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等温マイクロカロリメトリー（IMC）は、化学的、物理的、生物学的プロセスをリアルタイムでモニタリングし、動的に分析するための実験室的手法です。IMCは、数時間から数日かけて、一定の設定温度（約15 ℃～150 ℃）で、小型アンプル（例えば3～ 20ml）内の試料について、これらのプロセスの開始、速度、程度、およびエネルギーを測定します。
IMCは、試料アンプルへの、または試料アンプルからの正味の熱流束（μJ/s = μW）と、消費または生成された熱の累積量（J）を経過時間に対して測定および記録することにより、この動的解析を実現します。
IMCは、密接に関連する4つの理由から、強力かつ汎用性の高い分析ツールである。
IMC法によるプロセス速度の研究は、幅広い用途に適用可能であり、リアルタイムで連続的なデータが得られ、感度も高い。測定は簡単で、無人で実施でき、非干渉的である（例えば、蛍光マーカーや放射性マーカーは不要）。
しかし、IMCを使用する際には、注意すべき2つの重要な点があります。
一般的に、IMCの応用範囲は、分析ツールとしてこれを採用する人の想像力と、方法の物理的な制約によってのみ制限されます。上記で説明した2つの一般的な制約（主な注意点）に加えて、これらの制約には、試料とアンプルのサイズ、および測定可能な温度が含まれます。IMCは一般的に、数時間または数日かけて行われるプロセスを評価するのに最適です。IMCは非常に幅広い用途で使用されており、この記事では、発表された文献を参照しながら、多くの例について議論します。議論される応用例は、ポリマーの緩やかな酸化分解の測定や危険な工業用化学物質の不安定性の測定から、尿中の細菌の検出、寄生虫に対する薬剤の効果の評価まで多岐にわたります。この記事では、後者のタイプ、つまり生物学と医学の応用例に重点を置いています。
熱量測定とは、化学反応や物理変化に伴う熱量を測定する科学である。熱量測定は熱量計を用いて行われる。
等温マイクロカロリメトリー（IMC）は、IMC装置内に設置された試料がほぼ一定温度下で消費または生成する熱流束速度（μJ/s = μW）および累積熱量（J）をリアルタイムで連続的に測定する実験室手法です。このような熱は、試料内で起こる化学的または物理的変化によって生じます。熱流束は、ある時点で起こる変化の総速度に比例します。また、ある時間間隔で発生する総熱量は、それまでに起こった総変化量の累積に比例します。
IMCは、生物学的プロセスを含む幅広い速度プロセスの速度とエネルギーを動的かつ定量的に評価する手段である。ここで速度プロセスとは、時間経過に伴う進行が経験的に、または数学モデルによって記述できる物理的および／または化学的変化と定義される（参考文献：Glasstoneら、1941年、Johnsonら、1974年、および速度方程式）。
IMCの最も単純な用途は、試料内で1つ以上の速度プロセスが起こっていることを検出することです。これは、使用する機器の検出限界を超える速度で熱が発生または消費されているためです。これは、例えば、固体または液体の物質が不活性ではなく、特定の温度で変化していることを示す一般的な指標として役立ちます。培養培地を含む生物学的試料では、時間とともに検出可能な上昇する熱流信号が現れることは、何らかの種類の複製細胞が存在することを示す単純な一般的な指標となります。
しかし、ほとんどの用途において、熱流モニタリングによって測定されるプロセスが何であるかを何らかの方法で把握することが極めて重要です。一般的に、これにはまず、熱流を経時的に評価するためにIMC装置にセットする前に、IMCアンプルに収容される物品の物理的、化学的、生物学的特性に関する詳細な知識が必要となります。また、1つまたは複数の期間にわたってIMCによる熱流測定を行った後、アンプルの内容物を分析する必要もあります。さらに、アンプルの内容物の論理的な変化を利用して、熱流の特定の発生源を特定することもできます。速度プロセスと熱流の関係が確立されれば、IMCデータに直接依拠することが可能になります。
IMCが実際に測定できる範囲は、試料の寸法に部分的に依存し、必然的に装置の設計によって制約されます。市販の装置は通常、一定の直径と高さまでの試料に対応しています。 直径1～2cm 、高さ5cmまでの試料に対応する装置が一般的です。特定の装置では、同じ種類の試料でも、より大きな試料ほど熱流信号が大きくなる傾向があり、これにより検出精度と測定精度が向上します。
試料は、多くの場合、3～20 mlの円筒形アンプル（図1）で、その速度過程に関心のある物質（固体、液体、培養細胞など）や、これらの組み合わせ、あるいは熱の発生または消費をもたらすと予想されるその他の物質が入っています。多くの有用なIMC測定は、単純な密閉アンプルを使用して実施でき、ガラスアンプルは、ガラスが発熱性の化学的または物理的変化を起こしにくいため、一般的に使用されています。ただし、金属製またはポリマー製のアンプルが使用される場合もあります。また、ガスや液体の注入または制御された流量での注入、および／または試料の機械的攪拌を可能にする装置／アンプルシステムも利用可能です。
市販のIMC計測器は、15 ℃から150 ℃までの温度範囲で熱流測定が可能です。ただし、個々の計測器によって測定範囲は多少異なる場合があります。
IMCは非常に高感度です。例えば、数グラムの試料で年間数パーセントの反応物消費率で起こる緩やかな化学反応による熱を、数日で検出・定量化できます。例としては、ポリマー製インプラント材料の緩やかな酸化や、固形医薬品製剤の保存期間試験などが挙げられます（用途：固形材料）。
また、IMCアンプル内で培養された数千個の生細胞、微生物、または原生動物などの代謝熱産生速度を測定することもできます。このような代謝熱の量は、（実験によって）存在する細胞または生物の数と相関させることができます。したがって、IMCデータは、存在する細胞または生物の数、およびその数の正味の増加または減少率をリアルタイムで監視するために使用できます（応用分野：生物学および医学）。
