La microcalorimetría isotérmica ( IMC ) es un método de laboratorio para el seguimiento y análisis dinámico en tiempo real de procesos químicos, físicos y biológicos. Durante un período de horas o días, IMC determina el inicio, la velocidad, el alcance y la energía de dichos procesos para muestras en ampollas pequeñas (por ejemplo, de 3 a 20 ml) a una temperatura establecida constante (aproximadamente 15 °C a 150 °C).
IMC logra este análisis dinámico midiendo y registrando frente al 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 poderosa y versátil por cuatro razones estrechamente relacionadas:
Por tanto, el método IMC para estudiar las velocidades de los procesos es ampliamente aplicable, proporciona datos continuos en tiempo real y es sensible. La medición es sencilla de realizar, se realiza sin supervisión y no produce interferencias (por ejemplo, no se necesitan marcadores fluorescentes o radiactivos).
Sin embargo, hay dos advertencias principales que se deben tener en cuenta al utilizar IMC:
En general, las posibles aplicaciones del IMC sólo están limitadas por la imaginación de la persona que elige emplearlo 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. IMC generalmente es más adecuado para evaluar procesos que se desarrollan durante horas o días. 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 discutidas 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 son las aplicaciones del último tipo: biología y medicina.
La calorimetría es la ciencia de medir el calor de reacciones químicas o 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 del caudal de calor (μJ/s = μW) y la cantidad acumulada de calor (J) consumido o producido a temperatura esencialmente constante por una muestra colocada en un IMC. instrumento. 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 dado es proporcional a la cantidad acumulada de cambios agregados que han tenido lugar.
Por lo tanto, IMC es un medio para la evaluación dinámica y cuantitativa 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 puede describirse ya sea 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 IMC es detectar que uno o más procesos de velocidad están teniendo lugar en una muestra porque se produce o consume calor a una velocidad mayor que el límite de detección del instrumento utilizado. Esto puede ser útil, por ejemplo, como indicador general de que un material sólido o líquido no es inerte sino que está cambiando a una temperatura determinada. En muestras biológicas que contienen un medio de crecimiento, la aparición con el tiempo de una señal de flujo de calor detectable y creciente es un indicador general simple de la presencia de algún tipo de células replicantes.
Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones es fundamental saber, de alguna manera, qué proceso o procesos se están midiendo mediante el monitoreo del flujo de calor. En general, esto implica tener primero conocimientos físicos, químicos y biológicos detallados 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 IMC del flujo de calor 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 del IMC.
Lo que el IMC puede medir en la práctica depende en parte de las dimensiones de la muestra, y éstas están necesariamente limitadas por el diseño del instrumento. Un instrumento comercial determinado normalmente acepta muestras de hasta un diámetro y altura fijos. Instrumentos que aceptan muestras con dimensiones de hasta ca. 1 o 2 cm de diámetro x ca. Son típicos 5 cm de altura. 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 produzcan o consuman calor. . Muchas mediciones IMC útiles 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 metálicas o poliméricas. Además, se encuentran disponibles 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 IMC comerciales permiten mediciones del flujo de calor a temperaturas que oscilan entre ca. 15°C – 150°C. El rango de un instrumento determinado puede ser algo diferente.
El IMC es extremadamente sensible: por ejemplo, el calor procedente de reacciones químicas lentas en muestras que pesan unos pocos gramos, que tienen lugar con tasas de consumo de reactivo de un pequeño porcentaje anual, puede detectarse y cuantificarse en cuestión de días. Los 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 (mediante experimentación) con el número de células u organismos presentes. Por lo tanto, los datos de IMC se pueden utilizar para monitorear 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 actual en este artículo está en el uso del IMC en relación con procesos biológicos (Aplicaciones: Biología y medicina).
