CN210534037U - 一种生物样品热量测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及生物科学研究领域，一种生物样品热量测试装置，包括测试腔、微流结构、微纳加热器、注射泵I、注射泵II、电压表、电源、计算机、变阻器I和变阻器II、输液管和电缆，能够用于对微量的生物样品进行热量测试实验，装置基于差分扫描量热方法，集成了高灵敏度热敏电阻以及具有微流体腔的弹性聚合物衬底，装置的热导率低，对样品的热学特征的测量灵敏度高，能量分辨率高，特别适用于生物样品如液态蛋白质样品等的表征，装置具有高灵敏度热敏电阻及微流体结构，适用于对生物样品等进行高能量分辨率表征。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物科学研究领域，尤其是一种用于对微量的生物样品进行热量测试实验的一种生物样品热量测试装置。
背景技术
动力学过程在物质属性的变化中扮演非常关键的角色，测量外界效应对物性变化的影响能够用于分析动力学过程的本质，其中第一步便是实时并精确地探测反应，热量度量学是一种广泛用于研究动力学过程及材料的热力学属性的方法，其中，量热学方法是一种常用的动态热力学测量方法，在使待测样品温度连续线性变化的同时测量其热容变化。现有技术中采用微纳加工技术使得热量计的体积减小，通常是将芯片状的热量计制备在薄膜上，其能够测量小体积样品的纳焦耳量级的热量，其优点是需要的样品量很少，并节省测量时间，但是，芯片热量计的制造较为困难，且某些现有的芯片热量计的热导率太大，从而限制了测量灵敏度，所述一种生物样品热量测试装置能够解决问题。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型的热量测试装置基于差分扫描量热方法，集成了高灵敏度热敏电阻以及具有微流体腔的弹性聚合物衬底，热导率低，能够进行高灵敏度的测量，特别适用于生物样品如液态蛋白质样品等的表征。
本实用新型所采用的技术方案是：
所述一种生物样品热量测试装置包括测试腔、微流结构、微纳加热器、注射泵I、注射泵II、电压表、电源、计算机、变阻器I和变阻器II、输液管和电缆，xyz为三维坐标系，注射泵I、注射泵II、电压表、电源和计算机均位于测试腔的外面，电压表和电源均电缆连接计算机，微流结构与微纳加热器自上而下紧密贴合且均位于测试腔内，微流结构包括微流结构上部、参考腔、样品腔、气体隔离腔、进液口I、进液口II、出液口I、出液口II、气体缓冲部分和微流结构下部，微流结构由微流结构上部和微流结构下部自上而下紧密贴合组成，微流结构下部具有参考腔、样品腔和气体缓冲部分，微流结构上部具有进液口I、进液口II、出液口I、出液口II和两个气体隔离腔，气体隔离腔为圆柱体腔，一个气体隔离腔位于参考腔的正上方、另一个气体隔离腔位于样品腔的正上方，进液口I通过输液管连接注射泵I，进液口II通过输液管连接注射泵II，进液口I和出液口I均连通参考腔，进液口II和出液口II均连通样品腔，参考腔和样品腔均为圆柱体腔，参考腔和样品腔的中心距为7毫米，参考腔及样品腔的侧面周围均各自环绕有气体缓冲部分，气体缓冲部分是厚度为500微米的空气间隙，作用是降低参考腔及样品腔周围的热导率；微纳加热器包括绝缘层、热电偶电极、热电偶、保护层、加热器、底层、绝缘垫脚和加热器电极，底层为正方形金属片，底层的下面连接有绝缘垫脚，两个圆片状的加热器位于底层的上表面，参考腔和样品腔分别位于两个加热器的正上方，两个加热器分别连接有两个加热器电极，加热器上面覆盖有保护层，保护层上方对应两个加热器的位置处均安装有一个热电偶，每个热电偶的上方均连接有两个热电偶电极，热电偶上方覆盖有绝缘层，四个加热器电极均电缆连接电源，四个热电偶电极均电缆连接电压表，计算机能够通过电源来调节两个加热器的加热功率，两个热电偶、变阻器I、变阻器II和电压表连接成惠斯通电桥电路形式，电压表测得的惠斯通电桥电路输出的差分电压能够传输至计算机；微流结构上部和微流结构下部均由硅氧烷材料通过微加工而成；气体隔离腔的底面直径为2.4毫米、高度为100微米；进液口I、进液口II、出液口I和出液口II的直径均为0.2毫米；参考腔和样品腔均是底面直径为2毫米、高度为250微米；微纳加热器的底层的边长为12毫米、厚度为0.5毫米；两个加热器的直径均为2.2毫米，两个加热器的中心距为7毫米；加热器上面的保护层的厚度为0.1毫米，保护层由绝缘高分子材料制成；热电偶由二氧化钒热敏电阻制成。
