DE102017102026A1

DE102017102026A1 - Kalorimeter mit diffusionsverschweisstem Block

Info

Publication number: DE102017102026A1
Application number: DE102017102026.8A
Authority: DE
Inventors: David Serrell; Donald Russell
Original assignee: Waters Technologies Corp
Current assignee: Waters Technologies Corp
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2017-08-10
Also published as: GB2547113B; GB2547113A; GB201701696D0; US10481115B2; US20170227480A1

Abstract

Ein Kalorimeter mit einer Wärmesenke, das einen diffusionsverschweißten Block beinhaltet, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit lateral über den Block als durch den Block hat. Der diffusionsverschweißte Block weist mehrere Metallschichten auf, die miteinander diffusionsverschweißt sind, wobei Schichten mit verhältnismäßig höheren Wärmeleitfähigkeiten sich mit Schichten mit verhältnismäßig niedrigeren Wärmeleitfähigkeiten abwechseln. Der diffusionsverschweißte Block kann in Differential-Scanning-Kalorimetern, Differential-Scanning-Kalorimetern mit mehreren Zellen, Nano-Differential-Scanning-Kalorimetern und isothermen Titrationskalorimetern sowie anderen Kalorimetern, die einen Differenzwärmestrom zu und/oder von einer Probe in Bezug auf den Wärmestrom zu und/oder von einer Referenz messen, verwendet werden.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegenden Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf Kalorimeter, die dazu verwendet werden können, Materialien, wie Pharmazeutika, biologische Wirkstoffe, Proteine, Zellorganismen, Lebensmittelprodukte, Industriechemikalien und andere Materialien, zu charakterisieren.
Kalorimeter sind Instrumente, die dazu verwendet werden können, Veränderungen der Energie einer Probe eines Materials durch Messen des Wärmestroms zwischen der Probe und ihrer Umgebung zu messen. Zu Beispielen von Kalorimetern zählen Differential-Scanning-Kalorimeter (DSC), die dazu verwendet werden können, Wärmeströme zu messen, die mit einem Erhitzen oder Abkühlen eines Materials oder mit Wärmeübergängen in Materialien assoziiert sind, und isotherme Titrationskalorimeter (ITC), die dazu verwendet werden können, Wärme zu messen, während sie während einer Reaktion zwischen zwei Chemikalien absorbiert oder freigesetzt wird. DSC weisen im Allgemeinen mindestens eine Probenzelle und mindestens eine Referenzzelle auf. In einer typischen DSC-Messung wird die Temperatur der Probenzelle und der Referenzzelle auf kontrollierte Weise erhöht oder gesenkt, obwohl einige Versuche oder Messungen bei einer einzigen Temperatur vorgenommen werden können. In Temperaturbereichen, in denen die Probe keinen Übergang erfährt, kann die Wärmekapazität der Probe durch Messen des Differenzwärmestroms, der zum Erhitzen (oder Abkühlen) der Probe im Vergleich zu der Referenz erforderlich ist, gemessen werden. Wenn die Probe beispielsweise durch einen exothermen oder endothermen Phasenübergang erhitzt oder abgekühlt wird, kann zudem der Differenzwärmestrom zu oder von der Probe im Vergleich zu dem Wärmestrom zu oder von der Referenz dazu verwendet werden, die Enthalpie des Übergangs zu berechnen.
ITC weisen im Allgemeinen eine Probenzelle und eine Referenzzelle auf. ITC können auf dem Energiekompensationsprinzip arbeiten, bei dem der Unterschied der Energiemenge, die zum Halten der Probenzelle und der Referenzzelle auf derselben Temperatur erforderlich ist, gemessen wird. Dieser Energieunterschied ist eine Messgröße der Wärme, die während einer Messung absorbiert oder freigesetzt wird. In einer typischen ITC-Messung enthält die Probenzelle ein erstes Material. Geringe Mengen eines zweiten Materials werden graduell und sequentiell in die Probenzelle unter Verwendung von beispielsweise einer Spritze injiziert. Wenn die Moleküle des zweiten Materials mit den Molekülen des ersten Materials reagieren oder binden, wird Wärme entweder absorbiert oder freigesetzt. Die Sensoren des ITC erfassen den Temperaturunterschied zwischen der Probenzelle und einer Referenzzelle aufgrund der Bindungsreaktion und stellen eine Rückmeldung an die Heizelemente für die Probe und für die Referenz bereit. Die Heizelemente gleichen dann den Unterschied zwischen der Probenzelle und der Referenzzelle aus, wobei die Temperatur der Probenzelle der Temperatur der Referenzzelle gleich gemacht wird. Der Unterschied der Energie, die auf die Probe angewendet wird, im Vergleich zu der Energie, die auf die Referenz angewendet wird, der zum Erzielen dieses Ausgleichs erforderlich ist, kann als eine Messgröße der Wärme, die während der Messung absorbiert oder freigesetzt wird, verwendet werden.
KURZDARSTELLUNG
Die Ausführungsformen der hierin offenbarten Kalorimeter beinhalten im Allgemeinen Metallplatten oder -blöcke, die die Wärmeverbindungen zwischen der Probenzelle oder den Probenzellen, der Referenzzelle und den Temperaturerfassungs- und -steuermodulen, die dazu verwendet werden, das Kalorimeter zu betreiben, bereitstellen. Ausführungsformen von im Folgenden beschriebenen Kalorimetern weisen eine oder mehrere Metallplatten oder -blöcke auf, die, anstatt aus einem einzigen Metall maschinell hergestellt zu sein, mehrere Metallschichten aufweisen, die miteinander diffusionsverschweißt werden, um einen metallischen Block mit der einzigartigen Eigenschaft zu produzieren, eine höhere Wärmeleitfähigkeit seitlich über den Block als durch den Block zu haben, wie im Folgenden beschrieben. Die mehreren Metallschichten können beispielsweise Schichten aus einem hoch leitfähigen Metall (wie Kupfer, Silber, Gold oder Aluminium) sein, die sich mit Schichten aus einem weniger leitfähigen Metall (wie Edelstahl, Inconel, Bronze oder Titan) abwechseln. Die Verwendung eines diffusionsverschweißten Mehrschichtblocks verringert den Geräuschpegel in dem Kalorimeter, ermöglicht, dass das Kalorimeter in einer viel kürzeren Zeit ein Gleichgewicht erreicht, und verringert jegliche Abweichung zwischen den Zellen in dem Kalorimeter erheblich.
In einer Ausführungsform weist das Kalorimeter eine Probenzelle, die mit einem Probentemperatursensor thermisch gekoppelt ist, eine Referenzzelle, die mit einem Referenztemperatursensor thermisch gekoppelt ist, und eine gemeinsame Wärmesenke, die mit der Probenzelle und der Referenzzelle thermisch gekoppelt ist. Die gemeinsame Wärmesenke beinhaltet einen diffusionsverschweißten Block, der mindestens drei Schichten aufweist: eine erste Metallschicht, die eine erste Wärmeleitfähigkeit hat, eine zweite Metallschicht, die eine zweite Wärmeleitfähigkeit hat, und eine dritte Metallschicht, die eine dritte Wärmeleitfähigkeit hat. Der diffusionsverschweißte Block kann fünf, sieben oder mehr Metallschichten aufweisen. Die Wärmeleitfähigkeiten der ersten, der dritten und anderer Schichten mit ungeraden Zahlen sind höher als die Wärmeleitfähigkeiten der zweiten Metallschicht und beliebiger anderer Schichten mit geraden Zahlen.