IMCの非生物学的応用例もいくつか議論されていますが（応用例：固体材料）、この記事では生物学的プロセスに関連したIMCの使用に重点を置いています（応用例：生物学および医学）。
図 2 に、一般的な IMC データのグラフィック表示を示します。上部には、密封アンプル内の試料から記録された熱流 (μJ/s = μW) の時間に対するプロットがあります。これは、発熱反応によって開始、加速、ピーク熱流に達し、その後収束する反応によるものです。このようなデータは直接的に有用ですが (例えば、固定条件下での反応とその継続時間の検出)、プロセス パラメータを決定するために数学的に容易に評価することもできます。例えば、図 2 には熱流データの積分も示されており、累積熱 (J) 対時間を示しています。示されているように、プロセスの最大成長 (熱発生) 速度や、プロセスが最大熱に達する前の遅延期間などのパラメータは、積分データから計算できます。[ 1 ]コンピュータ ファイルとして保存された熱流データを使用した計算は簡単に自動化できます。このように IMC データを分析して成長パラメータを決定することは、生命科学 (応用: 生物学および医学) において重要な応用があります。また、一連の温度で得られた熱流束は、評価対象のプロセスの活性化エネルギーを求めるために使用できる（Hardison et al. 2003）。 [ 2 ]
ラヴォアジエとラプラスは、1780年頃に最初の等温熱量計を考案し、使用したことで知られています（参考文献：Lavoisier A & Laplace PS 1780）。彼らの装置は、氷を用いて密閉空間内の温度を比較的一定に保ちました。彼らは、氷の上に発熱体（例えば生きた動物）を置くと、氷が溶けて生成される液体の水の質量が、その発熱体によって発生する熱量に正比例することに気づきました。
現代のIMC計測器の設計の多くは、1960年代後半から1970年代初頭にかけてスウェーデンで行われた研究に端を発している（Wadsö 1968、[ 3 ] Suurkuusk & Wadsö 1974 [ 4 ]）。この研究は、固体電子デバイスの並行開発、特に熱流を電圧に変換する小型熱電効果（ペルティエ・ゼーベック）デバイスの市販化、およびその逆の技術を活用した。
1980年代には、マルチチャンネル設計が登場し（Suurkuusk 1982）[ 5 ] 、複数の試料を並行して評価することが可能になった。これにより、IMCのパワーと有用性が大幅に向上し、この方法を微調整する取り組みにつながった（Thorén et al. 1989）[ 6 ] 。 1990年代に行われたさらなる設計と開発の多くは、スウェーデンのWadsöとSuurkuusk、および彼らの同僚によっても行われた。この研究は、パーソナルコンピュータ技術の並行的な発展を活用し、熱流と時間に関するデータを容易に保存、処理、解釈する能力を大幅に向上させた。
1990年代以降の計測器開発作業は、固体電子工学とパーソナルコンピュータ技術の継続的な発展をさらに活用してきた。これにより、感度と安定性が向上し、並列チャンネル数が増え、IMC データの記録、保存、高速処理がより容易に行える IMC 計測器が開発された。より広範な利用に関連して、IMC 計測器の性能 (精度、正確度、感度など) を記述するための標準規格や校正方法の策定に多大な注意が払われてきた (Wadsö および Goldberg 2001)。[ 7 ]
現代の IMC 装置は実際には半断熱的です。つまり、試料とその周囲との間の熱伝達はゼロ (断熱) ではなく、IMC による熱流測定は、約 0.001 °C という小さな温度差の存在に依存します。[ 7 ]ただし、温度差が非常に小さいため、IMC 測定は実質的に等温です。図 3 は、48 個の独立した熱流測定モジュールを含む IMC 装置の概要を示しています。1 つのモジュールが示されています。モジュールの測定ユニットは通常、ペルチェ・ゼーベック素子です。この素子は、熱を発生または消費する試料と、ヒートシンクの温度にある熱的に不活性な基準との間の温度差に比例する電圧を生成します。温度差は、試料が熱を発生または消費する速度に比例します (下記の校正を参照)。装置内のすべてのモジュールは同じヒートシンクとサーモスタットを使用するため、すべて同じ設定温度でデータを生成します。ただし、一般的には、各アンプルで測定を個別に開始および停止できます。図3に示すような高度に並列化された（例えば48チャンネルの）装置では、これにより、都合の良いときにいつでも複数の異なる実験を実行（開始および停止）することが可能になります。
あるいは、IMC装置には、2つのアンプル間の熱流差に比例した信号を出力するデュプレックスモジュールを装備することもできます。このようなデュプレックスアンプルのうちの1つは、多くの場合、ブランクまたはコントロール、つまり、目的とする反応速度を生み出す物質を含まないものの、それ以外の内容は試料アンプル内の物質と同一の試料です。これにより、測定温度における細胞培養培地中の数日間の緩やかな化学変化など、関心のない微量の発熱反応を排除することができます。多くの有用なIMC測定は、単純な密閉アンプルを使用して実施できます。しかし、前述のように、試料へのガスや液体の流入および／または流出を可能にしたり制御したり、あるいは試料の機械的攪拌を行う装置／アンプルシステムも利用可能です。
熱流は通常、図3に示すように、基準インサートを基準として測定されます。これは一般的に、測定装置の動作温度範囲内のあらゆる温度において化学的および物理的に安定しており、それ自体は熱を発生または消費しない金属片です。最適な性能を得るには、基準インサートの熱容量が試料の熱容量に近いもの（例えば、IMCアンプルとその内容物）である必要があります。