利用所述一种生物样品热量测试装置进行实验的步骤为：
步骤一，校准两个热电偶，即测量其阻值与温度的关系；
步骤二，采用注射泵I通过进液口I向参考腔内注入1.1微升的参考溶液，参考溶液为8mM哌嗪乙硫磺酸以及15mM氯化钾的混合溶液，PH值为7.4；
步骤三，计算机通过电源来调节两个加热器的加热功率，并通过两个热电偶测温，得到温度与时间τ的关系，并采用
拟合得到时间常数τ，并由此计算出样品腔及参考腔的热传导G；
步骤四，采用注射泵II通过进液口II向样品腔内注入1.1微升的待测样品；
步骤五，计算机通过电源来调节两个加热器的加热功率，使得热电偶测得的参考腔的温度从室温上升到80摄氏度，温度变化速率为每分钟5摄氏度；
步骤六，在计算机中读取电压表测得的惠斯通电桥电路输出的差分电压，并由此得到待测样品与参考溶液的温度差ΔT以及待测样品与参考溶液的热流通量差ΔP；
步骤七，根据公式
得到待测样品的热容与温度的关系，并基于此对待测样品的热力学特性进行分析。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型装置的热导率低，对样品的热学特征的测量灵敏度高，能量分辨率高。
附图说明
下面结合本实用新型的图形进一步说明：
图1是本实用新型示意图；
图2是微流结构放大示意图；
图3是图2的A-A剖面图；
图4是微纳加热器放大示意图；
图5是图4的B-B剖面图；
图6是惠斯通电桥电路示意图。
图中，1.测试腔，2.微流结构，2-1.微流结构上部，2-2.参考腔，2-3.样品腔，2-4.气体隔离腔，2-5.进液口I，2-6.进液口II，2-7.出液口I，2-8.出液口II，2-9.气体缓冲部分，2-10.微流结构下部，3.微纳加热器，3-1.绝缘层，3-2.热电偶电极，3-3.热电偶，3-4.保护层，3-5.加热器，3-6.底层，3-7.绝缘垫脚，3-8.加热器电极，4.注射泵I，5.注射泵II，6.电压表，7.电源，8.计算机，9.变阻器I，10.变阻器II。
具体实施方式
如图1是本实用新型示意图，包括测试腔(1)、微流结构(2)、微纳加热器(3)、注射泵I(4)、注射泵II(5)、电压表(6)、电源(7)、计算机(8)、变阻器I(9)、变阻器II(10)、输液管和电缆，xyz为三维坐标系，注射泵I(4)、注射泵II(5)、电压表(6)、电源(7)和计算机(8)均位于测试腔(1)的外面，电压表(6)和电源(7)均电缆连接计算机(8)，微流结构(2)与微纳加热器(3)自上而下紧密贴合且均位于测试腔(1)内。
如图2是微流结构放大示意图，如图3是图2的A-A剖面图，微流结构(2)包括微流结构上部(2-1)、参考腔(2-2)、样品腔(2-3)、气体隔离腔(2-4)、进液口I(2-5)、进液口II(2-6)、出液口I(2-7)、出液口II(2-8)、气体缓冲部分(2-9)和微流结构下部(2-10)，微流结构(2)由微流结构上部(2-1)和微流结构下部(2-10)自上而下紧密贴合组成，微流结构下部(2-10)具有参考腔(2-2)、样品腔(2-3)和气体缓冲部分(2-9)，微流结构上部(2-1)和微流结构下部(2-10)均由硅氧烷材料通过微加工而成，微流结构上部(2-1)具有进液口I(2-5)、进液口II(2-6)、出液口I(2-7)、出液口II(2-8)和两个气体隔离腔(2-4)，进液口I(2-5)、进液口II(2-6)、出液口I(2-7)和出液口II(2-8)的直径均为0.2毫米，气体隔离腔(2-4)为圆柱体腔，气体隔离腔(2-4)的底面直径为2.4毫米、高度为100微米，一个气体隔离腔(2-4)位于参考腔(2-2)的正上方、另一个气体隔离腔(2-4)位于样品腔(2-3)的正上方，进液口I(2-5)通过输液管连接