En la Fig. 2 se muestra una visualización gráfica de un tipo común de datos IMC. En la parte superior hay un gráfico del flujo de calor registrado (μJ/s = μW) frente al tiempo de una muestra en una ampolla sellada, debido a una tasa exotérmica. proceso que comienza, se acelera, alcanza un flujo de calor máximo y luego disminuye. Estos datos son directamente útiles (por ejemplo, detección de un proceso y su duración en condiciones fijas), pero también se pueden evaluar fácilmente matemáticamente para determinar los parámetros del proceso. Por ejemplo, la Fig. 2 también muestra una integración de los datos del flujo de calor, dando el calor acumulado (J) frente al tiempo. Como se muestra, parámetros como la tasa de crecimiento máximo (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 caudal 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]
A Lavoisier y Laplace se les atribuye la creación y el uso del primer calorímetro isotérmico en ca. 1780 (Bibliografía: Lavoisier A y Laplace PS 1780). Su instrumento empleó hielo para producir una temperatura relativamente constante en un espacio confinado. Se dieron cuenta de que cuando colocaban sobre el hielo una muestra que producía calor (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 necesaria ]
Muchos diseños de instrumentos IMC modernos surgen del trabajo realizado en Suecia a finales de los años 1960 y principios de los años 1970 (Wadsö 1968, [3] Suurkuusk & Wadsö 1974 [4] ). Este trabajo aprovechó el desarrollo paralelo de dispositivos electrónicos de estado sólido, en particular la disponibilidad comercial de pequeños dispositivos de efecto termoeléctrico (Peltier-Seebeck) para convertir el flujo de calor en voltaje, y viceversa. [ cita necesaria ]
En la década de 1980, surgieron diseños multicanal (Suurkuusk 1982), [5] que permiten la evaluación paralela de múltiples especímenes. Esto aumentó enormemente el poder 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 datos de flujo de calor versus tiempo. [ cita necesaria ]
El trabajo de desarrollo de instrumentos desde la década de 1990 ha aprovechado aún más el desarrollo continuo de la electrónica de estado sólido y la tecnología de computadoras personales. Esto ha creado instrumentos IMC de sensibilidad y estabilidad cada vez mayores, números de canales paralelos e incluso una mayor capacidad para grabar, almacenar y procesar rápidamente datos IMC de manera conveniente. En relación con un uso más amplio, se ha prestado considerable 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 su entorno no es cero (adiabática), porque la medición del flujo de calor por IMC depende de la existencia de un pequeño diferencial de temperatura (ca. 0,001 ºC. [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 suele ser un dispositivo Peltier-Seebeck. El dispositivo produce un voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre una muestra que produce o consume calor y una referencia térmicamente inactiva que se encuentra a la temperatura del disipador de calor. La diferencia de temperatura es, a su vez, proporcional a la velocidad a la que la muestra produce o consume calor (consulte 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, 48 canales) como el que se muestra en la Fig. 3, esto hace posible realizar (iniciar y detener) varios experimentos diferentes siempre que sea conveniente hacerlo. [ cita necesaria ]
Alternativamente, los instrumentos IMC pueden equiparse con módulos dúplex que generan señales proporcionales a la diferencia del flujo de calor entre dos ampollas. Una de dos ampollas dúplex de este tipo suele ser un blanco o control, es decir, una muestra que no contiene el material que produce el proceso de tasa de interés, pero cuyo contenido es, por lo demás, idéntico al que se encuentra en la ampolla de la muestra. Esto proporciona un medio para eliminar reacciones menores que producen calor y que no son de interés, por ejemplo cambios químicos graduales durante un período de días en un medio de cultivo celular a la temperatura de medición. Se pueden realizar muchas mediciones IMC útiles utilizando ampollas selladas simples. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, hay disponibles sistemas de instrumentos/ampollas 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 necesaria ]
El flujo de calor generalmente se mide en relación con un inserto de referencia, como se muestra en la Fig. 3. Generalmente se trata de una muestra de metal que es química y físicamente estable a cualquier temperatura en el rango operativo del instrumento y, por lo tanto, no produce ni consume calor. Para obtener el mejor rendimiento, la referencia debe tener una capacidad calorífica cercana a la de la muestra (por ejemplo, ampolla IMC más contenido). [ cita necesaria ]
Los instrumentos comerciales IMC suelen funcionar 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 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 mensurable. Sin embargo, pequeñas variaciones en la temperatura de la muestra no afectan significativamente la temperatura del disipador de calor porque la capacidad calorífica del disipador de calor es mucho mayor que la de la muestra, generalmente ca. 100×. [ cita necesaria ]
