La microcalorimetría isotérmica ( IMC ) es un método de laboratorio para el monitoreo en tiempo real y el análisis dinámico de procesos químicos, físicos y biológicos. Durante un período de horas o días, la IMC determina el inicio, la velocidad, la extensión y la energía de dichos procesos para muestras en ampollas pequeñas (por ejemplo, de 3 a 20 ml) a una temperatura constante establecida (aproximadamente 15 °C a 150 °C).
IMC logra este análisis dinámico midiendo y registrando, en función del tiempo transcurrido, la tasa neta de flujo de calor (μJ/s = μW) hacia o desde la ampolla de muestra y la cantidad acumulada de calor (J) consumido o producido.
IMC es una herramienta analítica potente y versátil por cuatro razones estrechamente relacionadas:
El método IMC para estudiar las velocidades de los procesos es, por tanto, de amplia aplicación, proporciona datos continuos en tiempo real y es sensible. La medición es sencilla de realizar, se lleva a cabo sin necesidad de supervisión y no produce interferencias (por ejemplo, no se necesitan marcadores fluorescentes o radiactivos).
Sin embargo, hay dos advertencias principales que deben tenerse en cuenta al utilizar IMC:
En general, las posibles aplicaciones de la IMC están limitadas únicamente por la imaginación de la persona que decide emplearla como herramienta analítica y las limitaciones físicas del método. Además de las dos limitaciones generales (advertencias principales) descritas anteriormente, estas limitaciones incluyen el tamaño de la muestra y de la ampolla, y las temperaturas a las que se pueden realizar las mediciones. La IMC es generalmente más adecuada para evaluar procesos que tienen lugar durante horas o días. La IMC se ha utilizado en una gama extremadamente amplia de aplicaciones, y en este artículo se analizan muchos ejemplos, respaldados por referencias a la literatura publicada. Las aplicaciones analizadas van desde la medición de la degradación oxidativa lenta de polímeros y la inestabilidad de productos químicos industriales peligrosos hasta la detección de bacterias en la orina y la evaluación de los efectos de los medicamentos sobre los gusanos parásitos. El énfasis actual en este artículo está en las aplicaciones del último tipo: biología y medicina.
La calorimetría es la ciencia que mide el calor de las reacciones químicas o los cambios físicos. La calorimetría se realiza con un calorímetro .
La microcalorimetría isotérmica (IMC) es un método de laboratorio para la medición continua y en tiempo real de la tasa de flujo de calor (μJ/s = μW) y la cantidad acumulada de calor (J) consumida o producida a una temperatura esencialmente constante por una muestra colocada en un instrumento IMC. Dicho calor se debe a cambios químicos o físicos que tienen lugar en la muestra. El flujo de calor es proporcional a la tasa agregada de cambios que tienen lugar en un momento dado. El calor agregado producido durante un intervalo de tiempo determinado es proporcional a la cantidad acumulada de cambios agregados que han tenido lugar.
El IMC es, por tanto, un medio para la evaluación cuantitativa y dinámica de las velocidades y la energía de una amplia gama de procesos de velocidad, incluidos los procesos biológicos. Un proceso de velocidad se define aquí como un cambio físico y/o químico cuyo progreso a lo largo del tiempo se puede describir empíricamente o mediante un modelo matemático (Bibliografía: Glasstone, et al. 1941 y Johnson, et al. 1974 y ecuación de velocidad ).
El uso más simple de la IMC es detectar que uno o más procesos de velocidad se están produciendo en una muestra porque se está produciendo o consumiendo calor a una velocidad que es mayor que el límite de detección del instrumento utilizado. Esto puede ser útil, por ejemplo, como un indicador general de que un material sólido o líquido no es inerte sino que está cambiando a una temperatura dada. En muestras biológicas que contienen un medio de crecimiento, la aparición a lo largo del tiempo de una señal de flujo de calor detectable y creciente es un indicador general simple de la presencia de algún tipo de células en replicación.
Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones es fundamental conocer, por algún medio, qué proceso o procesos se están midiendo mediante el control del flujo de calor. En general, esto implica primero tener un conocimiento físico, químico y biológico detallado de los elementos colocados en una ampolla de IMC antes de colocarla en un instrumento de IMC para evaluar el flujo de calor a lo largo del tiempo. También es necesario analizar el contenido de la ampolla después de que se hayan realizado mediciones de flujo de calor de IMC durante uno o más períodos de tiempo. Además, se pueden utilizar variaciones basadas en la lógica en el contenido de la ampolla para identificar la fuente o fuentes específicas de flujo de calor. Cuando se han establecido las relaciones entre el proceso de velocidad y el flujo de calor, es posible confiar directamente en los datos de IMC.
Lo que el IMC puede medir en la práctica depende en parte de las dimensiones de la muestra, y estas están necesariamente limitadas por el diseño del instrumento. Un instrumento comercial determinado normalmente acepta muestras de hasta un diámetro y una altura fijos. Los instrumentos que aceptan muestras con dimensiones de hasta aproximadamente 1 o 2 cm de diámetro x aproximadamente 5 cm de altura son típicos. En un instrumento determinado, las muestras más grandes de un tipo determinado suelen producir mayores señales de flujo de calor, y esto puede aumentar la detección y la precisión.
Con frecuencia, las muestras son simples ampollas cilíndricas de 3 a 20 ml (Fig. 1) que contienen materiales cuyos procesos de velocidad son de interés (por ejemplo, sólidos, líquidos, células cultivadas) o cualquier combinación de estos u otros elementos que se espera que resulten en producción o consumo de calor. Muchas mediciones útiles de IMC se pueden realizar utilizando ampollas selladas simples, y las ampollas de vidrio son comunes ya que el vidrio no es propenso a sufrir cambios químicos o físicos que produzcan calor. Sin embargo, a veces se emplean ampollas de metal o polímeros. Además, existen sistemas de instrumentos/ampollas que permiten la inyección o el flujo controlado de gases o líquidos y/o proporcionan agitación mecánica de la muestra.
Los instrumentos comerciales de medición del flujo de calor permiten realizar mediciones a temperaturas que oscilan entre los 15 °C y los 150 °C. El rango de un instrumento determinado puede variar ligeramente.
La IMC es extremadamente sensible: por ejemplo, el calor generado por reacciones químicas lentas en muestras que pesan unos pocos gramos y que se producen a tasas de consumo de reactivos de un pequeño porcentaje por año se puede detectar y cuantificar en cuestión de días. Algunos ejemplos incluyen la oxidación gradual de materiales poliméricos para implantes y estudios de vida útil de formulaciones farmacéuticas sólidas (Aplicaciones: Materiales sólidos).