In einer anderen Ausführungsform weist ein Kalorimetersystem mindestens eine Probenzelle und mindestens eine Referenzzelle in thermischer Kommunikation mit einem diffusionsverschweißten Block und eine Temperatursonde auf, die positioniert ist, um die Temperatur des diffusionsverschweißten Blocks zu messen. Ein Computer ist in elektrischer Kommunikation mit der Temperatursonde und mit entweder (a) einem Probentemperatursensor, der eine Probenzellentemperatur misst, und einem Referenztemperatursensor, der eine Referenzzellentemperatur misst; oder (b) einem Temperaturdifferenzsensor, der eine Temperaturdifferenz zwischen der Probenzelle und der Referenzzelle misst. Der Computer weist einen Temperatursteueralgorithmus und einen Rückmeldungssteueralgorithmus auf, die die Temperatur der Probenzelle und die Temperatur der Referenzzelle steuern; und berechnet den Differenzwärmestrom zu der Probenzelle in Bezug auf die Referenzzelle.
In noch einer anderen Ausführungsform weist ein Kalorimeter eine Probenzelle und eine Referenzzelle und einen diffusionsverschweißten Block auf, der mit der Probenzelle und der Referenzzelle thermisch gekoppelt ist. Der diffusionsverschweißte Block weist eine erste Metallschicht, die mit einer zweiten Metallschicht diffusionsverschweißt ist, eine dritte Metallschicht, die mit der zweiten Metallschicht und einer vierten Metallschicht diffusionsverschweißt ist, und eine fünfte Metallschicht auf, die mit der vierten Metallschicht diffusionsverschweißt ist. Die erste Metallschicht, die dritte Metallschicht und die fünfte Metallschicht sind dadurch gekennzeichnet, dass sie verhältnismäßig höhere Wärmeleitfähigkeiten haben, und die zweite Metallschicht und die vierte Metallschicht sind dadurch gekennzeichnet, dass sie verhältnismäßig niedrigere Wärmeleitfähigkeiten haben. Die erste Metallschicht bindet eine Temperatursonde zum Messen der Temperatur des diffusionsverschweißten Blocks ein. Andere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Ausführungsformen werden einem Durchschnittsfachmann bei Prüfung der folgenden Figuren und der folgenden ausführlichen Beschreibung offensichtlich sein oder werden. Es ist beabsichtigt, dass alle derartigen zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile in diese Beschreibung und diese Zusammenfassung eingebunden sind, im Schutzumfang der Ausführungsformen liegen und durch die folgenden Ansprüche geschützt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Ausführungsformen können unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und die folgende Beschreibung verstanden werden. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabgetreu, da der Schwerpunkt stattdessen auf das Veranschaulichen der Prinzipien der Ausführungsformen gelegt wurde. Obwohl die Zeichnungen in dieser Patentspezifikation zum Zwecke des schematischen Beschreibens von Ausführungsformen des diffusionsverschweißten Blocks dargelegt werden, sollten die in den Figuren gezeigten Abmessungen spezifisch nicht so verstanden werden und sind nicht dazu ausgelegt, die tatsächlichen Abmessungen oder relativen Größenverhältnisse der verschiedenen Komponenten des diffusionsverschweißten Blocks zu vermitteln. Schließlich kennzeichnen in den Figuren gleiche Bezugsziffern entsprechende Teile überall in den unterschiedlichen Ansichten.
1A ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Differential-Scanning-Kalorimeters mit mehreren Zellen.
1B ist ein schematisches Diagramm, das eine Draufsicht der Zellenkammer des in 1A gezeigten DSC mit mehreren Zellen.
2 ist ein schematisches Diagramm eines diffusionsverschweißten Blocks mit fünf Schichten.
3 ist eine auseinandergezogene Ansicht des diffusionsverschweißten Blocks mit fünf Schichten von 2.
4 ist ein schematisches Diagramm einer Aufrissansicht des diffusionsverschweißten Blocks mit fünf Schichten von 2.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer diffusionsverschweißten Blockanordnung.
6 ist eine Draufsicht der diffusionsverschweißten Blockanordnung von 5.
7 ist eine Untersicht der diffusionsverschweißten Blockanordnung von 5.
8 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung, die dazu verwendet werden kann, den diffusionsverschweißten Block von 2 herzustellen.
9 ist ein schematisches Diagramm, das einen Wärmestrom in einem massiven Kupferblock darstellt.
10 ist ein schematisches Diagramm, das einen Wärmestrom in einem diffusionsverschweißtem Block darstellt.
11 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Hauptuntersysteme einer Ausführungsform eines DSC-Systems mit mehreren Zellen zeigt.
12 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Hauptuntersysteme einer Ausführungsform eines Nano-DSC-Systems zeigt.
13 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Hauptuntersysteme einer Ausführungsform eines isothermen Titrationskalorimeters zeigt.
14 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Differential-Scanning-Kalorimetersystems mit mehreren Zellen.
15 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Nano-Differential-Scanning-Kalorimetersystems.
16 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines isothermen Titrationskalorimetersystems.
17 ist ein Vergleich der Leistung eines DSC mit mehreren Zellen, das mit einem diffusionsverschweißten Block mit mehreren Schichten ausgestattet ist, mit der Leistung des DSC mit mehreren Zellen, das mit einem herkömmlichen Block ausgestattet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Offenbarung von Ausführungsformen von Kalorimetern mit diffusionsverschweißten Blöcken hierin sollte nicht auf die hierin beschriebenen bestimmten Ausführungsformen beschränkt sein. Stattdessen kann die Offenbarung auf ein beliebiges Kalorimeter angewendet werden, das einen oder mehrere diffusionsverschweißte Blöcke sowie andere hierin beschriebene und in den Ansprüchen dargelegte Merkmale umfasst.
Kalorimeter, einschließlich DSC, ITC und andere Kalorimeter, beinhalten im Allgemeinen Metallplatten oder -blöcke, die die Wärmeverbindungen zwischen der Probenzelle oder den Probenzellen, der Referenzzelle und den Temperaturerfassungs- und -steuermodulen, die dazu verwendet werden, das Kalorimeter zu betreiben, bereitstellen. Ausführungsformen von im Folgenden beschriebenen Kalorimetern weisen eine oder mehrere Metallplatten oder -blöcke auf, die, anstatt aus einem einzigen Metall maschinell hergestellt zu sein, mehrere Metallschichten aufweisen, die miteinander diffusionsverschweißt werden, um einen metallischen Block mit der einzigartigen Eigenschaft zu produzieren, eine höhere Wärmeleitfähigkeit seitlich über den Block als durch den Block zu haben, wie im Folgenden beschrieben. Die mehreren Metallschichten können beispielsweise Schichten aus einem hoch leitfähigen Metall (wie Kupfer, Silber, Gold oder Aluminium) aufweisen, die sich mit Schichten aus einem weniger leitfähigen Metall (wie Edelstahl, Inconel, Bronze oder Titan) abwechseln.