市販のIMC装置は、多くの場合、熱伝導（hc）カロリメーターとして動作します。この方式では、試料（アンプル内の物質）によって発生した熱がヒートシンク（通常は恒温槽（例えば、定温浴槽）内に収容されたアルミニウムブロック）に流れます。前述のように、hcモードで動作するIMC装置は、設定温度と試料温度の間にわずかな差が生じるため、厳密には等温ではありません。そのため、測定可能な熱流が発生します。しかし、ヒートシンクの熱容量は試料の熱容量よりもはるかに大きいため（通常は約100倍）、試料温度のわずかな変化はヒートシンク温度に大きな影響を与えません。
試料とヒートシンク間の熱伝達はペルチェ・ゼーベック素子を介して行われ、発生または消費される熱を動的に測定できます。研究用機器では、サーモスタット/ヒートシンクの温度は通常±0.1 K未満で、±100 μK/24時間以内で維持されます。ヒートシンクの温度が時間とともに維持される精度は、時間経過に伴う熱流測定の精度を決定する主要な要因です。hcモードの利点は、広いダイナミックレンジです。50,000 μWの熱流を±0.2 μWの精度で測定できます。したがって、 ベースラインより0.2 μWを超える熱流を測定すると熱流が検出されますが、精度限界の10倍というより保守的な検出がよく使用されます。
IMC 機器の中には、電力補償 (pc) カロリメータとして動作するもの (または動作させることができるもの) があります。この場合、試料を所定の温度に維持するために、ペルチェ・ゼーベック素子を使用して発生した熱を補償します。消費された熱は、電気ヒーターまたはデバイスの極性を反転することによって補償されます (van Herwaarden、2000)。[ 8 ]特定の機器を hc ではなく pc モードで動作させた場合、熱流測定の精度は同じままです (たとえば ±0.2 μW)。補償モードの利点は、時定数が小さいことです。つまり、特定の熱流パルスを検出するのに必要な時間は、伝導モードの約 10 分の 1 です。欠点は、hc モードと比較してダイナミック レンジが 10 分の 1 です。
hcモードまたはpcモードのいずれでも動作する場合、市販の機器のルーチン校正は通常、内蔵の電気ヒーターを使用して行われます。電気ヒーターの性能は、既知の熱容量を持つ試料、または単位質量あたりの発熱量が熱力学から既知である化学反応を起こす試料を使用して検証できます（WadsöおよびGoldberg 2001）。[ 7 ] hcモードまたはpcモードのいずれでも、結果として得られる信号は、試料のμW範囲の熱流と時間の関係を表すように校正された、コンピュータに記録可能な電圧です。具体的には、試料に有意な熱勾配が存在しない場合、P = e C [U + t (dU/dt)]となります。ここで、Pは熱流（つまりμW）、ε Cは校正定数、Uはサーモパイルの両端の測定された電位差、tは時定数です。定常状態条件下（たとえば、一定の電気校正電流の放出中）では、これはP = e C Uに単純化されます（WadsöおよびGoldberg 2001）。[ 7 ]
非常に有用なIMC測定の多くは、密閉アンプル（図1）内で実施できます。密閉アンプルは、操作が簡単で、汚染から保護され、（必要に応じて）アンプルを取り扱う人やアンプルに接触する人のバイオセーフティを十分に確保できるという利点があります。密閉アンプルには、固体、液体、気体、または生物由来の物質を任意の組み合わせで封入できます。アンプルヘッドスペース内の初期ガス組成は、アンプルを目的のガス環境で密閉することで制御できます。
しかし、測定中や機械的攪拌中にアンプルを通してガスや液体を制御された流量で流すことができるIMC装置/アンプル設計も存在します。また、適切なアクセサリを使用すれば、一部のIMC装置はITC（等温滴定カロリメトリー）装置として動作させることができます。ITCについては別の箇所で説明しています（等温滴定カロリメトリーを参照）。さらに、一部のIMC装置は、温度を時間とともにゆっくりと変化（スキャン）させながら熱流を記録できます。IMCスケールの試料（例えば数グラム）をヒートシンク温度（< 0.1 °C）に十分近づけるためには、スキャン速度を遅く（約± 2 °C/h ）する必要があります。温度の高速スキャンは、一般的にずっと小さな試料を使用する示差走査熱量計 （DSC）装置の領域です。一部のDSC装置はIMCモードで動作させることができますが、スキャンに必要なアンプル（したがって試料）のサイズが小さいため、IMCモードで使用されるDSC装置の有用性と感度が制限されます。
熱流束（μJ/s = μW）の測定は、まずIMC機器のサーモスタットを所定の温度に設定し、機器のヒートシンクがその温度で安定するまで待つことによって行われます。ある温度で動作しているIMC機器を新しい温度に設定した場合、新しい温度設定での再安定化には数時間、場合によっては1日かかることがあります。上記のように、μW範囲の熱流束を長期間（例えば数日間）にわたって正確に測定するには、正確に安定した温度を達成し維持することが不可欠です。
温度が安定した後、外部で準備されたアンプル（またはアンプルと同サイズの固体試料）を使用する場合は、通常段階的な操作で、それを装置の測定モジュールにゆっくりと導入（例えば、降下）します。これは、アンプル／試料が測定位置に到達するまでに、その温度が 測定温度にほぼ等しくなる（約0.001℃以内）ようにするためです。こうすることで、測定される熱流は、試料を設定温度まで上昇させる継続的なプロセスによるものではなく、試料の速度プロセスによるものとなります。3～20mlのIMCアンプルに入った試料を測定位置に導入するのにかかる時間は、多くの装置で約40分です。つまり、導入期間中に試料内部で発生するプロセスによる熱流は記録されません。
留置アンプルを使用し、薬剤または検体を注入した場合も不安定な期間が生じますが、その期間は約1分程度です。図5は、アンプルを直接挿入した場合に機器を安定させるのに必要な長い期間と、注入による不安定な期間の短い期間の両方の例を示しています。