También se puede medir la tasa de producción de calor metabólico de, por ejemplo, unos pocos miles de células vivas, microorganismos o protozoos en cultivo en una ampolla de IMC. La cantidad de dicho calor metabólico se puede correlacionar (a través de la experimentación) con el número de células u organismos presentes. De este modo, los datos de IMC se pueden utilizar para controlar en tiempo real el número de células u organismos presentes y la tasa neta de crecimiento o disminución de este número (Aplicaciones: Biología y medicina).
Aunque se analizan algunas aplicaciones no biológicas del IMC (Aplicaciones: Materiales sólidos), el énfasis de este artículo está en el uso del IMC en conexión con procesos biológicos (Aplicaciones: Biología y medicina).
En la figura 2 se muestra una representación gráfica de un tipo común de datos de IMC. En la parte superior hay un gráfico del flujo de calor registrado (μJ/s = μW) en función del tiempo de una muestra en una ampolla sellada, debido a un proceso de tasa exotérmica que comienza, se acelera, alcanza un flujo de calor máximo y luego disminuye. Dichos datos son directamente útiles (por ejemplo, la detección de un proceso y su duración en condiciones fijas), pero los datos también se evalúan fácilmente matemáticamente para determinar los parámetros del proceso. Por ejemplo, la figura 2 también muestra una integración de los datos de flujo de calor, que proporciona el calor acumulado (J) en función del tiempo. Como se muestra, los parámetros como la tasa máxima de crecimiento (generación de calor) del proceso y el tiempo de duración de la fase de retraso antes de que el proceso alcance el calor máximo se pueden calcular a partir de los datos integrados. [1] Los cálculos que utilizan datos de tasa de flujo de calor almacenados como archivos de computadora se automatizan fácilmente. Analizar los datos de IMC de esta manera para determinar los parámetros de crecimiento tiene aplicaciones importantes en las ciencias de la vida (Aplicaciones: Biología y medicina). Además, los caudales de calor obtenidos a una serie de temperaturas se pueden utilizar para obtener la energía de activación del proceso que se está evaluando (Hardison et al. 2003). [2]
Se atribuye a Lavoisier y Laplace la creación y el uso del primer calorímetro isotérmico en torno a 1780 (Bibliografía: Lavoisier A y Laplace PS 1780). Su instrumento empleaba hielo para producir una temperatura relativamente constante en un espacio confinado. Se dieron cuenta de que cuando colocaban una muestra productora de calor sobre el hielo (por ejemplo, un animal vivo), la masa de agua líquida producida por el hielo derretido era directamente proporcional al calor producido por la muestra. [ cita requerida ]
Muchos de los diseños de instrumentos de IMC modernos se derivan del trabajo realizado en Suecia a fines de la década de 1960 y principios de la de 1970 (Wadsö 1968, [3] Suurkuusk y Wadsö 1974 [4] ). Este trabajo aprovechó el desarrollo paralelo de dispositivos electrónicos de estado sólido, en particular la disponibilidad comercial de dispositivos de pequeño efecto termoeléctrico (Peltier-Seebeck) para convertir el flujo de calor en voltaje, y viceversa. [ cita requerida ]
En la década de 1980, surgieron los diseños multicanal (Suurkuusk 1982), [5] que permiten la evaluación paralela de múltiples muestras. Esto aumentó en gran medida la potencia y la utilidad del IMC y condujo a esfuerzos para perfeccionar el método (Thorén et al. 1989). [6] Gran parte del diseño y desarrollo posteriores realizados en la década de 1990 también se llevaron a cabo en Suecia por Wadsö y Suurkuusk y sus colegas. Este trabajo aprovechó el desarrollo paralelo de la tecnología de las computadoras personales, que aumentó en gran medida la capacidad de almacenar, procesar e interpretar fácilmente los datos de flujo de calor en función del tiempo. [ cita requerida ]
El trabajo de desarrollo de instrumentos desde la década de 1990 ha aprovechado aún más el continuo desarrollo de la electrónica de estado sólido y la tecnología de las computadoras personales. Esto ha creado instrumentos IMC de mayor sensibilidad y estabilidad, mayor cantidad de canales paralelos e incluso mayor capacidad para registrar, almacenar y procesar rápidamente datos IMC de manera conveniente. En relación con un uso más amplio, se ha prestado mucha atención a la creación de estándares para describir el desempeño de los instrumentos IMC (por ejemplo, precisión, exactitud, sensibilidad) y para los métodos de calibración (Wadsö y Goldberg 2001). [7]
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Los instrumentos IMC modernos son en realidad semiadiabáticos, es decir, la transferencia de calor entre la muestra y sus alrededores no es cero (adiabática), porque la medición IMC del flujo de calor depende de la existencia de un pequeño diferencial de temperatura, aproximadamente 0,001 °C. [7] Sin embargo, debido a que el diferencial es tan bajo, las mediciones IMC son esencialmente isotérmicas. La figura 3 muestra una descripción general de un instrumento IMC que contiene 48 módulos de medición de flujo de calor separados. Se muestra un módulo. La unidad de medición del módulo es típicamente un dispositivo Peltier-Seebeck. El dispositivo produce un voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre una muestra que está produciendo o consumiendo calor y una referencia térmicamente inactiva que está a la temperatura del disipador de calor. La diferencia de temperatura es a su vez proporcional a la velocidad a la que la muestra está produciendo o consumiendo calor (ver Calibración a continuación). Todos los módulos de un instrumento utilizan el mismo disipador de calor y termostato y, por lo tanto, todos producen datos a la misma temperatura establecida. Sin embargo, generalmente es posible iniciar y detener las mediciones en cada ampolla de forma independiente. En un instrumento altamente paralelo (por ejemplo, de 48 canales) como el que se muestra en la figura 3, esto permite realizar (iniciar y detener) varios experimentos diferentes cuando sea conveniente hacerlo. [ cita requerida ]
Como alternativa, los instrumentos de IMC pueden estar equipados con módulos dúplex que producen señales proporcionales a la diferencia de flujo de calor entre dos ampollas. Una de estas dos ampollas dúplex suele ser un blanco o control, es decir, una muestra que no contiene el material que produce el proceso de velocidad de interés, pero cuyo contenido es idéntico al que se encuentra en la ampolla de la muestra. Esto proporciona un medio para eliminar reacciones menores que producen calor que no son de interés, por ejemplo, cambios químicos graduales a lo largo de un período de días en un medio de cultivo celular a la temperatura de medición. Se pueden realizar muchas mediciones útiles de IMC utilizando ampollas selladas simples. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, existen sistemas de instrumento/ampolla que permiten o incluso controlan el flujo de gases o líquidos hacia y/o desde las muestras y/o proporcionan agitación mecánica de las muestras. [ cita requerida ]
El flujo de calor se mide generalmente en relación con un inserto de referencia, como se muestra en la figura 3. Este suele ser un cupón de metal que es química y físicamente estable a cualquier temperatura en el rango de funcionamiento del instrumento y, por lo tanto, no producirá ni consumirá calor por sí mismo. Para un mejor rendimiento, la referencia debe tener una capacidad térmica cercana a la de la muestra (por ejemplo, una ampolla de IMC más su contenido). [ cita requerida ]
Los instrumentos comerciales de IMC se utilizan a menudo como calorímetros de conducción de calor (hc) en los que el calor producido por la muestra (es decir, el material en una ampolla) fluye hacia el disipador de calor , normalmente un bloque de aluminio contenido en un termostato (por ejemplo, un baño de temperatura constante). Como se mencionó anteriormente, un instrumento de IMC que funciona en modo hc no es precisamente isotérmico porque necesariamente existen pequeñas diferencias entre la temperatura establecida y la temperatura de la muestra, de modo que hay un flujo de calor medible. Sin embargo, pequeñas variaciones en la temperatura de la muestra no afectan significativamente la temperatura del disipador de calor porque la capacidad térmica del disipador de calor es mucho mayor que la de la muestra, generalmente ca. 100×. [ cita requerida ]
