CN108061726B - 具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置 - Google Patents

具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置，其特征在于，该测量装置包括热测量系统、荧光光谱测量系统及数据采集与控制系统；所述热测量系统用于测量滴定过程中释放的滴定热，所述荧光光谱测量系统包括荧光光源、两个信号入射端光纤耦合透镜及相应电动平移台、两个信号接收端光纤耦合透镜及相应电动平移台、光栅和光谱仪，所述数据采集与控制系统通过调节所述单色仪出入口狭缝宽度，选择波长以调节荧光激发单色光强度与带宽。本发明将光通路置于反应池外，操作更加简便快捷，且本发明采用样品池和参比池同时进行双子池热测量和双路光谱测量，消除了光谱测量中光吸收产生的热信号对热测量的影响，有效提高了光测量效率。

Description

具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置
技术领域
本发明涉及一种热功率测量装置，特别是关于一种具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置，涉及生物大分子及分子自组装等分子间弱相互作用及其他溶液反应体系的研究与应用技术领域。
背景技术
热功率测量装置(即量热计)广泛应用于物理、化学、生物等科学领域以及石油开采、石油化工、二次电池等技术领域。其中，等温滴定量热计尤其适用于生物体系及分子间弱相互作用研究。由于该类体系的复杂性，一般会辅以荧光光谱测量以获得物质结构信息。等温滴定量热可以多点连续滴定，具有浓度扫描的特点。而目前荧光光谱等用于物质结构研究的仪器在设计上并不具备这种扫描功能，只能逐点分别测试。所以，面对复杂多变的量热曲线以及无法连续测量的有限光谱结果，常常使人无法确定不同量热曲线变化区间对应的结构和相态。特别是对于生物大分子和分子自组装体系而言，相互作用、结构和相态的转化具有很强的动力学依赖性，温度甚至搅拌方式、搅拌速度和时间等微小差异都可能导致不同的结构。这就使得分别进行滴定量热与荧光光谱测量常常难以得到相互作用与物质结构间的严格对应关系。迄今为止，国内外尚无仪器能够实现热信号测量与荧光光谱的联合测量。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种能够同步测量热功率与荧光光谱，并保证热测量与荧光光谱测量皆可正常工作且把相互影响降到最低的具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置，其特征在于，该测量装置包括热测量系统、荧光光谱测量系统及数据采集与控制系统；所述热测量系统用于测量滴定过程中释放的滴定热，所述荧光光谱测量系统包括荧光光源、两个信号入射端光纤耦合透镜及相应的电动平移台、两个信号接收端光纤耦合透镜及相应的电动平移台、光栅和光谱仪，其中，所述入射端光纤耦合透镜和相应接收端光纤耦合透镜必须位于同一平面；所述荧光光源发出的光经一单色仪变成单色光，所述单色光分成两路分别进入一光纤衰减器，经第一光纤衰减器出射的光信号经第一信号入射端光纤耦合透镜聚焦于样品反应池轴线上一点，所述样品反应池中溶液产生的荧光信号经第一信号接收端光纤耦合透镜依次发射到所述光栅和光谱仪；同理，经第二光纤衰减器出射的光信号经第二信号入射端光纤耦合透镜聚焦于参比反应池轴线上一点，所述参比反应池中溶液产生的荧光信号经第二信号接收端光纤耦合透镜依次发射到所述光栅和光谱仪；所述数据采集与控制系统控制各所述电动平移台的前后移动，进而调节所述光纤耦合透镜与所述样品反应池或参比反应池的距离，保证入射光信号与出射光信号共聚焦于所述样品反应池或参比反应池轴线上同一点，所述数据采集与控制系统还通过调节所述单色仪出入口狭缝宽度，选择波长以调节荧光激发单色光的强度与带宽。
进一步地，所述热测量系统包括恒温系统、量热池、热标定系统和自动滴定系统；所述恒温系统包括恒温浴和热沉，所述恒温浴中放置所述热沉，所述热沉内放置所述量热池，所述量热池包括材料和尺寸完全相同的样品池和参比池，所述样品池和参比池均包括导热件、温差热电堆和反应池，样品反应池和参比反应池皆由石英玻璃管制作并分别固定于所述导热件中心，所述导热件通过所述温差热电堆与所述热沉接触，所述温差热电堆的输出端反接；所述热标定系统包括程控直流电源和固定于所述导热件内的热电阻，所述程控直流电源连接所述热电阻；所述自动滴定系统包括注射器、注射泵和控制器，所述注射器中盛放滴定液，所述自动滴定系统通过所述控制器发送指令给所述注射泵推进所述注射器芯杆令滴定液分批、分时注入所述反应池的底液中。