導入プロセス後、試料の熱流は、関心のある期間にわたって連続的に高精度に記録できます。研究用機器の極めて高い安定性（±100 μK/24時間未満）により、数日間にわたる正確な測定が可能となり、実際に頻繁に行われています。熱流信号は基本的にリアルタイムで読み取れるため、関心のある熱流がまだ発生しているかどうかを判断する手段として利用できます。また、最新の機器は熱流と時間の関係データをコンピュータファイルとして保存するため、リアルタイムおよび過去のデータに対するグラフ表示と数学的解析の両方が可能です。
以下に示すように、IMCは速度過程を分析する方法として多くの利点がありますが、注意すべき点もいくつかあります。
適切な試料が IMC 計測モジュールの形状に適合し、IMC 方法論に適した速度で進行する場合、あらゆる速度プロセスを研究できます (上記参照)。アプリケーションの項で示されているように、IMC は、ポリマーの固体状態の安定性 (Hardison et al. 2003) [ 2 ]から寄生虫に対する薬剤化合物の有効性 (Maneck et al. 2011) [ 9 ] まで、試験管内で非常に広範囲の速度プロセスを定量化するために使用されています。IMCは、特性が不明な複雑な、または複数の相互作用の総速度を決定することもできます (Lewis & Daniels) [ 10 ] 。これは、材料組成や製造プロセスのさまざまな組み合わせが全体的な物理化学的安定性に及ぼす影響など、比較スクリーニングに特に役立ちます。
IMCの熱流データは、電圧変動と時間の関係として取得され、コンピュータファイルとして保存されます。そして、熱流の変化が起こっているまさにその瞬間に、ほぼリアルタイムで表示できます。熱流に関連する電圧は時間的に連続していますが、最新の計測器では通常、デジタルサンプリングされます。デジタルサンプリングの頻度は必要に応じて制御できます。例えば、時間分解能を高めるために熱流の急激な変化を頻繁にサンプリングしたり、データファイルサイズを抑えるために緩やかな変化を低速でサンプリングしたりできます。
IMCは、長期間（数ヶ月）にわたって反応物のわずか数パーセントしか消費されない反応でも、短時間（数時間、数日）で検出・定量できるほど高感度です。そのため、従来の（例えば化学）分析法では、十分な反応生成物が蓄積されるまで長時間待つ必要が生じますが、IMCではそのような待ち時間を回避できます。これは、物理的試料と生物学的試料の両方に当てはまります（「応用例」を参照）。
IMCは、試料変数と設定温度のあらゆる組み合わせにおいて、熱流速度と累積熱量を直接測定します。これにより、IMC測定前に温度やその他の制御変数を変更した場合でも、熱流速度が同じであると仮定する必要がなくなります。
実験変数（例えば初期濃度）が反応速度に及ぼす影響を比較する場合、IMCでは化学的またはその他の分析方法の開発や使用は不要です。絶対データ（例えばプロセスによって生成される製品の量）が必要な場合は、IMCで使用した試料と同一の試料（および／またはIMC実行後の試料）を用いて並行して分析を行うことができます。得られた分析データは、IMCで得られた反応速度データの較正に使用されます。
IMCでは、反応速度を捉えるためにマーカー（蛍光物質や放射性物質など）を添加する必要はありません。未処理の試料を使用でき、IMC処理後も試料は（処理された反応を除いて）変化しません。IMC処理後の試料は、物理的、化学的、形態学的、またはその他のあらゆる評価に供することができます。
方法論の説明で示されているように、密封アンプルを挿入する IMC 法を使用する場合、試料が設定温度までゆっくりと上昇する最初の 40 分ほどの間は熱流を捉えることができません。したがって、このモードでは、IMC は、ゆっくりと開始するプロセス、または特定の温度でゆっくりと進行するプロセスを研究するのに最適です。この注意は、挿入前の時間、つまり試料の準備 (この間に速度プロセスが開始される可能性がある) から IMC 挿入プロセスの開始までの経過時間にも適用されます (Charlebois et al. 2003)。[ 11 ]この後者の影響は、IMC 用に選択された温度が 試料の準備温度 (例えば 25 °C) よりもかなり高い場合 (例えば 37 °C) に通常最小限に抑えられます。
IMCは、例えば、試料内で発生するすべてのプロセスから生じる総熱発生量または消費量を捉えます。
したがって、実験計画と設計においては、起こりうるすべてのプロセスを特定するために細心の注意を払う必要があります。多くの場合、複数のプロセスが起こっているかどうか、そして起こっている場合は、それらが総熱流にどの程度寄与しているかを体系的に判断するための予備研究を設計し、実施する必要があります。不要な熱流データを排除するための一つの戦略は、対象となる速度プロセスが起こっている試料の熱流と、対象となる試料に含まれるもののうち、対象となる速度プロセスを経る部分を除くすべてのものを含むブランク試料の熱流を比較することです。これは、2つのアンプル間の正味熱流差を報告する二重IMCモジュールを備えた装置を使用することで直接実現できます。
IMCアプリケーション情報の特別な情報源について議論した後、速度過程のIMC分析のいくつかの具体的なカテゴリを取り上げ、各カテゴリについて最近の例（文献参照付き）について議論する。
参考文献には、『熱分析と熱量測定ハンドブック』の4巻が掲載されています。第1巻「原理と実践」（1998年）、第2巻「無機物およびその他の材料への応用」（2003年）、第3巻「ポリマーとプラスチックへの応用」（2002年）、第4巻「高分子から人体まで」（1999年）です。これらは、2000年以前に発表されたIMC（無機物・多成分材料）の応用例に関する情報（および文献参照）の主要な情報源となっています。
一部のIMC機器メーカーは、アプリケーションノートを作成し、一般に公開しています。これらのノートは、多くの場合（常にではありませんが）、学術論文を改訂したものです。例として、TA Instruments, Inc.が提供する「Microcalorimetry Compendium Vol. I and II」があり、参考文献に記載されています。