注射泵I(4)，进液口II(2-6)通过输液管连接注射泵II(5)，进液口I(2-5)和出液口I(2-7)均连通参考腔(2-2)，进液口II(2-6)和出液口II(2-8)均连通样品腔(2-3)，参考腔(2-2)和样品腔(2-3)均为圆柱体腔，参考腔(2-2)和样品腔(2-3)均是底面直径为2毫米、高度为250微米，参考腔(2-2)和样品腔(2-3)的中心距为7毫米，参考腔(2-2)及样品腔(2-3)的侧面周围均各自环绕有气体缓冲部分(2-9)，气体缓冲部分(2-9)是厚度为500微米的空气间隙，作用是降低参考腔(2-2)及样品腔(2-3)周围的热导率。
如图4是微纳加热器放大示意图，如图5是图4的B-B剖面图，微纳加热器(3)包括绝缘层(3-1)、热电偶电极(3-2)、热电偶(3-3)、保护层(3-4)、加热器(3-5)、底层(3-6)、绝缘垫脚(3-7)和加热器电极(3-8)，底层(3-6)为正方形金属片，底层(3-6)的边长为12毫米、厚度为0.5毫米，底层(3-6)的下面连接有绝缘垫脚(3-7)，两个圆片状的加热器(3-5)位于底层(3-6)的上表面，两个加热器(3-5)的直径均为2.2毫米，两个加热器(3-5)的中心距为7毫米，参考腔(2-2)和样品腔(2-3)分别位于两个加热器(3-5)的正上方，两个加热器(3-5)分别连接有两个加热器电极(3-8)，加热器(3-5)上面覆盖有保护层(3-4)，保护层(3-4)的厚度为0.1毫米，保护层(3-4)由绝缘高分子材料制成，保护层(3-4)上方对应两个加热器(3-5)的位置处均安装有一个热电偶(3-3)，热电偶(3-3)由二氧化钒热敏电阻制成，每个热电偶(3-3)的上方均连接有两个热电偶电极(3-2)，热电偶(3-3)上方覆盖有绝缘层(3-1)，四个加热器电极(3-8)均电缆连接电源(7)，四个热电偶电极(3-2)均电缆连接电压表(6)，计算机(8)能够通过电源(7)来调节两个加热器(3-5)的加热功率。
如图6是惠斯通电桥电路示意图，两个热电偶(3-3)、变阻器I(9)、变阻器II(10)和电压表(6)连接成惠斯通电桥电路形式，电压表(6)测得的惠斯通电桥电路输出的差分电压能够传输至计算机(8)。
所述一种生物样品热量测试装置包括测试腔(1)、微流结构(2)、微纳加热器(3)、注射泵I(4)、注射泵II(5)、电压表(6)、电源(7)、计算机(8)、变阻器I(9)和变阻器II(10)、输液管和电缆，xyz为三维坐标系，注射泵I(4)、注射泵II(5)、电压表(6)、电源(7)和计算机(8)均位于测试腔(1)的外面，电压表(6)和电源(7)均电缆连接计算机(8)，微流结构(2)与微纳加热器(3)自上而下紧密贴合且均位于测试腔(1)内，微流结构(2)由微流结构上部(2-1)和微流结构下部(2-10)自上而下紧密贴合组成，微流结构下部(2-10)具有参考腔(2-2)、样品腔(2-3)和气体缓冲部分(2-9)，微流结构上部(2-1)具有进液口I(2-5)、进液口II(2-6)、出液口I(2-7)、出液口II(2-8)和两个气体隔离腔(2-4)，气体隔离腔(2-4)为圆柱体腔，一个气体隔离腔(2-4)位于参考腔(2-2)的正上方、另一个气体隔离腔(2-4)位于样品腔(2-3)的正上方，进液口I(2-5)通过输液管连接注射泵I(4)，进液口II(2-6)通过输液管连接注射泵II(5)，进液口I(2-5)和出液口I(2-7)均连通参考腔(2-2)，进液口II(2-6)和出液口II(2-8)均连通样品腔(2-3)，参考腔(2-2)和样品腔(2-3)均为圆柱体腔，参考腔(2-2)和样品腔(2-3)的中心距为7毫米，参考腔(2-2)及样品腔(2-3)的侧面周围均各自环绕有气体缓冲部分(2-9)，气体缓冲部分(2-9)是厚度为500微米的空气间隙，作用是降低参考腔(2-2)及样品腔(2-3)周围的热导率；微纳加热器(3)包括绝缘层(3-1)、热电偶电极(3-2)、热电偶(3-3)、保护层(3-4)、加热器(3-5)、底层(3-6)、绝缘垫脚(3-7)和加热器电极(3-8)，底层(3-6)为正方形金属片，底层(3-6)