单粒子谐振器的热力学分析yabo214

Peter Ouma Okeyo博士和Peter Emil Larsen博士向AZoM介绍了一种利用单粒子作为共振器进行热力学分析的新药发现技术。yabo214

是什么激发了你对热力学分析新方法的研究?

这种新方法背后的想法源于必要性。最初的计划是使用我们在洁净室制造的微传感器来研究具有形成水合物(水-固相互作用)能力的药物的脱水。

然而，在最初阶段，情况变得很清楚，我们感兴趣的药物晶体对于现有的共振MEMS传感器来说太大太重了。

为什么目前的热表征方法如DSC和TGA往往不适合药物发现?

目前的热表征普遍适用于药物发现，以及药物开发的不同阶段。挑战在于，像DSC和TGA这样的方法在一次测量中需要至少几毫克的材料，并给出平均的热响应。

当合成后的药物中存在杂质(例如不需要的固体形式)时，这可能是早期科学家面临的一个问题，从而使科学家只能获得有限数量的纯药物。

通过使用我们新开发的称为粒子机械热分析(PMTA)的方法，现在可以通过光学显微镜简单地分离所需的纯药物粒子，并直接对其进行表征。

为什么在分析蛋白质等生物样本时，热分析会有问题?

这可能与生物样品，特别是蛋白质对温度的敏感性有关。PMTA使得测量少量样品(纳米微克)成为可能，在有限数量的样品中，我们可以在一次加热运行中获得更多的信息，而不是像差示扫描量热法(DSC)那样经过加热和冷却循环。

为什么目前使用的NEMS/MEMS系统有问题?

谐振NEMS/MEMS器件在量子计算、材料表征和生物医学应用等广泛领域显示出巨大的潜力。然而，在商业产品中广泛采用底层技术仍然是不可能的。

造成这种情况的主要原因是，从根本上依赖于基于洁净室的微制造的系统成本太高。

即使不考虑成本因素，全球只有少数地方拥有最先进的无尘室设施，这确实限制了致力于开发这种NEMS/MEMS系统的公司和科学家的数量。

图:PMTA原理图和操作。

请解释一下你们团队开发的“粒子机械热分析(PMTA)”方法。

当你想象一把吉他这样的乐器时，谐振式MEMS传感器背后的原理就很容易解释了。当演奏时，它们会以一个明确定义的频率振动，我们可以将其视为一个特定的音符。

这个系统的任何变化都会导致音调的变化，这是可以测量的。例如，外出(温度变化)将要求音乐家重新调整他的乐器(弦的重音变化)。

在典型的谐振MEMS传感器中，样品被放置在微弦上，任何谐振行为的变化(例如音调)都可以归因于采样材料的变化。在PMTA中，我们简单地使用样本粒子本身作为传感器，从而避免了对洁净室制造传感器的需求。

许多被研究的材料结晶成针状结构，我们可以“听”，就亚博网站下载像音叉。就像以前一样，音调的任何变化都可以归因于所分析材料的晶体结构的变化。

请向我们描述你们为测试这种方法所进行的实验及其结果。

我们使用了一种被称为茶碱一水(TP MH)的模型药物，该药物用于治疗哮喘等呼吸系统疾病，是药物研究中常用的模型药物。第一步是鉴别药物x射线粉末衍射。这一步至关重要，因为在进一步的实验研究之前，我们必须确保我们有正确的固体形式的药物。

经确认后，对TP MH进行热分析(DSC、TGA和DMA)。通过热测量，我们能够破译主要热转变的位置，并将这些结果与PMTA的结果进行比较。

PMTA初步测定结果与标准方法一致。令我们惊讶的是，结果还显示了标准方法无法检测到的额外变化，这在质量因子信号中更为明显。更多细节可在我们的发表的文章在自然界中通信。

图:PMTA的概念证明来自一个单独的实验。

PMTA的好处是什么?单粒子微机械谐振器如何消除洁净室制造的需要?