第 I 巻の最初のセクションである「タンパク質」は、等温滴定カロリメトリーを用いた研究について記述しているため、ここでは関係ありません。第 I 巻の次のセクションである生命科学および生物科学と医薬品には、IMC と示差走査カロリメトリーの両方のアプリケーション ノートが含まれています。この概要集の第 II 巻は、ほぼ完全に IMC アプリケーションに特化しています。そのセクションは、セメント、エネルギー、材料、その他のタイトルになっています。これら 2 つの特定の概要集の潜在的な欠点は、ノートに日付がないことです。概要集は 2009 年に発行されましたが、ノートの中には、何年も前に使用されていたが現在は入手できない IMC 装置について記述しているものがあります。したがって、ノートの中には、依然として関連性があり参考になるものもありますが、2000 年以前に行われた研究について記述しているものも少なくありません。
一般的に、IMCの応用範囲は、既存のIMC機器と方法論によって生じる制約の範囲内で、分析ツールとしてIMCを採用する人の想像力によってのみ制限されます。これは、IMCがあらゆる化学的、物理的、生物学的反応速度プロセスをモニタリングするための普遍的な手段であるためです。以下に、IMCの応用分野とその例をいくつか示します。ほとんどの分野において、ここで挙げた例や参照例よりもはるかに多くの事例が発表されています。これらの分野分けはやや恣意的であり、重複する部分も多くあります。別の分野分けでも同様に論理的である可能性があり、さらに分野を追加することも可能です。
IMCは、さまざまなプロセスによるさまざまな材料の形成速度を研究するために広く使用されています。これは、数時間または数日かけてゆっくりと進行するプロセスを研究するのに最適です。代表的な例は、カルシウム鉱物セメント配合物の水和および凝結反応の研究です。1つの論文は概要を提供しており（Gawlickiら、2010）[ 12 ]、別の論文は簡単なアプローチを説明しています（Evju、2003）。[ 13 ]他の研究では、IMCとIR分光法を組み合わせたセメント水和に関する知見（Ylmenら、2010）[ 14 ]、およびIMCを使用してセメントの水和と凝結時間に対する組成変数の影響を研究することに焦点を当てています（Xuら、2011）。[ 15 ]
IMCは、カルシウム鉱物やその他の鉱物の水和速度と水和量（既知の湿度の空気中）を研究するためにも便利に使用できます。このような研究のために既知の湿度の空気を提供するには、飽和塩溶液の小さな容器を、非水和鉱物試料とともにIMCアンプルに入れることができます。アンプルは密封され、IMC装置に導入されます。飽和塩溶液はアンプル内の空気を既知の相対湿度に保ち、さまざまな一般的な塩溶液は、たとえば32～100%の相対湿度の範囲の湿度を提供します。このような研究は、μmサイズのカルシウムヒドロキシアパタイト粒子とカルシウム含有バイオアクティブガラス「ナノ」粒子で実施されています（Doostmohammadi et al. 2011）。[ 16 ]
IMCは、材料の緩やかな変化の速度を迅速に定量化するのに適しています（Willson et al. 1995）。[ 17 ]このような評価は、安定性、劣化、または保存期間の研究として様々に説明されます。
例えば、IMCは製薬業界における固形製剤の保存期間研究に長年広く用いられてきた（Pikal et al. 1989, [ 18 ] Hansen et al. 1990, [ 19 ] Konigbauer et al. 1992. [ 20 ] ）。IMCは、従来の分析法よりもはるかに早く、化学分析法を用いる必要もなく、模擬保存中の緩やかな分解を検出する能力を持つ。また、IMCは、ニフェジピンなどの薬剤の機能的に重要な非晶質含有量を測定するための迅速かつ高感度な方法でもある（Vivoda et al. 2011. [ 21 ]）。
IMCは、工業用ポリマーの緩やかな変化の速度を迅速に決定するために使用できます。たとえば、外科用インプラントによく使用される材料である超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）のガンマ線滅菌では、ポリマー中にフリーラジカルが生成されることが知られています。その結果、棚上または生体内でポリマーが徐々に酸化され、望ましくない脆化が徐々に進行します。IMCは酸化に関連する熱を検出し、室温の空気中で照射されたUHMWPEの年間1%の酸化速度を定量化しました（Charlebois et al. 2003）。[ 11 ]関連研究では、一連の温度での測定から活性化エネルギーが決定されました（Hardison et al. 2003）。[ 2 ]
IMCは、重大な火災や爆発の危険性がある物質の「暴走可能性」を評価する上でも非常に有用です。例えば、化学工業で使用される中間体であり、突然の分解によって数多くの火災や爆発を引き起こしてきたクメンヒドロペルオキシド（CHP）の自己触媒反応速度を決定するために使用されています。図4は、5つの異なる温度でのCHPの熱分解を記録したIMCデータを示しています（Chen et al. 2008）。[ 22 ]
代謝学という用語は、培養中の細胞（微生物を含む）、組織標本、または小型の生物全体による熱の生成または消費速度の時間に対する定量的測定の研究を説明するために使用できます。後述するように、代謝学は診断ツールとして有用であり、特に、（a）特定の条件下での熱流対時間シグネチャから標本の性質を特定する、または（b）医薬品化合物などの代謝プロセス、有機物の成長または生存率への影響を決定する場合に有用です。代謝学はメタボロミクスと関連しています。後者は、特定の細胞プロセスが残す独自の化学的指紋、つまり低分子代謝物プロファイルの研究の体系的な研究です。代謝学を決定するためにIMCを使用すると、研究された代謝プロセスの産物は、その後メタボロミクス研究に利用できます。IMCは生化学的または放射性マーカーを使用しないため、IMC後の標本は代謝産物と残りの培養培地（使用された場合）のみで構成されます。代謝学とメタボロミクスを併用することで、試験管内で起こる代謝プロセスの包括的な記録、すなわちその速度とエネルギー、そして代謝産物に関する情報を得ることができる。