La transferencia de calor entre la muestra y el disipador de calor se lleva a cabo a través de un dispositivo Peltier-Seebeck , lo que permite la medición dinámica del calor producido o consumido. En los instrumentos de calidad para investigación, la temperatura del termostato/disipador de calor suele tener una precisión de < ±0,1 K y se mantiene dentro de ca. < ±100 μK/24h. La precisión con la que se mantiene la temperatura del disipador de calor a lo largo del tiempo es un determinante principal de la precisión de las mediciones del flujo de calor a lo largo del tiempo. Una ventaja del modo hc es un amplio rango dinámico. Los flujos de calor de ca. 50.000 μW se pueden medir con una precisión de ca. ±0,2 μW. Por lo tanto, la medición de un flujo de calor de ca. >0,2 μW por encima de la línea de base constituye la detección del flujo de calor, aunque a menudo se utiliza una detección más conservadora de 10× el límite de precisión [ aclaración necesaria ] . [ cita requerida ]
Algunos instrumentos IMC funcionan (o también pueden funcionar) como calorímetros de compensación de potencia (pc). En este caso, para mantener la muestra a la temperatura establecida, el calor producido se compensa utilizando un dispositivo Peltier-Seebeck. El calor consumido se compensa mediante un calentador eléctrico o invirtiendo la polaridad del dispositivo (van Herwaarden, 2000). [8] Si un instrumento determinado se utiliza en modo pc en lugar de hc, la precisión de la medición del flujo de calor sigue siendo la misma (p. ej., aprox. ±0,2 μW). La ventaja del modo de compensación es una constante de tiempo menor, es decir, el tiempo necesario para detectar un pulso de flujo de calor determinado es aproximadamente 10 veces más corto que en el modo de conducción. La desventaja es un rango dinámico aproximadamente 10 veces más pequeño en comparación con el modo hc. [ cita requerida ]
Para el funcionamiento en modo hc o pc, la calibración de rutina en instrumentos comerciales se realiza generalmente con calentadores eléctricos incorporados. El rendimiento de los calentadores eléctricos se puede validar a su vez utilizando muestras de capacidad térmica conocida o que produzcan reacciones químicas cuya producción de calor por unidad de masa se conoce a partir de la termodinámica (Wadsö y Goldberg 2001). [7] En modo hc o pc, la señal resultante es un voltaje registrable por computadora, calibrado para representar el flujo de calor de rango μW de la muestra en función del tiempo. Específicamente, si no existen gradientes térmicos significativos en la muestra, entonces P = e C [U + t (dU/dt)], donde P es el flujo de calor (es decir, μW), ε C es la constante de calibración, U la diferencia de potencial medida a través de la termopila y t la constante de tiempo. En condiciones de estado estable, por ejemplo durante la liberación de una corriente de calibración eléctrica constante, esto se simplifica a P = e C U. (Wadsö y Goldberg 2001). [7]
Se pueden realizar muchas mediciones de IMC de gran utilidad en ampollas selladas (Fig. 1), que ofrecen ventajas de simplicidad, protección contra la contaminación y (cuando sea necesario) un margen sustancial de bioseguridad para las personas que manipulan o están expuestas a las ampollas. Una ampolla cerrada puede contener cualquier combinación deseada de sólidos, líquidos, gases o elementos de origen biológico. La composición inicial del gas en el espacio superior de la ampolla se puede controlar sellando la ampolla en el entorno de gas deseado. [ cita requerida ]
Sin embargo, también existen diseños de instrumentos/ampollas IMC que permiten el flujo controlado de gas o líquido a través de la ampolla durante la medición y/o agitación mecánica. Además, con los accesorios adecuados, algunos instrumentos IMC pueden funcionar como instrumentos ITC (calorimetría de titulación isotérmica). El tema de la ITC se trata en otra parte (véase Calorimetría de titulación isotérmica ). Además, algunos instrumentos IMC pueden registrar el flujo de calor mientras la temperatura cambia lentamente (escanea) a lo largo del tiempo. La velocidad de escaneo debe ser lenta (aproximadamente ± 2 °C/h ) para mantener las muestras a escala IMC (por ejemplo, unos pocos gramos) lo suficientemente cerca de la temperatura del disipador de calor (< aprox. 0,1 °C). El escaneo rápido de la temperatura es competencia de los instrumentos de calorimetría diferencial de escaneo (DSC), que generalmente utilizan muestras mucho más pequeñas. Algunos instrumentos DSC pueden funcionar en modo IMC, pero el pequeño tamaño de la ampolla (y, por lo tanto, de la muestra) necesario para el escaneo limita la utilidad y la sensibilidad de los instrumentos DSC utilizados en modo IMC. [ cita requerida ]
Las mediciones de la tasa de flujo de calor (μJ/s = μW) se logran configurando primero un termostato de instrumento IMC a una temperatura seleccionada y dejando que el disipador de calor del instrumento se estabilice a esa temperatura. Si un instrumento IMC que funciona a una temperatura se configura a una nueva temperatura, la reestabilización a la nueva temperatura puede llevar varias horas, incluso un día. Como se explicó anteriormente, lograr y mantener una temperatura exactamente estable es fundamental para lograr mediciones precisas de flujo de calor en el rango de μW durante períodos prolongados (por ejemplo, días). [ cita requerida ]
Después de la estabilización de la temperatura, si se utiliza una ampolla preparada externamente (o algún espécimen sólido de dimensiones de ampolla), se introduce lentamente (por ejemplo, se baja) en el módulo de medición de un instrumento, generalmente en una operación por etapas. El propósito es asegurar que, cuando la ampolla/muestra esté en la posición de medición, su temperatura sea cercana (dentro de c. 0,001 °C) a la temperatura de medición. Esto es para que cualquier flujo de calor medido entonces se deba a procesos de velocidad de la muestra en lugar de a un proceso continuo para llevar la muestra a la temperatura establecida. El tiempo para la introducción de una muestra en una ampolla IMC de 3 a 20 ml en la posición de medición es de aproximadamente 40 minutos en muchos instrumentos. Esto significa que no se registrará el flujo de calor de cualquier proceso que tenga lugar dentro de una muestra durante ese período de introducción. [ cita requerida ]
Si se utiliza una ampolla in situ y se inyecta algún agente o muestra, esto también produce un período de inestabilidad, pero es del orden de 1 minuto aproximadamente. La figura 5 proporciona ejemplos tanto del largo período necesario para estabilizar un instrumento si se introduce una ampolla directamente, como del corto período de inestabilidad debido a la inyección. [ cita requerida ]
Después del proceso de introducción, el flujo de calor de la muestra se puede registrar de forma precisa y continua durante el tiempo que sea de interés. La extrema estabilidad de los instrumentos de grado de investigación (< ±100 μK/24h) significa que se pueden realizar mediciones precisas (y a menudo se realizan) durante un período de días. Dado que la señal de flujo de calor es esencialmente legible en tiempo real, sirve como un medio para decidir si el flujo de calor de interés todavía se está produciendo o no. Además, los instrumentos modernos almacenan datos de flujo de calor en función del tiempo como archivos de computadora, por lo que es posible realizar una visualización gráfica y un análisis matemático de los datos tanto en tiempo real como retrospectivos. [ cita requerida ]
Como se indica a continuación, el IMC tiene muchas ventajas como método para analizar procesos de velocidad, pero también hay algunas advertencias que deben tenerse en cuenta.