Ausführungsformen des diffusionsverschweißten Blocks können beispielsweise eine erste Schicht aus Kupfer, eine zweite Schicht aus Edelstahl, eine dritte Schicht aus Kupfer, eine vierte Schicht aus Edelstahl und eine fünfte Schicht aus Kupfer aufweisen. Andere Ausführungsformen können beispielsweise drei Schichten aus Kupfer, Edelstahl und Kupfer; sieben Schichten aus Kupfer, Edelstahl, Kupfer, Edelstahl, Kupfer, Stahl und Kupfer oder neun Schichten aus Kupfer, Edelstahl, Kupfer, Edelstahl, Kupfer, Edelstahl, Kupfer, Stahl und Kupfer aufweisen. Noch andere Ausführungsformen können beispielsweise sequentielle Schichten aus beispielsweise Silber, Edelstahl, Silber, Edelstahl und Silber oder Kupfer, Edelstahl, Silber, Edelstahl und Kupfer aufweisen. Noch andere Ausführungsformen können Aluminium- oder Goldschichten anstelle von Kupferschichten oder Inconel-, Bronze- oder Titanschichten anstelle der Edelstahlschichten verwenden. In einigen Ausführungsformen ist die Wärmeleitfähigkeit der Schichten mit höherer Leitfähigkeit (z. B. die erste Schicht, die dritte Schicht und die fünfte Schicht) um mindestens das Fünffache höher als die Wärmeleitfähigkeit der Schichten mit niedrigerer Leitfähigkeit (z. B. die zweite Schicht und die vierte Schicht).
1A ist ein schematisches Diagramm eines Querschnitts einer Ausführungsform eines Differential-Scanning-Kalorimeters mit mehreren Zellen (MCDSC) 100, das ein, zwei oder drei diffusionsverschweißte Blöcke dazu verwenden kann, die Wärmeverbindungen zwischen den Proben- und den Referenzzellen und den Temperaturerfassungs- und -steuerelementen des Kalorimeters bereitzustellen. In dieser Ausführungsform ist das MCDSC ein Wärmefluss-DSC, obgleich es in anderen Ausführungsformen ein Energiekompensations-DSC sein kann.
Wie im Querschnitt von 1A und in der Draufsicht der in 1B gezeigten Zellenkammer 119 gezeigt, weist das MCDSC 100 eine Referenzzelle 102 und drei Probenzellen 104 auf, die symmetrisch um die Mitte einer adiabatischen Abschirmung 111, die in einem Heizmantel 108 montiert ist, herum montiert sind. Eine Abdeckung (nicht gezeigt) kann über eine Dichtung 117 passen, um die Kammer 119 zu verschließen. Diese Komponenten sind in einem Gehäuse 109 umschlossen, das ermöglicht, dass die Atmosphäre in dem MCDSC gesteuert wird, beispielsweise durch Einbringen von trockenem Stickstoff in das Gehäuse. Die Referenzzelle und die Probenzellen sind in 1B gezeigt, die eine Draufsicht der Kammer 119 ist, die die drei Probenzellen 104 und die Referenzzelle 102 enthält. Die Referenzzelle und jede der Probenzellen sind jeweils auf einem thermoelektrischen Gerät (TED) 110 (das auch als ein Peltiermodul bezeichnet werden kann) montiert, das als ein Temperatursensor fungiert. Somit gibt es vier TED oder Peltiermodule, ein unter der Referenzzelle montiertes und jeweils ein unter jeder der drei Probenzellen montiertes. Diese TED sind wiederum auf einer gemeinsamen Wärmesenke montiert. Die Temperatur diese Wärmesenke wird unter Verwendung von beispielsweise einem Platinwiderstandstemperaturmessfühler (RTD) 118 überwacht.
Die beispielhafte Ausführungsform eines schematisch in 1A gezeigten MCDSC kann unter Verwendung von kontinuierlichem Temperatur-Scannen, Stufen-Scannen oder isotherm betrieben werden, um Phasenübergänge, Stoffwechselaktivität in Zellorganismen oder thermische Ereignisse in Flüssigkeiten oder Feststoffen während des Vermengens zu identifizieren.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Wärmesenke ein diffusionsverschweißter Block 200 (der im Folgenden unter Bezugnahme auf die 2–5 beschrieben wird). Der diffusionsverschweißte Block 200 ist auf einem Scanning-TED 112 montiert, das dazu verwendet werden kann, die Temperatur des Kalorimeters durch einen Temperaturbereich zu scannen.
Das Scanning-TED 112 ist auf einem zweiten Block 220 montiert. Die Temperatur des Blocks 220 kann von einer Temperaturerfassungssonde 118 überwacht werden, die beispielsweise ein RTD sein kann. In einigen Ausführungsformen kann der Block 220 ein diffusionsverschweißter Block sein. In anderen Ausführungsformen kann der Block 220 beispielsweise ein massiver Kupfer-, Silber-, Gold- oder Aluminiumblock sein. Der Block 20 ist auf Folge-TED 114 montiert, die auf einem dritten Block 230 montiert sind. Der Block 230 kann ein diffusionsverschweißter Block sein. In anderen Ausführungsformen kann der Block 230 beispielsweise ein massiver Kupfer-, Silber-, Gold- oder Aluminiumblock sein oder kann ein anderer leitfähiger Block sein. Der Block 230 kann auf einem zusätzlichen Satz von Folge-TED 116 montiert sein, die über einem Wasserbad 240 montiert sind. Alternativ dazu kann der Block 230 direkt auf das Wasserbad 240 montiert sein. Die Folge-TED 116 können dazu verwendet werden, die Referenzzelle und die Scan-Zellen auf eine Temperatur unter der Temperatur des Wasserbads, beispielsweise eine Temperatur 30 °C unter der Temperatur des Wasserbads, abzukühlen, oder können auch dazu verwendet werden, die Referenz- und die Probenzellen auf eine Temperatur über der Temperatur des Wasserbads zu erhitzen. Um die Temperatur des MCDSC weiter zu erhöhen, kann der Heizmantel 108 dazu verwendet werden, die Temperatur der Referenzzelle und der Probenzellen auf eine erhöhte Temperatur, wie 200 °C, zu erhöhen.
Der diffusionsverschweißte Block 200 beinhaltet eine Temperaturerfassungssonde 118, wie im Folgenden in den 6 und 7 gezeigt. Die Temperaturerfassungssonde 118 erstreckt sich vom Umfang des diffusionsverschweißten Blocks 200 zur Mitte des diffusionsverschweißten Blocks 200. Die Temperaturerfassungssonde 118 kann beispielsweise ein Widerstandstemperaturmessfühler (RTD), wie ein Platin-RTD, sein. Der Block 220 beinhaltet außerdem eine Temperaturerfassungssonde 118, die ebenfalls ein Platin-RTD sein kann.
Im Betrieb werden eine, zwei oder drei Probenzellen und eine Referenzzelle in dem MCDSC platziert, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 1A beschrieben. Ein Temperaturbereich kann für einen Versuch oder eine Messung ausgewählt werden. Falls erforderlich, kann das MCDSC auf eine Temperatur unter diesem Temperaturbereich unter Verwendung der Folge-TED 114 und/oder unter Verwendung des Heizmantels 108 gebracht werden. Die Temperatur der Proben- und der Referenzzellen wird dann durch den ausgewählten Temperaturbereich durch das Scanning-TED 112 gescannt. Die Erfassungs-TED 110 werden dazu verwendet, den Differenzwärmestrom zwischen den Probenzellen oder von jeder der Probezellen in Bezug auf die Referenzzelle zu berechnen.
