CN117761115A - 混合量热仪池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种量热系统的量热仪池，其具有：池主体，该池主体具有用于接收第一物质的内部区域，该池主体由化学惰性材料构成；以及导热层，该导热层至少部分地围绕化学惰性池主体。此外，还提供了相关的量热仪和方法，该量热仪包括：样品池；参照池；与样品池和参照池热连通的恒温器；第一传导线，第一传导线具有连接到恒温器的第一端部和连接到样品池的第二端部；以及第二传导线，第二传导线具有连接到恒温器的第一端部和连接到参照池的第二端部。

Description

混合量热仪池

相关申请

本专利申请是非临时专利申请，要求2018年8月31日提交的美国临时专利申请号62/553,124的优先权，该申请的标题为“CHEMICALLY INERT SAMPLE CELLS FORCALORIMETRY”，该专利申请以引用方式并入本文。

技术领域

以下涉及量热法，更具体地讲，涉及用于等温滴定量热法(ITC)和差示扫描量热法(DSC)的混合量热仪池的实施方案。

背景技术

使用低导热材料在等温滴定量热法和差示扫描应用中包括样品池可降低量热仪的性能。例如，在样品池内加载样品之后，形成池主体的低导热材料可导致较长的平衡时间，以及难以维持用于测量热信号的时间常数。具有适当高导热材料的材料可不与待由量热仪测试的样品化学相容。

因此，需要用于改善的量热仪池的设备和方法。

发明内容

第一方面整体涉及量热系统的量热仪池，其包括：池主体，所述池主体具有用于接收第一物质的内部区域，所述池主体包含化学惰性材料；以及导热层，所述导热层至少部分地包围化学惰性池主体，所述导热层比化学惰性的层更具导热性。

第二方面整体涉及量热仪，其包括：样品池；参照池；与样品池和参照池热连通的恒温器；第一传导线，所述第一传导线具有连接到恒温器的第一端部和连接到样品池的第二端部；以及第二传导线，所述第二传导线具有连接到恒温器的第一端部和连接到参照池的第二端部。

第三方面整体涉及一种方法，所述方法包括：将导热层附接到量热仪池的池主体的外表面，所述池主体包含化学惰性材料；以及用传导线将所述导热层连接到所述量热仪的恒温器。

通过结合附图进行的以下详细公开，将更容易地理解和充分理解构造和操作的上述和其他特征。

附图说明

将参考以下附图详细描述一些实施方案，其中类似的命名表示类似的构件，其中：

图1为根据本发明的实施方案的具有样品池和参照池的量热仪的透视图；

图2示出了根据本发明的实施方案的图1的剖视图；

图3示出了根据本发明的实施方案的图2的环绕区域K的详细视图；

图4示出了根据本发明的实施方案的具有连接到量热仪池的传导线的量热仪构造的透视图；

图5示出了根据本发明的实施方案的曲线图，其示出了对于样品池所添加的传导线的平衡时间的优点；

图6示出了根据本发明的实施方案的曲线图，其示出在样品池主体的外部上的导热层70的优点；并且

图7示出了根据本发明的实施方案的可使用量热仪池的量热仪的示意图。

具体实施方式

本文所公开的设备和方法的以下描述的实施方案的详细描述以举例的方式示出，而不是参照附图进行限制。尽管详细示出和描述了某些实施方案，但应当理解，在不脱离所附权利要求书的范围的情况下可作出各种改变和修改。本公开的范围绝不限于构成部件的数量，其材料，其形状，其相对布置等，并且仅作为本公开的实施方案的一个示例公开。