Se puede estudiar cualquier proceso de velocidad, si las muestras adecuadas se ajustan a la geometría del módulo del instrumento IMC y avanzan a velocidades que se adaptan a la metodología IMC (ver arriba). Como se muestra en Aplicaciones, la IMC se utiliza para cuantificar una gama extremadamente amplia de procesos de velocidad in vitro, por ejemplo, desde la estabilidad en estado sólido de polímeros (Hardison et al. 2003) [2] hasta la eficacia de compuestos farmacológicos contra gusanos parásitos (Maneck et al. 2011). [9] La IMC también puede determinar la velocidad agregada de interacciones no caracterizadas, complejas o múltiples (Lewis & Daniels). [10] Esto es especialmente útil para la detección comparativa, por ejemplo, los efectos de diferentes combinaciones de composición de materiales y/o procesos de fabricación en la estabilidad fisicoquímica general.
Los datos de flujo de calor de IMC se obtienen como fluctuaciones de voltaje en función del tiempo, se almacenan como archivos de computadora y se pueden mostrar esencialmente en tiempo real, a medida que se produce el proceso de velocidad. El voltaje relacionado con el flujo de calor es continuo en el tiempo, pero en los instrumentos modernos normalmente se muestrea digitalmente. La frecuencia del muestreo digital se puede controlar según sea necesario, es decir, muestreo frecuente de cambios rápidos de flujo de calor para una mejor resolución temporal o muestreo más lento de cambios lentos para limitar el tamaño del archivo de datos.
La IMC es lo suficientemente sensible como para detectar y cuantificar en tiempos breves (horas, días) reacciones que consumen solo un pequeño porcentaje de reactivos durante largos períodos (meses). De este modo, la IMC evita las largas esperas que suelen ser necesarias hasta que se ha acumulado suficiente producto de reacción para los ensayos convencionales (por ejemplo, químicos). Esto se aplica tanto a muestras físicas como biológicas (consulte Aplicaciones).
En cada combinación de variables de muestra y temperatura de interés, el IMC proporciona una determinación directa de la cinética del flujo de calor y el calor acumulado de los procesos de velocidad. Esto evita la necesidad de suponer que un proceso de velocidad permanece igual cuando se modifica la temperatura u otras variables controladas antes de una medición del IMC.
Para comparar el efecto de las variables experimentales (por ejemplo, las concentraciones iniciales) en los procesos de velocidad, la IMC no requiere el desarrollo y uso de métodos de ensayo químicos o de otro tipo. Si se requieren datos absolutos (por ejemplo, la cantidad de producto producido por un proceso), entonces se pueden realizar ensayos en paralelo en muestras idénticas a las utilizadas para la IMC (y/o en muestras de IMC después de las ejecuciones de IMC). Los datos de ensayo resultantes se utilizan para calibrar los datos de velocidad obtenidos por la IMC.
La IMC no requiere la adición de marcadores (por ejemplo, sustancias fluorescentes o radiactivas) para capturar los procesos de velocidad. Se pueden utilizar muestras no adulteradas y, después de una ejecución de IMC, la muestra no sufre modificaciones (excepto los procesos que se han llevado a cabo). La muestra posterior a la IMC se puede someter a cualquier tipo de evaluación física, química, morfológica o de otro tipo que resulte de interés.
Como se indica en la descripción de la metodología, cuando se utiliza el método IMC de inserción de una ampolla sellada, no es posible capturar el flujo de calor durante los primeros 40 minutos aproximadamente mientras la muestra se lleva lentamente a la temperatura establecida. Por lo tanto, en este modo, el IMC es más adecuado para estudiar procesos que comienzan lentamente o ocurren lentamente a una temperatura dada. Esta advertencia también se aplica al tiempo antes de la inserción, es decir, el tiempo transcurrido entre la preparación de una muestra (en el que puede comenzar un proceso de velocidad) y el inicio del proceso de inserción del IMC (Charlebois et al. 2003). [11] Este último efecto generalmente se minimiza si la temperatura elegida para el IMC es sustancialmente más alta (por ejemplo, 37 °C) que la temperatura a la que se prepara la muestra (por ejemplo, 25 °C).
El IMC captura la producción o el consumo de calor agregado resultante de todos los procesos que tienen lugar dentro de una muestra, incluidos, por ejemplo:
Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado en la planificación y el diseño experimental para identificar todos los procesos posibles que pueden estar teniendo lugar. A menudo es necesario diseñar y realizar estudios preliminares destinados a determinar sistemáticamente si se están produciendo múltiples procesos y, de ser así, sus contribuciones al flujo de calor agregado. Una estrategia, para eliminar datos de flujo de calor extraños, es comparar el flujo de calor de una muestra en la que se está produciendo el proceso de velocidad de interés con el de una muestra en blanco que incluye todo lo que hay en la muestra de interés, excepto el elemento que se someterá al proceso de velocidad de interés. Esto se puede lograr directamente con instrumentos que tengan módulos IMC dúplex que informan la diferencia neta de flujo de calor entre dos ampollas.