Die 2–4 stellen den diffusionsverschweißten Block 200 dar. In dieser Ausführungsform weist der diffusionsverschweißte Block 200 fünf Metallschichten auf: eine erste Kupferschicht 201, eine erste Edelstahlschicht 202, eine zweite Kupferschicht 203, eine zweite Edelstahlschicht 204 und eine dritte Kupferschicht 205. Die Schicht 201 hat eine ausreichende Dicke, um eine rohrförmige Öffnung 206 (in die eine Temperaturerfassungssonde, wie die Sonde 118, eingeführt werden kann) einzubinden. Die Schicht 201 kann beispielsweise im Bereich einer Dicke von ungefähr 0,150–0,200 Zoll, wie ungefähr 0,187 Zoll dick, liegen. Die Edelstahlschichten 202 und 204 können beispielsweise ungefähr 0,025 bis 0,050 Zoll dick, wie ungefähr 0,036 Zoll dick, sein. Die Kupferschichten 203 und 205 können beispielsweise ungefähr 0,050 bis 0,080 Zoll dick, wie ungefähr 0,062 Zoll dick, sein.
Löcher 207 in dem diffusionsverschweißten Block 200 können beispielsweise dazu verwendet werden, den Stapel aus Kupferschicht 201, Edelstahlschicht 202, Kupferschicht 203, Edelstahlschicht 204 und Kupferschicht 205 zusammen zu halten, bevor diese Schichten diffusionsverschweißt werden, um den diffusionsverschweißten Block 200 zu bilden. Aussparungen 208 halten den Diffusionsblock 200 in der adiabatischen Abschirmung 111.
3 ist eine auseinandergezogene Ansicht des diffusionsverschweißten Blocks 200, die jeweils die Kupferschicht 201, die Edelstahlschicht 202, die Kupferschicht 203, die Edelstahlschicht 204 und die Kupferschicht 205 vor dem Diffusionsschweißen zeigt. 4 ist eine Aufrissansicht des diffusionsverschweißten Blocks 200, die jeweils die Schichten 201, 202, 203, 204 und 205 zeigt und außerdem die rohrförmige Öffnung 206 zeigt. 5 ist eine perspektivische Ansicht des diffusionsverschweißten Blocks 200 mit einer Aussparung 115, die bemessen ist, um ein Scanning-TED 112 in seiner Unterseite aufzunehmen. 6 und 7 sind eine schematische Drauf- bzw. Untersicht des diffusionsverschweißten Blocks 200, die die Aussparung 115 im Boden des diffusionsverschweißten Blocks 200 zeigen. Die 5–7 zeigen außerdem die rohrförmige Öffnung 206, die bemessen ist, um eine Temperatursonde 118, wie einen RTD (in 1 gezeigt), ein Thermoelement oder einen anderen Temperatursensor aufzunehmen.
8 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung, die dazu verwendet werden kann, einen beispielhaften diffusionsverschweißten Block herzustellen. In diesem Beispiel ist die erste Metallschicht 301, die verschweißt wird, eine Kupferschicht; die zweite Metallschicht ist eine Edelstahlschicht 302; die dritte Metallschicht ist eine Kupferschicht 303; die vierte Metallschicht ist eine Edelstahlschicht 304 und die fünfte Metallschicht ist eine Kupferschicht 305. In diesem Beispiel ist die Edelstahlschicht eine Edelstahlschicht (wie 316 Edelstahl), die Chrom, Nickel und Molybdän enthält. Diese fünf Metallschichten werden zwischen zwei verhältnismäßig dicken Edelstahlplatten 313 und 314 gehalten. In einer beispielhaften Implementierung können die Edelstahlplatten beispielsweise jeweils 0,5 Zoll dick sein, wohingegen die erste Metallschicht 0,187 Zoll dick sein, die zweite und die vierte Metallschicht 0,036 Zoll dick sein können und die dritte und die fünfte Metallschicht 0,062 Zoll dick sein können. Andere Abmessungen können ebenfalls verwendet werden, so lange wie die Gesamtstruktur eine ausreichende Stabilität in ihrem vorgesehenen Bereich von Temperaturen hat. Die Anordnung wird beispielsweise durch vier 1/2-Zoll-Mo-Bolzen 315 miteinander verstiftet.
Eine dünne Schicht aus Härteschutzmittel 311 für keramisches Löten wird auf die Seite der Edelstahlplatte 313, die in Kontakt mit der Kupferschicht 305 ist, aufgebracht und eine dünne Schicht aus Härteschutzmittel 312 für keramisches Löten wird auf die Seite der Edelstahlplatte 314, die in Kontakt mit der Kupferschicht 301 ist, aufgebracht.
Ein Diffusionsschweißen der Schichten wird durch Platzieren der Vorrichtung in einem Ofen unter einem Vakuum bei einer erhöhten Temperatur für einen längeren Zeitraum erzielt. Die Vorrichtung kann beispielsweise in einem Vakuum von 10^–5 Torr oder besser platziert werden. Die Vorrichtung kann beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich von 650 °C bis 800 °C für einen Zeitraum von 2 bis 10 Stunden gehalten werden. Ein typischer Vorgang könnte beispielsweise das Halten der Vorrichtung bei einer Temperatur von 700 °C für einen Zeitraum von vier Stunden sein. Höhere Temperaturen würden kürzere Zeiträume bei den erhöhten Temperaturen erfordern und niedrigere Temperaturen würden längere Zeiträume bei den erhöhten Temperaturen erfordern. Da der Ausdehnungskoeffizient der Molybdänbolzen 315 wesentlich niedriger als der Ausdehnungskoeffizient der Edelstahlplatten 313 und 314 ist, werden die Kupfer- und Edelstahlschichten unter einer erhöhten Spannung zusammengehalten, da die Temperatur der Vorrichtung von Raumtemperatur auf die Diffusionsschweißtemperatur angehoben wird. Während der Wärmebehandlung diffundiert Kupfer in die Edelstahlschichten und Eisen, Chrom, Nickel und möglicherweise andere Bestandteile der Edelstahlschichten diffundieren in die Kupferschichten, wodurch die Schichten 301, 302, 303, 304 und 305 miteinander diffusionsverschweißt werden. Die Härteschutzmittelschichten 311 und 312 für keramisches Löten verhindern jegliches Diffusionsschweißen zwischen der Edelstahlplatte 313 und der Kupferschicht 305 oder zwischen der Edelstahlplatte 314 und der Kupferschicht 301.
Um die Diffusion zwischen den Kupferschichten und den Edelstahlschichten zu maximieren und jeglichen Grenzflächenwiderstand gegenüber Wärmestrom über eine Kupfer/Edelstahl-Grenze zu minimieren, kann das Oberflächenfinish der zugewandten Oberflächen der Kupferschichten und der Edelstahlschichten so maschinell bearbeitet werden, dass sie so glatt wie möglich sind. „Zugewandte Flächen“ steht in diesem Kontext für die Oberflächen der Kupferschicht, den Edelstahlschichten zugewandt und in Kontakt mit diesen sind, und die Oberflächen der Edelstahlschichten, die den Kupferschichten zugewandt und in Kontakt mit diesen sind.
Das Oberflächenfinish der Oberflächen der Schichten, die diffusionsverschweißt werden sollen, können beispielsweise vor dem Platzieren dieser in der diffusionsverschweißten Vorrichtung maschinell bearbeitet werden, so dass sie eine Oberflächenrauheit von 4–8 Mikrozoll oder weniger aufweisen. Um Diskrepanzen zwischen dem Wärmestrom zu oder von den unterschiedlichen Zellen zu minimieren, kann darüber hinaus die obere Oberfläche der oberen Schicht des diffusionsverschweißten Blocks parallel zu der unteren Oberfläche des diffusionsverschweißten Blocks bis auf innerhalb von 0,002 Zoll oder weniger sein. Die Oberflächenrauheit der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des diffusionsverschweißten Blocks kann 0,032 Zoll oder weniger betragen.
