DE19731157A1

DE19731157A1 - Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter

Info

Publication number: DE19731157A1
Application number: DE1997131157
Authority: DE
Inventors: Detlef Dr Koehnke
Original assignee: Individual
Current assignee: Koehnke Detlef Dr 35325 Muecke De
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1997-07-21
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: DE19731157C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter zur Be stimmung von Wärmemengen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Kalorimeter werden zur Messung von Wärmetönungen bei physikalischen, chemischen und biologischen Reaktionen/Prozessen eingesetzt. Grundvoraussetzung aller kalorimetrischen Messungen ist die Erzeugung eines homogenen Temperaturfeldes innerhalb dessen die eigentli che Wärmemessung stattfinden kann. Gewährleistet wird die Temperaturhomogenität meist von einem Thermostaten fester (Metallblockthermostat) oder flüssiger (Flüssigkeitsthermostat) Bauart. Von ihrem Konstruktionsprinzip her lassen sich Kalorimeter als isotherm, adiabatisch oder isoperibol charakterisieren. Das Meßprinzip aller drei Typen basiert darauf, innerhalb des eingangs beschriebenen Temperaturfeldes eine Änderung des Wärmeinhaltes des Meßobjektes zu erfassen. Je nach Ausführung werden dabei folgende drei Strategien der Signaldetektion verfolgt:

- Beim isothermen Verfahren wird das Meßobjekt auf die konstante Temperatur des Thermo staten geregelt und die hierzu erforderliche Meßleistung aufgezeichnet. Bei in der Reaktorein heit stattfindenden exothermen/exergonischen Prozessen wird die zur Aufrechterhaltung der konstanten Temperatur zugeführte Heizleistung verkleinert, bei endothermen/endergonischen Prozessen vergrößert. Die Änderung der eingespeisten Leistung entspricht dann direkt den emittierten oder absorbierten Wärmemengen des Meßobjektes.
- Beim adiabatischen Verfahren wird das Meßobjekt thermisch von der Umgebung isoliert. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten wird die Temperatur des Thermostaten der jeweiligen Re aktortemperatur nachgeführt. Die Meßgröße ist in diesem Fall die Temperatur des Meßobjek tes. Bei exothermen/exergonischen oder endothermen/endergonischen Vorgängen wird aus der Temperaturerhöhung oder -erniedrigung mit Hilfe der Wärmekapazität des Meßobjektes die Änderung des Wärmeinhaltes berechnet.
- Wie bei der adiabatischen, so bildet auch bei der am häufigsten eingesetzten isoperibolen Technik die Temperaturmessung des Meßobjektes die Grundlage des Verfahrens. Im Unter schied zur adiabatischen Methode wird die Temperatur des Thermostaten beim isoperibolen Verfahren jedoch während der Messung konstant gehalten.

Kalorimeter aller drei Bauarten werden in der Regel als geschlossene oder abgeschlossene Meßsysteme betrieben (Polarographic Oxygen Sensors (ed. by Gnaiger/Forstner) Springer Verlag Berlin Heidelberg 1983, Seite 167-175), das heißt nach erfolgtem Meßstart läuft das Experiment in einer Richtung (Eintopfreaktion) bis zum Ende ab und es findet zumeist kein oder, unter gewissen Einschränkungen und mit entsprechend hohem apparativen Aufwand, ein nur sehr begrenzter Stoffaustausch mit der Umgebung statt (DE 43 21 688 A1). Dadurch ist beispielsweise eine wiederholte Aktivitätsbestimmung eines Katalysators mit unterschiedlich konzentrierten oder zusammengesetzten Reaktionspartnern ohne Reinigung, Neubeschickung und Neutemperierung des Gerätes ausgeschlossen. Schon die Mehrfachbestimmung von Meß daten ist aus diesem Grund zeitaufwändig und stellt hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Ansätze, was für Anwendungen in der Biochemie oder der medizi nischen Diagnostik bereits verfahrenslimitierend sein kann. Für einen Einsatz im Large-scale- oder Hochdurchsatz- Screening-Betrieb sind Kalorimeter, welche nicht zum kontinuierlichen Stoffaustausch mit der Umgebung befähigt sind, daher von vornherein ungeeignet.

Aufgrund der meist hohen Massenträgheit der kommerziell erhältlichen Kalorimeter ergeben sich sehr große Zeitkonstanten, welche die Anwendbarkeit der Systeme weiter einschränken. Die Innenmessung der Temperatur im Reaktor sollte für reaktionskinetische Uritersuchungen so gestaltet sein, daß die Sensorzeitkonstante im Sekundenbereich liegt. Diese Anforderung wird von den meisten Geräten nicht erfüllt, insbesondere gemeinsam mit der Forderung der raschen Homogenisierung im Reaktorraum.

Für viele Anwendungen in der Mikrobiologie oder der medizinischen Diagnostik ist es erfor derlich sehr geringe Wärmemengen zu bestimmen. Als Beispiel sei die bei Oxidationsprozessen durch Mikroorganismen oder Gewebeproben freiwerdende Stoffwechselwärme erwähnt. Auch im biochemischen oder molekularbiologischen Bereich stehen häufig nur sehr geringe Proben mengen zur Verfügung, so daß zur Bestimmung kalorischer Daten häufig thermische Auflö sungen im Sub-Mikrowattbereich erforderlich sind. Diese Anforderungen werden von kom merziell verfügbaren Kalorimetern bisher nicht erfüllt, insbesondere gemeinsam mit der Forde rung der Zeitauflösung im Sekundenbereich. Die in dieser Hinsicht besten am Markt befindli chen Geräte gestatten nur thermische Auflösungen im Millikelvinbereich, wobei die Zeitkon stanten noch im Minutenbereich liegen. Als Beispiel sei hier das Differenz-Scanning- Kalorimeter Micro-DSC III der französischen Firma SETARAM herausgegriffen, welches be züglich Sensitivität und Zeitkonstante zur Gruppe der zur Zeit verfügbaren Spitzengeräte zählt. Laut Herstellerangaben gewährleistet es eine thermische Auflösung von 1 mK, wobei die Zeit konstante des Meßsystems je nach Füllmenge der Reaktoreinheit zwischen 30 (leer) und 60 Sekunden (100%-Füllung mit 1 ml wäßriger Flüssigkeit) liegt.

Mitunter sollen zusätzlich zum zeitlichen Verlauf von thermischen Vorgängen auch Aussagen über weitere Meßparameter erhalten werden, wie beispielsweise über Leitfähigkeiten, pH- Werte, Gaspartialdrücke oder Edukt-, Produktkonzentrationen. Zu diesem Zweck ist es nötig zusätzlich zum Temperatursensor elektrochemische Elektroden, optische Sensoren, Proben entnahmesysteme oder ähnliche Vorrichtungen im Reaktorraum zu installieren. Bei einer Tem peraturdifferenz zwischen Meßobjekt und Umgebung wird unter diesen Bedingungen auch bei guter thermischer Isolierung des Meßobjektes ein Wärmefluß ermöglicht, der die Sensitivität des Kalorimeters zusätzlich beeinträchtigt. Bei Ergreifung entsprechender Gegenmaßnahmen zur Minimierung des Störeinflusses wird zwangsläufig eine Verringerung der Regelgeschwin digkeit und damit eine Verschlechterung der zeitlichen Auflösung des Meßsystems induziert. Bisher gibt es kein Kalorimeter, daß diesem Dilemma entkommt und die Herstellerangaben bezüglich thermischer und zeitlicher Auflösung auch nach einer meßtechnischen Erweiterung des Gerätes gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es, hochauflösende Mikroreaktionskalorimeter zur Verfügung zu stellen, mit denen physikalische, chemische, biochemische, molekularbiologische und biologi sche Reaktionen/Prozesse mittels ihrer Temperatursignale kontinuierlich und on-line für belie bige Zeit bei gleichzeitig hoher thermischer und zeitlicher Auflösung unter gleichzeitig stattfin dendem kontinuierlichen Stoffaustausch zwischen Meßsystem und Umgebung verfolgt werden können.

Diese Aufgabe wird durch das Kalorimeter nach Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Kalorimeter ist, daß Meßobjekte während der Tempe raturmessung mechanisch und elektrisch manipuliert werden können. Zudem wird durch Aus tausch der durch das Reaktorröhrchen geleiteten Flüssigkeit (Meßflüssigkeit) oder durch Zu satz entsprechender Komponenten zur Flüssigkeit ermöglicht, Meßobjekte auch chemisch, pharmazeutisch, toxikologisch, genetisch oder auf jede andere durch Veränderung der Flüssig keit induzierbare Weise zu beeinflussen. Ein integriertes Vorlagenwechselsystem gewährleistet dabei den schnellen und störungsfreien Austausch zweier Meßflüssigkeiten. Eine positionelle Änderung oder Korrektur des Meßobjektes im Reaktorröhrchen kann zu jedem Zeitpunkt der Temperaturmessung kontrolliert erfolgen, da sowohl die Möglichkeit der visuellen Überwa chung, als auch der mechanischen Manipulation des Meßobjektes jederzeit gegeben ist. Dar überhinaus bietet die Erfindung die Option zusätzlich zur kalorimetrischen Messung Zusatzvor richtungen zur Bestimmung von weiteren Meßparametern zu installieren. Bei Installation der Zusatzvorrichtungen in das außerhalb der zentralen Meßeinheit liegende Meßflüssigkeits- Rohrleitungssystem ist eine Beeinträchtigung der thermischen und zeitlichen Auflösung des Kalorimeters weitgehend ausgeschlossen. Darüberhinaus ist das Meßsystem durch einen einfa chen Handgriff reversibel vom offenen Durchfluß- auf den geschlossenen Kreislaufbetrieb um schaltbar. Bei Bedarf können so Vorteile der geschlossenen Betriebsweise genutzt werden. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kalorimeters sind in den abhängigen Pa tentansprüchen beschrieben.