作为具体实施方式的前言，应当指出的是，除非上下文另外清楚指明，否则如本说明书和所附权利要求中所用，单数形式“一个”，“一种”和“所述”包括复数指代。

等温滴定量热法是测定溶液相互作用的热力学性质的技术。例如，放热或吸热反应产生可使用等温滴定量热仪(ITC)测量的热量。此类反应包括小分子与大分子的结合。典型的ITC包括参照池和样品池。参照池容纳参照液体诸如水，并且样品池容纳包含第一物质的样品溶液。将恒定的冷却功率施加到样品池。温度感测电路用于检测参照池和样品池之间的温差。反馈电路控制用于样品池的加热器以保持相等的池温度。当容纳第二测试物质的滴定剂以精确控制的体积注入到样品池中时，根据第一测试物质和第二测试物质之间的反应类型产生或吸收热量。因此，加热器向样品池提供的功率将变化，使得两个池的温度保持相等。该功率随着时间的推移而被监测，并且导致一系列峰被观察到，其中每个峰对应于将测试溶液注入到样品池中。每个峰可随时间推移而积分，以产生针对注射而产生的总热量。所检测到的峰产生关于测试物质相互作用的热力学参数的信息。

在单次注射期间，滴定剂可能不会立即分散在样品溶液的整个体积中，因此反应在对应于观察到的峰的宽度的有限时间内观察到。为了更快地混合溶液，在样品池内旋转搅拌桨。搅拌桨可包括中空轴，所述中空轴具有在所述轴的端部处附接在所述样品池内的搅拌叶片。可通过中空轴和通过桨叶叶片中的镗孔将注射液引入到样品池中。其他注射和搅拌机构可包括与注射针分开的搅拌桨叶。

此外，根据一些实施方案，量热仪池诸如参照池和样品池可由另外适于与样品接触的低导热材料制成。用于池构造中的低导热材料可以是镍基合金。一些合适的镍基合金可以HASTELLOY品牌(购自海因斯国际有限公司(Hynes International,Inc.,Kokomo,Indiana))购得。这些合适的合金为镍基合金，其任选地包含钼，并且任选地还包含铬。更一般地，HASTELLOY合金的范围包含不同量的镍(例如，按重量百分比计)，具有各种量(例如，按重量百分比计)的钼、铬、铁、钨、锰、钴、铝、钛、硅、碳、铌、钒、铜、钽和锆。这些低导热材料可用于量热仪池构造，因为它们在化学上是适当惰性的，从而允许测试多种样品类型，并且例如在测试之间进行腐蚀性化学清洁。然而，由于热导率差，当在量热仪池中使用此类化学惰性材料时，可能出现性能问题。例如，与高导热材料相比，由镍基合金构造的样品池可经受信号、响应性和时间常数的劣化。

因此，本发明的实施方案提供了用于ITC和DSC中的量热仪样品池，该量热仪样品池：1)具有足够的化学惰性以允许多种样品类型以及腐蚀性化学清洁，2)具有足够的导热性以快速地将热量从样品传导通过样品池并到达热传感器，从而产生例如对于量热仪可能的最高灵敏度和响应时间，以及任选地3)对于量热仪的恒温器具有足够的热连接，该连接有利于新加载的样品快速热平衡，同时对于恒温器的热传导不会负面地影响灵敏度。

参见附图，图1示出了根据本发明的一个实施方案的具有样品池100和参照池200的量热仪300的透视图。样品池100为混合池，其包括化学惰性的、壁非常薄的样品池主体50，其具有附着到样品池主体50的外部的高导热材料。样品池主体可由镍基合金构成。在样品池100中，通过化学惰性池主体的薄壁的热传导路径足够短，因此热量通过薄池壁传导至池的导热外部而不显著地增加池响应时间。池主体50具有用于接纳第一物质的内部区域57，该池主体50由薄壁化学惰性材料构成。高导热层70至少部分地围绕薄壁化学惰性池主体50。此外，量热仪300可包括恒定冷却热电装置(TED)10和靠近样品池100和参照池200的传感器11。

图2示出了图1所示的量热仪300的剖视图。样品池100和参照池200共用一个公共的散热器。池主体的可供选择的实施方案可为圆柱形的，诸如用于ITC应用，或者可为包裹的毛细管池，诸如用于DSC应用。池主体50被构造成接收样品池100的内部区域57中的第一物质(例如样品溶液)。在量热仪300的操作期间，池主体50还可接收第二物质，诸如注入到池主体50中的滴定剂。