Después de una discusión de algunas fuentes especiales de información de aplicación de IMC, se cubren varias categorías específicas de análisis de IMC de procesos de velocidad y se discuten ejemplos recientes (con referencias bibliográficas) en cada categoría.
La bibliografía enumera los cuatro volúmenes extensos del Manual de análisis térmico y calorimetría: vol. 1, Principios y práctica (1998), vol. 2, Aplicaciones a materiales inorgánicos y diversos (2003), vol. 3, Aplicaciones a polímeros y plásticos (2002) y vol. 4, De las macromoléculas al hombre (1999). Estos constituyen una fuente principal de información (y referencias bibliográficas) sobre aplicaciones y ejemplos de IMC publicados antes de aproximadamente el año 2000.
Algunos fabricantes de instrumentos de IMC han recopilado notas de aplicación y las ponen a disposición del público. Las notas suelen ser (pero no siempre) adaptaciones de artículos de revistas científicas. Un ejemplo es el Compendio de microcalorimetría vol. I y II que ofrece TA Instruments, Inc. y que aparece en la bibliografía.
La primera sección de notas del volumen I, "Proteínas", no es de interés aquí, ya que describe estudios que emplean calorimetría de titulación isotérmica . Las secciones posteriores del volumen I, Ciencias biológicas y biológicas y Productos farmacéuticos, contienen notas de aplicación tanto para la calorimetría de barrido diferencial como para la calorimetría de barrido IMC. El volumen II del compendio está dedicado casi por completo a las aplicaciones de la calorimetría de barrido diferencial. Sus secciones se titulan Cemento, Energía, Materiales y otros. Un posible inconveniente de estos dos compendios específicos es que ninguna de las notas está fechada. Aunque los compendios se publicaron en 2009, algunas de las notas describen instrumentos de la calorimetría de barrido IMC que se utilizaban hace años y ya no están disponibles. Por lo tanto, algunas de las notas, aunque siguen siendo relevantes e instructivas, a menudo describen estudios realizados antes de 2000.
En general, las posibles aplicaciones de la IMC están limitadas únicamente por la imaginación de la persona que elige emplear la IMC como herramienta analítica, dentro de las limitaciones descritas anteriormente que presentan los instrumentos y la metodología de la IMC existentes. Esto se debe a que es un medio universal para monitorear cualquier proceso químico, físico o biológico. A continuación se presentan algunas categorías de aplicación de la IMC con ejemplos de cada una. En la mayoría de las categorías, hay muchos más ejemplos publicados que los mencionados y referenciados. Las categorías son algo arbitrarias y a menudo se superponen. Un conjunto diferente de categorías podría ser igualmente lógico, y se podrían agregar más categorías.
La IMC se utiliza ampliamente para estudiar las tasas de formación de una variedad de materiales mediante varios procesos. Es más adecuada para estudiar procesos que ocurren lentamente, es decir, durante horas o días. Un excelente ejemplo es el estudio de las reacciones de hidratación y fraguado de las formulaciones de cemento mineral de calcio. Un artículo proporciona una descripción general (Gawlicki, et al. 2010) [12] y otro describe un enfoque simple (Evju 2003). [13] Otros estudios se centran en los conocimientos sobre la hidratación del cemento proporcionados por la IMC combinada con la espectroscopia IR (Ylmen et al. 2010) [14] y en el uso de la IMC para estudiar la influencia de las variables de composición en la hidratación del cemento y los tiempos de fraguado (Xu et al. 2011). [15]
La IMC también se puede utilizar de forma conveniente para estudiar la tasa y la cantidad de hidratación (en aire de humedad conocida) de minerales de calcio u otros minerales. Para proporcionar aire de humedad conocida para tales estudios, se pueden colocar pequeños recipientes de soluciones salinas saturadas en una ampolla de IMC junto con una muestra de mineral no hidratado. Luego, la ampolla se sella y se introduce en un instrumento de IMC. La solución salina saturada mantiene el aire en la ampolla a una humedad relativa conocida, y varias soluciones salinas comunes proporcionan humedades que varían de, por ejemplo, 32-100% de humedad relativa. Dichos estudios se han realizado en partículas de hidroxiapatita de calcio de rango de tamaño μm y partículas "nano" de vidrio bioactivo que contienen calcio (Doostmohammadi et al. 2011). [16]
El IMC es muy adecuado para cuantificar rápidamente las tasas de cambios lentos en los materiales (Willson et al. 1995). [17] Estas evaluaciones se describen de diversas formas: estudios de estabilidad, degradación o vida útil .
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Por ejemplo, la IMC se ha utilizado ampliamente durante muchos años en estudios de vida útil de formulaciones de fármacos sólidos en la industria farmacéutica (Pikal et al. 1989, [18] Hansen et al. 1990, [19] Konigbauer et al. 1992. [20] ) La IMC tiene la capacidad de detectar la degradación lenta durante el almacenamiento simulado en estantería mucho antes que los métodos analíticos convencionales y sin la necesidad de emplear técnicas de ensayo químico. La IMC también es un método rápido y sensible para determinar el contenido amorfo, a menudo funcionalmente crucial, de fármacos como la nifedipina (Vivoda et al. 2011). [21]
La IMC se puede utilizar para determinar rápidamente la tasa de cambios lentos en polímeros industriales. Por ejemplo, se sabe que la esterilización con radiación gamma de un material que se utiliza con frecuencia para implantes quirúrgicos ( el polietileno de peso molecular ultraalto [UHMWPE]) produce radicales libres en el polímero. El resultado es una oxidación lenta y una fragilización gradual e indeseable del polímero en el estante o in vivo. La IMC pudo detectar el calor relacionado con la oxidación y cuantificó una tasa de oxidación de aproximadamente el 1 % por año en el UHMWPE irradiado a temperatura ambiente en el aire (Charlebois et al. 2003). [11] En un estudio relacionado, la energía de activación se determinó a partir de mediciones a una serie de temperaturas (Hardison et al. 2003). [2]
El IMC también es de gran utilidad para evaluar el "potencial de descontrol" de materiales que presentan un riesgo significativo de incendio o explosión. Por ejemplo, se ha utilizado para determinar la cinética autocatalítica del hidroperóxido de cumeno (CHP), un intermediario que se utiliza en la industria química y cuya descomposición repentina ha provocado una serie de incendios y explosiones. La figura 4 muestra los datos del IMC que documentan la descomposición térmica del CHP a cinco temperaturas diferentes (Chen et al. 2008). [22]
El término metabolismo se puede utilizar [ cita requerida ] para describir estudios de la medición cuantitativa de la tasa a la que se produce o consume calor frente al tiempo por células (incluidos los microbios) en cultivo, por muestras de tejido o por pequeños organismos completos. Como se describe posteriormente, el metabolismo puede ser útil como herramienta de diagnóstico; especialmente en (a) identificar la naturaleza de un espécimen a partir de su flujo de calor frente a la firma de tiempo bajo un conjunto dado de condiciones, o (b) determinar los efectos de, por ejemplo, compuestos farmacéuticos en los procesos metabólicos, el crecimiento orgánico o la viabilidad. El metabolismo está relacionado con la metabolómica . Esta última es el estudio sistemático de las huellas químicas únicas que dejan atrás los procesos celulares específicos; es decir, el estudio de sus perfiles de metabolitos de moléculas pequeñas. Cuando se utiliza IMC para determinar el metabolismo, los productos de los procesos metabólicos estudiados están posteriormente disponibles para estudios de metabolómica. Dado que el IMC no emplea marcadores bioquímicos o radiactivos, las muestras posteriores al IMC consisten solo en productos metabólicos y medio de cultivo restante (si se utilizó alguno). Si se utilizan juntas la metabólica y la metabolómica, pueden proporcionar un registro completo de un proceso metabólico que tiene lugar in vitro: su velocidad y energía, y sus productos metabólicos.