IMCを用いて代謝を測定するには、当然ながら、特定の機器の検出限界を超える熱流信号を生成するのに十分な細胞、組織、または生物が、最初に存在しているか（または、IMC測定中に複製が行われている場合は後から存在しているか）が必要です。代謝に関する2002年の画期的な総説は、IMC代謝研究を検討するための優れた視点を提供しています（参考文献、West、Woodruff、Brown 2002を参照）。この論文では、代謝速度がどのように関連し、分子やミトコンドリアから細胞や哺乳類までの全範囲にわたってどのようにスケーリングされるかを説明しています。IMCにとって重要な点として、著者らは、特定の種類の哺乳類細胞の生体内での代謝速度は動物のサイズ（質量）の増加に伴って著しく低下する一方で、ドナー動物のサイズは、細胞をin vitroで培養した場合の代謝速度に影響を与えないことも指摘しています。
培養哺乳類細胞の代謝率は30×10⁻¹²W /細胞である（参考文献：West、Woodruff、Brown 2002の図2および図3 ）。定義上、IMC装置の感度は少なくとも1×10⁻⁶W（すなわち1μW）である。したがって、33,000個の細胞の代謝熱を検出できる。この感度に基づき、IMCは1970年代と1980年代にスウェーデンで培養哺乳類細胞の代謝に関する数多くの先駆的な研究を行うために使用された。 1つの論文（Monti 1990）[ 23 ]は、1990年までに行われた研究の包括的なガイドとして機能しています。この論文には、培養されたヒト赤血球、血小板、リンパ球、リンパ腫細胞、顆粒球、脂肪細胞、骨格筋、心筋組織からの熱流に関するIMC研究の説明文と42の参考文献が含まれています。これらの研究は、IMCが臨床診断法としてどのように、またどこで使用できるかを判断するため、および/または健康な人とさまざまな疾患や健康問題を抱える人の細胞間の代謝の違いについての洞察を提供するために行われました。
2000 年以降の IMC の発展 (例えば、大規模並列装置、リアルタイム、コンピュータベースの熱流データの保存と解析) により、培養細胞生物学における IMC のさらなる利用が促進されています。例えば、IMC は抗原誘導リンパ球増殖の評価に用いられ (Murigande et al. 2009) [ 24 ]、従来の非連続放射性マーカーアッセイ法では見られなかった増殖の側面が明らかになりました。IMC は組織工学の分野にも応用されています。ある研究 (Santoro et al. 2011) [ 25 ]では、組織工学用に採取されたヒト軟骨細胞の培養における増殖率 (すなわち増殖) を IMC で測定できることが実証されました。この研究では、IMC がさまざまな増殖培地の有効性を判断するのに役立つ可能性があり、また、特定の個人から提供された細胞が、組織工学組織の製造に使用できるほど効率的に増殖できるかどうかを判断するのにも役立つ可能性があることが示されました。
IMCは、培養マクロファージの外科用インプラント摩耗粉塵に対する代謝反応を測定するためにも使用されています。IMCは、ポリエチレンのμmサイズの粒子に対する反応が、同様のサイズのCo合金粒子に対する反応よりも強いことを示しました（Charlebois et al. 2002）。 [ 26 ]関連論文では、外科および医療で使用される合成固体材料の分野におけるIMCの応用という一般的なトピックを取り上げています（Lewis and Daniels 2003）。[ 10 ]
少なくとも2つの研究で、IMCが腫瘍病理学において非常に有用である可能性が示唆されている。1つの研究（Bäckman 1990）[ 27 ]では、懸濁液中で培養されたTリンパ腫細胞の発熱速度が測定された。温度とpHの変化は有意な変動を引き起こしたが、撹拌速度と細胞濃度は影響を与えなかった。診断への応用可能性をより直接的に検討した研究（Kallerhoff et al. 1996）[ 28 ]では、有望な結果が得られた。研究対象となった泌尿生殖器組織生検標本では、結果は
「悪性組織の代謝活性が著しく高いことに基づき、マイクロカロリメトリー測定によって正常組織と腫瘍組織を区別することが可能です。さらに、マイクロカロリメトリーは組織サンプルを組織学的グレードに分類・識別することも可能にします。」
2012年現在、IMCは1980年代から断続的に成功裏に使用されてきたにもかかわらず、培養細胞毒性学において広く使用されるには至っていない。IMCは、培養細胞の代謝をリアルタイムで観察し、毒性物質の濃度に応じて代謝低下率を定量化したい場合に、毒性学において有利である。毒性学におけるIMC使用に関する最も初期の報告の1つ（Ankerstら、1986年）[ 29 ]は、抗血清、モノクローナル抗体、およびエフェクター細胞としての末梢血リンパ球のさまざまな組み合わせによるヒト黒色腫細胞に対する抗体依存性細胞毒性（ADCC）の研究であった。密閉アンプル内の黒色腫細胞の代謝熱流の時間に対する動態が20時間にわたって測定された。著者らは、
「…マイクロカロリメトリーは、細胞毒性動態の解析に特に適した高感度な方法である。」
IMCは環境毒性学でも使用されています。初期の研究（Thorén 1992）[ 30 ]では、 MnO2、TiO2 、 SiO2 （シリカ）粒子の肺胞マクロファージ単層に対する毒性が評価されました。IMCの結果は、フルオレセインエステル染色と顕微鏡画像解析によって得られた結果と一致していましたが、IMCは画像解析では識別できない石英の毒性効果を示しました。この後者の観察結果は、既知の肺胞への影響と一致しており、著者らはIMCがより感度の高い技術であることを示唆しました。