La transferencia de calor entre la muestra y el disipador de calor se realiza a través de un dispositivo Peltier-Seebeck , lo que permite la medición dinámica del calor producido o consumido. En 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 aprox. < ±100 μK/24h. La precisión con la que se mantiene la temperatura del disipador de calor a lo largo del tiempo es un determinante importante 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. Flujos de calor de ca. Se pueden medir 50.000 μW con una precisión de aprox. ±0,2 µW. Midiendo así un flujo de calor de ca. >0,2 μW por encima del valor inicial constituye una detección de flujo de calor, aunque a menudo se utiliza una detección más conservadora de 10 veces el límite de precisión [ se necesita aclaración ] . [ cita necesaria ]
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 mediante 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 opera en modo pc en lugar de hc, la precisión de la medición del flujo de calor sigue siendo la misma (por ejemplo, aproximadamente ±0,2 μW). La ventaja del modo de compensación es una constante de tiempo más pequeña, 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 ca. Rango dinámico 10 veces menor en comparación con el modo hc. [ cita necesaria ]
Para el funcionamiento en modo hc o pc, la calibración de rutina en instrumentos comerciales generalmente se realiza con calentadores eléctricos incorporados. El rendimiento de los calentadores eléctricos puede, a su vez, validarse utilizando muestras de capacidad calorífica conocida o que produzcan reacciones químicas cuya producción de calor por unidad de masa se conozca 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 en el rango μ W de la muestra frente al 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 estacionario, 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]
Muchas mediciones IMC de gran utilidad se pueden realizar 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 exponen 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 necesaria ]
Sin embargo, también existen diseños de instrumentos/ampollas IMC que permiten un 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 las TIC se trata en otra parte (ver Calorimetría de titulación isotérmica ). Además, algunos instrumentos IMC pueden registrar el flujo de calor mientras la temperatura cambia (escanea) lentamente 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 (< aproximadamente 0,1 °C). El escaneo rápido de la temperatura es competencia de los instrumentos de calorimetría diferencial de barrido (DSC), que generalmente utilizan muestras mucho más pequeñas. Algunos instrumentos DSC pueden funcionar en modo IMC, pero el tamaño pequeño 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 el modo IMC. [ cita necesaria ]
Las mediciones de la tasa de flujo de calor (μJ/s = μW) se logran configurando primero un termostato del instrumento IMC a una temperatura seleccionada y permitiendo 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 en la nueva configuración de temperatura puede tardar varias horas, incluso un día. Como se explicó anteriormente, lograr y mantener una temperatura estable con precisión es fundamental para lograr mediciones precisas del flujo de calor en el rango de μW durante períodos prolongados (por ejemplo, días). [ cita necesaria ]
Después de la estabilización de la temperatura, si se utiliza una ampolla preparada externamente (o alguna muestra sólida del tamaño de una ampolla), se introduce lentamente (por ejemplo, se baja) en el módulo de medición de un instrumento, generalmente en una operación por etapas. El objetivo es garantizar que cuando la ampolla/muestra esté en la posición de medición, su temperatura esté cerca (dentro de aproximadamente 0,001 °C) de la temperatura de medición. Esto es para que cualquier flujo de calor medido luego se deba a procesos de velocidad de la muestra en lugar de a un proceso continuo de llevar la muestra a la temperatura establecida. El tiempo necesario para introducir una muestra en una ampolla IMC de 3 a 20 ml en la posición de medición es de aprox. 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 el período de introducción. [ cita necesaria ]
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 ca. 1 minuto. 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 necesaria ]
Después del proceso de introducción, el flujo de calor de la muestra se puede registrar de forma precisa y continua, mientras sea de interés. La extrema estabilidad de los instrumentos aptos para investigación (< ±100 μK/24 h) significa que se pueden realizar (y a menudo se realizan) mediciones precisas durante un período de días. Dado que la señal de flujo de calor es esencialmente legible en tiempo real, sirve como medio para decidir si todavía se produce o no el flujo de calor de interés. Además, los instrumentos modernos almacenan datos de flujo de calor versus tiempo como archivos de computadora, por lo que es posible la visualización gráfica retrospectiva y en tiempo real y el análisis matemático de los datos. [ cita necesaria ]
Como se indica a continuación, IMC tiene muchas ventajas como método para analizar procesos de tarifas, 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 de instrumentos IMC y proceden a velocidades compatibles con la metodología IMC (ver arriba). Como se muestra en Aplicaciones, 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. 2003). al. 2011). [9] IMC también puede determinar la tasa agregada de interacciones no caracterizadas, complejas o múltiples (Lewis y Daniels). [10] Esto es especialmente útil para la selección comparativa, por ejemplo, los efectos de diferentes combinaciones de composición de materiales y/o procesos de fabricación sobre la estabilidad físico-química general.