Para determinar el metabolismo mediante IMC, debe haber, por supuesto, suficientes células, tejidos u organismos presentes inicialmente (o presentes más tarde si se está produciendo una replicación durante las mediciones de IMC) para generar una señal de flujo de calor por encima del límite de detección de un instrumento determinado. Un artículo general de referencia de 2002 sobre el tema del metabolismo proporciona una excelente perspectiva desde la que considerar los estudios metabólicos de IMC (véase Bibliografía, West, Woodruff y Brown 2002). Describe cómo se relacionan las tasas metabólicas y cómo se escalan en todo el rango desde "moléculas y mitocondrias hasta células y mamíferos". Algo importante para IMC es que los autores también señalan que, si bien la tasa metabólica de un tipo determinado de célula de mamífero in vivo disminuye notablemente con el aumento del tamaño (masa) del animal, el tamaño del animal donante no tiene ningún efecto sobre la tasa metabólica de la célula cuando se cultiva in vitro.
Las células de mamíferos en cultivo tienen una tasa metabólica de aproximadamente 30×10 −12 W/célula (Figs. 2 y 3 en la bibliografía: West, Woodruff y Brown 2002). Por definición, los instrumentos de IMC tienen una sensibilidad de al menos 1×10 −6 W (es decir, 1 μW). Por lo tanto, es detectable el calor metabólico de aproximadamente 33.000 células. Basándose en esta sensibilidad, la IMC se utilizó para realizar una gran cantidad de estudios pioneros sobre el metabolismo de células de mamíferos cultivadas en Suecia en los años 1970 y 1980. Un artículo (Monti 1990) [23] sirve como una guía extensa del trabajo realizado hasta 1990. Incluye texto explicativo y 42 referencias a estudios de IMC del flujo de calor de eritrocitos humanos cultivados , plaquetas , linfocitos , células de linfoma, granulocitos , adipocitos , músculo esquelético y tejido miocárdico. Los estudios se realizaron para determinar cómo y dónde se podría utilizar la IMC como método de diagnóstico clínico y/o proporcionar información sobre las diferencias metabólicas entre células de personas sanas y personas con diversas enfermedades o problemas de salud.
Los avances desde ca. 2000 en IMC (por ejemplo, instrumentos masivamente paralelos, almacenamiento basado en computadora en tiempo real y análisis de datos de flujo de calor) han estimulado un mayor uso de IMC en biología de células cultivadas. Por ejemplo, IMC ha sido evaluada para evaluar la proliferación de linfocitos inducida por antígenos (Murigande et al. 2009) [24] y reveló aspectos de proliferación no observados utilizando un método de ensayo de marcador radiactivo no continuo convencional. IMC también se ha aplicado al campo de la ingeniería de tejidos . Un estudio (Santoro et al. 2011) [25] demostró que IMC podría utilizarse para medir la tasa de crecimiento (es decir, proliferación) en cultivo de condrocitos humanos recolectados para uso en ingeniería de tejidos. Mostró que IMC puede servir potencialmente para determinar la efectividad de diferentes formulaciones de medios de crecimiento y también determinar si las células donadas por un individuo dado pueden cultivarse con la suficiente eficiencia como para considerar su uso para producir tejido diseñado.
La IMC también se ha utilizado para medir la respuesta metabólica de los macrófagos cultivados a los restos de desgaste de los implantes quirúrgicos. La IMC demostró que la respuesta era más fuerte para partículas de polietileno de tamaño μm que para partículas de aleación de Co de tamaño similar (Charlebois et al. 2002). [26] Un artículo relacionado cubre el tema general de la aplicación de la IMC en el campo de los materiales sólidos sintéticos utilizados en cirugía y medicina (Lewis y Daniels 2003). [10]
Al menos dos estudios han sugerido que la IMC puede ser de gran utilidad en la patología tumoral. En un estudio (Bäckman 1990), [27] se midió la tasa de producción de calor de las células de linfoma T cultivadas en suspensión. Los cambios de temperatura y pH indujeron variaciones significativas, pero no así la velocidad de agitación y la concentración celular. Un estudio más directo sobre su posible uso diagnóstico (Kallerhoff et al. 1996) [28] produjo resultados prometedores. En el caso de las muestras de biopsia de tejido urogenital estudiadas, los resultados mostraron
"Mediante la medición microcalorimétrica es posible diferenciar entre muestras de tejido normal y tumoral, teniendo en cuenta la actividad metabólica claramente superior del tejido maligno. Además, la microcalorimetría permite diferenciar y clasificar las muestras de tejido según su clasificación histológica".
A partir de 2012, la IMC no se ha utilizado ampliamente en la toxicología de células cultivadas, aunque se ha utilizado periódicamente y con éxito desde la década de 1980. La IMC es ventajosa en toxicología cuando es deseable observar el metabolismo de las células cultivadas en tiempo real y cuantificar la tasa de disminución metabólica como una función de la concentración de un agente posiblemente tóxico. Uno de los primeros informes (Ankerst et al. 1986) [29] del uso de IMC en toxicología fue un estudio de toxicidad celular dependiente de anticuerpos (ADCC) contra células de melanoma humano de varias combinaciones de antisuero, anticuerpos monoclonales y también linfocitos de sangre periférica como células efectoras. Se midió la cinética del flujo de calor metabólico de las células de melanoma frente al tiempo en ampollas cerradas durante 20 horas. Los autores concluyeron que
"...la microcalorimetría es un método sensible y especialmente adecuado para el análisis de la cinética de citotoxicidad."
