购买等温滴定量热仪时需要考虑的十大因素

等温滴定量热仪 (ITC) 的物理组件、功能和技术规格显然是购买新系统时要考虑的重要因素。 然而,书面上的规格说明可能会混淆和误导消费者,实际上与仪器的真实性能可能并无多大关系。 因为当您真正将仪器用于样品测量时,书面上的规格说明并不一定与仪器的实际优缺点相对应。

在开始评定等温滴定量热仪的性能时,您应该问自己以下问题。

简介

等温滴定量热仪 (ITC) 的物理组件、功能和技术规格显然是购买新系统时要考虑的重要因素。 然而,书面上的规格说明可能会混淆和误导消费者,实际上与仪器的真实性能可能并无多大关系。 因为当您真正将仪器用于样品测量时,书面上的规格说明并不一定与仪器的实际优缺点相对应。 在您进行样本测量时,如发现所使用的仪器并未以真正地提高数据质量和产品易用性为目的进行装配或优化,那么即便拥有世界上最佳的组件和技术规格也是枉然。

在开始评定等温滴定量热仪的性能时,您应该问自己以下问题。

我需要了解的不同仪器之间的主要差异有哪些?

所有供应商都有自己喜欢使用的术语和方法,来介绍他们的仪器和技术规格。 然而,在考虑有关 ITC 仪器的所有问题时,必须最先了解自己的应用需求以及仪器的技术规格和功能对其有何影响。

1. 样品消耗对您来说是否很重要?

评估仪器灵敏度的常用方法是对噪音规格进行比较。 此方法看似合理,但由于各个供应商对规格值的定义各异,因此很难进行逐一比较。 要谨记的重要相关因素包括:

1/ 典型注射过程中的基线变异性

2/ 注射峰面积测量可达到的精确度。

良好的 ITC 结合曲线便由一系列这样的注射热量值组成,并且这些峰面积测量可达到的精确度将直接影响 KD 值和其他参数(参见图 1)

图 1:ITC 注射峰值比较。 左侧的峰面积测量比较简单,因为在峰的起始点之间可以绘制出一条基线。 右侧的峰面积则难以进行有把握的测量,因为峰的起始点不易识别。
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在测量低浓度样品时,如果降低样本消耗非常重要或者需要测量强烈相互作用中的亲和力,上述问题将变得尤为突出。 (参见图 2)

图 2:好与差的 ITC 等温线。 如果能准确地测量峰面积,试验数据点才更有可能与相应的结合等温线较好地拟合。 此时,数据中用于获取左侧数据的试验峰将更容易与右侧数据区分开来。 需要注意的是,如果右侧数据较分散,仍可以生成亲和力和热力学相关数据,只是目前尚未明确数据的准确性。
MRK2154_fig02

来自某些供应商数据的基线变异性(参见图 3)经处理后可以看似正常,但通常的情况是原始数据在分析过程开始前已经过一系列主观处理。

图 3:短期噪声和漂移示例 左图中的绿色线指示的是短期噪音的两个示例。 位置越高的数据集,其噪声水平越高。 但每个数据集都能用于测量典型 ITC 数据的峰面积。 黑色线指示的是水平较高的短期噪声(持续几秒钟),并且在 2 到 3 分钟时间范围内的变异性很强,而此时间段恰好是 ITC 峰值宽度,它对峰面积数据测量的准确度影响最大。 右图显示的是漂移数据。 虽然漂移数据看似不美观,但只要不影响峰面积的测量准确性,那么这些数据仍然可以接受而不会影响相应参数的质量。
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这不仅是一个耗时的处理过程,更关键的是增加了 KD 数据和其他参数的不稳定性。 在比较 ITC 仪器时,最好对低浓度样品进行测量,这样才能真正检验峰面积测量的精确度。 理想的情况是,能在几乎最具挑战性的条件下执行此测量过程。 您应该确保亲自尝试此操作,这样便能充分了解整个测量程序。 应对重复试验中生成的亲和力数据和其他热力学参数进行比较,从而得以评估操作程序的稳健性。

2. 可重复数据对您是否重要?

即便是在较高的样品浓度下执行测量,仍然有多种因素影响可重复数据的获取。 其中之一是注射器清洁。 根据良好实验室规范,应在每次试验前对注射器进行干燥处理。 否则,用于清洁注射器的水或缓冲液很容易对配体造成稀释。 即便注射器中仅剩 2 µl 水,也会使配体稀释 5%。此误差将直接在相同程度上影响相互作用中的焓变。 因此,您要挑选的量热仪应能方便使用甲醇轻松冲洗注射器,并随后进行干燥处理。

另一因素是注射的可重复性。 您的量热仪应配备精密的移液管,允许您以较少体积的样品实现较高的可重复性。

图 4:将一系列 2 mM 的丁二酸注射样品滴定到 20 mM 氢氧化钠中。 按 7 种不同的注射体积制成一组 6 份的注射样品系列,用以测量移液管中注射样品的热量重复性。 1.5 µl 注射样品的热量重复性优于 1.5%。
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3. 仪器和软件的用户友好性如何?