Los datos del flujo de calor del IMC se obtienen como fluctuaciones de voltaje versus tiempo, se almacenan como archivos de computadora y se pueden mostrar esencialmente en tiempo real, a medida que ocurre 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 en el flujo de calor para una mejor resolución temporal o muestreo más lento de cambios lentos para limitar el tamaño del archivo de datos.
IMC es lo suficientemente sensible como para detectar y cuantificar en tiempos cortos (horas, días) reacciones que consumen solo un pequeño porcentaje de los reactivos en tiempos largos (meses). De este modo, IMC evita largas esperas que a menudo son necesarias hasta que se haya acumulado suficiente producto de reacción para ensayos convencionales (por ejemplo, químicos). Esto se aplica tanto a muestras físicas como biológicas (ver Aplicaciones).
En cada combinación de variables de muestra y temperatura establecida de interés, IMC proporciona una determinación directa de la cinética del flujo de calor y el calor acumulado de los procesos de velocidad. Esto evita cualquier necesidad de asumir que un proceso de velocidad permanece igual cuando la temperatura u otras variables controladas cambian antes de una medición de IMC.
Para comparaciones del efecto de variables experimentales (por ejemplo, concentraciones iniciales) en los procesos de velocidad, IMC no requiere el desarrollo ni el uso de métodos de ensayo químicos ni de otro tipo. Si se requieren datos absolutos (por ejemplo, cantidad de producto producido por un proceso), entonces se pueden realizar ensayos en paralelo en muestras idénticas a las utilizadas para IMC (y/o en muestras de IMC después de las ejecuciones de IMC). Los datos del ensayo resultantes se utilizan para calibrar los datos de velocidad obtenidos por IMC.
IMC no requiere agregar marcadores (por ejemplo, sustancias fluorescentes o radiactivas) para capturar procesos de velocidad. Se pueden utilizar muestras no adulteradas y, después de un análisis IMC, la muestra no cambia (excepto por los procesos que han tenido lugar). La muestra post-IMC puede ser sometida a cualquier tipo de evaluación física, química, morfológica o de otro tipo que sea de interés.
Como se indica en la descripción de la metodología, cuando se utiliza el método IMC de insertar una ampolla sellada, no es posible capturar el flujo de calor durante los primeros ca. 40 minutos mientras la muestra se lleva lentamente a la temperatura establecida. Por lo tanto, en este modo, IMC es más adecuado para estudiar procesos que comienzan lentamente o ocurren lentamente a una temperatura determinada. Esta advertencia también se aplica al tiempo anterior a la inserción, es decir, el tiempo transcurrido entre la preparación de una muestra (en el que luego 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 IMC es sustancialmente más alta (por ejemplo, 37 °C) que la temperatura a la que se prepara la muestra (por ejemplo, 25 °C).
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 diseño experimental para identificar todos los procesos posibles que puedan 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 superfluos sobre el flujo de calor, es comparar el flujo de calor de una muestra en la que se está llevando a cabo el proceso de velocidad de interés con el de una muestra en blanco que incluye todo lo que contiene la muestra de interés, excepto el elemento que someterse al proceso de tasa de interés. Esto se puede lograr directamente con instrumentos que tengan módulos IMC dúplex que informen la diferencia neta del flujo de calor entre dos ampollas.
Después de una discusión de algunas fuentes especiales de información sobre aplicaciones IMC, se cubren varias categorías específicas de análisis IMC de procesos de tarifas y se analizan ejemplos recientes (con referencias bibliográficas) en cada categoría.
La Bibliografía enumera los cuatro extensos volúmenes 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 ca. 2000.
Algunos fabricantes de instrumentos IMC han recopilado notas de aplicación y las ponen a disposición del público. Las notas son a menudo (pero no siempre) adaptaciones de artículos de revistas. Un ejemplo es el Compendio de microcalorimetría vol. I y II ofrecidos por TA Instruments, Inc. y enumerados en la Bibliografía.