La IMC también se utiliza en toxicología ambiental. En un estudio anterior (Thorén 1992) [30] se evaluó la toxicidad contra monocapas de macrófagos alveolares de partículas de MnO 2 , TiO 2 y SiO 2 (sílice). Los resultados de la IMC coincidieron con los obtenidos mediante tinción con éster de fluoresceína y análisis de imágenes microscópicas, excepto que la IMC mostró efectos tóxicos del cuarzo no discernibles mediante análisis de imágenes. Esta última observación, en concordancia con los efectos alveolares conocidos, indicó a los autores que la IMC era una técnica más sensible.
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Mucho más recientemente (Liu et al. 2007), [31] se ha demostrado que el IMC proporciona datos metabólicos dinámicos que evalúan la toxicidad contra los fibroblastos del Cr(VI) del cromato de potasio. La figura 5 muestra los resultados de referencia que determinan el flujo de calor metabólico de los fibroblastos cultivados antes de evaluar los efectos del Cr(VI). Los autores concluyeron que
"La microcalorimetría parece ser una técnica cómoda y sencilla para medir los procesos metabólicos... en... células vivas. A diferencia de los procedimientos de bioensayo estándar, esta técnica permite realizar mediciones continuas del metabolismo de las células vivas. De este modo, hemos demostrado que el Cr(VI) altera las vías metabólicas de los fibroblastos humanos y, en particular, la utilización de la glucosa".
También se ha utilizado y defendido la IMC de ampolla cerrada simple para evaluar la toxicidad de células cultivadas de materiales de implantes quirúrgicos candidatos, y por lo tanto sirve como un método de detección de biocompatibilidad. En un estudio (Xie et al. 2000) [32], las células tubulares renales porcinas en cultivo se expusieron tanto a polímeros como a metal titanio en forma de "microplacas" con áreas de superficie conocidas de unos pocos cm 2 . Los autores concluyeron que la IMC
"...es un método rápido, cómodo de utilizar y con buena reproducibilidad. El método actual puede, en la mayoría de los casos, sustituir las investigaciones más laboriosas con microscopio óptico y electrónico para cuantificar las células adheridas".
En otro estudio de materiales para implantes (Doostmohammadi et al. 2011) [33] tanto un cultivo de levadura de rápido crecimiento como un cultivo de condrocitos humanos fueron expuestos a partículas (diámetro < 50 μm) de hidroxiapatita de calcio (HA) y vidrio de sílice bioactivo (que contiene calcio). Las partículas de vidrio ralentizaron o redujeron el crecimiento de la levadura en función del aumento de la concentración de partículas. Las partículas de HA tuvieron un efecto mucho menor y nunca redujeron por completo el crecimiento de la levadura a las mismas concentraciones. Los efectos de ambos tipos de partículas en el crecimiento de los condrocitos fueron mínimos a la concentración empleada. Los autores concluyeron que
"La citotoxicidad de materiales particulados como el vidrio bioactivo y las partículas de hidroxiapatita se puede evaluar mediante el método de microcalorimetría. Se trata de un método moderno para el estudio in vitro de la biocompatibilidad y la citotoxicidad de los biomateriales que se puede utilizar junto con los antiguos ensayos convencionales".
Las publicaciones que describen el uso de IMC en microbiología comenzaron en la década de 1980 (Jesperson 1982). [34] Si bien algunos estudios de microbiología de IMC se han dirigido a virus (Heng et al. 2005) [35] y hongos (Antoci et al. 1997), [36] la mayoría se han centrado en bacterias. Un artículo reciente (Braissant et al. 2010) [37] proporciona una introducción general a los métodos metabólicos de IMC en microbiología y una descripción general de las aplicaciones en microbiología médica y ambiental. El artículo también explica cómo los datos de flujo de calor frente al tiempo para bacterias en cultivo son una expresión exacta, tal como ocurren a lo largo del tiempo, de las fluctuaciones en la actividad metabólica de los microorganismos y las tasas de replicación en un medio determinado (Fig. 6).
En general, las bacterias tienen aproximadamente 1/10 del tamaño de las células de mamíferos y producen quizás 1/10 de tanto calor metabólico, es decir, ca. 3x10 −12 W/célula. Por lo tanto, en comparación con las células de mamíferos (ver arriba), deben estar presentes ca. 10 veces más bacterias, ca. 330.000, para producir un flujo de calor detectable, es decir, 1 μW. [37] Sin embargo, muchas bacterias se replican órdenes de magnitud más rápidamente en cultivo que las células de mamíferos, a menudo duplicando su número en cuestión de minutos (ver Crecimiento bacteriano ). Como resultado, un pequeño número inicial de bacterias en cultivo e inicialmente indetectable por IMC produce rápidamente un número detectable. Por ejemplo, 100 bacterias que se duplican cada 20 minutos producirán en menos de 4 horas >330.000 bacterias y, por lo tanto, un flujo de calor detectable por IMC. En consecuencia, la IMC se puede utilizar para la detección fácil y rápida de bacterias en el campo médico. Los ejemplos incluyen la detección de bacterias en productos de plaquetas de sangre humana (Trampuz et al. 2007) [38] y orina (Bonkat et al. 2011) [39] y la detección rápida de tuberculosis (Braissant et al. 2010, [40] Rodríguez et al. 2011 [41] ). La figura 7 muestra un ejemplo de tiempos de detección de bacterias de tuberculosis en función de la cantidad inicial de bacterias presentes en una ampolla de IMC cerrada que contiene un medio de cultivo.
En el caso de los microbios en medios de crecimiento en ampollas cerradas, los datos de flujo de calor de IMC también se pueden utilizar para estimar con precisión los parámetros básicos de crecimiento microbiano; es decir, la tasa máxima de crecimiento y el tiempo de duración de la fase de retraso antes de que se alcance la tasa máxima de crecimiento. Esta es una aplicación especial importante del análisis básico de estos parámetros explicado anteriormente (Descripción general: Datos obtenidos).