软件和硬件的用户界面均应进行评估。 理想的情况是,用户应能简单快速地装载注射器并完成干燥处理。 样品池的端口应随时清晰可见,方便将样品注入量热池,同时确保试验中不产生气泡。

软件易用性也同等重要。 用户友好性是仁者见仁的问题,所以要检验的是对您而言最重要的功能。 最好的办法是由您亲自运行仪器和执行数据分析。 仅通过将样品发送到供应商的实验室,然后在将来的某个时间去邮局收取报告,并不能帮助您了解仪器的运行情况,您应该自己运行样本或者进行数据分析。 请务必亲自使用软件并运行一到两次试验过程。 您将庆幸自己进行了此操作,因为只有这样才能真实地了解仪器和软件对您而言其用户友好性如何。

4. 您是否需要尽可能地增加可在一天内运行的试验次数?

仪器的响应时间会同时影响样本消耗和运行试验所需的时间。 响应时间的计算方法因制造商而异。但只需对配置和运行试验所需的时间进行比较,即可简单地比较响应时间。 响应时间越快,一天中可运行的试验次数越多,这在许多情况下还会降低对样品的需求量。

如果您预计自己实验室中的量热数据会大量增加,那么您应考虑可提供自动化仪器的供应商,以及他们能否将您的仪器升级到自动化平台。

5. 您是否需要测量一系列的亲和力数据?

在使用 ITC 测量强烈相互作用的亲和力时,您需要使用浓度较低的样品。 这也使得此类试验最具挑战性,因为它要求仪器能够准确测量较小的热量变化。 仪器能否做到这一点取决于多种因素,部分因素已在本指南中提及,例如基线变化性和响应时间。 另外,还与您要测量的结合过程中固有的热量有关。 在检验仪器用于强烈相互作用的测量稳定性时,您需要做两件事情。 第一,使用较低浓度的样本,对源于重复测试中亲和力数据的变异性进行分析。 第二,查阅文献,从中找到那些显示此类相互作用的良好重复性,最好是提供了结合等温线而不是数据表的已发表数据。 较好的文献示例包括 Lulf et al. 2014 (1.6 nM)1 和 Ramakrishnan et al. 2012 (2.5 nM).2

测量较弱的相互作用时,需要使用浓度较高的样品。 此时,您需要找到可轻松完成装载的仪器,以便最大限度地减少装载错误和重新运行测量的需求。

6. 您是否需要满足一系列应用需求?

您应针对特定的应用需求,对仪器的功能进行检验。 例如,黄金具备的热力特性使其适用于测量热量。 但是,如果您想要测量二硫化物与蛋白质的相互作用,则应选择其样品池材质不会与硫醇类物质发生反应的量热仪。 文献中有充分证据显示,硫醇类物质、二硫化物和硫醚会与黄金发生强反应3。 黄金与含硫物质经过强反应后,可生成密集的自组装单分子层4。 这种结合可能会干扰您的测量结果。 此外,由于存在与黄金的强烈相互作用,如果您要预防样品池粘附蛋白质或者污染后续试验,则需进行强力清洗。

7. 我对试验结果的可信度如何?

您对数据的信任度来源于您所执行的重复试验。 然而,当样品受到限制时,您需要确定目前使用的即是在科学界广泛应用的仪器,并且长期以来已经在一系列应用中生成高质量的数据,让自己大可放心。 要做到这一点,您可以进行查阅文献,从中找出目前在业内使用的有较高影响力的产品群。

8. 制造商或供应商的口碑如何?

在选择使用某一产品前,必须对其制造商或供应商的声誉进行评估。 ITC 仪器在制造上必须采用高标准,并且应由技术领先、实力雄厚的公司设计,以便获得出版级质量或者可以据其作出决策的试验结果。

找出一家在此类仪器的开发和优化方面占据行业前沿,并且具有一定历史的公司。 这样的公司能生产出性能几乎完全一致的仪器,并且往往站在推动技术和应用创新发展的前沿。 由于他们经历过学习过程,您也会因此受益匪浅。 另外,他们更有可能掌握专业知识、行业经验和辅助资源,这使得他们不仅能设计和生产出性能极佳的仪器,还能提供适当的支持。

9. 产品售后服务和支持如何?

一旦您购买了一款仪器,那么您的使用经验才真正开始积累。因此,购买能提供世界一流服务和售后支持的公司的产品,这一点很重要。

找到一家可提供电话、面对面服务和电子邮件支持、持续培训的机会、现场基础服务和专家级支持的公司。 在购买仪器前,您应咨询卖家可提供哪些服务,并且在作出决定前尽可能地尝试使用一些服务。这样,您便可以对将来要安装在您实验室中的新仪器的预期质量和服务深度有一个切身体会。

10. 我难道不应购买那些与手册上的产品说明几乎一致且价格最低的产品吗?

绝对不行。

不同的 ITC 仪器在设计、质量和性能上相差甚远。

虽然不同仪器在说明书上所述的技术规格相似,其真实性能、质量和使用寿命却相差极大。 如生活中的许多东西一样,选择价格最低的往往不会带来最佳的长期价值,并且从长远来看最终让您耗费的成本更多。 如果是响应速度慢且重复性较差的仪器,最终在额外样本消耗和生成数据所需的时间方面耗费的成本颇高。

参考文献:

  1. Lulf et at . Structural basis for the inhibition of HIV-1 Nef by a high-affinity binding single-domain antibody Retrovirology 2014, 11:24 
  2. Ramakrishnan et al. Probing Cocaine-Antibody Interactions in Buffer and Human Serum. PLoS ONE. 2012. V. 7(7). e40518 
  3. Ulman, A. Introduction to Ultrathin Films; From Langmuir-Blodgett Films to Self-Assembly; Academic Press: Boston, 1991. 
  4. Dubois,L. H.; Nuzzo, R. G. Annu. ReV. Phys. Chem. 1992, 43, 437-463.

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