等温滴定量热法

等温滴定量热法（isothermal titration calorimetry，ITC）在化学热力学中，是一种物理技术，用于确定溶液中相互作用的热力学参数，最常用于在无标记环境中研究小分子（如药用化合物）与大分子（蛋白质、DNA等）的结合。由两个封闭在绝热夹套中的样品池组成。要研究的化合物被放置在样品池中，而另一个样品池，即参比池，则用作对照，内含溶解样品的缓冲液。

该技术由H. D. Johnston于1968年开发，是他在杨百翰大学完成的博士论文的一部分，在1988 年由MicroCal公司推出之前一直被认为是小众技术。与其他热量计相比，ITC的优势在于不需要任何校正器，因为系统与环境之间没有热交换。

热力学测量
ITC是一种定量技术，可以确定结合亲和力K_a、反应焓\Delta H和结合化学计量n，以及溶液中两个或多个分子之间相互作用的结合比例。这是通过测量将一种分子的溶液注入含有另一种分子溶液的反应池所引起的一系列结合反应的焓值来实现的。将焓值与注射产生的摩尔比绘制成图。从图中可以看出摩尔反应焓\Delta H、亲和常数K_a和化学计量学是通过曲线拟合确定的。反应的吉布斯自由能变\Delta G和熵变\Delta S的关系可以确定：

::: \Delta G = -RT\ln{K_a} = \Delta H -T\Delta S

其中， R是气体常数，T是热力学温度。

要准确测量结合亲和力，热图曲线必须是西格玛曲线。曲线的轮廓由c决定，计算公式为：

::: c = n K_a M

其中n是结合的化学计量学、K_a是结合常数，而M是分子浓度。

仪器测量
等温滴定量热仪由两个相同的样品池组成，样品池由高效导热和化学惰性材料（如哈氏合金或金）制成，周围有绝热夹套。灵敏的热电堆/热电偶电路用于检测参比池（装有缓冲液或水）和装有大分子的样品池之间的温度差。在加入配体之前，先向参比池施加恒定功率（M）和配体（L）之间的简单相互作用。B代表用于该相互作用的缓冲液，而H+代表质子。\Delta H_{ITC} = -\Delta H_{MB} - (n_{H+}) \Delta H_{LH} + (n_{H+}) \Delta H_{BH} + \Delta H_{ML}
因此，\Delta H_{ITC} = (n_{H+}) \Delta H_{BH} + [ -\Delta H_{MB} - (n_{H+}) \Delta H_{LH} + \Delta H_{ML} ]
进一步处理后可计算出金属与配体相互作用的焓值。虽然这个例子是金属和配体之间的相互作用，但它适用于任何有关结合相互作用的ITC实验。

作为分析的一部分，计算与溶剂无关的热力学需要一定数量的质子。绘图即可轻松完成。

图的线性方程是事后分析中上述方程的重新排列版，形式为 y = mx + b：\Delta H_{ITC} = (n_{H+}) \Delta H_{BH} + [ -\Delta H_{MB} - (n_{H+}) \Delta H_{LH} + \Delta H_{ML} ]

平衡常数
反应的平衡常数也与其他竞争平衡无关。竞争包括缓冲相互作用和其他pH依赖性反应，具体取决于实验条件。在下式中，竞争因子Q包含了来自相关物质以外的其他物质的竞争：近年来，ITC被更多地应用于工业领域，如药物发现和合成材料测试。虽然它在基础化学中仍有大量应用，但趋势已转向生物方面，因为在生物方面，无标记和独立于缓冲液的数值相对较难实现。

酶动力学
利用来自ITC的热力学数据，可以推断出酶动力学，包括质子或电子转移、别构调节、协同作用以及酶抑制作用。ITC收集的数据会随着时间的推移而变化，这对任何动力学实验都非常有用，尤其是对蛋白质而言，因为它可以不断进行等分注射。在计算方面，通过比较不同条件（pH 、使用突变肽链和结合位点等）下的实验数据，可直接利用平衡常数和结合斜率来确定别构和电荷转移。

膜和自组装肽研究
膜蛋白和某些蛋白质的自组装特性由于是一种无标记的热量计，因此可以在这种技术下进行研究。膜蛋白很难选择适当的溶解和纯化方案。由于ITC是一种非破坏性的量热工具，因此它可用作检测器，通过将已知的结合配体与蛋白质结合，找到具有所需结合位点的蛋白质部分。这一特点也适用于自组装蛋白质的研究，特别是用于测量其结构转变的热力学。

药物开发
药物需要在所需范围内与蛋白质有效结合，因此结合亲和力在药物化学中具有重要意义。然而，在设计药物时，确定焓变和优化热力学参数非常困难。ITC通过推断结合亲和力、焓/熵贡献及其结合化学计量学，解决了这一问题。

手性化学
有机金属化合物的手性也可以通过这种技术推导出来。每种手性化合物都有其独特的性质和结合机制，它们之间具有可比性，从而导致热力学性质的差异。通过将手性溶液结合在一个结合位点上，可以推断出手性的类型，并根据不同的目的，推断出哪种手性化合物更适合结合。

金属结合相互作用
MicroCal公司的Lin等人发表卵转铁蛋白与铁的结合研究以来，将金属离子与蛋白质和生物材料的其他成分结合是ITC最受欢迎的用途之一。这是由于生物系统中使用的一些金属离子具有d10电子构型，无法用其他常用技术（如紫外-可见分光光度法或电子顺磁共振）进行研究。由于生物系统中存在大量的金属结合酶，这也与生化和药物研究密切相关。

碳纳米管及相关材料
在研究碳纳米管以确定与生物分子的热力学结合相互作用和石墨烯复合材料相互作用时，该技术得到了很好的应用。ITC与碳纳米管的另一个显著用途是优化石墨烯复合材料和聚乙烯醇制备碳纳米管的过程。由于两种成分的混合是一种放热反应，因此 PVA 的组装过程可以通过热力学方法进行测量，其结合趋势也可以很容易地通过ITC观察到。

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