Lamentablemente, la literatura sobre IMC contiene algunos artículos publicados en los que se ha malinterpretado la relación entre los datos de flujo de calor y el crecimiento microbiano en ampollas cerradas. Sin embargo, en 2013 se publicó una aclaración extensa que describe (a) detalles de la relación entre los datos de flujo de calor de IMC y el crecimiento microbiano, (b) la selección de modelos matemáticos que describen el crecimiento microbiano y (c) la determinación de los parámetros de crecimiento microbiano a partir de los datos de IMC utilizando estos modelos (Braissant et al. 2013). [42]
En una extensión lógica de la capacidad de IMC para detectar y cuantificar el crecimiento bacteriano, se pueden agregar concentraciones conocidas de antibióticos al cultivo bacteriano, y luego se puede usar IMC para cuantificar sus efectos sobre la viabilidad y el crecimiento. La IMC de ampolla cerrada puede capturar fácilmente información farmacológica básica, por ejemplo, la concentración inhibitoria mínima (CIM) de un antibiótico necesaria para detener el crecimiento de un organismo determinado. Además, puede proporcionar simultáneamente parámetros de crecimiento dinámico: tiempo de retraso y tasa de crecimiento máxima (ver Fig. 2, Howell et al. 2011, Braissant et al. 2013), [1] [42] que evalúan los mecanismos de acción. La acción bactericida (ver Bactericida ) se indica por un mayor tiempo de retraso en función del aumento de la concentración de antibiótico, mientras que la acción bacteriostática (ver Agente bacteriostático ) se indica por una disminución en la tasa de crecimiento con la concentración. El enfoque IMC para la evaluación de antibióticos se ha demostrado para varios tipos de bacterias y antibióticos (von Ah et al. 2009). [43] La IMC de ampollas cerradas también puede diferenciar rápidamente entre cepas normales y resistentes de bacterias como Staphylococcus aureus (von Ah et al. 2008, [44] Baldoni et al. 2009 [45] ). La IMC también se ha utilizado para evaluar los efectos de los desinfectantes en la viabilidad de las bacterias bucales adheridas a los materiales de los implantes dentales (Astasov-Frauenhoffer et al. 2011). [46] En un estudio anterior relacionado, se utilizó la IMC para medir el calor de adhesión de las bacterias dentales al vidrio (Hauser-Gerspach et al. 2008). [47]
Se ha demostrado un uso análogo y exitoso de IMC para determinar los efectos de los fármacos antitumorales en células tumorales en cultivo en unas pocas horas (Schön y Wadsö 1988). [48] En lugar del enfoque de ampolla cerrada, se utilizó una configuración de IMC que permitió la inyección de fármacos en muestras agitadas.
A partir de 2013, el IMC se ha utilizado menos ampliamente en estudios farmacodinámicos in vitro con células de mamíferos que en estudios microbianos.
Es posible utilizar la IMC para realizar estudios metabólicos de organismos multicelulares vivos, siempre que sean lo suficientemente pequeños como para colocarlos en ampollas de IMC (Lamprecht y Becker, 1988). [49] Se han realizado estudios de IMC del metabolismo de pupas de insectos durante los movimientos de ventilación (Harak et al., 1996) [50] y de los efectos de los agentes químicos en el crecimiento de las pupas (Kuusik et al., 1995). [51] La IMC también ha demostrado ser eficaz para evaluar los efectos del envejecimiento en el metabolismo de los gusanos nematodos (Braekman et al., 2002). [52]
El IMC también ha demostrado ser muy útil para las evaluaciones in vitro de los efectos de los fármacos en los gusanos parásitos tropicales (Manneck et al. 2011-1, [53] Maneck et al. 2011-2, [9] Kirchhofer et al. 2011). [54] Una característica interesante de estos estudios es el uso de un sistema de inyección manual simple para introducir los fármacos en ampollas selladas que contienen los gusanos. Además, el IMC no solo documenta la disminución metabólica general a lo largo del tiempo debido a los fármacos, sino también la frecuencia general de la actividad motora de los gusanos y su disminución en amplitud a lo largo del tiempo, como se refleja en las fluctuaciones en los datos del flujo de calor.
Debido a su versatilidad, el IMC puede ser una herramienta eficaz en los campos de la biología vegetal y ambiental. En un estudio anterior (Hansen et al. 1989), [55] se midió la tasa metabólica de especímenes de tejido de clones de alerce. La tasa predecía las tasas de crecimiento a largo plazo del árbol, era consistente para especímenes de un árbol determinado y se encontró que se correlacionaba con variaciones conocidas en el crecimiento a largo plazo de clones de diferentes árboles.
El metabolismo oxalotrófico bacteriano es común en el medio ambiente, particularmente en los suelos. Las bacterias oxalotróficas son capaces de utilizar el oxalato como única fuente de carbono y energía. Se utilizó el IMC de ampolla cerrada para estudiar el metabolismo de las bacterias oxalotróficas del suelo expuestas tanto a un medio optimizado que contenía oxalato de potasio como única fuente de carbono como a un suelo modelo (Bravo et al. 2011). [56] Utilizando un medio optimizado, el crecimiento de seis cepas diferentes de bacterias del suelo se monitoreó fácilmente y se cuantificó y diferenció de manera reproducible durante un período de días. La medición del flujo de calor metabólico bacteriano mediante IMC en el suelo modelo fue más difícil, pero se demostró una prueba de concepto.
La leche de luna es un material blanco y cremoso que se encuentra en las cuevas. Es un precipitado cristalino fino que no se endurece a partir de la piedra caliza y está compuesto principalmente de carbonatos de calcio y/o magnesio. Los microbios pueden estar involucrados en su formación. Es difícil inferir actividades microbianas en la leche de luna a partir de ensayos químicos estáticos y microscópicos estándar de la composición y estructura de la leche de luna. Se ha utilizado el IMC de ampolla cerrada para resolver este problema (Braissant, Bindscheidler et al. 2011). [57] Fue posible determinar las tasas de crecimiento de las comunidades microbianas quimioheterotróficas en la leche de luna después de la adición de varias fuentes de carbono simulando mezclas que entrarían en contacto con la leche de luna debido al derretimiento de la nieve o la lluvia. La actividad metabólica fue alta y comparable a la encontrada en algunos suelos.
Harris et al. (2012), [58] al estudiar diferentes regímenes de aporte de fertilizantes, descubrieron que, cuando se expresaba como producción de calor por unidad de biomasa microbiana del suelo, las comunidades microbianas bajo regímenes de fertilizantes orgánicos producían menos calor residual que aquellas bajo regímenes inorgánicos.
Se ha demostrado que el IMC tiene diversos usos en la ciencia y la tecnología de los alimentos. En una descripción general (Wadsö y Galindo 2009) [59] se analizan aplicaciones exitosas en la evaluación de la respiración de las heridas de corte de los vegetales, la muerte celular por escaldado, la fermentación de la leche, la prevención del deterioro microbiológico, el tratamiento térmico y la vida útil. En otra publicación (Galindo et al. 2005) [60] se analiza el uso exitoso del IMC para monitorear y predecir los cambios de calidad durante el almacenamiento de frutas y vegetales mínimamente procesados.
La IMC también ha demostrado ser eficaz para realizar ensayos enzimáticos de ácido orótico en la leche (Anastasi et al. 2000) [61] y ácido málico en frutas, vinos y otras bebidas y también productos cosméticos (Antonelli et al. 2008). [62] La IMC también se ha utilizado para evaluar la eficacia de los agentes antipardeamiento en patatas recién cortadas (Rocculi et al. 2007). [63] La IMC también ha demostrado ser eficaz para evaluar el grado en que los campos eléctricos pulsados (PEF) de baja energía afectan el calor de germinación de las semillas de cebada , lo que es importante en relación con su uso en la producción de bebidas malteadas (Dymek et al. 2012). [64]