样品池100的池主体50由化学惰性材料形成。化学惰性材料可允许待测试的多种样品类型以及测试之间的腐蚀性化学清洁。化学惰性材料具有相对低的热导率。池主体50的示例性实施方案由热导率小于100W/mK的化学惰性的低导热材料构成。另选地，池主体50的热导率为1W/mK-9W/mK，10W/mK-20W/mK，20W/mK-30W/mK，30W/mK-40W/mK，40W/mK-50W/mK，50W/mK-60W/mK，70W/mK-80W/mK，80W/mK-90W/mK或90W/mK-100W/mK。另外，池主体50的低导热材料可为至少部分地围绕池主体50的相对高导热材料的热导率的至少十分之一。

如前所述，具有低热导率的任选的化学惰性材料包含一些镍钼和镍铬钼合金或钛，以及钽。具有低热导率的化学惰性材料的其它实施方案包括不锈钢或其它镍基合金。在示例性实施方案中，池主体50由HASTELLOY C类合金(例如Haynes国际公司(HaynesInternational)品牌C-4合金，C-22合金，C-22HS合金，C-276合金和C-2000合金)构成。

图3示出了图2的环绕区域K的详细视图。池主体50具有如图3所示的非常薄的壁。非常薄的壁或薄壁可指由化学惰性的低导热材料构成的池主体50的壁(例如薄壁)。池主体50的壁厚可尽可能地薄，同时还保持池主体50的结构完整性(例如，保持足够的刚度)。池主体50的壁厚可小于一英寸的1/16(1.5875mm)。在其它实施方案中，薄壁池主体50可具有小于一英寸的1/32(0.7938mm)的壁厚。在示例性实施方案中，壁非常薄的池主体50的壁厚可介于0.02英寸和0.01英寸之间(0.508mm-0.254mm)，或小于一英寸的千分之十。以小厚度构造池主体50的一个或多个壁减小了池主体50的内部区域57和外表面之间的路径长度。例如，通过池主体50的壁传导的热量具有通过池主体50的低导热材料的非常短的路径长度。通过池主体50的薄壁传导的热量到达具有较高热导率的高导热层70。例如，高导热层70可附接、附着、紧固、模制或以其他方式联接到池主体50。高导热层可以是附着到池主体的外表面的单独的层或包裹物。层可围绕或部分地围绕池主体。

当将包含第二物质的滴定剂注入到池主体50的内部区域57中时，由第一物质(例如，样品溶液)和第二物质的放热反应产生的热量在薄壁化学惰性且低导热的池主体50的短路径长度上传导，然后通过高导热层70到达样品池100和参照池200之间的传感器11。另外，层70可围绕或部分地围绕池主体50，使得在将包含第二物质的滴定剂注入到池主体50的内部区域57中之后，由恒温器80施加以恢复样品池温度和参照池温度之间的平衡温度的热量通过高导热层70在薄壁化学惰性且低导热的池主体50的短路径长度上传导。

层70由高导热材料构成，诸如金、银、铜或铝。另外的高导热材料可以是金属和非金属，包括合成材料。高导热层70的示例性实施方案可具有大于100W/mK的热导率。例如，层70具有的热导率可为低导热池主体50的至少10倍。在其它示例性实施方案中，层70的热导率可大于100W/mK，大于200W/mK，大于300W/mK，或大于400W/mK。此外，层70可具有大于0.02英寸(0.508mm)的厚度或壁厚。在示例性实施方案中，层70可具有介于0.02英寸(0.508mm)和0.1英寸(2.54mm)之间的厚度。层70的厚度与池主体50的壁厚之间的厚度比可介1:1和100:1之间。

任选地，例如，池主体50具有附着到池主体50上的金层70，其中池主体50的至少一部分的厚度介于0.01英寸和0.02英寸之间，并且附着到池主体50上的金层70的厚度大于0.02英寸。