Nachstehend wird die Erfindung an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der zentralen Meßeinheit mit Reaktorröhrchen und Thermoelementen,

Fig. 2 eine fotographische Darstellung der zentralen Meßeinheit,

Fig. 3 eine im Kalorimeter integrierte Meßeinheit in ihrer unmittelbaren Umgebung,

Fig. 4 einen vertikalen Schnitt durch das Kalorimeter auf Ebene der Manipulationsvorrich tungen,

Fig. 5 einen horizontalen Schnitt durch das Kalorimeter auf Ebene der Meßeinheit,

Fig. 6 I bis 6 IV ein Schaltdiagramm der Vorlagenwechsel- und Richtungswechselvorrich tung mit Anschlußbelegungen und

Fig. 7a und 7b jeweils ein Anwendungsbeispiel für die kalorimetrische Bestimmung der Stoffwechselaktivität einer Gewebeprobe.

Das anhand der Fig. 1 bis 7 beschriebene Kalorimeter mit zentraler Meßeinheit, Vorla genwechselvorrichtung, Richtungswechselvorrichtung, Vorrichtung zum mechanischen Mani pulieren und Elektroden zum elektrischen Stimulieren des Meßobjektes gestattet es physikali sche, chemische, biochemische, molekularbiologische und biologische Reaktionen/Prozesse, welche in der zentralen Meßeinheit des Kalorimeters ablaufen, mittels ihrer Temperatursignale zu verfolgen und zu bewerten.

Ein Schema der zentralen Meßeinheit mit Reaktorröhrchen, Meßobjekt, Thermoelementen und Manipulationsvorrichtungen (elektrisch und mechanisch) ist in Fig. 1 dargestellt.

Zur Vorbereitung der Messung wird das Meßobjekt 1 an den beiden horizontal beweglichen Manipulationsvorrichtungen 3 und 3' befestigt, in das Reaktorröhrchen 2 gezogen und mittig zwischen den ringförmig das Röhrchen umschließenden Temperatursensorzonen T₁ und T₂ positioniert. Unter Zuhilfenahme einer gleichmäßig fördernden Präzisions-Flüssigkeitspumpe wird die Meßflüssigkeit 5 bewegt und permanent über das Meßobjekt 1 gepumpt. Um eine Berührung des Meßobjektes 1 mit der Innenwandung des Reaktorröhrchens 2 zu verhindern und eine optimale Wärmeübertragung vom Meßobjekt 1 auf die Meßflüssigkeit zu gewährlei sten wird das Meßobjekt mit Hilfe der Manipulationsvorrichtungen 3 und 3' rotationssymme trisch zur Mittelachse des Röhrchens ausgerichtet und zwischen den Temperatursensorzonen T₁ und T₂ zentriert. Die beiden Sensorzonen befinden sich dann stromaufwärts (T₁) und stromabwärts (T₂) vom Meßobjekt. Sie detektieren die Temperaturdifferenz zwischen Eingang und Ausgang der Meßeinheit, wobei die angegebene Flußrichtung der Meßflüssigkeit 5 die Sensorzone T₁ zur Referenzmeßstelle und die Sensorzone T₂ zur eigentlichen Meßstelle macht. Bei Richtungsumkehr des Flüssigkeitsstromes wechseln die beiden Temperatursensorzonen ihre Funktion und die vom Meßobjekt erzeugte Thermospannung das Vorzeichen. Aus diesem Grund kann der Richtungswechsel der Meßflüssigkeit zur Ermittlung der absoluten Wärme emissionsrate des Meßobjektes dienen. Sie ergibt sich aus der halben Differenz der für beide Flußrichtungen gemessenen Thermospannung (siehe auch Fig. 5).

Die zentrale Meßeinheit ist von Luft 6 umgeben, welche sich innerhalb eines geschlossenen Hohlraumes befindet, dessen Wandungen aus Plexieglas bestehen (nicht dargestellt, siehe 14 in Fig. 3, 4, 5). Unter der Voraussetzung der Temperaturhomogenität von Meßumgebung 6 und Meßflüssigkeit 5 wird durch Wärmeemission oder Wärmeabsorption des Meßobjektes 1 zwi schen den beiden Temperatursensorzonen T₁ und T₂ eine Temperaturdifferenz AT gemessen, welche auf einer Änderung des Wärmeinhaltes des Meßobjektes beruht und als Niedervolt- Spannungssignal an den Enden 10 und 10' der Serienschaltung (Meßschleife) ausgegeben wird. Nach der Verstärkung mittels eines Differenzverstärkers wird das Signal an ein Speichermedi um und/oder eine Signalausgabeeinheit gegeben (nicht gezeigt).

Die das Meßobjekt 1 überströmende Meßflüssigkeit 5 erfüllt dabei gleichzeitig zwei Aufgaben. Zum einen gewährleistet sie die Wärmeübertragung zwischen dem Meßobjekt und T₂, zum anderen sorgt sie (optional) für den Stofftransport, d. h. für die Zuführung von Edukten und den Abtransport von Produkten.

Die Temperatursensorzonen T₁ und T₂ setzen sich aus den einzelnen Thermokontaktstellen 9, 9', 9'' und 9''' (im spitzen Winkel zulaufende Verbindungsstellen) zusammen, welche auf zwei ringförmigen Umfängen des Reaktorröhrchens angebracht und auf diesem befestigt sind. Gemäß der Definition eines Thermoelementes tritt in einem Leiterkreis eine Thermospannung auf, wenn zwei verschiedene Metalle (oder Metallegierungen, Halbleiter) miteinander verbun den sind und ihre beiden Verbindungsstellen auf unterschiedliche Temperaturen gebracht wer den (Seebeck-Effekt). Eine Verdoppelung bzw. Vervielfachung der Thermospannung tritt auf, wenn zwei oder mehr Elemente in Reihe geschaltet werden, wie dies in Fig. 1 für zwei Thermoelemente gezeigt ist (aus Gründen der Übersichtlichkeit sind von den in Wirklichkeit vorhandenen Thermoelementen nur zwei dargestellt; für 12 in Reihe geschaltete Elemente sie he Fig. 2). Ein Thermoelement setzt sich aus jeweils zwei Thermokontaktstellen zusammen, deren Verbindungsdrähte aus Chromel 7 und Konstantan 8 bestehen. Für die beiden darge stellten Elemente ergeben sich aus diesem Grund vier Thermokontaktstellen, welche als 9, 9', 9'' und 9''' bezeichnet werden. Zwei jeweils auf der Leiterschleife hintereinanderliegende Thermokontaktstellen (z. B. 9 und 9') sind dabei unterschiedlichen Temperatursensorzonen zugeordnet (hier T₁ und T₂). Diese Anordnung mit alternierender Verlegung der Kontaktstel len zwischen den Sensorzonen gewährleistet eine mit der Anzahl der Thermoelemente einher gehende Zunahme der Thermospannung. Eine einzelne Thermokontaktstelle entsteht durch Druckverschweißung von einem Chromel- mit einem Konstantandraht.

Da die Thermokontakte auf der Außenseite des Reaktorröhrchens angebracht sind, wird ein direkter Kontakt der Meßflüssigkeit mit Thermoelementmetall vermieden und ein flüssig keitsinduzierter Korrosionsverschleiß der Thermoelemente unterbunden.

Da die Größe der Thermospannung linear mit der Anzahl der Thermoelemente wächst, das thermische Grundrauschen jedoch von der Größe des Quellwiderstandes abhängt und daher bei jeder Verdoppelung der Länge der Thermoelement-Meßschleife lediglich um den Faktor Wur zel 2 ansteigt, wird mit jeder Verdoppelung der Anzahl der Thermoelemente eine Verbesse rung der Auflösung um theoretisch 41,4% erzielt. Um eine hohe Sensitivität des Meßsystems zu erzielen, ist es deshalb erforderlich möglichst viele Thermoelemente gemäß des in Fig. 1 dargestellten Schaltprinzips in Reihe zu schalten.

Ein weiterer Grund die Anzahl der Thermoelemente zu maximieren ist die mit steigender Men ge statistisch bessere Ausnutzung des Reaktorröhrchenumfangs. Dies ist von Bedeutung, wenn Meßobjekte z. B. asymmetrisch sind oder lokal ungleichmäßig Wärme emittieren, so daß Tem peraturinhomogenitäten innerhalb der Meßflüssigkeit auftreten. Eine dichtere Besetzung des Röhrchenumfangs mit Thermokontaktstellen stellt in diesen Fällen eher sicher, daß die auf die Meßflüssigkeit übertragene Wärme auch an allen Stellen des Röhrchenumfangs erfaßt wird. Aus diesen Gründen ist der Reaktorröhrchenumfang aller Ausführungsbeispiele in der Realität mit mehr als den in Fig. 1 aus Übersichtlichkeitsgründen gezeigten zwei Thermoelementen besetzt. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß pro Temperatursensorzone eine Besetzungs dichte von mindestens einer Thermokontaktstelle auf 0,5 mm Röhrchenumfang angebracht ist.