"Proteínas" la primera sección de notas del vol. I, no es de interés aquí, ya que describe estudios que emplean calorimetría de titulación isotérmica . Las secciones siguientes del vol. I, Ciencias biológicas y farmacéuticas contiene notas de aplicación tanto para IMC como para calorimetría diferencial de barrido . vol. La segunda parte del compendio está dedicada casi en su totalidad a las aplicaciones IMC. Sus secciones se denominan Cemento, Energética, 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 IMC que estuvieron en uso 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 del año 2000.
En general, las posibles aplicaciones de IMC sólo están limitadas por la imaginación de la persona que elige emplear IMC como herramienta analítica, dentro de las limitaciones descritas anteriormente que presentan los instrumentos y metodologías de IMC existentes. Esto se debe a que es un medio universal para monitorear cualquier proceso químico, físico o biológico. A continuación se muestran algunas categorías de aplicaciones de 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 igual de lógico y se podrían agregar más categorías.
IMC se usa ampliamente para estudiar las tasas de formación de una variedad de materiales mediante diversos procesos. Es más adecuado para estudiar procesos que ocurren lentamente, es decir, durante horas o días. Un buen ejemplo es el estudio de las reacciones de hidratación y fraguado de formulaciones de cemento mineral de calcio. Un artículo proporciona una visión general (Gawlicki, et al. 2010) [12] y otro describe un enfoque simple (Evju 2003). [13] Otros estudios se centran en conocimientos sobre la hidratación del cemento proporcionados por IMC combinado con espectroscopia IR (Ylmen et al. 2010) [14] y en el uso de 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]
IMC también se puede utilizar convenientemente para estudiar la tasa y cantidad de hidratación (en aire con humedad conocida) de minerales de calcio u otros minerales. Para proporcionar aire con una humedad conocida para tales estudios, se pueden colocar pequeños contenedores de soluciones salinas saturadas en una ampolla de IMC junto con una muestra mineral no hidratada. Luego se sella la ampolla y se introduce en un instrumento IMC. La solución salina saturada mantiene el aire en la ampolla a una humedad relativa conocida, y varias soluciones salinas comunes proporcionan humedades que oscilan, por ejemplo, entre 32 y 100 % de humedad relativa. Dichos estudios se han realizado en partículas de hidroxiapatita de calcio con un tamaño de μm y "nano" partículas de vidrio bioactivo que contienen calcio (Doostmohammadi et al. 2011). [dieciséis]
IMC es muy adecuado para cuantificar rápidamente las tasas de cambios lentos en materiales (Willson et al. 1995). [17] Estas evaluaciones se describen de diversas formas como estudios de estabilidad, degradación o vida útil .
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Por ejemplo, el IMC se ha utilizado ampliamente durante muchos años en estudios de vida útil de formulaciones sólidas de medicamentos en la industria farmacéutica (Pikal et al. 1989, [18] Hansen et al. 1990, [19] Konigbauer et al. 1992. [20 ] ) IMC tiene la capacidad de detectar la degradación lenta durante el almacenamiento simulado en estantes mucho antes que los métodos analíticos convencionales y sin la necesidad de emplear técnicas de ensayo químico. 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]
IMC se puede utilizar para determinar rápidamente la tasa de cambios lentos en polímeros industriales. Por ejemplo, se sabe que la esterilización por radiación gamma de un material utilizado frecuentemente 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. IMC pudo detectar el calor relacionado con la oxidación y cuantificó una tasa de oxidación de ca. 1% por año en 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 fuga" de materiales que presentan importantes riesgos de incendio o explosión. Por ejemplo, se ha utilizado para determinar la cinética autocatalítica del hidroperóxido de cumeno (CHP), un intermedio que se utiliza en la industria química y cuya descomposición repentina ha provocado numerosos incendios y explosiones. La figura 4 muestra los datos de IMC que documentan la descomposición térmica de CHP a 5 temperaturas diferentes (Chen et al. 2008). [22]