9 stellt den Wärmestrom in einem massiven Kupferblock dar und 10 stellt einen Wärmestrom in einem diffusionsverschweißtem Block dar. In dem massiven Kupferblock 400, der in 9 dargestellt ist, kann Wärme in dem massiven Kupferblock so frei in einer beliebigen Richtung wie in einer beliebigen anderen Richtung strömen. Wärme wird beispielsweise so frei in der vertikalen Richtung (wie durch die Pfeile 401 angezeigt) wie in der lateralen Richtung (wie durch die Pfeile 402 angezeigt) strömen. Wärme kann auch in dem Kupferblock in einer beliebigen anderen Richtung frei strömen.
Andererseits strömt Wärme in dem Beispiel eines diffusionsverschweißten Blocks 500, der in 10 gezeigt ist, sehr viel leichter lateral in der Kupferschicht 501, der Kupferschicht 503 und der Kupferschicht 505, als sie in der Edelstahlschicht 502 oder der Edelstahlschicht 504 oder über die Grenze 511 zwischen der Kupferschicht 501 und der Edelstahlschicht 502, der Grenze 512 zwischen der Edelstahlschicht 502 und der Kupferschicht 503, der Grenze 513 zwischen der Kupferschicht 503 und der Edelstahlschicht 504 oder der Grenze 514 zwischen der Edelstahlschicht 504 und der Kupferschicht 505 strömt. Der stärkere Strom lateral in den Kupferschichten ist in 10 durch die relative Größe der Pfeile 521 in der Kupferschicht 501 und der Pfeile 523 in der Kupferschicht 503 und in der Kupferschicht 505 im Vergleich zu den vertikalen Pfeilen 522 in dem diffusionsverschweißten Block 500 dargestellt.
Da der Wärmestrom in der vertikalen Richtung gehemmt ist, dient die Struktur eines diffusionsverschweißten Blocks, wie in dem Beispiel von 10 gezeigt, dazu, thermisches Rauschen, das von Außenquellen erzeugt wird, daran zu hindern, das thermische Signal, das von dem Differential-Kalorimeter erzeugt wird, zu erreichen und sich mit diesem zu vermischen. Dies tritt zum Teil auf, weil thermisches Rauschen, das von Quellen erzeugt wird, die extern zu dem Kalorimeter sind, eine höhere Frequenz als das tatsächliche Differential-Kalorimeter-Signal, das erkannt wird, aufweisen kann. Dieses thermische Rauschen kann beispielsweise in den diffusionsverschweißten Block von der Oberseite, dem Boden oder der Seite des diffusionsverschweißten Blocks gelangen. In diesen Fällen kann der diffusionsverschweißte Block als ein Tiefpassfilter fungieren, das den Strom von Wärme von höherfrequenten Quellen hemmt und somit das Rauschen in dem thermischen Signal an den Detektoren verringert.
Wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 17 beschrieben, verbessert die Verwendung des diffusionsverschweißten Blocks die Kalorimeterleistung durch Verringern des Rauschpegels, durch Ermöglichen, dass das Kalorimeter ein Gleichgewicht viel früher erreicht, und durch Verringern der Temperaturabweichung zwischen Zellen.
Diffusionsverschweißte Blöcke können in einer großen Auswahl von Kalorimetern oder anderen Instrumenten, in denen Wärmestromsignale gemessen werden können, verwendet werden. Diffusionsverschweißte Blöcke können beispielsweise in einem DSC-System mit mehreren Zellen, einem Nano-DSC-System und einem isothermen Kalorimetersystem verwendet werden. 11, 12 und 13 sind schematische Blockdiagramme eines beispielhaften DSC-Systems mit mehreren Zellen, eines beispielhaften Nano-DSC-Systems bzw. eines beispielhaften isothermen Titrationskalorimetersystems, die mit ihren Steuer- und Erfassungskomponenten gezeigt sind. Somit ist 11 ein Blockdiagramm eines DSC-Systems 600 mit mehreren Zellen, das zwei Hauptuntersysteme, ein Wärmeflussuntersystem 641 und ein Temperatursteueruntersystem 642, in Kommunikation mit einem DSC 601 mit mehreren Zellen aufweist. 12 ist ein Blockdiagramm eines Nano-DSC-Systems 700, das drei Hauptuntersysteme, ein Drucksteueruntersystem 741, ein Temperatursteueruntersystem 742 und ein Energiekompensationsuntersystem 743, in Kommunikation mit einem Nano-DSC 701 aufweist. 13 ist ein Blockdiagramm eines isothermen Titrationskalorimetersystems 800, das drei Untersysteme, ein Injektionssteueruntersystem 841, ein Temperatursteueruntersystem 842 und ein Energiekompensationsuntersystem 843, in Kommunikation mit einem isothermen Titrationskalorimeter 801 aufweist. Diese drei Kalorimetersysteme sind im Folgenden unter Bezugnahme auf die 14–16 ausführlicher beschrieben.
Das MCDSC-Kalorimetersystem, das in 14 gezeigt ist, beinhaltet ein MCDSC 601, wie das schematisch in 1A gezeigte MCDSC, das eine Referenzzelle 102, eine Probenzelle 104, einen Heizmantel 108, einen diffusionsverschweißten Block 200, einen Block 220, einen Block 230 und ein Wasserbad 240 zeigt, alle in der Umfassung 109. 14 zeigt außerdem Folge-TED 114 und 116, und TED 110, die alle oben unter Bezugnahme auf 1A beschrieben sind. Die Temperatur des diffusionsverschweißten Blocks 200 und/oder des Blocks 220 kann unter Verwendung von Temperatursonden 118, wie beispielsweise RTD, oder unter Verwendung von Thermoelementen oder anderen Temperatursensoren gemessen werden.
In der in FIG. gezeigten Ausführungsform eines MCDSC-Systems weist das MCDSC-System 600 ein Wärmeflussuntersystem 641 und ein Temperatursteueruntersystem 642 auf, wie oben unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. In dieser Ausführungsform kann ein Computer 651 dazu verwendet werden, das MCDSC 601 zu steuern, Daten von seinen Temperatursensoren zu sammeln und die Differenzwärmeströme zu den Proben in Bezug auf die Referenz zu berechnen. In dem Temperatursteueruntersystem 642 steuert der Computer 651 das MCDSC 601 unter Verwendung eines Temperatursteueralgorithmus 602, eines Rückmeldungssteueralgorithmus 603, einer Temperatursteuerung 605 und einer Temperatursteuerung 606 mittels einer elektrischen Verbindung 627, einer elektrischen Verbindung 626, einer elektrischen Verbindung 624 und einer elektrischen Verbindung 621. Die Temperaturen der Probenzelle(n) und der Referenzzelle werden von den TED 110 überwacht und einem Signalverstärker 604 mittels elektrischer Verbindungen 629, 631 und 632 bereitgestellt. Das verstärkte Signal von dem Signalverstärker 604 wird dem Rückmeldungssteueralgorithmus 603 mittels einer elektrischen Verbindung 628 bereitgestellt. In dem Wärmeflussuntersystem 641 sammelt der Computer 651 die Temperaturdaten, die von den Temperatursensoren 118 mittels einer elektrischen Verbindung 625, einer elektrischen Verbindung 623 und einer elektrischen Verbindung 622 empfangen werden. Der Computer 651 berechnet dann den Differenzwärmestrom zu oder von jeder Probenzelle in Bezug auf die Referenz auf der Basis des Signals, das von jedem der TED 110 empfangen wird, wie durch den Signalverstärker 604 verstärkt.