Zur Verdeutlichung des in Fig. 1 dargestellten Meßprinzips ist in Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der zentralen Meßeinheit des Kalorimeters mit allen Thermoelementen dreidimensional dargestellt. Das gezeigte Reaktorröhrchen 2 hat einen Außendurchmesser von einem Millimeter und ist mit zwölf in Reihe geschalteten Chromel/Konstantan- Thermoelementen besetzt, deren 24 Thermokontaktstellen auf den beiden angedeuteten Ebe nen liegen und die Temperatursensorzonen T₁ und T₂ bilden. Aus der Anzahl der Thermokon taktstellen und dem Außenumfang des Reaktorröhrchens von 3,14 mm ergibt sich pro Tempe ratursensorzone eine Besetzungsdichte von einer Thermokontaktstelle auf 0,26 mm Röhrchen umfang. Die Wandstärke des Reaktorröhrchens sollte möglichst gering sein, um Wärmeverlu ste über die Röhrchenwandung zu minimieren. Gleichzeitig sollte jedoch ein Mindestmaß an mechanischer Stabilität gewahrt bleiben. Als Kompromiß besitzt das Reaktorröhrchen eine Wandstärke von 100 µm. Die Verwendung von durchsichtigem Material (hier Duranglas) für das Röhrchen erleichtert die Positionierung des Meßobjektes und ermöglicht die visuelle Überwachung des Reaktionsraumes während der Messung.

Die Temperatursensorzonen T₁ und T₂ umschließen das Röhrchen ringförmig und bilden mit ihren 22 Verbindungsdrähten aus Chromel und Konstantan eine Hohlkugel um das Zentrum der Meßeinheit. Auf der rechten Seite sind die beiden Enddrähte 10 und 10' der Meßschleife zu sehen, welche nach dem Einbau der Meßeinheit mit dem Eingang des Differenzverstärkers verbunden werden. Jeder zweite Thermodraht besteht jeweils aus Chromel oder Konstantan, doch lassen sich die beiden Metallegierungen optisch nicht voneinander unterscheiden. Der Abstand zwischen T₁ und T₂ beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 5 mm, womit sich für den Reaktorraum (800 µm Innendurchmesser) ein Volumen von 2,5 µl ergibt. Um thermische Kurzschlüsse innerhalb eines Thermodrahts zu vermeiden, sind die Verbindungsdrähte zwi schen den Sensorzonen mit einer Länge von 8 mm deutlich länger gehalten als zur bloßen Ver bindung der Kontaktstellen nötig wäre.

Die thermische Auflösung der abgebildeten Meßeinheit liegt bei einer Thermostattemperatur von 37°C noch unter 10 µK (!) und ist damit um mehr als 2 Zehnerpotenzen größer als die Auflösung der besten am Markt befindlichen Geräte (thermische Auflösungen um 1 mK). Bei einer Flußrate der Meßflüssigkeit von einem Mikroliter pro Sekunde entspricht dies einer Lei stungsauflösung von weniger als 100 Nanowatt (!), wobei die Zeitkonstante je nach Größe und Positionierung des Meßobjektes 1 bis 4 Sekunden (!) beträgt. Kommerzielle Geräte erreichen bestenfalls Zeitkonstanten von 30 bis 60 Sekunden bei einer gleichzeitig um Größenordnungen niedrigeren thermischen Auflösung. Das in der oberen Bildhälfte im Ausschnitt gezeigte Zehn pfennig-Stück 12 soll als Größenvergleich dienen und die Miniaturisierung des Meßsystems veranschaulichen. Die Miniaturisierung ist gemeinsam mit dem Prinzip der am Strömungsrohr stattfindenden differentiellen Temperaturmessung die Hauptursache für die hohe Sensitivität und die schnelle Ansprechzeit des Kalorimeters. Physikalisch läßt sich die mit zunehmender Miniaturisierung des Reaktorröhrchens zunehmende thermische Auflösung mit dem zuneh menden Verhältnis von Oberfläche zu Volumen erklären. Da die Temperaturmessung an der Oberfläche des Reaktorröhrchens erfolgt, steigt mit abnehmendem Röhrchendurchmesser der Anteil der vom Meßobjekt auf die Röhrchenwandung übertragenen Wärme. Gleichzeitig neh men die Abstände zwischen Meßobjekt und Röhrchenwand ab, so daß sich bei zunehmender Miniaturisierung idealerweise auch die Temperatursensoren näher am Meßobjekt befinden und schneller auf Temperaturänderungen ansprechen.

Darüberhinaus zeigt die Figur, daß die zentrale Meßeinheit aus einem Stück besteht und ein fach zu handhaben ist. Gemeinsam mit der modularen Bauweise des Kalorimeters ergibt sich damit die Möglichkeit des Komplettaustausches der zentralen Meßeinheit, wodurch das Kalo rimeter sehr einfach und schnell spezifischen experimentellen Anforderungen angepaßt werden kann (z. B. Austausch der Meßeinheit gegen eine andere mit größerem/kleineren Innendurch messer zur Untersuchung einer anderen Klasse von Meßobjekten mit höherem/niedrigeren Volumen oder Austausch gegen eine Meßeinheit, bei der mehrere Reaktoreinheiten in Reihe oder parallelgeschaltet sind um gleichzeitig mehrere Meßobjekte untersuchen zu können). Während der Messung stellt sich bei konstanter Flußrate und Zusammensetzung der Meßflüs sigkeit, isothermer Meßumgebung und gleichbleibender Aktivität des Meßobjektes ein Fließ gleichgewicht (steady state) zwischen Meßobjekt und Meßflüssigkeit ein, welches zu einer konstanten Temperaturdifferenz ΔT (in Kelvin) zwischen den Sensorzonen T₁ und T₂ führt. Unter dieser Voraussetzung läßt sich die abgegebene oder aufgenommene Leistung des Meß objektes Q (in Watt) gemäß folgender Gleichung berechnen:

Q [W] = ΔT [K].F [m³/s].c [J/K.m³].y^-1 [I].

Dabei steht F für die Flußrate (in Kubikmeter pro Sekunde) und c für die Wärmekapazität (in Joule pro Kelvin und Kubikmeter) der Meßflüssigkeit. Der Faktor y ist dimensionslos und gibt die Wärmeausbeute des Meßsystems an. Theoretisch kann er Werte zwischen 0 und 1 errei chen, wobei 1 für eine absolut verlustfreie Wärmeübertragung von Meßobjekt zu Temperatur sensoren steht. Er hängt von den jeweiligen Versuchsbedingungen ab (Temperatur des Ther mostaten, Flußrate und Viskosität der Meßflüssigkeit, Ausdehnung und Form des Meßobjek tes, etc.) und ist durch geeignete Eichexperimente zu ermitteln. Für die in Fig. 2 dargestellte zentrale Meßeinheit beträgt die Wärmeausbeute 77% (y = 0,77), wenn näherungsweise fol gende Versuchsbedingungen herrschen:

- ein kugelsymmetrischer Thermistor mit einem Radius von 250 µm und einem elektrischen Widerstand von 10 KΩ als Meßobjekt verwendet wird,
- der Thermistor mit einer elektrischen Leistung von 5 µW angesteuert wird,
- eine Thermostattemperatur von 310 K (entspricht 37°C) eingestellt ist,
- die Meßflüssigkeit mit einer Flußrate von 10^-9 m³/s (entspricht 1 µl/s) fließt und
- die Viskosität und Wärmekapazität einer 150 mM wäßrigen Kochsalzlösung besitzt.

Die Temperaturdifferenz ΔT errechnet sich dann aus der gemessenen Thermospannung wie folgt:

ΔT [K] = (U₂ - U₁ [V]).f_Meßsystem ^-1 [V.K^-1] [II].

Dabei steht U₂ (in Volt) für die in Gegenwart des Meßobjektes und U₁ (in Volt) für die in Ab wesenheit des Meßobjektes gemessene Thermospannung. Die Differenz zwischen beiden Werten ergibt dann die ursächlich auf das Meßobjekt zurückgehende Thermospannung U. Die Bestimmung von U₁ ist unerläßlich, da auch meßobjekt-unabhängige Einflüsse eine Ther mospannung induzieren können. U₁ wird für das jeweilige Experiment durch kontrolliertes Herausziehen des Meßobjektes aus dem Sensorbereich der Thermoelemente bestimmt. Sein Betrag ergibt sich dann unmittelbar aus dem bei Abwesenheit des Meßobjektes bestimmten Wert. f_Meßsystem wird in Volt pro Kelvin angegeben und beschreibt eine meßsystem-spezifische Eigenschaft, die als Thermokraft bezeichnet wird. Ihre Größe ist abhängig von Anzahl und Art der verwendeten Thermoelemente. Sie ist darüberhinaus temperaturabhängig und wird nach Fertigstellung eines Meßsystems in kalorimeter-unabhängigen Eichexperimenten für mehrere Meßtemperaturen ermittelt. Bei 37°C beträgt f_Meßsystem für die in Fig. 2 dargestellte Meßein heit beispielsweise 760.10^-6 V/K.