さらに最近（Liu et al. 2007）、[ 31 ] IMCは、クロム酸カリウム由来のCr(VI)の線維芽細胞に対する毒性を評価する動的な代謝データを提供することが示されています。図5は、Cr(VI)の影響を評価する前に培養線維芽細胞からの代謝熱流を決定するベースライン結果を示しています。著者らは、
「マイクロカロリメトリーは、生細胞における代謝過程を測定するための簡便で容易な手法である。従来のバイオアッセイ法とは異なり、この手法では生細胞の代謝を連続的に測定できる。我々は、Cr(VI)がヒト線維芽細胞の代謝経路、特にグルコース利用を阻害することを明らかにした。」
単純な密閉アンプルIMCは、候補となる外科用インプラント材料の培養細胞毒性を評価するためにも使用され、推奨されており、生体適合性スクリーニング法として機能している。ある研究（Xieら、2000年）[ 32 ]では、培養中のブタ腎尿細管細胞を、数cm²の表面積が既知の「マイクロプレート」の形で、ポリマーとチタン金属の両方に曝露した。著者らは、IMCが
「…は迅速で操作が容易であり、再現性も良好である。本方法は、接着細胞の定量化において、時間のかかる光学顕微鏡や電子顕微鏡による観察に代わるものとして、ほとんどの場合に利用できる。」
別のインプラント材料研究（Doostmohammadi et al. 2011）[ 33 ]では、急速に増殖する酵母培養とヒト軟骨細胞培養の両方を、カルシウムヒドロキシアパタイト（HA）と生体活性（カルシウム含有）シリカガラスの粒子（直径<50μm）に曝露した。ガラス粒子は、粒子濃度の増加に伴って酵母の増殖を遅らせたり、抑制したりした。HA粒子ははるかに影響が少なく、同じ濃度では酵母の増殖を完全に抑制することはなかった。両方の粒子タイプが軟骨細胞の増殖に及ぼす影響は、使用した濃度では最小限であった。著者らは、
「生体活性ガラスやヒドロキシアパタイト粒子などの微粒子状物質の細胞毒性は、マイクロカロリメトリー法を用いて評価できる。これは、生体材料の生体適合性および細胞毒性をin vitroで研究するための最新の方法であり、従来の試験法と併用することができる。」
微生物学における IMC の使用を記述した出版物は 1980 年代に始まった (Jesperson 1982)。[ 34 ] IMC 微生物学研究の中には、ウイルス (Heng et al. 2005) [ 35 ]や真菌 (Antoci et al. 1997) [ 36 ]を対象としたものもあるが、ほとんどは細菌に関するものである。最近の論文 (Braissant et al. 2010) [ 37 ]は、微生物学における IMC 代謝法の一般的な紹介と、医療および環境微生物学における応用の概要を提供している。この論文ではまた、培養中の細菌の熱流対時間データが、特定の培地における微生物の代謝活動と複製速度の変動を、時間経過とともに正確に表現していることも説明している (図 6)。
一般的に、細菌は哺乳類細胞の約 1/10 の大きさで、代謝熱もおそらく 1/10 程度、つまり 3 × 10 −12 W/細胞です。したがって、哺乳類細胞 (上記参照) と比較すると、検出可能な熱流 (つまり 1 μW) を発生させるには、約 330,000 個という 10 倍の数の細菌が存在する必要があります。[ 37 ]しかし、多くの細菌は培養において哺乳類細胞よりも桁違いに速く増殖し、数分で数が倍になることもよくあります (細菌の増殖を参照)。その結果、培養中の細菌の初期数は少なく、最初は IMC で検出できない数でも、すぐに検出可能な数になります。たとえば、20 分ごとに倍増する 100 個の細菌は、4 時間以内に 330,000 個を超える細菌を生成し、IMC で検出可能な熱流が発生します。したがって、IMC は医療分野で細菌を簡単かつ迅速に検出するために使用できます。例としては、ヒト血小板製剤（Trampuz et al. 2007）[ 38 ]および尿（Bonkat et al. 2011）[ 39 ]中の細菌の検出、結核の迅速検出（Braissant et al. 2010、[ 40 ] Rodriguez et al. 2011 [ 41 ] ）などが挙げられる。図7は、培養培地を含む密閉されたIMCアンプル中に存在する細菌の初期量に対する結核菌の検出時間の例を示している。
密閉アンプル内の培養培地中の微生物の場合、IMC熱流データを使用して、基本的な微生物増殖パラメータ、すなわち最大増殖速度と最大増殖速度に達するまでの遅延期の持続時間を高精度に推定することもできます。これは、前述のパラメータの基本分析（概要：取得データ）の重要な特殊応用例です。
残念ながら、IMCの文献には、密閉アンプル内の熱流データと微生物の増殖との関係が誤解されている論文がいくつか発表されています。しかし、2013年に、(a) IMCの熱流データと微生物の増殖との関係の詳細、(b) 微生物の増殖を記述する数学モデルの選択、(c) これらのモデルを使用してIMCデータから微生物の増殖パラメータを決定する方法について、詳細な説明が発表されました（Braissant et al. 2013）。[ 42 ]