El término metabólico se puede utilizar [ cita necesaria ] para describir estudios de la medición cuantitativa de la velocidad 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 más adelante, la metabolización puede resultar útil como herramienta de diagnóstico; especialmente en (a) identificar la naturaleza de una muestra a partir de su flujo de calor versus marca de tiempo bajo un conjunto dado de condiciones, o (b) determinar los efectos de, por ejemplo, compuestos farmacéuticos sobre procesos metabólicos, crecimiento orgánico o viabilidad. La metabolística está relacionada con la metabolómica . Este último es el estudio sistemático de las huellas químicas únicas que dejan 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 metabolómicos. Dado que IMC no emplea marcadores bioquímicos o radiactivos, las muestras posteriores a IMC consisten únicamente en productos metabólicos y medio de cultivo restante (si se utilizó alguno). Si se utilizan juntas la metabolización 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 usando IMC, por supuesto, debe haber suficientes células, tejidos u organismos inicialmente presentes (o presentes más tarde si se produce la 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 histórico de 2002 sobre el tema del metabolismo proporciona una perspectiva excelente desde la cual considerar los estudios metabólicos de IMC (ver Bibliografía, West, Woodruff y Brown 2002). Describe cómo se relacionan las tasas metabólicas y cómo escalan en todo el rango, desde "moléculas y mitocondrias hasta células y mamíferos". Es importante destacar para IMC que los autores también señalan que, si bien la tasa metabólica de un determinado tipo 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 mamífero en cultivo tienen una tasa metabólica de ca. 30×10 −12 W/celda (Figs. 2 y 3 en Bibliografía: West, Woodruff y Brown 2002). Por definición, los instrumentos IMC tienen una sensibilidad de al menos 1×10 −6 W (es decir, 1 μW). Por lo tanto, el calor metabólico de ca. Se pueden detectar 33.000 células. Sobre la base de esta sensibilidad, IMC se utilizó para realizar una gran cantidad de estudios pioneros sobre el metabolismo de células de mamíferos cultivadas en las décadas de 1970 y 1980 en Suecia. Un artículo (Monti 1990) [23] sirve como una guía extensa del trabajo realizado hasta 1990. Incluye texto explicativo y 42 referencias a estudios IMC del flujo de calor de eritrocitos , plaquetas , linfocitos , células de linfoma, granulocitos , adipocitos , cultivos humanos. músculo esquelético y tejido miocárdico. Los estudios se realizaron para determinar cómo y dónde se podría utilizar 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.
Desarrollos desde ca. 2000 en IMC (por ejemplo, instrumentos masivamente paralelos, almacenamiento por computadora en tiempo real y análisis de datos de flujo de calor) han estimulado un mayor uso de IMC en biología celular cultivada. Por ejemplo, se ha evaluado el IMC para evaluar la proliferación de linfocitos inducida por antígenos (Murigande et al. 2009) [24] y ha revelado aspectos de proliferación que no se observan utilizando un método de ensayo de marcadores radiactivos no continuo convencional. IMC también se ha aplicado al campo de la ingeniería de tejidos . Un estudio (Santoro et al. 2011) [25] demostró que el IMC podría usarse para medir la tasa de crecimiento (es decir, proliferación) en cultivos de condrocitos humanos recolectados para uso en ingeniería de tejidos. Demostró 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 determinado pueden cultivarse con la eficiencia suficiente como para considerar su uso para producir tejido diseñado.
IMC también se ha utilizado para medir la respuesta metabólica de macrófagos cultivados a los restos de desgaste de implantes quirúrgicos. IMC demostró que la respuesta era más fuerte con partículas de polietileno con un tamaño de µm que con partículas de aleación de Co de tamaño similar (Charlebois et al. 2002). [26] Un artículo relacionado cubre el tema general de la aplicación de IMC en el campo de materiales sólidos sintéticos utilizados en cirugía y medicina (Lewis y Daniels 2003). [10]
Al menos dos estudios han sugerido que el 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 células de linfoma T cultivadas en suspensión. Los cambios de temperatura y pH indujeron variaciones significativas, pero no la velocidad de agitación y la concentración celular. Un estudio más directo sobre el posible uso diagnóstico (Kallerhoff et al. 1996) [28] produjo resultados prometedores. Para las muestras de biopsia de tejido urogenital estudiadas, los resultados mostraron
"Es posible diferenciar entre muestras de tejido normal y tumoral mediante mediciones microcalorimétricas basadas en la actividad metabólica claramente mayor del tejido maligno. Además, la microcalorimetría permite diferenciar y clasificar muestras de tejido según su clasificación histológica".