Bei Verknüpfung von Gleichung I und II ergibt sich die zur Berechnung der Wärmeleistung relevante Gleichung III:

Q [W] = (U₂ - U₁ [V]).f_Meßsystem ^-1 [V½^-1].F [m³/s].c [J/K.m³].y^-1 [III].

Die Aufsicht in Fig. 3 zeigt, wie die in den Fig. 1 und 2 dargestellte zentrale Meßeinheit in das Kalorimeter integriert ist. Das Reaktorröhrchen 2 ist in eine Bohrung des Plexiglas blocks 14 eingelassen und gegen denselben mit den Dichtungsringen 15 und 15' abgedichtet. Die kontinuierliche Versorgung mit Meßflüssigkeit 5 erfolgt über ein angeschlossenes Rohr leitungssystem, welches sich stromaufwärts und stromabwärts der Reaktoreinheit in zwei T-Stücken verzweigt und damit den Manipulationsvorrichtungen 3 und 3' den Zugang zum Meß objekt 1 ermöglicht. Die Wandungen der zu- und abführenden Kanäle bestehen aus rostfreiem Stahl und besitzen einen Innendurchmesser von 0,8 mm. Die Manipulationsvorrichtungen 3 und 3' sind aus Platin gefertigt und mittels an den Enden befestigter Mikrometerschrauben (siehe 24, 24' in Fig. 4, 5) in Längsrichtung zielgenau bewegbar. Sie dienen zum Befestigen, Einbringen, Positionieren und Spannen des Meßobjektes und sind darüberhinaus für seine längsgerichtete Verschiebung während der Temperaturmessung vorgesehen. Wird das Meß objekt von seiner zentralen Position aus dem Reaktorraum herausgezogen (jenseits von T₁ oder T₂), befindet es sich nicht mehr im Meßbereich der Temperatursensoren und die Thermo elemente erzeugen eine Spannung, welche einer Nullwärme-Emission des Meßobjektes gleich kommt. Der Vorgang ist umkehrbar und beliebig oft wiederholbar, so daß er sich zur Null punkteichung eignet. Die Detektion der Wärme-Nullemission ist Voraussetzung für die Be stimmung der absoluten Leistung des Meßobjektes.

Außer zur mechanischen Auslenkung des Meßobjektes fungieren die Manipulationsvorrichtun gen 3 und 3' auch als Elektroden zur elektrischen Stimulation oder thermischen Anregung des Meßobjektes (siehe 23, 23' in Fig. 4, 5).

Die zentrale Meßeinheit ist von einem luftgefüllten Hohlraum 6 umgeben, der in alle Richtun gen (auch in die des Betrachters) von Plexieglas 14 begrenzt wird und die Aufgabe hat das Reaktorröhrchen thermisch von der Umgebung zu isolieren. Die beiden Enden der Thermo element-Meßschleife werden an einer Stelle durch das Plexieglas 14 geführt, wo sie in den luft gefüllten Hohlraum 6' münden und die Anschlußstellen 10 und 10' für den Differenzverstärker bilden. Der Plexieglasblock 14 und der Luftraum 6' werden von dem Metallblockthermostaten 13 vollständig eingeschlossen und von diesem mittemperiert.

Die gesamte Meßeinheit ist, wie in Fig. 4 dargestellt, im Zentrum eines zweigeteilten, massi ven Metallblocks installiert, der sich aus dem Unterteil 13' mit dem Einsatz 13 und dem Ober teil 13'' mit dem Endoskop 32 zusammensetzt. Das Kalorimeter besitzt eine zylindrische Form und ist durch die Wärmedämmschichten 20 und 20' thermisch gegen die Umgebung isoliert. Zur Inbetriebnahme des Gerätes werden die beiden an den Beruhrungsflächen plangeschliffe nen Kalorimeterhälften aufeinandergesetzt. Die beiden in der unteren Kalorimeterhälfte um laufenden O-Ring-Dichtungen 25 und 25' sorgen dabei für den luftdichten Abschluß der Aufla geflächen. Der Dichtring 35 sorgt für eine luftdichte Einpassung des Endoskopes 32 und un terbindet den Luftaustausch zwischen Umgebung und Endoskop-Kanal.

Ein in der Figur nicht gezeigter Thermostat sorgt für die Temperaturregelung des Metall blocks. Die Beheizung erfolgt entweder elektrisch über Heizpatronen, Thermistoren oder Transistoren (Verlustleistung als Heizwärme), welche im und am Metallblock verteilt sind oder über Flüssigkeitsthermostate, die den Metallblock entweder direkt umgeben (gerührtes Tauch bad) oder indirekt über seine Mantelfläche (obere und untere Hälfte) umschließende flüssig keitsgeführte Rohrwicklungen mit Wärme versorgen (bevorzugte Methode, siehe auch Fig. 7a). Flüssigkeitsthermostate besitzen den Vorteil das Kalorimeter auch unter Umgebungstem peratur kühlen zu können, während elektrische Heizsysteme weniger Raum beanspruchen und weitgehend wartungsfrei zu betreiben sind. Dafür benötigen sie jedoch eine aufwendigere Temperaturregelung als flüssigkeitsgeführte Thermostate.

Zur Vermeidung von Wärmestaus und Temperaturgradienten sollte das Blockmaterial eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Aus diesem Grund sind Kupfer und Silber mit ihren hohen spezifischen Leitfähigkeiten als Metallblockthermostate besonders gut geeignet. Aus Preisgründen ist Kupfer der Vorzug zu geben, doch bietet Silber den Vorteil sich mecha nisch besser bearbeiten zu lassen und weniger zu korrodieren. Die Anforderungen an die Re gelgenauigkeit des Thermostaten sind bei Einsatz dieser Metalle weit weniger hoch als die Sen sitivität des Meßsystems erwarten ließe. Bei Verwendung eines Flüssigkeitsthermostaten mit rohrleitungsgeführter Wärmeübertragung ist ein handelsüblicher Laborthermostat mit einer Regelgenauigkeit von 10^-2 K ausreichend. Eine Ursache für diesen Sachverhalt dürfte das Prin zip der im Durchstrombetrieb erfolgenden Differenztemperaturmessung sein. Da innerhalb der zentralen Meßeinheit ausschließlich die Temperaturdifferenz zwischen zwei hintereinander lie genden Röhrchenumfängen gemessen wird, spielt eine absolute Temperaturänderung der durchströmenden Meßflüssigkeit -unter der Voraussetzung einer hinreichend langsamen Ände rung- eine nur untergeordnete Rolle (die Temperaturabhängigkeit der Thermospannung ist innerhalb der hier zu erwartenden Temperaturschwankungen von weniger als 0,01 K vernach lässigbar klein). Bei der Messung sollte lediglich dafür gesorgt werden, daß die regelsystemin duzierten Temperaturwellen einigermaßen geglättet werden und andere Temperaturinhomoge nitäten nicht von außen einstreuen. Diese Forderungen werden hinreichend erfüllt einerseits durch die Verwendung eines massiven Kupferblocks zur Equilibrierung der potentiellen Wär megradienten und andererseits durch die weitgehende thermische Isolierung des Reaktor röhrchens mittels des luftgefüllten Hohlraumes 6. Darüberhinaus hat der Kupferblock als nicht nur thermisch, sondern auch elektrisch gut leitendes Medium abschirmende Wirkung auf von außen einstreuende elektromagnetische Felder, welche Spannungssignale im Niedervoltbereich verfälschen würden.

Zur Vorbereitung der Messung wird das Kalorimeter auf Meßtemperatur temperiert, das Oberteil 13'' angehoben und die Präparationskammer 16 geöffnet. Das Meßobjekt 1 wird in die Präparationskammer eingeführt und an den Platinösen der Manipulationsvorrichtungen 3 und 3' befestigt. Durch Drehung der Mikrometerschrauben 24 und 24' werden die Manipulati onsvorrichtungen so weit verschoben, bis sich das Meßobjekt mittig zwischen den Temperatur sensorzonen befindet. Die Präparationskammer 16 wird mit dem Stopfen 22 und seinem Dich tungsring 17 verschlossen und das Kalorimeteroberteil auf das Unterteil abgesenkt. Das Meß objekt ist jetzt noch mit Hilfe des Endoskopes 32 beobachtbar und kann gegebenenfalls nach positioniert werden. Zur Detektion der Temperatursignale sollte die Beleuchtung des Endo skopes allerdings ausgeschaltet werden, da das über den Lichtleiter 33 und die Verschraubung 34 in die zentrale Meßeinheit einfallende Kaltlicht die Temperaturmessung beeinflußt (Ausnahme: Gewährleistung eines räumlich gleichmäßigen und zeitlich konstanten Lichtein falls).