重新参见图2，样品池100可包括接入管55。池主体50的实施方案可附接、紧固、附着或换句话讲联接到接入管55。接入管55可为管，圆柱体，通路，连接，管件，导管，通道等，其可具有穿过其中的大致轴向开口。在ITC应用中，接入管55可被构造成接纳穿过接入管55并延伸到样品池100中的叶片14(示于图7中)；包含用于与样品池100内的样品溶液反应的第二物质的滴定剂可经由接入管55注入到样品池中。此外，接入管55的实施方案可与恒温器80热接触和机械接触。例如，在没有下文更详细描述的传导线20a，20b的情况下，样品池100和恒温器80之间的唯一连接可穿过接入管55。在示例性实施方案中，接入管55可由与池主体50相同的材料构成，诸如镍钼合金。

另外，量热仪300可包括参照池200。参照池200的实施方案还可包括池主体和接入管。参照池的池主体可为主体部分，形成参照池的结构部件，容纳参照物的部件，贮器，容器等。参照池的池主体的实施方案可为圆柱形的，诸如使用ITC应用，或者可为包裹的毛细管池，诸如使用DSC应用。参照池的池主体可被构造成接收参照池200的内部区域中的液体参照物质。在示例性实施方案中，参照池200可包括与样品池100相同或基本上相同的构造，如上所述。例如，参照池200可包括由化学惰性的低导热材料构成的池主体，其中高导热材料(诸如金，铝或铜)的层或部分附接到参照池的池主体。

图4示出了根据本发明的实施方案的具有连接到量热仪池100、200的传导线20a、20b的量热仪构造的透视图。如上所述，在没有第一传导线20a和第二传导线20b的情况下，与恒温器80的唯一连接穿过接入管55，从而在加载新样品之后产生比期望的热平衡长的热平衡。为了解决该问题，量热仪300可采用将高导热层70连接到量热仪300的恒温器的两根传导线20a、20b。

恒温器诸如附图中所示的恒温器80可包括扩散粘结块，其中扩散粘结块可包括多个扩散粘结层80a、80b、80c。在图1中，恒温器80包括三个扩散粘结层80a、80b、80c。然而，恒温器80可包括多于三个粘结层，诸如层80a、80b、80c、80d、80e，如图7所示。恒温器80的实施方案可包括设置在扩散粘结块内以用于测量扩散粘结块的温度的温度传感器89。量热仪300的恒温器可以是温度控制子系统、温度控制器、温度调节装置等中的部件，其可控制池100、200可安装到其上的量热仪块(例如，附图中所示的扩散粘结块)的温度。恒温器的温度可由恒温器内的温度传感器和与量热仪计算机相关的温度测量模块来测量。温度测量模块的输出可经由电连接提供，作为量热仪计算机的温度控制软件中的温度控制算法的输入，使得温度控制算法可控制恒温器的温度。量热仪300的恒温器的实施方案可连接到包括多个温度控制层/模块的温度子系统。

在示例性实施方案中，第一传导线20a的第一端部21a可连接(例如焊接)到量热仪300的恒温器80的表面，并且第一传导线20a的第二端部22a可连接(例如焊接)到样品池100的层70的表面。相似地，第二传导线20b的第一端部21b可连接(例如焊接)到量热仪300的恒温器80的表面，并且第二传导线20b的第二端部22b可连接(例如焊接)到参照池200的高导热层的表面。在示例性实施方案中，第一传导线20a的第一端部21a和第二传导线20b的第一端部21b在恒温器80上的相同位置处连接到恒温器80。在其他具体实施中，第一传导线20a的第一端部21a和第二传导线20b的第一端部21b在接触恒温器80之前聚集在一起以被包裹或换句话讲接合在一起然后连接到恒温器80。将导线20a、20b连接在恒温器80的表面上的相同位置处可允许行进通过导线20a、20b的任何热噪声被检测为相同的热噪声峰值。另选地，端部21a、21b可在沿着恒温器80的表面的不同位置处连接到恒温器80。在示例性实施方案中，传导线20a、20b可被绝缘材料包裹或以其他方式绝缘，以防止或阻碍导线20、20b的热损失。