的下面连接有绝缘垫脚(3-7)，两个圆片状的加热器(3-5)位于底层(3-6)的上表面，参考腔(2-2)和样品腔(2-3)分别位于两个加热器(3-5)的正上方，两个加热器(3-5)分别连接有两个加热器电极(3-8)，加热器(3-5)上面覆盖有保护层(3-4)，保护层(3-4)上方对应两个加热器(3-5)的位置处均安装有一个热电偶(3-3)，每个热电偶(3-3)的上方均连接有两个热电偶电极(3-2)，热电偶(3-3)上方覆盖有绝缘层(3-1)，四个加热器电极(3-8)均电缆连接电源(7)，四个热电偶电极(3-2)均电缆连接电压表(6)，计算机(8)能够通过电源(7)来调节两个加热器(3-5)的加热功率，两个热电偶(3-3)、变阻器I(9)、变阻器II(10)和电压表(6)连接成惠斯通电桥电路形式，电压表(6)测得的惠斯通电桥电路输出的差分电压能够传输至计算机(8)；微流结构上部(2-1)和微流结构下部(2-10)均由硅氧烷材料通过微加工而成；气体隔离腔(2-4)的底面直径为2.4毫米、高度为100微米；进液口I(2-5)、进液口II(2-6)、出液口I(2-7)和出液口II(2-8)的直径均为0.2毫米；参考腔(2-2)和样品腔(2-3)均是底面直径为2毫米、高度为250微米；微纳加热器(3)的底层(3-6)的边长为12毫米、厚度为0.5毫米；两个加热器(3-5)的直径均为2.2毫米，两个加热器(3-5)的中心距为7毫米；加热器(3-5)上面的保护层(3-4)的厚度为0.1毫米，保护层(3-4)由绝缘高分子材料制成；热电偶(3-3)由二氧化钒热敏电阻制成。
本装置的工作原理：待测样品位于样品腔(2-3)内，参考腔(2-2)中具有参考溶液，采用差分扫描量热方法测量待测样品与参考溶液之间的温度差，这个温度差能够通过零级近似成正比地并线性地转化为待测样品与参考溶液的热流率的差，在样品腔(2-3)内的差分热量等式能够表示为
CP是热容量，G是热传导，P是热流通量，T是温度。时间常数正比于
当时间常数远小于待测样品中的发生的热力学过程所需的时间，则能够将这个过程等效为热稳态，这样一来，待测样品与参考溶液的温度差ΔT与待测样品与参考溶液的热流通量差ΔP之间有线性关系。采用热电偶(3-3)来产生正比于温度差ΔT的电压信号ΔU，能够得到以下关系ΔU＝SΔP，其中S为热电偶(3-3)的灵敏度，因此，样品腔(2-3)及参考腔(2-2)的热传导G以及热电偶(3-3)的灵敏度S决定了本发明装置的灵敏度。待测样品与参考溶液之间的热容量差ΔC能够从以下公式得到
T/为热电偶(3-3)测得的温度变化速率。如图6电路连接示意图，参考腔(2-2)和样品腔(2-3)对应的两个热电偶(3-3)与变阻器I(9)、变阻器II(10)和电压表(6)连接成惠斯通电桥形式，以能够抑制共模电压的干扰，电压表(6)测得的惠斯通电桥电路输出的差分电压即反映了待测样品与参考溶液之间的温度差。
本实用新型装置基于差分扫描量热方法，并具有高灵敏度热敏电阻及微流体结构，热导率低，测量灵敏度高，适用于对生物样品等进行高能量分辨率表征。
Claims (9)
1.一种生物样品热量测试装置，包括测试腔(1)、微流结构(2)、微纳加热器(3)、注射泵I(4)、注射泵II(5)、电压表(6)、电源(7)、计算机(8)、变阻器I(9)和变阻器II(10)、输液管和电缆，xyz为三维坐标系，注射泵I(4)、注射泵II(5)、电压表(6)、电源(7)和计算机(8)均位于测试腔(1)的外面，电压表(6)和电源(7)均电缆连接计算机(8)，