进一步地，所述数据采集与控制系统包括计算机、纳伏计、数据采集卡或带扫描卡的数字多用表、量热模块、光谱模块和量热-光谱联用模块；所述计算机用于控制各电动平移台和单色仪，同时监控和记录热信号和光谱信号；所述纳伏计采集所述温差热电堆产生的热流信号；所述数据采集卡或带扫描卡的数字多用表采集所述恒温浴温度及程控直流电源的电流和电压信号；所述量热模块用于热测量装置的标定和热功率测量；所述光谱模块用于接收光谱仪的信号以测量荧光光谱；所述量热-光谱联用模块采用比例-积分-微分控制模块通过所述程控直流电源在所述温差热电堆上施加电流主动冷却所述样品池和参比池使其温度与所述热沉快速达到热平衡。
进一步地，所述导热件采用高热导系数的铝合金或铜制作并氧化成黑色，所述导热件还设置有两个大于或等于90度分布的光学测量孔，所述光学测量孔用于放置所述荧光光谱测量系统的光纤耦合透镜。
进一步地，所述恒温浴包括初级恒温浴和主恒温浴，所述初级恒温浴为主恒温浴提供优于0.01℃精度的恒温环境，所述主恒温浴为所述热沉提供优于0.0001℃精度的恒温环境，所述恒温浴为水浴或油浴。
进一步地，该测量装置还包括恒温恒湿间，所述热测量系统、荧光光谱测量系统和数据采集与控制系统放置于控温在20至25℃，控温精度±0.5℃，相对湿度在(45～70)％RH的所述恒温恒湿间内。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将光通路置于反应池外，操作更加简便快捷，且本发明采用样品池和参比池同时进行双子池热测量和双路光谱测量，消除了光谱测量中光吸收产生的热信号对热测量的影响，有效提高了光测量效率。2、本发明通过电动平移台调节光纤耦合透镜相对样品反应池(或参比反应池)的距离，使相同入射光强度下荧光信号强度最大化，从而可以在不同温度和底液条件下使用尽量弱的入射光以降低光致热信号对热测量的影响。3、本发明通过珀耳帖效应主动降温进一步降低光测量对热测量的影响，加快热平衡，也提高了整体测量效率。本发明既可同时测量热功率和荧光光谱，也可单独测量热功率和荧光光谱。
附图说明
图1是本发明热功率测量装置的结构示意图。
图2是本发明荧光光谱测量系统的结构示意图。
图3是本发明实施例十二烷基硫酸钠(SDS)滴入牛血清蛋白(BSA)的反应过程中的热和荧光光谱测量结果，其中，图(a)是反应过程中的热测量结果示意图，图(b)是样品底液(图中0号曲线)及每次滴定反应后的荧光光谱测量结果。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明提供的具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置，包括热测量系统1、荧光光谱测量系统2、数据采集与控制系统3及恒温恒湿间4。
热测量系统1采用等温滴定式量热计(但不限于滴定式)，包括恒温系统11、量热池12、热标定系统和自动滴定系统。其中，恒温系统11包括恒温浴110和热沉111，恒温浴110要求控温在15至60℃间，控温精度±0.0001℃，恒温浴110可以是水浴或油浴。恒温浴110中放置热沉111以进一步提高温度稳定性。热沉111内放置量热池12，量热池12包括材料和尺寸完全相同的样品池12A和参比池12B。样品池12A和参比池12B均包括导热件121、温差热电堆122和反应池123。导热件121采用高热导系数的铝合金或铜等材料制作并氧化成黑色以消除杂散光影响，导热件121还设置有两个大于或等于90度分布的光学测量孔。样品反应池123A和参比反应池123B皆由石英玻璃管制作并分别固定于导热件121中心，两池中皆盛放相同组成和质量的待用反应底液。热功率测量采用赛贝克(Seebeck)效应通过温差热电堆122来实现，温差热电堆122采用商用半导体热电模块组装而成，可根据热测量具体要求选择不同型号。导热件121通过温差热电堆122与热沉111接触。在热测量中，两温差热电堆的输出端反接(如两堆的正端接正端，负端接输出；或两堆的负端接负端，正端接输出)以对消环境及光致热信号的影响。