Die Manipulationsvorrichtungen 3 und 3' laufen in den Führungshülsen 18 und 18' und sind über die Verschraubungen 21 und 21' gegen die Umgebung isoliert. Die Verschraubungen ent halten jeweils einen Dichtring, der mittels der eingezeichneten Schraube so stark angepreßt wird, daß er den Durchlauf der Manipulationsvorrichtung gestattet und zugleich den Füh rungshülseninnenraum luftdicht abschließt. Die Führungshülsen 18 und 18' sind wiederum über die Dichtringe 19 und 19' gegen den Plexieglasblock 14 abgedichtet. Zwischen Verschraubung 21 (21') und Mikrometerschraube 24 (24') ist an den Manipulationsvorrichtungen 3 und 3' jeweils ein elektrischer Anschluß 23 (23') angebracht, der dazu dient das Meßobjekt bei Bedarf mit Spannung/Strom zu beaufschlagen.

Die zentrale Meßeinheit mit Reaktorröhrchen, Thermoelementen, Präparationskammer und Zuleitungen ist Bestandteil des Plexieglasblocks 14, der zusammen mit dem Kupferblock 13 einen runden Einsatz bildet, welcher nach dem Herausziehen der Führungshülsen 18, 18', der Manipulationsvorrichtungen 3, 3' und der Lösung der Difibrenzverstärker-Verbindungen 10, 10' (hier nicht gezeigt, siehe Fig. 5) zwecks Wartung oder Austausch der Reaktoreinheit nach oben entnommen werden kann.

Bei der Konstruktion des Kalorimeters wurde bewußt auf den Einsatz von Klebstoffen und Schmiermitteln zugunsten von Dichtungen und Verschraubungen verzichtet. Daraus resultiert eine modulare Bauweise des Gerätes, die den schnellen und problemlosen Austausch von Ein zelteilen gewährleistet.

Fig. 5 zeigt eine Aufsicht auf das Unterteil des Kalorimeters, welches sich im wesentlichen aus dem Kupferblock 13', dem Einsatz 13 und dem Isolationsmantel 20 zusammensetzt. Im Zentrum ist der bereits in Fig. 4 beschriebene Meßeinsatz 13 mit dem Plexieglasblock 14, dem Reaktorröhrchen 2 und der Präparationskammer 16 inklusive Dichtring 17 lokalisiert. Parallel zur oberen Bildkante verlaufen die Manipulationsvorrichtungen 3 und 3' in ihren Füh rungshülsen 18 und 18'. Zwischen ihren jeweils innenliegenden Enden ist das Meßobjekt befe stigt, an den anderen Enden dagegen die Verschraubungen 21 und 21', die elektrischen Ablei tungen 23 und 23' und die Mikrometerschrauben 24 und 24'. Die beiden auf der Wärmedämm schicht 20 verlaufenden Dichtungsringe 25 und 25' sorgen für den luftdichten Abschluß zwi schen Kalorimeterober- und -unterteil. Die Abdichtung der Führungshülsen gegen den Ple xieglasblock 14 geschieht mit Hilfe der O-Ringe 19 und 19', die des Reaktorröhrchens mit Hilfe der O-Ringe 15 und 15'. Der Eingang des Differenzverstärkers liegt an den Anschluß klemmen 10 und 10' an, welche sich im luftgefüllten Hohlraum 6' befinden. Die Versorgung des Reaktorröhrchens mit Meßflüssigkeit 5 erfolgt über die in Richtung der 4-Wegehähne 30 und 31 verlaufenden Zuleitungen, welche den Kupferblock 13 und den Plexieglasblock 14 durchqueren. Der Plexieglasblock 14 ist in eine schlitzförmige Aussparung des Kupferbocks 13 integriert und mit ihm gemeinsam als Einsatz herausnehmbar (siehe Fig. 4). Die Flüssigkeits- Zuleitungen sind dünnwandige Röhrchen aus rostfreiem Stahl, welche in Bohrungen dieses Einsatzes stecken. Sie münden in den luftgefüllten Hohlraum 6'', in welchem die beiden räum lich übereinander angeordneten 4-Wegehähne 30 und 31 installiert sind. Die beiden Hähne sind untereinander verbunden und besitzen zusammen sechs Aus- und Eingänge für Meßflüssigkeit (nicht gezeigt), welche mit den insgesamt sechs in den Hohlraum 6'' mündenden Zuleitungen verschaltet sind. Die Verbindungen sind in dieser Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Sie werden jedoch detailliert in Fig. 6 beschrieben, wo auch die Funktion der 4- Wegehähne mit ihren insgesamt vier Schaltstellungen im Detail erläutert wird.

Während des Meßbetriebs wird Flüssigkeit aus den Vorlagen 28 und 28' mit Hilfe der Pumpen 26 und 27 auf getrennten Wegen durch das Hahn- und Rohrleitungssystem des Kalorimeters gepumpt. Nur eine der beiden Flüssigkeiten wird jeweils dem Reaktorröhrchen zugeführt, wäh rend die andere das Kalorimeter ungenutzt durchläuft. Beim Betätigen des 4-Wegehahnes 31 ändert sich diese Situation und die zuvor ungenutzte Flüssigkeit fließt durch das Reaktor röhrchen, während erstere das Kalorimeter nun ungenutzt passiert (Vorlagenwechselvorrich tung). Ziel dieser Einrichtung ist, durch einfaches Umschalten des 4-Wegehahnes 31 einen schnellen und zuverlässigen (gasblasenfreien) Flüssigkeitswechsel im Reaktorröhrchen herbei zuführen. Die Verschaltung gewährleistet den kontinuierlichen, störungsfreien Meßbetrieb beim Wechsel der Vorlagen und spart darüberhinaus Meßzeit welche bei Verwendung nur einer Vorlage (und einer Pumpe) investiert werden müßte, um das Vorratsgefäß auszutauschen und die Meßflüssigkeit dem Reaktorröhrchen durch das gesamte Rohrleitungssystem erneut zuzuführen. Mit installierter Vorlagenwechselvorrichtung wird die jeweils als nächstes zu applizierende Meßflüssigkeit bereits während der aktuellen Messung durch das Kalorimeter gepumpt und im Bedarfsfall dem Reaktorröhrchen durch einfaches Hahnumschalten zugeführt. Durch Erhöhung der Zahl der Vorlagenwechselvorrichtungen läßt sich die Abfolge der in schnellem Wechsel applizierbaren Meßflüssigkeiten beliebig steigern. Auf diese Weise ist eine Automatisierung des Meßbetriebes bei beliebig komplexen Meßabläufen und im Hochdurch satz-Screening-Betrieb realisierbar.

Die Meßflüssigkeiten aus den Vorlagen 28 und 28' durchlaufen nach Eintritt ins Kalorimeter jeweils die Wärmetauscher 29 und 29', welche in horizontale Bohrungen des Kupferblocks 13' eingelassen sind und die durchströmende Meßflüssigkeit vor Eintritt in den 4-Wegehahn 31 (Vorlagenwechselvorrichtung) auf Thermostattemperatur bringen. Die Zuleitungen der Pum pen 26 und 27 und die Achsen der 4-Wegehähne 30 und 31 verlaufen ebenfalls in Bohrungen des Kupferblockthermostaten 13'.

Dem 4-Wegehahn 31 ist der 4-Wegehahn 30 nachgeschaltet. Durch seine Betätigung ändert die jeweils durch das Reaktorröhrchen strömende Meßflüssigkeit ihre Flußrichtung und die Temperatursenorzonen T₁ und T₂ ihre Funktionen (Richtungswechselvorrichtung, für Details siehe Fig. 1 und 6). Die Referenzmeßzone wird zur Meßzone und umgekehrt. Dies hat zur Folge, daß die vom Meßobjekt induzierte Thermospannung ihr Vorzeichen umkehrt und das Meßsignal in die entgegengesetzte Richtung ausschlägt. Da der Betrag des Spannungswertes jedoch unverändert bleibt, stellt das arithmetische Mittel der Spannungsdifferenz beider Flußrichtungen den Absolutwert der Wärmeemission-/absorption dar. Somit kann durch einfa ches Umkehren der Flußrichtung während der laufenden Messung sehr schnell und reversibel eine Absolutwertbestimmung durchgeführt werden. Voraussetzung dafür ist lediglich eine symmetrische Plazierung des Meßobjektes zwischen den Sensorzonen. Die Richtungswechsel vorrichtung erleichtert die Absoluteichung der Meßwerte während des Meßbetriebes und trägt durch regelmäßige Betätigung zur Erkennung von potentiellen Signaldrifts bei. Für ihre physi kalische Realisierung ist lediglich ein dem Reaktorröhrchen vorgeschalteter 4-Wegehahn erfor derlich.

Da die Pumpen 26 und 27 an die Flüssigkeitsausgänge des Kalorimeters angeschlossen sind, beruht der Flüssigkeitsdurchlauf auf Unterdruck (Sogbetrieb). Diese Art der Versorgung des Kalorimeters mit Meßflüssigkeit bietet im Vergleich zum Druckbetrieb (Pumpen zwischen Vorlage und Flüssigkeitseingang geschaltet) den Vorteil die Wege der Meßflüssigkeit von der Vorlage zum Reaktorröhrchen vergleichsweise kurz halten zu können (Wegfall der Pumpstrec ke). Dies ist von Bedeutung, wenn Reaktanden kinetisch instabil sind oder beim Pumpvorgang zu zerfallen oder aus der Flüssigkeit herauszudiffundieren drohen. Auch ohne solche Limitie rungen ist der Sog- dem Druckbetrieb jedoch aus Gründen der Zeitersparnis vorzuziehen. Werden mittels Schlauch- oder anderer Verbindungen die Ausgänge der Pumpen 26, 27 physi kalisch mit den Flüssigkeitseingängen des Kalorimeters verbunden, geht der offene Durchfluß betrieb in den geschlossenen Kreislaufbetrieb über. Diese Option kann genutzt werden, wenn sich eine Mehrfachverwendung der Meßflüssigkeit aus z. B. Preisgründen anbietet, der Ver brauch von Reaktanden und/oder die Akkumulation von Reaktionsprodukten in der Meßflüs sigkeit untersucht werden soll oder Reaktionen/Prozesse bis zur thermodynamischen Gleich gewichtseinstellung getrieben werden sollen.

