Практикум по курсу «Биофизические основы живых систем»

ТЕМА:

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В БИОФИЗИКЕ

Задание № 1

КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОПОЛИМЕРОВ И МЕМБРАННЫХ СИСТЕМ.

МГТУ МИРЭА

Факультет Кибернетики

Кафедра ПС

2012 г.

1. Введение

0. Методические указания по выполнению практических заданий (общие положения).

   Данная работа выполняется в соответствии с учебным планом по дисциплине «Биофизические основы живых систем». Её цель – познакомить студентов с одним из экспериментальных методов исследования свойств биологических макромолекул, надмолекулярных и субклеточных структур; с принципом действия и устройством экспериментальных установок; особенностями методик проведения экспериментов и экспериментальными возможностями данного метода.

   Выполнению работы должно предшествовать изучение теоретического материала (лекции и литературные источники). Описание практического задания также содержит некоторые основные теоретические положения, лежащие в основе экспериментального метода. Задание может считаться успешно выполненным, если получены правильные ответы на контрольные вопросы и отдельные задания; приведены обоснования этих ответов со ссылками на соответствующие теоретические положения.

По выполненному заданию необходимо представить отчет, который должен содержать:

• название работы;

• цель работы

• ответы на вопросы (отдельные задания) с теоретическим обоснованием;

• необходимые расчеты и графические иллюстрации;

- дополнительные сведения и соображения по теме практической работы (по желанию студента).

2. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОПОЛИМЕРОВ И МЕМБРАННЫХ СИСТЕМ.

Поглощение или выделение теплоты - одно из наиболее универсальных проявлений огромного числа физических, химических и биологических процессов. Тепловой эффект процесса представляет собой фундаментальную термодинамическую характеристику, количественное измерение которой открывает широкие возможности для выяснения механизма процесса и решения ряда физико-химических проблем. Совокупность методов оценки тепловых эффектов, сопровождающих различные процессы, формирует самостоятельный раздел науки, получивший название КАЛОРИМЕТРИЯ. Обычно тепловые измерения проводят при постоянном давлении p. В этих условиях изменение внутренней энергии системы в результате химических реакций или структурных превращений определяется некоторым количеством выделившийся теплоты, называемой теплотой реакции Q и работой расширения p V:

Откуда , где Н - изменение энтальпии системы. Следовательно, тепловой эффект реакции при постоянном давлении целиком определяется изменением энтальпии системы. Существующие в настоящее время калориметрические методы условно разделяют на три основных группы:

1. методы измерения теплоты сгорания и теплотворной способности (сравнительно мало применяются в биологии и здесь подробно рассматриваться не будут);

2) методы реакционной (изометрической) калориметрии и

3. методы измерения теплоемкости, энтальпии и энтропии в виде функции наиболее фундаментальной физической переменной - температуры (сканирующая калориметрия).

Существующие в настоящее время калориметрические методы, в которых практически вся выделяющаяся теплота вызывает изменение их температуры Т позволяют измерить общий тепловой эффект процесса Q = c Т, где c- теплоемкость калориметра, или тепловое значение калориметра, т.е. количество теплоты, необходимое для нагревания калориметрической системы на 1 град. Такие калориметры называют ИНТЕГРАТОРАМИ. Калориметры, позволяющие измерять тепловую мощность N и ее изменение во времени, т.е. “термокинетику” данного процесса (N(t) = dQ/dt ), называют измерителями мощности или КАЛОРИМЕТРАМИ-ОСЦИЛЛОГРАФАМИ. Собственно калориметр представляет собой сосуд, в котором протекают измеряемые тепловые процессы. Вызываемые ими изменения температуры приводят к возникновению теплообмена с внешней средой. Тепловой поток, который устанавливается между калориметрической системой и средой, тем больше, чем больше разность температур и теплопроводность разделяющей среды. Существует два принципиально разных типа калориметров, различающихся теплопроводностью оболочки, отделяющей калориметрическую систему от внешней среды. Если калориметрическая система окружена совершенным термическим изолятором, т.е. теплопроводность равна нулю, то калориметр называется АДИАБАТНЫМ (непроницаемым для теплоты). Напротив, в ИЗОМЕТРИЧЕСКИХ калориметрах теплопроводность очень велика, теплота не аккумулируется в калориметре, а быстро переходит во внешнюю среду. Разность температур между калориметром и средой здесь всегда мала, и для измерения тепловых эффектов в этом случае требуется не термометр, а прибор, измеряющий поток выделяющейся теплоты. В последнее время широкое распространение получили калориметры-осциллографы комбинированного типа, в которых осуществляется значительный теплообмен между калориметрическим сосудом и вспомогательными частями прибора, но в то же время вся система в целом максимально изолируется от внешней среды. При этом в каждый момент времени центральная часть калориметра должна находиться в состоянии, которое зависит только от производимой в данный момент мощности. В общем случае для выполнения этого условия необходимо обеспечить предельно малую тепловую инертность системы, что достигается при большом отношении поверхности к объему образца, т.е. при минимальном количестве (объеме) образца. Выполнение этого условия в сочетании с чрезвычайно высокой чувствительностью системы регистрации тепловых эффектов реализуется во всех основных типах МИКРОКАЛОРИМЕТРОВ.