热标定系统包括程控直流电源131和固定于导热件121内的热电阻132，程控直流电源131输出不同的恒电流(或恒功率)到热电阻132上，温差热电堆122会相应输出不同幅度的电压信号，由此获得热测量系统的仪器常数—即热功率与输出电压信号间的比值，以及热信号响应的弛豫时间：热功率与输出电压信号间的比值，以及热信号响应的弛豫时间，这些都是热测量装置的基本参数。自动滴定系统包括滴定单元、注射器、注射泵和控制器，注射器中盛放滴定液，自动滴定系统通过控制器发送指令给注射泵推进注射器芯杆，令滴定液分批、分时注入反应池内的底液中，实现滴定液与底液间的反应，热测量系统测出滴定过程中热释放，从而获得滴定热。自动滴定系统与热测量系统及荧光测量系统相互独立，但是测量时间间隔(即滴定时间)受热测量时间与光谱测量时间影响，后两者所需时间越长，滴定时间也越长。
如图2所示，荧光光谱测量系统2用于测量荧光光谱，包括荧光光源(例如氙灯)20、单色仪21、Y形分叉光纤22、两个光纤衰减器23A和23B、两根光纤24A和24B、两个信号入射端光纤耦合透镜25A1和25B1及相应电动平移台25A2和25B2、两个信号接收端光纤耦合透镜26A1和26B1及相应电动平移台26A2和26B2、光栅27和光谱仪28，其中，入射端光纤耦合透镜和接收端光纤耦合透镜必须位于同一平面。
荧光光源20发出的光经单色仪21变成单色光，单色光经Y型分叉光纤22分成两路分别进入光纤衰减器23A和23B，经光纤衰减器23A出射的光信号经光纤24A和信号入射端光纤耦合透镜25A1聚焦于样品反应池123A轴线上一点，样品反应池123A中溶液产生的荧光信号经信号接收端光纤耦合透镜26A1依次发射到光栅27和光谱仪28；同理，经光纤衰减器23B出射的光信号经光纤24B和信号入射端光纤耦合透镜25B1聚焦于参比反应池123B轴线上一点，参比反应池123B中溶液产生的荧光信号经信号接收端光纤耦合透镜26A依次发射到光栅27和光谱仪28。每个光纤耦合透镜位于导热件121的光学测量孔中。另外，数据采集与控制系统3可控制电动平移台25A2、25B2、26A2和26B2的前后移动，进而调节光纤耦合透镜与样品反应池123A或参比反应池123B的距离，以保证光信号共聚焦于样品反应池123A或参比反应池123B轴线上同一点。数据采集与控制系统3通过调节单色仪21出入口狭缝宽度，选择波长以调节荧光激发单色光强度与带宽。对于不同温度和不同反应底液，在实际测量前通过调节单色仪21和电动平移台实现光学聚焦(即荧光信号最大化)，以保证测量到有效荧光信号的同时尽量降低光致热信号对热测量的干扰。
数据采集与控制系统3包括计算机31、纳伏计32、数据采集卡或带扫描卡的数字多用表33、量热模块34、光谱模块35和量热-光谱联用模块36。其中，计算机31用于连接电动平移台25A2、25B2、26A2和26B2和单色仪21，同时监控和记录热信号和光谱信号；纳伏计32采集温差热电堆122产生的热流信号；数据采集卡或带扫描卡的数字多用表33采集恒温浴110的温度及程控直流电源131的电流和电压信号；量热模块34用于热测量装置的标定和热功率测量；光谱模块35用于接收光谱仪的信号并测量荧光光谱；量热-光谱联用模块36用于实现光谱测量的同时驱动程控直流电源131提供电流流过温差热电堆122冷却光信号加热的量热池12，抵消由于荧光激发光照射量热池产生的光致热信号，具体是采用比例-积分-微分(PID)控制模块通过程控直流电源131在温差热电堆122上施加电流主动冷却样品池12A和参比池12B使其温度与热沉111快速达到热平衡，以消除光谱测量对热测量的影响。
在一个优选的实施例中，恒温浴110用于尽量降低所测热功率信号的噪音，提高热测量的分辨率和灵敏度。恒温浴110包括初级恒温浴和主恒温浴，初级恒温浴为主恒温浴提供优于0.01℃精度的恒温环境，主恒温浴为热沉111提供优于0.0001℃精度的恒温环境。
在一个优选的实施例中，热测量系统1、荧光光谱测量系统2和数据采集与控制系统3放置于控温在20至25℃，控温精度±0.5℃，相对湿度在(45～70)％RH的恒温恒湿间4内，并避免电磁干扰。
下面以十二烷基硫酸钠(SDS)和牛血清蛋白(BSA)的滴定反应过程的荧光光谱和热功率测量为实施例说明本发明具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置的应用。