IMC の細菌増殖の検出と定量化能力の論理的な拡張として、既知濃度の抗生物質を細菌培養液に添加し、IMC を使用してそれらの生存率と増殖への影響を定量化することができます。密閉アンプル IMC は、特定の微生物の増殖を停止させるために必要な抗生物質の最小阻害濃度 (MIC) など、基本的な薬理学的情報を容易に取得できます。さらに、作用機序を評価する動的な増殖パラメータ (ラグタイムと最大増殖速度) (図 2、Howell ら 2011、Braissant ら 2013 を参照)、[ 1 ] [ 42 ]を同時に提供することもできます。殺菌作用 (殺菌剤を参照) は、抗生物質濃度の増加に伴うラグタイムの増加によって示され、静菌作用 (静菌剤を参照) は、濃度の増加に伴う増殖速度の低下によって示されます。 IMC による抗生物質評価法は、多くの種類の細菌と抗生物質で実証されています (von Ah et al. 2009)。[ 43 ]密閉アンプル IMC は、黄色ブドウ球菌などの細菌の正常株と耐性株を迅速に区別することもできます(von Ah et al. 2008、[ 44 ] Baldoni et al. 2009 [ 45 ] )。IMC は、歯科インプラント材料に付着した口腔細菌の生存率に対する消毒剤の影響を評価するためにも使用されています (Astasov-Frauenhoffer et al. 2011)。[ 46 ]関連する以前の研究では、IMC はガラスへの歯科細菌の付着熱を測定するために使用されました (Hauser-Gerspach et al. 2008)。[ 47 ]
抗腫瘍薬が培養中の腫瘍細胞に及ぼす影響を数時間以内に判定するために、IMC を同様に成功裏に使用した例が実証されている (Schön および Wadsö 1988)。[ 48 ]密閉アンプル方式ではなく、撹拌された試料に薬剤を注入できる IMC 装置が使用された。
2013年現在、IMCは微生物を用いた研究に比べて、哺乳類細胞を用いたin vitro薬力学的研究においてはあまり広く使用されていない。
IMCは、生きた多細胞生物の代謝研究を行うために使用できます。ただし、IMCアンプルに入れるのに十分な大きさである必要があります（Lamprecht & Becker 1988）。[ 49 ] IMC研究は、昆虫の蛹の呼吸運動中の代謝（Harak et al. 1996）[ 50 ]や化学物質が蛹の成長に及ぼす影響（Kuusik et al. 1995）[ 51 ]について行われています。IMCは、線虫の代謝に対する老化の影響を評価するのにも効果的であることが証明されています（Braekman et al. 2002）。[ 52 ]
IMCは、熱帯寄生虫に対する医薬品の効果のin vitro評価にも非常に有用であることが証明されている（Manneck et al. 2011-1、[ 53 ] Maneck et al. 2011-2、[ 9 ] Kirchhofer et al. 2011）。[ 54 ]これらの研究の興味深い特徴は、医薬品を虫の入った密封アンプルに導入するための単純な手動注入システムの使用である。また、IMCは、薬剤による時間の経過に伴う一般的な代謝の低下を記録するだけでなく、熱流データの変動に反映されるように、虫の運動活動の全体的な頻度と時間の経過に伴う振幅の低下も記録する。
IMCはその汎用性の高さから、植物生物学や環境生物学の分野で効果的なツールとなり得る。初期の研究（Hansen et al. 1989）[ 55 ]では、カラマツのクローン組織標本の代謝速度が測定された。この速度は長期的な樹木の成長速度を予測するものであり、特定の樹木由来の標本間では一貫しており、異なる樹木由来のクローンの長期的な成長における既知の変動と相関することがわかった。
細菌のシュウ酸栄養代謝は環境、特に土壌で一般的です。シュウ酸栄養細菌は、シュウ酸を唯一の炭素源およびエネルギー源として利用できます。シュウ酸カリウムを唯一の炭素源として含む最適化された培地とモデル土壌の両方に曝露されたシュウ酸栄養土壌細菌の代謝を研究するために、密閉アンプルIMCが使用されました（Bravo et al. 2011）。[ 56 ]最適化された培地を使用すると、6つの異なる土壌細菌株の増殖を容易に監視し、数日間にわたって再現性よく定量化および区別することができました。モデル土壌での細菌の代謝熱流のIMC測定はより困難でしたが、概念実証が実証されました。
ムーンミルクは、洞窟で見つかる白くてクリーミーな物質です。石灰岩から生じる固まらない微細な結晶沈殿物で、主に炭酸カルシウムおよび/または炭酸マグネシウムで構成されています。微生物がその形成に関与している可能性があります。ムーンミルクの組成と構造の標準的な静的化学分析と顕微鏡分析から、ムーンミルク中の微生物活動を推測することは困難です。この問題を解決するために、密閉アンプルIMCが使用されています（Braissant、Bindscheidlerら 2011）。[ 57 ]雪解けや降雨によってムーンミルクと接触するであろう混合物をシミュレートするさまざまな炭素源を加えた後、ムーンミルク上の化学従属栄養微生物群集の増殖速度を決定することができました。代謝活性は高く、いくつかの土壌で見られるものと同程度でした。
ハリスら（2012）[ 58 ]は、異なる肥料投入方式を研究し、単位土壌微生物バイオマスあたりの熱出力として表した場合、有機肥料方式の微生物群集は無機肥料方式の微生物群集よりも廃熱が少ないことを発見した。
IMCは食品科学技術において多様な用途があることが示されています。概要（WadsöとGalindo 2009）[ 59 ]では、野菜の切断傷呼吸、ブランチングによる細胞死、牛乳の発酵、微生物による腐敗防止、熱処理、保存期間の評価における成功事例について論じています。別の出版物（Galindoら 2005）[ 60 ]では、最小限の加工を施した果物や野菜の貯蔵中の品質変化の監視と予測におけるIMCの成功事例をレビューしています。
IMCは、牛乳中のオロト酸の酵素アッセイ（Anastasi et al. 2000）[ 61 ]や、果物、ワイン、その他の飲料、化粧品中のリンゴ酸の酵素アッセイ（Antonelli et al. 2008） [ 62 ]にも有効であることが証明されている。また、IMCは、カットしたジャガイモの褐変防止剤の有効性を評価するためにも使用されている（Rocculi et al. 2007）[ 63 ] 。さらに、低エネルギーパルス電場（PEF）が麦芽飲料の製造における使用に関連して重要な、大麦種子の発芽熱にどの程度影響するかを評価するのにも有効であることが証明されている（Dymek et al. 2012）[ 64 ] 。