In Fig. 6 ist im Vertikalschnitt dargestellt, wie die in Fig. 5 besprochenen 4-Wegehähne 30 und 31 an das Reaktorröhrchen 2, die Pumpen 26 und 27 und die Flüssigkeitszuleitungen der Vorlagen 28 und 28' angeschlossen sind. Jeder der Hähne kommt in zwei möglichen Schalt stellungen vor. Für zwei Hähne ergeben sich damit insgesamt vier mögliche Schaltkombinatio nen, welche in den Teilbildern I bis IV dargestellt sind.

Die Hähne besitzen jeweils ein in der Mitte befindliches Küken, welches je zwei Kanäle zur Verbindung der aus vier Richtungen eintretenden Bohrungen aufweist. An dem als Vorlagen wechselvorrichtung fungierenden Hahn 31 sind an gegenüberliegenden Seiten die Anschlüsse der Vorlagenflüssigkeiten 28 und 28' angebracht, während an dem als Richtungswechselvor richtung fungierenden Hahn 30 das Meßsystem mit dem Reaktorröhrchen angeschlossen ist. Da Pumpe 27 mit Hahn 30 verbunden ist und Pumpe 26 mit Hahn 31, hat jede der Pumpen ihre definierte Funktion und ist entweder ausschließlich für die Förderung der meßsystem-seitigen Flüssigkeit (Pumpe 27) oder die Förderung der meßsystem-bypassenden Flüssigkeit (Pumpe 26) zuständig. Aus diesem Grund steht es frei Pumpen unterschiedlicher Bauart für die beiden Aufgaben einzusetzen. Dabei sollte allerdings darauf geachtet werden, daß die meßsystem seitige Pumpe 27 den Anforderungen des Meßsystems bezüglich kontinuierlicher und gleich laufstabilisierter Förderleistung genügt. Pumpe 26 braucht in dieser Hinsicht dagegen nur ge ringen Anforderungen zu genügen.

In den Teilbildern I und II ist Hahn 31 so geschaltet, daß die Flüssigkeit aus Vorlage 28 (über den Wärmetauscher 29, siehe Fig. 5) in Hahn 30 und das Reaktorröhrchen strömt, während die Flüssigkeit aus Vorlage 28' (über den Wärmetauscher 29', siehe Fig. 5) Hahn 31 durchquert und von Pumpe 26 wieder aus dem Kalorimeter hinausbefördert wird. Nach dem Umschalten von Hahn 31 gelangen wir von Teilbild I zu Teilbild III und von Teilbild II zu Teilbild IV. Hier gelangt die Flüssigkeit aus Vorlage 28' ins Reaktorröhrchen, während die Vorlagenflüssigkeit 28 das Kalorimeter wieder ungenutzt verläßt.

In den Teilbildern I und III ist Hahn 30 so geschaltet, daß die von Hahn 31 einströmende Flüs sigkeit das Meßsystem von links nach rechts durchströmt und die Temperatursensorzonen T₁ und T₂ in gewohnter Richtung (siehe Fig. 1, 2, 3) orientiert sind. Nach dem Umschalten von Hahn 30 gelangen wir von Teilbild I zu Teilbild II und von Teilbild III zu Teilbild IV. Hier ändert sich die Flußrichtung der durch die Meßeinheit strömenden Flüssigkeit, wodurch die Temperatursensorzonen ihre Funktion wechseln und sich das Vorzeichen der vom Meßobjekt verursachten Thermospannung umkehrt. Die Eignung dieses Effektes für die Eichung der aktu ellen Messung wurde bereits an anderer Stelle diskutiert (Fig. 3, 5).

Sollen zusätzlich zur Wärmemessung weitere Meßparameter wie z. B. der Reaktandenver brauch ermittelt werden, bietet sich an die dazu nötigen Meßvorrichtungen (z. B. Glukose- oder Sauerstoffelektroden) in das Flüssigkeitsleitsystem zwischen Hahn 30 und das Reaktor röhrchen 2 zu integrieren. In Abhängigkeit von Art und Genauigkeit der zu bestimmenden Meßparameter ist dabei freigestellt die Zusatzvorrichtung als Einzelmeßsystem (Installation einer Meßvorrichtung flußabwärts vom Reaktorröhrchen) oder als Differenzmeßsystem (Installation von zwei Meßvorrichtungen flußaufwärts und flußabwärts vom Reaktorröhrchen) auszulegen. Die Installation der Systeme im Kalorimeterinneren zwischen Hahn 30 und dem Reaktorröhrchen bietet den Vorteil die Meßvorrichtungen in einem homogenen Temperatur feld plazieren zu können und gleichzeitig für elektromagnetische Abschirmung durch den um gebenden Kupferblock gesorgt zu haben. Bietet das Kalorimeterinnere aufgrund der Dimensio nierung der Zusatzmeßsysteme keinen ausreichenden Platz oder sind die Anforderungen an die Temperaturhomogenität der Meßumgebung und/oder die elektromagnetische Abschirmung nicht besonders hoch, sollten die Zusatzvorrichtungen einfach außerhalb des Kalorimeters in die entsprechenden Flüssigkeitsleitungen (z. B. zwischen Pumpe 27 und Kalorimeterausgang der Meßflüssigkeit) integriert werden. Der Vorteil dieser vergleichsweise einfachen Installation wird dann allerdings mit dem Nachteil einer kleineren Zeitkonstante für die Zusatzmeßvor richtung erkauft. Die thermische und zeitliche Auflösung der Wärmedetektionseinheit ändert sich durch Installation der Zusatzvorrichtungen nicht, sofern diese nicht den kontinuierlichen Flüssigkeitsdurchlauf blockieren.

In Fig. 7a und 7b ist an zwei biologischen Anwendungsbeispielen die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kalorimeters gezeigt. Das Kalorimeter wurde über ein wasserführendes Rohrleitungssystem temperiert, welches den oberen und unteren Teil des Kupferblockmantels (13' und 13'') vollständig umschließt. Die Zuleitung des temperierten Wassers erfolgte aus einem wärmeisolierten Wasserbad, das mittels eines handelsüblichen Laborthermostaten (Toleranz ±0,01°C) auf 37°C temperiert wurde. Als Meßeinheit wurde das in Fig. 2 darge stellte Reaktorröhrchen mit 24 Thermokontaktstellen verwendet. Als Meßobjekte dienen zylin drisch geformte Gewebeproben aus Meerschweinchenherzen (Trabekel). Sie bestehen fast voll ständig aus Herzmuskelzellen und besitzen Trockenmassen von weniger als 100 µg (94 µg in Fig. 7a und 19 µg in Fig. 7b). Die Gewebeproben wurden unmittelbar nach der Entnahme in physiologische Salzlösung überführt und in der Präparationskammer 16 mit Hilfe von Nylonfä den an den Ösen der Manipulationsvorrichtungen 3 und 3' befestigt. Das Präparat wurde in das Reaktorröhrchen gezogen und mit Hilfe der Mikrometerschrauben 24 und 24' zwischen den Temperatursensorzonen T₁ und T₂ zentriert. Nach dem Schließen der Präparationskammer wurden die Pumpen in Betrieb genommen und das Reaktorröhrchen inklusive Meßobjekt mit physiologischer Salzlösung (= Meßlösung) perfundiert.

Die Meßlösung (wäßrig) ist zusammengesetzt aus
116 mM NaCl, 5 mM KCl, 2 mM CaCl₂, 0,8 mM MgCl₂, 24 mM NaHCO₃, 1 mM NaH₂CO₃, 5 mM Na-Pyruvat, gesättigt mit Carbogen (95% O₂/5% CO₂) bei 37°C, pH 7,4.

Durch Aufsetzen des Oberteils 13'' wird das Kalorimeter geschlossen und nach einer Equili brierungszeit von 10 Minuten die Thermospannung gemessen. Das vom Differenzverstärker ausgegebene Analogsignal wird auf einem Personalcomputer über eine A/D-Wandler- Einsteckmeßkarte mit einer Sample-Rate von 2 Hz digitalisiert. Im Anschluß erfolgt eine pro grammgesteuerte Verarbeitung der Daten zur Berechnung der in Gleichung [III] angegebenen Wärmemenge Q. Das Resultat wird on-line auf einem Ausgabemedium (Monitor) dargestellt und parallel auf Festplatte gesichert. Die berechneten Wärmeleistungen entsprechen dabei den in den Figuren gezeigten Meßspuren.