在滴定反应前首先测量0.6毫升的50mg/ml的BSA水溶液体系的荧光光谱(即图3(b)中序号为0的曲线)，荧光激发波长295nm，每个样品积分时间5s，然后每次滴入10微升0.2M的SDS，测量滴定热，每次滴定热测量结束后测量一次荧光光谱，然后交替进行热测量与荧光光谱测量。本实施例共获得33次滴定热结果和34次荧光光谱结果，分别如图3(a)和(b)所示，由图3可见本发明具有荧光光谱测量功能的热功率测量装置可同时测得该体系的热信号和光谱信号，某些特征荧光峰确实在滴定过程中发生了变化。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置，其特征在于，该测量装置包括热测量系统、荧光光谱测量系统及数据采集与控制系统；所述热测量系统用于测量滴定过程中释放的滴定热，所述荧光光谱测量系统包括荧光光源、两个信号入射端光纤耦合透镜及相应电动平移台、两个信号接收端光纤耦合透镜及相应电动平移台、光栅和光谱仪，其中，所述入射端光纤耦合透镜和相应接收端光纤耦合透镜必须位于同一平面；所述荧光光源发出的光经一单色仪变成单色光，所述单色光分成两路分别进入一光纤衰减器，经第一光纤衰减器出射的光信号经第一信号入射端光纤耦合透镜聚焦于样品反应池轴线上一点，所述样品反应池中溶液产生的荧光信号经第一信号接收端光纤耦合透镜依次发射到所述光栅和光谱仪；同理，经第二光纤衰减器出射的光信号经第二信号入射端光纤耦合透镜聚焦于参比反应池轴线上一点，所述参比反应池中溶液产生的荧光信号经第二信号接收端光纤耦合透镜依次发射到所述光栅和光谱仪；所述数据采集与控制系统控制各所述电动平移台的前后移动，进而调节所述光纤耦合透镜与所述样品反应池或参比反应池的距离，保证光信号共聚焦于所述样品反应池或参比反应池轴线上同一点，所述数据采集与控制系统还通过调节所述单色仪出入口狭缝宽度，选择波长以调节荧光激发单色光强度与带宽：
所述热测量系统包括恒温系统、量热池和热标定系统；所述恒温系统包括恒温浴和热沉，所述恒温浴中放置所述热沉，所述热沉内放置所述量热池，所述量热池包括材料和尺寸完全相同的样品池和参比池，所述样品池和参比池均包括导热件、温差热电堆和反应池，样品反应池和参比反应池皆由石英玻璃管制作并分别固定于所述导热件中心，所述导热件通过所述温差热电堆与所述热沉接触，所述温差热电堆的输出端反接，其中，所述温差热电堆的输出端反接的含义为：两温差热电堆的正端接正端，负端接输出；或两温差热电堆的负端接负端，正端接输出；所述热标定系统包括程控直流电源和固定于所述导热件内的热电阻，所述程控直流电源连接所述热电阻，所述数据采集与控制系统包括计算机、纳伏计、数据采集卡或带扫描卡的数字多用表、量热模块、光谱模块和量热-光谱联用模块；
所述计算机用于控制各电动平移台和单色仪，同时监控和记录热信号和光谱信号；所述纳伏计采集温差热电堆产生的热流信号；所述数据采集卡或带扫描卡的数字多用表采集恒温浴温度及程控直流电源的电流和电压信号；所述量热模块用于热测量装置的标定和热功率测量；所述光谱模块用于接收光谱仪的信号测量荧光光谱；所述量热-光谱联用模块采用比例-积分-微分控制模块通过所述程控直流电源在所述温差热电堆上施加电流主动冷却样品池和参比池使其温度与热沉快速达到热平衡。
2.如权利要求1所述的具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置，其特征在于，所述热测量系统还包括自动滴定系统，所述自动滴定系统包括注射器、注射泵和控制器，所述注射器中盛放滴定液，所述自动滴定系统通过所述控制器发送指令给所述注射泵推进所述注射器芯杆令滴定液分批、分时注入所述反应池的底液中。
3.如权利要求1所述的具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置，其特征在于，所述恒温浴包括初级恒温浴和主恒温浴，所述初级恒温浴为主恒温浴提供优于0.01℃精度的恒温环境，所述主恒温浴为所述热沉提供优于0.0001℃精度的恒温环境，所述恒温浴为水浴或油浴。
4.如权利要求1所述的具有荧光光谱测量功能的等温式热功率测量装置，其特征在于，该测量装置还包括恒温恒湿间，所述热测量系统、荧光光谱测量系统和数据采集与控制系统放置于控温在20至25℃，控温精度±0.5℃，相对湿度在(45～70)％RH的所述恒温恒湿间内。
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