Das in 14 gezeigte MCDSC-System kann beispielsweise dazu verwendet werden, die Rate einer endothermen oder exothermen Reaktion durch kontinuierliches Scannen der Temperatur der Proben und der Referenz über den Temperaturbereich von Interesse und Messen des Wärmestroms zu und/oder von den Probenzellen in Bezug auf die Referenzzelle zu messen. Reaktionsraten können durch Messen des Wärmestroms bei einer konstanten Temperatur und Beobachten der abnehmenden Rate der Reaktion bis zum Abschluss isotherm gemessen werden. Die Lagerungsbeständigkeit von bestimmten Materialien kann durch schrittweises Scannen der Probenzellen und der Referenzzellen in einer Reihe von isothermen Schritten bestimmt werden, um die stabile Wärmerate bei jeder der isothermen Temperaturen zu messen und somit die Aktivierungsenergien und die Temperaturen für Übergänge oder Reaktionen in diesen Materialien zu bestimmen.
15 ist ein schematisches Diagramm eines Nano-DSC-Systems 700. In dieser Ausführungsform verwendet das Nano-DSC-System 700 Energiekompensation, um den Differenzwärmestrom zu/von einer Probenzelle 714 im Vergleich zu dem Wärmestrom zu/von einer Referenzzelle 713 zu messen. In anderen Ausführungsformen kann das Nano-DSC ein Wärmefluss-DSC sein. Wie oben unter Bezugnahme auf 12 beschrieben, weist das Nano-DSC-System in dieser Leistungskompensationsausführungsform drei Hauptuntersysteme in Kommunikation mit einem Nano-DSC 701 auf: ein Drucksteueruntersystem 741, ein Temperatursteueruntersystem 742 und ein Leistungskompensationsuntersystem 743.
Wie in 15 gezeigt, übt das Drucksteueruntersystem 741 (in 12 identifiziert) Druck auf einen Leerraum 702 unmittelbar über einem Probenzugangsrohr 705 und einem Referenzzugangsrohr 706 unter Verwendung eines Kolbens 707 aus. Der Kolben 707 wird von einem Schrittmotor (nicht gezeigt) unter der Steuerung des Drucksteueralgorithmus 752 mittels einer elektrischen Verbindung 771 angetrieben. Diese Komponenten werden von einem Metallblock 703, der beispielsweise ein Hastelloy^TM-Block sein könnte, und einer oberen Platte 708 an Ort und Stelle gehalten. Der Druck im Leerraum 702 wird von einem Druckwandler 704 gemessen und an den Drucksteueralgorithmus 752 mittels einer elektrischen Verbindung 772 übertragen. Durch den Kolben 707 auf den Leerraum 702 ausgeübter Druck steuert den Druck in dem Probenzugangsrohr 705 und dem Referenzzugangsrohr 706 und somit den Druck, der auf die Probenzelle 714 und die Referenzzelle 713 ausgeübt wird.
Das Temperatursteueruntersystem 742 misst und steuert die Temperatur eines diffusionsverschweißten Blocks 710 unter Verwendung eines Temperatursteuermoduls 755 und eines Temperaturmessmoduls 756 mittels einer elektrischen Verbindung 773 bzw. 774. In der Regel wird die Temperatur des diffusionsverschweißten Blocks 710 von einem Temperatursensor, wie einem RTD-Temperatursensor 717, der in 15 gezeigt ist, gemessen. Andere Temperatursensoren können jedoch anstelle eines RTD-Sensors verwendet werden. Die Temperatur des diffusionsverschweißten Blocks 710 kann durch ein Heiz- und Kühl-TED 709 unter der Steuerung des Temperatursteuermoduls 755 gesteuert werden. Das TED ist zwischen der oberen Platte 708 und dem diffusionsverschweißten Block 710 positioniert. Das Temperaturmessmodul 756 misst die augenblickliche Temperatur des diffusionsverschweißten Blocks 710 und stellt diese Temperatur dem Temperatursteueralgorithmus 753 bereit. Das Computersystem treibt dann die tatsächliche Temperatur auf die gewünschte Temperatur unter Verwendung von beispielsweise einer PID-Rückmeldeschleife, um die Ausgangsspannung zu bestimmen, die dazu verwendet werden kann, das TED 709 anzutreiben. Eine passive thermische Abschirmung 716, die mit dem diffusionsverschweißten Block 710 thermisch verbunden ist, umgibt die Probenzelle 714 und die Referenzzelle 713, wodurch sie diese von etwaigen Temperaturschwankungen isoliert.
Das Energiekompensationsuntersystem 743 beinhaltet die Probenzelle 714 und die Referenzzelle 714, ein Probenenergiekompensationsheizgerät 712 und ein Referenzenergiekompensationsheizgerät 711 und ein TED 115, das dazu verwendet werden kann, die augenblickliche Temperaturdifferenz zwischen der Probenzelle 714 und der Referenzzelle 713 zu messen. Das Signal von dem TED 715 wird einem Signalverstärker 762 mittels einer elektrischen Verbindung 777 bereitgestellt und dann wird das verstärkte Signal dem Rückmeldungssteueralgorithmus 754 in dem Computer 751 als die Eingabe bereitgestellt, wie in 15 gezeigt. Der Computer 751, der Rückmeldungssteueralgorithmus 754 und das Energiekompensationsmodul 761 treiben dann die Temperaturdifferenz zwischen der Probenzelle 714 und der Referenzzelle 713 auf null, indem sie die Energie justieren, die dem Probenheizgerät 712 und dem Referenzheizgerät 711 mittels einer elektrischen Verbindung 775 und einer elektrischen Verbindung 776 bereitgestellt wird. Die Summe der auf das Probenheizgerät 712 und das Referenzheizgerät 711 ausgeübten Energie wird konstant gehalten.
Das in FIG. gezeigte Nano-DSC-System kann beispielsweise dazu verwendet werden, die spezifische Bindung eines Liganden (wie eines Wirkstoffs an einer Rezeptorbindungsstelle) zu charakterisieren oder eine unspezifische Bindung (wie Detergenzien, die an hydrophobe Stellen auf einer Proteinoberfläche) zu charakterisieren. Es ist zum Charakterisieren sehr enger oder langsamer Bindungsinteraktionen besonders von Nutzen.
16 ist ein schematisches Diagramm eines ITC-Systems 800. In dieser Ausführungsform verwendet das ITC-System 800 Energiekompensation, um den Differenzwärmestrom zu/von einer Probenzelle 811 im Vergleich zu dem Wärmestrom zu/von einer Referenzzelle 809 in einem ITC 801 zu messen. In anderen Ausführungsformen kann das ITC-System den Differenzwärmefluss zu/von der Probenzelle in Bezug auf die Referenzzelle messen. Wie oben unter Bezugnahme auf 13 beschrieben, weist das ITC-System in dieser Leistungskompensationsausführungsform drei Hauptuntersysteme in Kommunikation mit dem ITC 801 auf: ein Injektionssteueruntersystem 841, ein Temperatursteueruntersystem 842 und ein Leistungskompensationsuntersystem 843, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 16 beschrieben.