其特征是：微流结构(2)与微纳加热器(3)自上而下紧密贴合且均位于测试腔(1)内，微流结构(2)由微流结构上部(2-1)和微流结构下部(2-10)自上而下紧密贴合组成，微流结构下部(2-10)具有参考腔(2-2)、样品腔(2-3)和气体缓冲部分(2-9)，微流结构上部(2-1)具有进液口I(2-5)、进液口II(2-6)、出液口I(2-7)、出液口II(2-8)和两个气体隔离腔(2-4)，气体隔离腔(2-4)为圆柱体腔，一个气体隔离腔(2-4)位于参考腔(2-2)的正上方、另一个气体隔离腔(2-4)位于样品腔(2-3)的正上方，进液口I(2-5)通过输液管连接注射泵I(4)，进液口II(2-6)通过输液管连接注射泵II(5)，进液口I(2-5)和出液口I(2-7)均连通参考腔(2-2)，进液口II(2-6)和出液口II(2-8)均连通样品腔(2-3)，参考腔(2-2)和样品腔(2-3)均为圆柱体腔，参考腔(2-2)和样品腔(2-3)的中心距为7毫米，参考腔(2-2)及样品腔(2-3)的侧面周围均各自环绕有气体缓冲部分(2-9)，气体缓冲部分(2-9)是厚度为500微米的空气间隙，作用是降低参考腔(2-2)及样品腔(2-3)周围的热导率；
微纳加热器(3)包括绝缘层(3-1)、热电偶电极(3-2)、热电偶(3-3)、保护层(3-4)、加热器(3-5)、底层(3-6)、绝缘垫脚(3-7)和加热器电极(3-8)，底层(3-6)为正方形金属片，底层(3-6)的下面连接有绝缘垫脚(3-7)，两个圆片状的加热器(3-5)位于底层(3-6)的上表面，参考腔(2-2)和样品腔(2-3)分别位于两个加热器(3-5)的正上方，两个加热器(3-5)分别连接有两个加热器电极(3-8)，加热器(3-5)上面覆盖有保护层(3-4)，保护层(3-4)上方对应两个加热器(3-5)的位置处均安装有一个热电偶(3-3)，每个热电偶(3-3)的上方均连接有两个热电偶电极(3-2)，热电偶(3-3)上方覆盖有绝缘层(3-1)，四个加热器电极(3-8)均电缆连接电源(7)，四个热电偶电极(3-2)均电缆连接电压表(6)，计算机(8)能够通过电源(7)来调节两个加热器(3-5)的加热功率，两个热电偶(3-3)、变阻器I(9)、变阻器II(10)和电压表(6)连接成惠斯通电桥电路形式，电压表(6)测得的惠斯通电桥电路输出的差分电压能够传输至计算机(8)。
2.根据权利要求1所述的一种生物样品热量测试装置，其特征是：微流结构上部(2-1)和微流结构下部(2-10)均由硅氧烷材料通过微加工而成。
3.根据权利要求1所述的一种生物样品热量测试装置，其特征是：气体隔离腔(2-4)的底面直径为2.4毫米、高度为100微米。
4.根据权利要求1所述的一种生物样品热量测试装置，其特征是：进液口I(2-5)、进液口II(2-6)、出液口I(2-7)和出液口II(2-8)的直径均为0.2毫米。
5.根据权利要求1所述的一种生物样品热量测试装置，其特征是：参考腔(2-2)和样品腔(2-3)均是底面直径为2毫米、高度为250微米。
6.根据权利要求1所述的一种生物样品热量测试装置，其特征是：微纳加热器(3)的底层(3-6)的边长为12毫米、厚度为0.5毫米。
7.根据权利要求1所述的一种生物样品热量测试装置，其特征是：两个加热器(3-5)的直径均为2.2毫米，两个加热器(3-5)的中心距为7毫米。
8.根据权利要求1所述的一种生物样品热量测试装置，其特征是：加热器(3-5)上面的保护层(3-4)的厚度为0.1毫米，保护层(3-4)由绝缘高分子材料制成。
9.根据权利要求1所述的一种生物样品热量测试装置，其特征是：热电偶(3-3)由二氧化钒热敏电阻制成。
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| CN201921021100.7U CN210534037U (zh) | 2019-06-24 | 2019-06-24 | 一种生物样品热量测试装置 |
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Cited By (1)
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| CN110274930A (zh) * | 2019-06-24 | 2019-09-24 | 金华职业技术学院 | 一种生物样品热量测试装置 |
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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