第一传导线20a和第二传导线20b可分别在恒温器80与样品池100和参照池200之间提供足够的热传导，以允许合理的平衡时间。例如，传导线20a、20b可建立从恒温器80直接到池100、200的高导热路径，并且具体地讲附接到池主体的高导热层，而不是仅依靠从接入管到池主体的横跨包括化学惰性的低导热材料的接入管和池主体50的导热路径。通过经由高导热材料(例如，铜)的导线20a、20b在从恒温器80到池100、200的直接路径中传导热，可减少在样品池100内反应后提供必要的热量以恢复池100、200之间的平衡温度所需的时间。换句话讲，将恒温器80连接到池100、200的传导线20a、20b可避免当在具有低热导率的材料(诸如镍基合金)的长路径长度上传导热量时可能存在的时间延迟。另外，量热仪300的实施方案可利用公共源用于潜在噪声，这允许差分减除通过传导线20a、20b传输的热噪声，使得量热仪信号不受到不利影响。

因此，量热仪300的实施方案可包括一个或多个混合量热仪池，诸如一个或多个样品池100和一个或多个参照池200。混合量热仪池利用用作池主体的化学惰性材料的优点，但也通过将高导热材料联接到化学惰性材料来解决与化学惰性材料的低热导率相关的问题。此外，传导线20a、20b还解决了与化学惰性的低导热材料(诸如已经描述的合金)相关的延迟平衡时间的问题。图5示出了根据本发明的实施方案的曲线图，其示出了用于样品池100的添加的传导线20a的平衡时间的优点。线31是指金样品池构造，线32是指具有传导线20a的混合样品池100构造，并且线33是指没有将池连接到恒温器80的传导线的样品池构造，其中样品池任选地由HASTELLOY合金构造。如图5的曲线图所示，具有导线20a的混合池100的稳定基线的时间(即，期望较短的基准稳定基线时间，因为稳定基线表示平衡)与无导线的金样品池的线相比非常接近稳定基线的时间。然而，混合池100还接收化学惰性的样品池主体的优点。没有传导线20a的化学惰性池主体需要至少两倍的时间来达到与混合池100一样的稳定的基线或平衡。图6示出了根据本发明的实施方案的曲线图，其示出在样品池主体50的外部上的导热层70的优点。线34是指具有10μJ加热器脉冲的金样品池，线35，35'，35”是指具有银(例如，层70)的样品池(例如，池主体50)，该样品池附接到外部以改善具有在0.5μJ至8μJ加热器脉冲范围内的各种尺寸的加热器脉冲的热导率，并且线36是指不包括具有10μJ加热器脉冲的银的样品池，其中样品池由HASTELLOY合金构造。在图6所示的图中，更窄的峰是可取的。如在数据中可见，与没有银包裹物的池主体相比，围绕池主体50的银包裹物在峰值宽度上显著降低，并且与金样品池具有相当的峰值宽度。因此，混合量热仪池70可解决由HASTELLOY合金构成的池与其低导热性能有关的问题，同时还保持其化学惰性的优点。

图7示出了根据本发明的实施方案的可使用量热仪池100、200的量热仪300的示意图。量热仪300可使用功率补偿来测量与至/来自参照池200的热量相比，至/来自样品池100的差分热流。在其他实施方案中，量热仪300可测量相对于参照池200至/来自样品池100的差分热通量。量热仪300的实施方案可具有与量热仪300通信的三个主要子系统：注射控制子系统，温度控制子系统和功率补偿子系统。