Das Herzmuskelpräparat aus Fig. 7a emittiert im Ruhezustand kontinuierlich Wärme mit einer Leistung von ungefähr 10 µW. Bei Entzug von Sauerstoff geht die Stoffwechselaktivität innerhalb von sechs Minuten auf ein zwanzigstel des ursprünglichen Wertes zurück. Die Mus kelzellen nehmen durch diesen metabolischen Eingriff offenbar keinen Schaden, denn nach der Re-Applikation von Sauerstoff wird nach einer Minute das ursprüngliche Leistungsniveau von 10 µW wieder erreicht und auch gehalten. Technisch wird der Sauerstoffentzug realisiert, in dem eine der Vorlagen mit Carbogen (28) und die andere mit einem 95%-Stickstoff- 5%- Kohlendioxid-Gasgemisch (28') gesättigt wird. Wenn beide Pumpen (26 und 27) angeschlos sen sind und die Meßlösungen durch die Wärmetauscher 29 und 29' strömen, kann durch Be tätigen der Vorlagenwechselvorrichtung (Hahn 31) beliebig oft zwischen den Lösungen ge wechselt werden ohne im Meßverlauf eine Störung zu induzieren. Im weiteren Verlauf des Experimentes wird die Meßlösung für die Zeitdauer des Applikationsbalkens gegen ein substratfreies Medium ausgetauscht, welches 5 mM NaCl anstatt 5 mM Na-Pyruvat enthält. Die Herzmuskelzellen reagieren unter diesen Bedingungen langsamer auf den metabolischen Eingriff als bei dem zuvor erfolgten O₂-Entzug. Nach sechsminütigem Substratentzug sind noch 30% der Stoffwechselaktivität vorhanden. Im Gegensatz zum Sauerstoffentzug vermag das Gewebe dem aufgezwungenen Nährstoffmangel offenbar durch endogene Substratversor gung zu begegnen. Ein weiterer Unterschied zur Anoxie ist die bei Substratentzug länger wäh rende Phase der Erholung. Als Interpretation bietet sich an, daß bei Nährstoffmangel eine um fassendere und daher langsamer rückgängig zu machende metabolische Anpassung erfolgt, als bei Sauerstoffmangel.

Aus der Breite der Meßspur wird deutlich, daß thermische Signale im Sub-Mikrowattbereich problemlos aufgelöst werden (Auflösung ca. 0,05 µW). Gleichzeitig ist unter den hier gegebe nen Voraussetzungen (420 µm Durchmesser und 2,9 mm Länge des Meßobjektes) die Zeit konstante des Meßsystems so klein (t_(90%) ∼ 2 s), daß für die Auflösung der gezeigten Kinetiken meßtechnisch keine Limitierung besteht. Darüberhinaus zeigt die Figur, daß bei einmal instal liertem Meßobjekt - im Gegensatz zu herkömmlichen Kalorimetern - Reaktionsabläufe beliebig oft wiederholt und durch Auswaschen von Reaktanden oder Wirkstoffen auch wieder rück gängig gemacht werden können, wodurch die Kontinuität der Wärmedetektion nicht beein trächtigt wird.

Noch deutlicher ist dies in Fig. 7b demonstriert. Zur Vorbereitung der kalorimetrischen Mes sung wurde hier genauso verfahren wie in Fig. 7a beschrieben. Als Meßobjekt diente eine Probe Herzgewebe von 19 µg Trockenmasse. Im Ruhezustand zeigt das Präparat eine Wärme produktionsrate von 1,6 µW. Wird es dagegen elektrisch stimuliert (unausgefüllte Rechtecke), beginnt es zu kontrahieren und die Wärmeemissionsrate steigt unter Kontrollbedingungen (37°C, Carbogen begaste Meßlösung) innerhalb von 90 Sekunden um 100% auf 3,2 µW an. Während der elektrischen Stimulation werden Rechteckpulse von 0,4 ms Dauer und 1,2 V Spannung mit einer Frequenz von 2 Hz über die elektrischen Anschlüsse 23 und 23' auf die Manipulationsvorrichtungen 3 und 3' und somit auf Perfusat und Präparat gegeben. Das Präpa rat wurde vor Meßbeginn mechanisch so stark gespannt, daß die Kontraktionen des Herzmus kels isometrisch erfolgen und die gesamte für die Muskelkontraktion erzeugte Energie als Wärme frei wird und nicht als mechanische Arbeit meßtechnisch verlorengeht. Die visuelle Kontrolle des Spannvorganges erfolgte dabei über das Endoskop 32. Die Wärmeemission einer einzelnen Kontraktion kann bei einem Präparat dieser Größe (180 µm Durchmesser, 3,2 mm Länge) und einer Stimulationsfrequenz und Sample-Rate von 2 Hz nicht mehr aufgelöst wer den, doch ist unter günstigeren Voraussetzungen (dickeres Präparat, schnellere Sample-Rate) eine vollständige Einzelpeak-Auflösung bis zu Frequenzen von 0,8 Hz (!) möglich. Nach dem Abschalten der elektrischen Stimulation hört das Präparat sofort auf zu kontrahieren und die Wärmeemission fällt schlagartig auf das Niveau des Ruhezustandes zurück. Nach ca. drei Mi nuten wird mittels der Vorlagenwechselvorrichtung eine Meßlösung appliziert, die den herzak tiven Wirkstoff (+)-(5-(1-(3,4-dimethoxybenzoyl)-1,2,3 ,4-tetrahydro-6-quinoyl)-6-methyl-3 ,6- dihydro-2H-1,3,4-thiadiazin-2-on) in einer Konzentration von 4 µM enthält. Dabei ist ersicht lich, daß die Wärmeemission im Ruhezustand des Muskels nicht beeinflußt wird. Bei elektri scher Stimulation des Muskels in Gegenwart des Wirkstoffes ist dagegen ein deutlicher Unter schied zur Stimulation unter Kontrollbedingungen feststellbar. Die Wärmeproduktionsrate steigt auf 4 µW an und hat damit im Vergleich zum Ruhezustand eine 150%-ige Steigerung erfahren (unter Kontrollbedingungen lediglich 100%-ige Zunahme). Diese wirkstoffinduzierte Zunahme der kontraktionsabhängigen Wärmeproduktion ist konzentrationsabhängig, denn bei Verdoppelung der Wirkstoffkonzentration auf 8 µM steigt auch die kontraktionsabhängige Wärmeproduktion weiter an (um 190%), während die Wärmeemission im Ruhezustand nach wie vor bei 1,6 µW bleibt. Die Ursache für dieses Verhalten ist der applizierte Wirkstoff, der als Vertreter der sogenannten Ca-Sensitizer bei Herzinsuffizienz verabreicht wird und die Kontraktionskraft des Herzmuskels steigert. Das Experiment belegt, daß der kontraktionsab hängige Metabolismus durch das Medikament tatsächlich sehr spezifisch stimuliert wird. Im letzten Abschnitt des Versuches wird der Wirkstoff für die Dauer von 20 Minuten mit Meßlö sung ausgewaschen und ein erneutes Stimulationsexperiment unter Kontrollbedingungen durchgeführt. Der Rückgang der kontraktionsabhängigen Wärmeproduktion auf das Anfangs niveau zeigt, daß die in Gegenwart des Wirkstoffes gefundenen Steigerungen tatsächlich mit dem Wirkstoff in Zusammenhang stehen und nicht auf zeitabhängige oder andere Effekte zu rückzuführen sind.

Bei der elektrischen Stimulation des Präparates wird Leistung von außen in das Meßsystem eingespeist. Um den Beitrag dieser nicht-stoffwechselabhängigen Wärmemenge an der unter Kontraktionsbedingungen detektierten Wärmeproduktion zu bestimmen, wurde das Präparat am Ende des Experimentes mit KCN vergiftet (Wärmeemission = Null, nicht gezeigt) und er neut mit einer Frequenz von 2 Hz, einer Pulsdauer von 0,4 ms und einer Spannung von 1,2 V elektrisch stimuliert. Dabei zeigte sich ein am Rand der thermischen Auflösung liegendes Wär mesignal in der Größenordnung von 0,05 µW.