一个主要的优点当然是不需要像前面讨论的那样进行洁净室制造。然而，它还有另一个优点:在传统的谐振式MEMS传感器(如果有的话)中，总是需要考虑传感器本身的影响。

在薄膜中仍然有一些现象(比如它们对温度变化的反应)没有被完全理解。在PMTA中，传感器同时也是样品。因此，任何可衡量的变化都源于感兴趣的材料。

其他的好处包括能够在没有污染的纯单晶上工作，以及研究单粒子几何的影响。

PMTA能检测到哪些额外的转变，为什么这在药物发现中是如此重要的因素?

PMTA检测到的额外跃迁与共振频率和质量因子信号一致。然而，这在质量因素上更加明显，这是因为这个信号与TP MH粒子发生的内部阻尼有关，因为它改变了其晶体结构为无水形式。

我们仍然不能完全理解检测这些额外的转变对药物发现有什么影响，因为这种方法是同类中的第一种，而且还处于早期阶段。

然而，我们的研究结果表明，复杂的热转变正在这些单个粒子的表面发生，这些单个粒子与机械变化有关，而这些机械变化到目前为止还没有被这些有机材料检测到。亚博网站下载yabo214

图:标准热方法与PMTA的比较。

PMTA如何与其他方法结合以提供更多信息?

原则上，PMTA可以与其他光谱技术如近红外(NIR)相结合，提供粒子相变过程中的指纹。

PMTA适亚博网站下载用于哪些材料?

基于PMTA的测量原理，从食品颗粒到无机材料，各种材料都可以被测量。亚博网站下载yabo214

最重要的因素是要确保被测材料在热循环过程中振动到可以测量和/或跟踪其共振频率的程度。

这种方法将如何影响药物发现的未来?这种方法会影响科学和医疗领域的其他行业吗?亚博老虎机网登录

由于使用成本高，可能无法使用洁净室设施的研究人员和公司将受益于这种方法，因为这种测量可以在实验室环境中进行。

我们的目标之一是证明有一种方法，可以在不需要洁净室制造的设备的情况下，对有机材料的单个粒子进行热力学表征。亚博网站下载yabo214

图片来源:Syda Productions/Shutterstock.com

监测单个粒子的独特特征的可能性如何导致材料科学的进一步发展?yabo214亚博老虎机网登录

我认为这种方法有可能打开一扇门，让我们更深入地了解发生在材料中的机械变化。亚博网站下载

通过将PMTA与标准方法进行比较，目标是通过使用单个粒子进行一定量的测量，可以预测材料的体积特性。亚博网站下载yabo214这可以帮助那些纯分析材料数量有限的小公司到大公司。亚博网站下载

你下一步的研究是什么?

我们需要更多的例子来证明该方法的通用性，并提供更多关于材料参数的信息。亚博网站下载

读者在哪里可以找到更多的信息?

https://www.nature.com/yabo214articles/s41598-019-43959-0

https://pharmacy.ku.dk/news/news-2020/organic-hydrates-in-nature-communications/

关于彼得·奥马·奥基约博士

Peter Ouma Okeyo是丹麦技术大学卫生技术系的博士后研究员。他是一名会员伊敦研究小组。他目前正在开发利用基于传感器的技术和拉曼光谱等光谱技术来监测药物质量的方法。

他在伦敦金斯敦大学获得理学学士和理学硕士学位。他曾在瑞士诺华制药公司和疟疾风险制药公司(MMV)工作。彼得于2020年在哥本哈根大学药学系完成博士学位。他的论文发表在《自然通讯》和《科学报告》上。

关于彼得·埃米尔·拉森博士

Peter Emil Larsen拥有不来梅大学机械工程硕士学位。在计量、自动化和质量科学研究所工作2年后，他前往哥本哈根，在丹麦技术大学的微和纳米技术研究所完成博士学位。亚博老虎机网登录

随后，Larsen博士作为博士后工作了三年多，有特权共同监督四个博士项目在其他科学领域的接口。目前，他在Radiometer Medical担任研发工程师。