A partir de 2012, el IMC no se ha utilizado ampliamente en toxicología de células cultivadas, aunque se ha utilizado periódicamente y con éxito desde la década de 1980. IMC es ventajoso en toxicología cuando es deseable observar el metabolismo de las células cultivadas en tiempo real y cuantificar la tasa de disminución metabólica en función de la concentración de un agente posiblemente tóxico. Uno de los primeros informes (Ankerst et al. 1986) [29] sobre el uso de IMC en toxicología fue un estudio de la 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 particularmente adecuado para el análisis de la cinética de citotoxicidad."
El IMC también se utiliza en toxicología ambiental. En un estudio inicial (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 del IMC coincidieron con los resultados obtenidos mediante la tinción con éster de fluoresceína y el análisis de imágenes microscópicas, excepto que el IMC mostró efectos tóxicos del cuarzo que no se pueden discernir mediante el análisis de imágenes. Esta última observación, de acuerdo 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 de Cr(VI) del cromato de potasio. La figura 5 muestra los resultados iniciales 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 mediciones continuas del metabolismo de las células vivas. Hemos demostrado así 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 el IMC en ampolla cerrada simple para evaluar la toxicidad de las células cultivadas de materiales candidatos para implantes quirúrgicos y, por tanto, servir como método de detección de biocompatibilidad. En un estudio (Xie et al. 2000) [32] se expusieron células tubulares renales porcinas en cultivo tanto a polímeros como a titanio metálico en forma de "microplacas" que tenían áreas superficiales conocidas de unos pocos cm 2 . Los autores concluyeron que IMC
"...es un método rápido, cómodo de utilizar y con buena reproducibilidad. El presente método puede en la mayoría de los casos sustituir las investigaciones microscópicas ópticas y electrónicas, que consumen más tiempo, para la cuantificación de células adheridas."
En otro estudio sobre materiales de 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 bioactivas (que contienen calcio). vidrio de sílice. 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 mucho menos efecto y nunca redujeron por completo el crecimiento de la levadura en las mismas concentraciones. Los efectos de ambos tipos de partículas sobre el crecimiento de los condrocitos fueron mínimos en 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 del IMC en microbiología comenzaron en los años 1980 (Jesperson 1982). [34] Si bien algunos estudios de microbiología del 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 versus 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 los mamíferos y producen quizás 1/10 más calor metabólico, es decir, ca. 3x10 −12 W/celda. Así, en comparación con las células de mamíferos (ver arriba), ca. 10 veces más bacterias: aprox. 330.000 deben estar presentes 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, y a menudo duplican su número en cuestión de minutos (ver Crecimiento bacteriano ). Como resultado, una pequeña cantidad inicial de bacterias en cultivo e inicialmente indetectables por IMC producen rápidamente una cantidad detectable. Por ejemplo, 100 bacterias que se duplican cada 20 minutos producirán en menos de 4 horas >330.000 bacterias y, por tanto, un flujo de calor detectable por IMC. En consecuencia, 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 plaquetarios 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 Fig. 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.
Para los microbios en medios de crecimiento en ampollas cerradas, los datos del flujo de calor del IMC también se pueden utilizar para estimar de cerca los parámetros básicos de crecimiento microbiano; es decir, tasa de crecimiento máxima y tiempo de duración de la fase de retraso antes de que se alcance la tasa de crecimiento máxima. Esta es una aplicación especial importante del análisis básico de estos parámetros explicado anteriormente (Resumen: Datos obtenidos).
