettivamente la variazione di energia interna o di entalpia avvenute nel sistema durante la trasformazione.

The world’s first ice-calorimeter, used in the winter of 1782-83, by Antoine Lavoisier and Pierre–Simon Laplace, to determine the heat evolved in various chemical changes. Calculation were based on Joseph Black’s prior discovery of latent heat.These experiment mark the foundation of thermochemistry.

I CALORIMETRI: SVILUPPO STORICO1780 Lavoisier-Laplace

Calorimetro a ghiaccio

La generazione di quantità note di calore tramite un effetto elettrico, introdotta da Joule a metà dell’ 800, e la disponibilità di termometri di precisione, ha aperto la via alla costruzione di strumenti più pratici e precisi

1903 Pierre CurieCalorimetro a recipienti dewar

“twin” (misura dell’output termico del bromuro di radio).

1958 CalvetCalorimetro “twin” a conduzione di calore.

SVILUPPO COMMERCIALE

Louis Médard e Henry Tachoire “Histoirede la Thermochimie”, Publications del’Université de Provence, 1994.

CALORIMETRI

A variazione della temperatura

A variazione della concentrazione

Analisi termica differenziale (DTA)

Calorimetria differenziale a scansione (DSC)

Isotermi(o quasi)

Adiabatici (o quasi)

A compensazione della temperatura

adiabatico

a combustione

isoperibolico

Calorimetri a flusso di calore

Es.: ITC

CALORIMETRI A VARIAZIONE DELLA TEMPERATURA

Analisi termica differenziale (DTA)

Calorimetria differenziale a scansione (DSC)

Ogniqualvolta un materiale subisce un cambiamento del suo stato fisico, ad esempio quando fonde o passa da una forma cristallina ad un’altra, o quando reagisce chimicamente, esso cede o acquista calore. Molti di tali processi avvengono semplicemente variando la temperatura del materiale: i DSC sono progettati con lo scopo di determinare le entalpie associate a questi processi, misurando il flusso differenziale di calore necessario per mantenere un campione del composto in esame alla stessa temperatura di un riferimento inerte. In linea generale il principio di funzionamento si basa sulla caratterizzazione di eventi termici: endotermici (es. fusione, rilascio di solvente o gas) ed esotermici (decomposizione, cristallizzazione, …) che il campione subisce durante una rampa di riscaldamento o di raffreddamento programmata.

basse temperature (per liquidi)

alte temperature (per solidi)

DifferentialScanning

Calorimetryper solidi

(DSC)

tecnica farmaceutica

polimorfismo,

compatibilità tra principio attivo ed eccipienti

cicli di liofilizzazione a bassa temperatura

caratterizzazione dei polimeri

test di stress

temperatura di transizione vetrosa

fenomeni di reticolazione

materiali

alimentari

da costruzione

ceramici

di confezionamento (conformità ai requisiti di Farmacopea)

Differential Scanning Calorimetry

• For binding and stability studies

• A sample is heated (or cooled) in a constant fashion and when an event occurs, e.g. unfolding, heat is generated or absorbed

DifferentialScanning

Calorimetryper liquidi

Denaturazione proteine

Lipidi, membrane modello e membrane biologiche

Comportamento termico di amidi

Effetto di leganti sulla stabilità termica delle proteine


Tm

DSC Data Interpretation

30 40 50 60 70 80 90

0

2

4

6

8

10

12

14

Cp (k

cal/

mol

e/o C)

Temperature ( oC)

∆Cp}

TM • Tm is useful for studying:

– Oligomers

– Shelf-life

– Binding

• ∆H and ∆Cp for:– Stabilising forces

– Energetics

∆H

CALORIMETRI

A variazione della concentrazione

Isotermi(o quasi)

Adiabatici (o quasi)

A compensazione della temperatura

adiabatico

a combustione

isoperibolico

Calorimetri a flusso di calore

Es.: ITC (simile a DSC)

Isothermal Titration Calorimetry

• Allows the highly accurate determination of thermodynamic parameters with no requirement for chemical modification, labelling, immobilization or limit on the size of interacting species.

•For binding and enzyme kinetics

• Two components are mixed in an automated fashion and the interaction is measured by the uptake or release of heat

∆T0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

5.2

5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

Time (min)

µcal

/sec

Output: the amount of power necessary to maintain constant the temperature difference between the reaction and reference cell.

Constant power supplied to referencecell heater

Power supplied to samplecell feedback heater proportional to ∆T



-4 0

-2 0

0

0 1 0 2 0 3 0 4 0

D a ta : R N AH H H _ N D HM o d e l: 1 S ite sC h i^2 = 2 7 9 5 .3 8 9 3 2

N 1 .0 2 ± 0 .0 0 1 5 9 K 5 .5 7 E 4 ± 1 .0 1 E 3 H -1 .3 5 9 E4 ± 2 9 .1 8

T im e (m in )µc

al/s

ec

0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0

-1 4-1 2-1 0

-8-6-4-20

M o la r R a tio

kcal

/mol

e of

inje

ctan

t

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

kcal

/mol

e of

inje

ctan

t

0 2 4

Molar Ratio

Stoichiometry

Mechanism

Affinity

One ITC experiment can, in theory, quantify the binding stoichiometry (n), binding constant (K), binding enthalpy (∆H°), binding entropy (∆S°).

∆G° = -RT ln K

∆S° = (∆G° - ∆H°)/T

The temperature dependence of ∆H° allows the change in heat capacity (∆Cp°) associated with the binding event to be determined.

ITC gives the Binding Mechansim

Macromolecule

Waters, ions, protons

Ligand

∆G = -RT ln KB ∆G = ∆H - T∆S

• Entropic Component (∆S)• Hydrophobic interactions• Water release• Ion release

• Conformational changes

• Enthalpic Component (∆H)• Hydrogen bonding • Protonation events

KB

Nature reviews/drug discovery, 2010, 9, 23

Aldose reductase

The complexesdiffer by onewater molecule ligands

Nature reviews/drugdiscovery, 2010, 9, 23

Heatflowó Reaction rate

La relazione fra la velocità di un processo ed il flusso di calore è data da:

dt

dCHdtdQ A∆=

Entalpia di reazione

Flusso di calore Velocità di reazione

Cinetica enzimatica

Per concludere…..

ubiquitario aspecificoProporzionale all’entità

del processo

La sua misura può essere usata per studi:

termodinamici cinetici analitici

Il calore è

Ricerca di base

Termodinamica

Termodinamicabiochimica

Es.:Formazione complessi MLCalori di reazioneTransizioni di fase

Es.:Antigene-anticorpoPeptide-proteinaLipide-proteinaAcido nucleico-proteinaPiccola molecola/Farmaco-ProteinaProteina-ProteinaProteina-recettore (solubile e legato alla membrana)Denaturazione proteine

Cinetica Es.:Cinetica enzimatica

ApplicazioniBio-analitiche

Microbiologia

Fisiologia vegetale

Zoologia

Biologia cellulare

Chimica Clinica

Ematologia

Virologia

Immunologia

Es.:Sviluppo microbicoRiconoscimentoEffetto dei nutrientiEffetto degli antibiotici, etc.

Es.:Metabolismo cellulare, etc.

Es.:Immuno reazioniReazioni allergicheInibizione di enzimi, etc.

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