Das Injektionssteueruntersystem 841 beinhaltet eine Spritze 814, die dazu verwendet werden kann, Aliquots einer Probe eines Titriermittels (wie eines Liganden) in die Probenzelle 811, die einen Analyten enthält, zu injizieren. Die Nadel der Spritze 814 durchdringt einen Leerraum 802, einen Polymerblock 803, einen Metallblock 804, ein Heiz- und Kühl-TED 805 und einen diffusionsverschweißten Block 806 und dringt dann in die Probenzelle 811 ein. Der Polymerblock 803 kann beispielsweise ein PEEK-Block oder ein Nylonblock sein. Der Metallblock 804 kann beispielsweise ein Aluminiumblock sein.
Die Injektion wird unter der Steuerung einer Schrittmotorsteuerung 852 in einem Computer 851 mittels einer elektrischen Verbindung 875 ausgeführt. Ein Blattrührer 808 am Ende der Nadel der Spritze 814 kann dazu verwendet werden, die Probe zu rühren, um sicherzustellen, dass das injizierte Titriermittel sich gut mit dem Analyten in der Probenzelle 811 vermischt.
Das Temperatursteueruntersystem 842 beinhaltet das Heiz- und Kühl-TED 805, das durch einen Temperatursteueralgorithmus 853 mittels eines Temperatursteuermoduls 856 und einer elektrischen Verbindung 871 gesteuert wird. Die Temperatur des diffusionsverschweißten Blocks 806 wird von einem Temperatursensor 813 und einem Temperaturmessmodul 857 gemessen. Die Ausgabe des Temperaturmessmoduls 857 wird mittels einer elektrischen Verbindung 872 dem Temperatursteueralgorithmus 853 in dem Computer 851 als eine Eingabe bereitgestellt, so dass der Temperatursteueralgorithmus 853 die Temperatur des diffusionsverschweißten Blocks 806 steuern kann.
Das Energiekompensationsuntersystem 843 beinhaltet die Probenzelle 811, die Referenzzelle 809, ein Kühl-TED 812 und ein Probenheizgerät 807, die in einer passiven thermischen Abschirmung 810 gehalten werden. Die Temperaturdifferenz zwischen der Probenzelle 811 und der Referenzzelle 809 wird von einem TED-Sensor 818 gemessen. Die Probenzelle 811 kann durch das Kühl-TED 812 gekühlt oder durch das Heizgerät 807 erhitzt werden. Das Signal von dem TED-Sensor 818 wird einem Signalverstärker 859 mittels einer elektrischen Verbindung 874 bereitgestellt und das verstärkte Signal wird dem Rückmeldungssteueralgorithmus 754 als die Eingabe bereitgestellt. Der Rückmeldungssteueralgorithmus 854 steuert ein Energiekompensationsmodul 858 mittels einer elektrischen Verbindung 873, um die Energie zu dem Probenheizgerät 807 zu justieren, um die von dem TED-Sensor 818 gemessene Temperaturdifferenz auf null zu treiben. Die zusätzliche Energie, die zum Treiben der Temperaturdifferenz auf null erforderlich ist, wird als eine Messgröße des Differenzwärmestroms zu der Probe in Bezug auf die Referenz verwendet.
17 ist ein Vergleich der Leistung eines repräsentativen Beispiels eines DSC mit mehreren Zellen (wie dem schematisch in 14 gezeigten), das mit einem diffusionsverschweißten Block mit mehreren Schichten ausgestattet ist, mit der Leistung desselben DSC mit mehreren Zellen unter Verwendung eines herkömmlichen Blocks. Das als Spur 901 gezeigte Kalorimetersignal ist das Signal, das von dem repräsentativen Beispiel eines DSC mit mehreren Zellen unter Verwendung eines herkömmlichen Blocks produziert wird. Das als Spur 902 gezeigte Kalorimetersignal ist das Signal, das von dem repräsentativen Beispiel eines DSC mit mehreren Zellen unter Verwendung eines diffusionsverschweißten Blocks produziert wird. Wie zu erkennen ist, erreicht das Kalorimeter unter Verwendung eines herkömmlichen Blocks kein Gleichgewicht für mindestens 18.000 Sekunden oder etwa 5 Stunden, wohingegen das Kalorimeter unter Verwendung des diffusionsverschweißten Blocks ein Gleichgewicht in etwa 800 Sekunden oder etwa 13 Minuten erreicht. Wie am besten in der Vergrößerung in 17 gezeigt ist, ist der Spitze-Spitze-Rauschpegel 903 der Spur 901, nachdem das Kalorimeter unter Verwendung eines herkömmlichen Blocks ein Gleichgewicht erreicht, ungefähr 2,5 Mal höher als das Spitze-Spitze-Rauschpegel 904 der Spur 902, nachdem das Kalorimeter unter Verwendung eines diffusionsverschweißten Blocks ein Gleichgewicht erreicht. Obwohl aus 17 nicht offensichtlich, bleiben außerdem die Temperaturen der drei Probenzellen in dem DSC mit mehreren Zellen unter Verwendung eines diffusionsverschweißten Blocks viel enger gebündelt um ihr Basisliniengleichgewicht als die Probenzellen in dem DSC mit mehreren Zellen, das einen herkömmlichen Block verwendet.
Obwohl der diffusionsverschweißte Block oben beschrieben wurde, wie er mit einem Differential-Scanning-Kalorimeter, einem Nano-Differential-Scanning-Kalorimeter und einem isothermen Titrationskalorimeter verwendet werden kann, kann der diffusionsverschweißte Block auch dazu verwendet werden, eine verbesserte Kalorimeterleistung in anderen Kalorimetern bereitzustellen, indem er jegliche Übertragung von thermischem Rauschen, das außerhalb des Kalorimeters erzeugt wird, an das thermische Signal, das von dem Kalorimeter erzeugt wird, hemmt sowie die Fähigkeit des Kalorimeters zum Erreichen eines Gleichgewichts verbessert. Der diffusionsverschweißte Block kann beispielsweise in einem Differential-Scanning-Kalorimeter mit einer einzigen Zelle verwendet werden, das dem oben beschriebenen Differential-Scanning-Kalorimeter mit mehreren Zellen ähnlich wäre, jedoch nur eine Probenzelle und nur eine Referenzzelle aufweisen würde (anstelle die drei Zellen, die oben für das Differential-Scanning-Kalorimeter beschrieben wurden, aufweisend). Somit würden 1A und 14 für ein Kalorimeter mit einer Probenzelle gelten unter dem Verständnis, dass die in diesen Figuren dargestellte Probenzelle 104 nur eine Probenzelle ist.
Obwohl verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden, soll die Beschreibung beispielhaft anstelle von einschränkend sein, und Durchschnittsfachmännern wird offensichtlich sein, dass viele weitere Ausführungsformen und Implementierungen möglich sind, die innerhalb des Schutzumfangs der Ausführungsformen liegen. Dementsprechend sind die Ausführungsformen nicht eingeschränkt, mit Ausnahme in Bezug auf die angefügten Ansprüche und deren Äquivalente. Zudem können verschiedene Modifikationen und Änderungen innerhalb des Schutzumfangs der angefügten Ansprüche vorgenommen werden.

Claims

Kalorimeter, das Folgendes umfasst: eine Probenzelle, die mit einem Probentemperatursensor thermisch gekoppelt ist; eine Referenzzelle, die mit einem Referenztemperatursensor thermisch gekoppelt ist; eine gemeinsame Wärmesenke, die mit der Probenzelle und der Referenzzelle thermisch gekoppelt ist; wobei die gemeinsame Wärmesenke einen diffusionsverschweißten Block umfasst und wobei der diffusionsverschweißte Block eine erste Metallschicht mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit, eine zweite Metallschicht mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit und eine dritte Metallschicht mit einer dritten Wärmeleitfähigkeit umfasst.
