Скачок давления

Скачок давления — это метод, используемый при изучении химической кинетики . Он включает в себя быстрое изменение давления экспериментальной системы и наблюдение за возвращением к равновесию или устойчивому состоянию . Это позволяет изучать сдвиг в равновесии реакций, которые уравновешиваются в периоды от миллисекунд до часов (или дольше), ^[1] эти изменения часто наблюдаются с помощью абсорбционной спектроскопии или флуоресцентной спектроскопии, хотя также могут использоваться и другие спектроскопические методы, такие как КД , ^[2] ИК-Фурье ^[3] или ЯМР ^{[4] .}

Исторически скачки давления ограничивались одним направлением. Чаще всего быстрые падения давления достигались с помощью быстродействующего клапана или быстроразрывной мембраны. ^[5] Современное оборудование может достигать изменений давления в обоих направлениях с помощью двух резервуарных схем ^[6] (подходит для больших изменений давления) или поршней, управляемых пьезоэлектрическими приводами ^[7] (часто быстрее, чем подходы на основе клапанов). Сверхбыстрые падения давления могут быть достигнуты с помощью электрически разъединяемых разрывных мембран. ^[8] Возможность автоматически повторять измерения и усреднять результаты полезна, поскольку амплитуды реакции часто невелики.

Дробная степень реакции ( т.е. процентное изменение концентрации измеряемого вида) зависит от изменения молярного объема (Δ V °) между реагентами и продуктами и положения равновесия. Если K — константа равновесия, а P — давление, то изменение объема определяется по формуле:

${\displaystyle \Delta V^{o}=-RT\left({\frac {\partial \ln K}{\partial P}}\right)_{T}}$

где R — универсальная газовая постоянная , а T — абсолютная температура . Таким образом, изменение объема можно понимать как зависимость изменения свободной энергии Гиббса от давления , связанного с реакцией.

Когда один шаг реакции нарушается в эксперименте со скачком давления, реакция следует одной экспоненциальной функции распада с обратной постоянной времени (1/τ), равной сумме прямых и обратных внутренних констант скорости. В более сложных сетях реакций, когда нарушается несколько шагов реакции, обратные постоянные времени задаются собственными значениями уравнений характеристической скорости. Возможность наблюдать промежуточные шаги в пути реакции является одной из привлекательных особенностей этой технологии. ^[9]

Ссылки

1. Это контрастирует со скачком температуры , при котором кривые охлаждения обычно ограничивают временное окно примерно минутой.
2. Грюневальд Б., Кнохе В. (1978). «Метод скачка давления с обнаружением оптического вращения и кругового дихроизма». Обзор научных приборов . 49 : 797–801. Bibcode : 1978RScI...49..797G. doi : 10.1063/1.1135618. PMID  18699196.
3. Schiewek M, Krumova M, Hempel G, Blume A (2007). "Установка релаксации скачка давления с ИК-детектированием и миллисекундным временным разрешением". Review of Scientific Instruments . 78 : 045101. Bibcode : 2007RScI...78d5101S. doi : 10.1063/1.2719020. PMID  17477687.
4. Heuer U, Krumova M, Hempel G, Schiewek M, Blume A (2010). "ЯМР-зонд для экспериментов по скачкам давления до 250 бар и времени скачка 3 мс". Review of Scientific Instruments . 81 : 105102. Bibcode : 2010RScI...81j5102H. doi : 10.1063/1.3481164. PMID  21034114.
5. Pörschke D (1982). Методы изучения быстрой кинетики в биологических системах в: Davies DB, Saenger W, Danyluk SS (Eds) Structural Molecular Biology . Plenum Publishing Corp. ISBN 0-306-40982-8.
6. Marchal S, Font J, Ribó M, Vilanova M, Phillips RS, Lange R, Torrent J (2009). «Асимметричная кинетика структурных изменений белков». Accounts of Chemical Research . 42 : 778–87. doi :10.1021/ar800266r. PMID  19378977.
7. Pearson DS, Holtermann G, Ellison P, Cremo C, Geeves MA (2002). «Новый аппарат скачка давления для микрообъемного анализа белок-лигандных и белок-белковых взаимодействий: его применение для связывания нуклеотидов с субфрагментом миозина скелетных мышц и гладких мышц 1». Biochemical Journal . 366 : 643–651. doi : 10.1042/BJ20020462. PMC 1222786. PMID  12010120 . 
8. Дюмон С., Эмильссон Т., Грюбеле М. (2009). «Достижение предела скорости сворачивания белка с большими, субмикросекундными скачками давления». Nature Methods . 6 (7): 515–9. doi :10.1038/nmeth.1336. PMID  19483692.
9. Malnási-Csizmadia, A; Pearson, DS; Kovács, M.; Woolley, RJ; Geeves, MA; Bagshaw, CR (2001). «Кинетическое разрешение конформационного перехода и шага гидролиза АТФ с использованием методов релаксации с мутантом миозина II Dictyostelium, содержащим единственный остаток триптофана». Biochemistry . 40 : 12727–12737. doi :10.1021/bi010963q. PMID  11601998.