Desafortunadamente, la literatura de IMC contiene algunos artículos publicados en los que se ha malinterpretado la relación entre los datos del 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) selección de modelos matemáticos que describen el crecimiento microbiano y (c) determinación de parámetros de crecimiento microbiano a partir de datos de IMC. utilizando estos modelos (Braissant et al. 2013). [42]
En una extensión lógica de la capacidad del IMC para detectar y cuantificar el crecimiento bacteriano, se pueden agregar concentraciones conocidas de antibióticos al cultivo bacteriano y luego se puede utilizar el IMC para cuantificar sus efectos sobre la viabilidad y el crecimiento. El IMC en ampolla cerrada puede capturar fácilmente información farmacológica básica, por ejemplo, la concentración inhibidora mínima (CMI) 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 máxima de crecimiento (ver Fig. 2, Howell et al. 2011, Braissant et al. 2013), [1] [42] que evalúan los mecanismos de acción. La acción bactericida (ver Bactericida ) está indicada por un mayor tiempo de retardo en función del aumento de la concentración de antibiótico, mientras que la acción bacteriostática (ver Agente bacteriostático ) está indicada 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] El IMC en ampolla cerrada también puede diferenciar rápidamente entre cepas de bacterias normales y resistentes, como Staphylococcus aureus (von Ah et al. 2008, [44] Baldoni et al. 2009 [45] ). IMC también se ha utilizado para evaluar los efectos de los desinfectantes sobre 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 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 del IMC para determinar los efectos de 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 IMC que permitía la inyección del fármaco en muestras agitadas.
A partir de 2013, IMC se ha utilizado menos ampliamente en estudios farmacodinámicos in vitro de células de mamíferos que en estudios microbianos.
Es posible utilizar IMC para realizar estudios metabólicos de organismos multicelulares vivos, si son lo suficientemente pequeños como para colocarlos en ampollas de IMC (Lamprecht y Becker 1988). [49] Se han realizado estudios IMC sobre el metabolismo de las pupas de insectos durante los movimientos de ventilación (Harak et al. 1996) [50] y los efectos de los agentes químicos sobre el crecimiento de las pupas (Kuusik et al. 1995). [51] IMC también ha demostrado ser eficaz en la evaluación de los efectos del envejecimiento sobre el metabolismo de los gusanos nematodos (Braekman et al. 2002). [52]
IMC también ha demostrado ser muy útil para evaluaciones in vitro de los efectos de productos farmacéuticos en 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 productos farmacéuticos en ampollas selladas que contienen los gusanos. Además, IMC no sólo documenta la disminución metabólica general a lo largo del tiempo debido a los fármacos, sino también la frecuencia general de la actividad motora del gusano 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, IMC puede ser una herramienta eficaz en los campos de la biología vegetal y ambiental. En un estudio inicial (Hansen et al. 1989), [55] se midió la tasa metabólica de muestras de tejido clonado de alerce. La tasa predijo las tasas de crecimiento de los árboles a largo plazo, fue 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 oxalótrofas son capaces de utilizar el oxalato como única fuente de carbono y energía. Se utilizó IMC en ampolla cerrada para estudiar el metabolismo de las bacterias oxalotróficas del suelo expuestas tanto a un medio optimizado que contiene oxalato de potasio como única fuente de carbono como a un suelo modelo (Bravo et al. 2011). [56] Usando 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 IMC del flujo de calor metabólico bacteriano 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 procedente de 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 y microscópicos estáticos estándar de la composición y estructura de la leche de luna. Para resolver este problema se ha utilizado IMC en ampolla cerrada (Braissant, Bindscheidler et al. 2011). [57] Fue posible determinar las tasas de crecimiento de comunidades microbianas quimioheterótrofas en la leche de luna después de la adición de varias fuentes de carbono que simulaban 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 y cols. (2012), [58] al estudiar diferentes regímenes de aporte de fertilizantes, encontraron 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. Una descripción general (Wadsö y Galindo 2009) [59] analiza aplicaciones exitosas en la evaluación de la respiración de las heridas de corte de vegetales, la muerte celular por escaldado, la fermentación de la leche, la prevención del deterioro microbiológico, el tratamiento térmico y la vida útil. Otra publicación (Galindo et al. 2005) [60] revisa el uso exitoso de IMC para monitorear y predecir cambios de calidad durante el almacenamiento de frutas y verduras mínimamente procesadas.
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] El IMC también se ha utilizado para evaluar la eficacia de agentes anti-oscurecimiento en patatas recién cortadas (Rocculi et al. 2007). [63] IMC también ha demostrado ser eficaz para evaluar en qué medida los campos eléctricos pulsados (PEF) de baja energía afectan el calor de germinación de las semillas de cebada , lo cual es importante en relación con su uso en la producción de bebidas malteadas (Dymek et al. 2012). [64]