Bezugszeichenliste

T₁

Temperatursensorzone

1

, eine Referenzmeßstelle
T₂

Temperatursensorzone

2

, eine Meßstelle

1

ein Meßobjekt

2

ein dünnwandiges Reaktorröhrchen aus Glas

3

,

3

' zwei horizonal bewegliche Drähte aus Platin zum Einbringen, Befestigen, Positionieren und elektrischen Stimulieren des Meßobjektes

1

4

eine Flüssigkeit, die in das Kalorimeter, aber nicht durch das Reaktorröhrchen

2

fließt (für Strömungsrichtung siehe Pfeil)

5

eine Flüssigkeit, die durch das Reaktorröhrchen

2

fließt (Meßflüssigkeit, für Strömungsrich tung siehe Pfeil)

6

einen luftgefüllten Hohlraum in Umgebung der zentralen Meßeinheit

6

' einen luftgefüllten Hohlraum in Umgebung der Differenzverstärker-Anschlüsse

10

und

10

'

6

'' einen luftgefüllten Hohlraum in Umgebung der Anschlüsse für das Reaktorröhrchen

2

, die Pumpen

26

und

27

, die Hähne

30

und

31

und die Wärmetauscher

29

,

29

'

7

einen Thermoelementdraht aus Chromel

8

einen Thermoelementdraht aus Konstantan

9

,

9

',

9

'',

9

''' vier Berührungspunkte (Thermokontaktstellen) zwischen den Chromel- und den Konstantandrähten

10

,

10

' die beiden Enden der Thermoelement-Serienschaltung (Meßschleife) und gleichzeitig die beiden Anschlüsse des Differenzverstärkers

11

eine Halterung für das Reaktorröhrchen

2

12

eine Zehnpfennig-Münze

13

einen scheibenförmigen Einsatz aus Kupfer mit schlitzförmiger Aussparung zur Aufnahme des Plexieglasblocks

14

13

' einen zur unteren Kalorimeterhälfte gehörenden Metallblockthermostaten aus Kupfer

13

'' einen zur oberen Kalorimeterhälfte gehörenden Metallblockthermostaten aus Kupfer

14

einen mit Bohrungen versehenen Block aus Plexieglas zur Aufnahme der zentralen Meßein heit mit deren Zu- und Ableitungen, sowie der mechanischen Manipulationsdrähte und der elektrischen Anschlüsse

15

,

15

' zwei O-Ring-Dichtungen zwischen dem Reaktorröhrchen

2

und dem Plexiglasblock

14

16

eine Proben-Präparationskammer mit dem verschließbarem Stopfen

22

17

eine O-Ring-Dichtung zwischen der Proben-Präparationskammer

16

und dem Verschluß stopfen

22

18

,

18

' zwei Führungshülsen für die beweglichen Manipulationsvorrichtungen

3

und

3

'

19

,

19

' zwei O-Ring-Dichtungen zur Abdichtung der Führungshülsen

18

und

18

' gegen den Plexiglasblock

14

und den Metallblockthermostaten

13

'

20

ein zur unteren Kaiorimeterhälfte gehörender Mantel aus wärmedämmendem Material

20

' ein zur oberen Kalorimeterhälfte gehörender Mantel aus wärmedämmendem Material

21

,

21

' zwei Verschraubungen mit O-Ring-Dichtungen zur Abdichtung der beweglichen Mani pulationsdrähte

3

und

3

' gegen die Führungshülsen

18

und

18

'

22

einen Verschlußstopfen der Proben-Präparationskammer

16

23

,

23

' zwei elektrische Anschlüsse der Spannungsquelle, die zur elektrischen Ansteuerung des Meßobjektes dient

24

,

24

' zwei Mikrometerschrauben zur horizontalen Auslenkung der Manipulationsdrähte

3

und

3

'

25

,

25

' zwei O-Ring-Dichtungen zwischen der oberen und unteren Kalorimeterhälfte

26

eine Pumpe, die die Vorlagenflüssigkeit

4

durch das Kalorimeter pumpt, welche nicht durch das Reaktorröhrchen fließt

27

eine Präzisionspumpe, die die Meßflüssigkeit

5

durch das Reaktorröhrchen pumpt

28

,

28

' zwei Vorratsgefäße für Füßigkeiten (Vorlagen)

29

,

29

' zwei im Metallblockthermostaten

13

' integrierte Wärmetauscher zur Temperierung der Flüssigkeiten aus Vorlage

28

und

28

'

30

(durchgezogene Linie) ein 4-Wegehahn zur Umkehr der Strömungsrichtung der durch das Reaktorröhrchen fließenden Meßfüssigkeit

5

(Richtungswechselvorrichtung, für Schaltbild siehe

Fig.

6

)

31

(gepunktete Linie) ein räumlich unter

30

lokalisierter 4-Wegehahn zum Wechsel der durch das Reaktorröhrchen fließenden Flüssigkeit aus Vorlage

28

oder

28

' (Vorlagenwechselvorrich tung, für Schaltbild siehe

Fig.

6

)

32

ein in der oberen Kalorimeterhälfte integriertes starres Endoskop mit Fokus auf das Zen trum des Reaktorröhrchens

2

33

einen Lichtleiter für das Endoskop

32

34

eine Verschraubung zwischen dem Endoskop

32

und dem Lichtleiter

33

35

eine O-Ring-Dichtung zwischen dem Endoskop

32

und dem Metallblockthermostaten

13

''

36

einen Anschlag für das Endoskop

32

Claims

1. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter zur Bestimmung der Wärmeemission oder Wärmeabsorption eines Meßobjektes, dadurch gekennzeichnet, daß es ein permanent von einer Flüssigkeit durchströmtes und das Meßobjekt aufnehmendes Reaktorröhrchen aufweist, an dem an einer bezüglich der Flußrichtung der Flüssigkeit flußaufwärts und einer flußabwärts vom Meßobjekt gelegenen Stelle je mindestens eine Temperatursensorzone angebracht ist, die je mindestens zwei an dem Reaktorröhrchen befestigte Thermokontaktstellen aufweist, wobei die einzelnen Thermokontaktstellen so miteinander zu Thermoelementen verschaltet sind, daß sie eine der Temperaturdifferenz zwischen den flußaufwärts und flußabwärts gelegenen Tem peratursensorzonen entsprechende elektrische Spannung erzeugen.

2. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Temperatursensorzone mehrere Thermokontaktstellen auf weist.

3. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Thermokontaktstellen einer Temperatursensorzone in ringförmiger Anordnung längs des äußeren Umfangs des Reaktorröhrchens mit identischen Abständen zueinander angeordnet sind.

4. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermokontaktstellen der beiden Temperatursensorzonen so miteinander in Serie geschaltet sind, daß jeweils zwei in der Serienschaltung unmittelbar auf einander folgende Thermokontaktstellen ein Thermoelement bilden, dessen Thermokontakt stellen sich in unterschiedlichen Temperatursensorzonen befinden.

5. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung der Thermoelemente durch alternierende Verknüpfung von Chromel- mit Konstantandrähten entsteht, wobei die Berührungspunkte der beiden Materialien die Thermokontaktstellen bilden.

6. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermokontaktstellen einer Temperatursensorzone mit einer Häufigkeit von mindestens zwei Thermokontaktstellen pro Millimeter Röhrchenumfang auf treten.

7. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorröhrchen Glas oder einen anderen transparenten Feststoff enthält.

8. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Reaktorröhrchen mit den Thermoelementen im Inneren eines luftgefüllten Hohlraumes befindet, der vollständig von einem Metallblockthermostaten eingeschlossen wird.

9. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallblockthermostat aus mindestens zwei Teilen besteht und zumindest teilweise Kupfer, Silber oder eine Mischung/Legierung der beiden Metalle ent hält.

10. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Endoskop mit Brennpunkt auf das Reaktorröhrchen so durch den Metallblockthermostaten geführt ist, daß der über das Endoskop mit der Umgebung erfol gende Wärmeaustausch die Temperaturmessung nicht beeinträchtigt.

11. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Wärmeübertragung dienende Flüssigkeit mit konstanter Flußrate kontinuierlich durch das Reaktorröhrchen gepumpt wird.

12. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Vorrichtung zum mechanischen Manipulieren so angeordnet ist, daß das Meßobjekt durch sie in das Reaktorröhrchen einbringbar, positionier bar, verschiebbar und spannbar ist.

13. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Zeitpunkt der Temperaturmessung eine den Wärme emissions-Nullpunkt des Meßobjektes festlegende Referenz-Thermospannung auftritt, wenn ein Meßobjekt mit Hilfe der mechanischen Manipulatoren aus dem Meßbereich der Tempera tursensorzonen bewegt wird.

14. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei von außen zugängliche Elektroden installiert sind, welche mit dem Meßobjekt und/oder der Meßlösung so in Kontakt stehen, daß Meßob jekt und/oder Meßlösung über die Elektroden elektrisch ansteuerbar sind.

15. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Richtungsumkehr der durch das Reaktor röhrchen strömenden Flüssigkeit so angeordnet ist, daß die vom Meßobjekt verursachte Ther mospannung ihr Vorzeichen bei Betätigung der Vorrichtung ändert (Richtungswechselvorrichtung).

16. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Vorrichtung zum Wechsel der durch das Reak torröhrchen strömenden Flüssigkeit so angeordnet ist, daß der kontinuierliche Meßablauf bei Betätigung der Vorrichtung nicht gestört wird (Vorlagenwechselvorrichtung).

17. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei separate Wärmetauscher so angeordnet sind, daß die durch sie aus unterschiedlichen Vorlagen in das Kalorimeterinnere strömenden Flüssig keiten auf Thermostattemperatur temperiert werden bevor sie die Vorlagenwechselvorrichtung erreichen.

18. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalorimeter vom offenen Durchfluß- auf den geschlossenen Kreislaufbetrieb umschaltbar ist.

19. Hochauflösendes Mikroreaktionskalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalorimeter modular konstruiert ist, so daß die zentrale Meßeinheit mit dem Reaktorröhrchen und den Thermoelementen durch Lösen von Schraub- und Steckverbindungen sehr einfach austauschbar ist.

20. Verwendung des hochauflösenden Mikroreaktionskalorimeters gemäß den Ansprüchen 1 bis 19 zur Bestimmung von Stoffwechsel- und Katalysatoraktivitäten, Reaktions-, Bindungs-, Ad- und Absorptions-, Umwandlungs- und Transportwärmen und deren zeitlichen Verläufen in biologischen, chemischen, biochemischen, molekularbiologischen und physikalischen Syste men.