注射控制子系统可包括注射器或其他物质递送装置，其可用于将滴定剂(诸如配体)样品的等分试样注入到包含分析物的样品池100中。注射器的针可穿过顶部空间85，聚合物块84，金属块83，加热和冷却TED 81和恒温器80，然后进入样品池100。聚合物块84可为例如PEEK块或尼龙块。金属块83可为例如铝块。恒温器80可为扩散粘结块。注射在计算机中的步进马达控制器的控制下经由电连接进行，其中计算机联接到量热仪。注射器的针的端部处的叶片或桨式搅拌器14可用于搅拌样品以确保注入的滴定剂与样品池100中的分析物充分混合。

温度控制子系统可包括加热和冷却TED 81，其可经由温度控制模块和电连接通过温度控制算法来控制。恒温器80的温度可由恒温器80内的温度传感器以及温度测量模块来测量。温度测量模块的输出可经由电连接提供作为量热仪计算机中的温度控制算法的输入，使得温度控制算法可控制恒温器80的温度。

功率补偿子系统可包括样品池100，参照池200，冷却TED 13和样品加热器，其可保持在无源热屏蔽12内。样品池100和参照池100之间的温差可通过TED传感器11测量(图1中所示)。可通过冷却TED 13来冷却样品池100或通过加热器加热样品池。来自TED传感器11的信号可经由电连接被提供给信号放大器，并且可提供放大的信号作为反馈控制算法的输入。反馈控制算法可经由电连接来控制功率补偿模块以调节至样品加热器的功率，以便将由TED传感器11测量的温差驱动至零。将温差驱动至零所需的附加功率用作相对于参照的对样品的微分热流的量度。

虽然已经结合上述具体实施方案描述了本公开，但显而易见的是，许多替代方案，修改形式和变型对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，如上文所述的本公开的优选实施方案旨在为示例性的而非限制性的。在不脱离本发明的实质和范围的情况下，可根据以下权利要求书的要求作出各种改变。权利要求书提供了本发明的覆盖范围，并且不应限于本文提供的具体示例。

Claims (13)

1.一种量热仪，包括：

样品池；

参照池；

与所述样品池和所述参照池热连通的恒温器；

第一传导线，所述第一传导线具有连接到所述恒温器的第一端部和连接到所述样品池的第二端部；和

第二传导线，所述第二传导线具有连接到所述恒温器的第一端部和连接到所述参照池的第二端部。

2.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述第一传导线的所述第一端部和所述第二传导线的所述第一端部在所述恒温器上的相同位置处各自连接到所述恒温器。

3.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述第一传导线的所述第一端部和所述第二传导线的所述第一端部在所述恒温器上的不同位置处各自连接到所述恒温器。

4.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述样品池具有化学惰性池主体和附接到所述化学惰性池主体的导热层。

5.根据权利要求4所述的量热仪，其中所述化学惰性池主体具有小于0.0625英寸的壁厚。

6.根据权利要求4所述的量热仪，其中所述第一传导线的所述第二端部附接到所述导热层，所述导热层附接到所述样品池的所述池主体。

7.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述参照池具有化学惰性池主体和附接到所述参照池的所述化学惰性池主体的导热层。

8.根据权利要求7所述的量热仪，其中所述第二传导线的所述第二端部附接到所述参照池的导热层。

9.根据权利要求1所述的量热仪，还包括：

热电(TED)传感器，所述热电传感器定位在所述样品池和所述参照池之间；

冷却TED，所述冷却TED连接到所述样品池；和

无源热屏蔽，所述无源热屏蔽包封所述样品池、所述参照池、所述TED传感器和所述冷却TED。

10.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述第一传导线和所述第二传导线各自被绝缘材料绝缘，以防止所述第一传导线和所述第二传导线的热损失。

11.一种方法，包括：

提供根据权利要求1所述的量热仪；以及

利用所述第一传导线和所述第二传导线建立从所述恒温器到所述样品池和参照池的高导热路径。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

调节至所述样品池的样品加热器的功率，以便将由定位在所述样品池和所述参照池之间的热电传感器所测量的温差驱动至零。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

通过确定由定位在所述样品池和所述参照池之间的热电传感器所测量的温差驱动至零所需的附加功率，测量相对于参照池对在所述样品池中的样品的微分热流。