Kalorimeter nach Anspruch 1, das weiterhin eine vierte Metallschicht mit einer vierten Wärmeleitfähigkeit und eine fünfte Metallschicht mit einer fünften Wärmeleitfähigkeit umfasst.
Kalorimeter nach Anspruch 2, wobei die erste Metallschicht eine Kupferschicht ist, die zweite Metallschicht eine Edelstahlschicht ist, die dritte Metallschicht eine Kupferschicht ist, die vierte Metallschicht eine Edelstahlschicht ist und die fünfte Metallschicht eine Kupferschicht ist.
Kalorimeter nach Anspruch 2, wobei die erste Wärmeleitfähigkeit, die dritte Wärmeleitfähigkeit und die fünfte Wärmeleitfähigkeit jeweils um mindestens etwa das Fünffache größer als die zweite Wärmeleitfähigkeit und die vierte Wärmeleitfähigkeit sind.
Kalorimeter nach Anspruch 2, wobei die erste Metallschicht einen Temperatursensor umfasst.
Kalorimeter nach Anspruch 1, wobei das Kalorimeter eines von einem Differential-Scanning-Kalorimeter, einem Differential-Scanning-Kalorimeter mit mehreren Zellen, einem Nano-Differential-Scanning-Kalorimeter und einem isothermen Titrationskalorimeter ist.
Kalorimeter nach Anspruch 1, wobei die gemeinsame Wärmesenke auf einem thermoelektrischen Scanning-Gerät montiert ist.
Kalorimeter nach Anspruch 1, das weiterhin ein Probenzugangsrohr und ein Referenzzugangsrohr und ein Drucksteuersystem umfasst, das dazu konfiguriert ist, Druck auf das Probenzugangsrohr und das Referenzzugangsrohr auszuüben.
Kalorimeter nach Anspruch 1, das weiterhin eine Spritze umfasst, die dazu konfiguriert ist, Aliquots eines Titriermittels in die Probenzelle zu injizieren.
Kalorimetersystem, das Folgendes umfasst: mindestens eine Probenzelle und mindestens eine Referenzzelle in thermischer Kommunikation mit einem diffusionsverschweißten Block; eine Temperatursonde, die dazu positioniert ist, die Temperatur des diffusionsverschweißten Blocks zu messen; und einen Computer in elektrischer Kommunikation mit der Temperatursonde und mit entweder: einem Probentemperatursensor, der eine Probenzellentemperatur misst, und einem Referenztemperatursensor, der eine Referenzzellentemperatur misst; oder einen Temperaturdifferenzsensor, der eine Temperaturdifferenz zwischen der mindestens einen Probenzelle und der Referenzzelle misst; wobei der Computer einen Temperatursteueralgorithmus und einen Rückmeldungssteueralgorithmus umfasst, die die Temperatur der mindestens einen Probenzelle und die Temperatur der Referenzzelle steuern; und wobei der Computer den Differenzwärmestrom zu der mindestens einen Probenzelle in Bezug auf die Referenzzelle berechnet.
Kalorimetersystem nach Anspruch 10, wobei der diffusionsverschweißte Block mindestens fünf Metallschichten umfasst, wobei die Metallschichten abwechselnd eine verhältnismäßig höhere Wärmeleitfähigkeit und eine verhältnismäßig niedrigere Wärmeleitfähigkeit haben.
Kalorimetersystem nach Anspruch 11, wobei eine erste Metallschicht des diffusionsverschweißten Blocks eine Kupferschicht ist, die mit einer zweiten Metallschicht diffusionsverschweißt ist, die eine Edelstahlschicht ist, die mit einer dritten Metallschicht diffusionsverschweißt ist, die eine Kupferschicht ist, die mit einer vierten Metallschicht diffusionsverschweißt ist, die eine Edelstahlschicht ist, die mit einer fünften Metallschicht diffusionsverschweißt ist, die eine Kupferschicht ist.
Kalorimetersystem nach Anspruch 10, wobei das Kalorimeter eines von einem Differential-Scanning-Kalorimeter, einem Differential-Scanning-Kalorimeter mit mehreren Zellen, einem Nano-Differential-Scanning-Kalorimeter und einem isothermen Titrationskalorimeter ist.
Kalorimetersystem nach Anspruch 10, wobei die Metallschichten zugewandte Oberflächen aufweisen, die eine Oberflächenrauheit aufweisen, die nicht höher als 8 Mikrozoll ist.
Kalorimetersystem nach Anspruch 10, wobei die obere Oberfläche der oberen Schicht des diffusionsverschweißten Blocks parallel zu der unteren Oberfläche des diffusionsverschweißten Blocks bis auf innerhalb von 0,002 Zoll ist.
Kalorimeter, das Folgendes umfasst: eine Probenzelle und eine Referenzzelle; einen ersten diffusionsverschweißten Block, der mit der Probenzelle und der Referenzzelle thermisch gekoppelt ist; wobei der erste diffusionsverschweißte Block eine erste Metallschicht, die mit einer zweiten Metallschicht diffusionsverschweißt ist, eine dritte Metallschicht, die mit der zweiten Metallschicht und einer vierten Metallschicht diffusionsverschweißt ist, und eine fünfte Metallschicht auf, die mit der vierten Metallschicht diffusionsverschweißt ist, umfasst; wobei die erste Metallschicht, die dritte Metallschicht und die fünfte Metallschicht dadurch gekennzeichnet sind, dass sie verhältnismäßig höhere Wärmeleitfähigkeiten haben, und die zweite Metallschicht und die vierte Metallschicht dadurch gekennzeichnet sind, dass sie verhältnismäßig niedrigere Wärmeleitfähigkeiten haben; und wobei die erste Metallschicht eine Temperatursonde umfasst.
Kalorimeter nach Anspruch 16, wobei jede der ersten Metallschicht, der zweiten Metallschicht, der dritten Metallschicht, der vierten Metallschicht und der fünften Metallschicht jeweils dadurch gekennzeichnet ist, dass sie jeweils Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, und die Wärmeleitfähigkeiten der ersten Metallschicht, der dritten Metallschicht und der fünften Metallschicht jeweils um mindestens etwa das Fünffache höher als die Wärmeleitfähigkeiten von jeweils der zweiten Metallschicht und der vierten Metallschicht sind.
Diffusionsverschweißter Block nach Anspruch 16, wobei die erste Metallschicht eine Kupferschicht ist, die zweite Metallschicht eine Edelstahlschicht ist, die dritte Metallschicht eine Kupferschicht ist, die vierte Metallschicht eine Edelstahlschicht ist und die fünfte Metallschicht eine Kupferschicht ist.
Wärmekalorimeter nach Anspruch 16, wobei die erste Metallschicht, die dritte Metallschicht und die fünfte Metallschicht jeweils eine von einer Goldschicht, einer Silberschicht und einer Aluminiumschicht sind.
Kalorimeter nach Anspruch 16, das weiterhin einen zweiten diffusionsverschweißten Block in thermischer Kommunikation mit dem ersten diffusionsverschweißten Block umfasst.
Kalorimeter nach Anspruch 16, das weiterhin eine sechste Metallschicht, die mit der fünften Metallschicht diffusionsverschweißt ist, und eine siebte Metallschicht, die mit der sechsten Metallschicht diffusionsverschweißt ist, umfasst, wobei die Wärmeleitfähigkeit der sechsten Metallschicht verhältnismäßig niedriger als die Wärmeleitfähigkeit der siebten Metallschicht ist.