RU211395U1

RU211395U1 - UNIVERSAL PLATFORM FOR COMBINED IN SITU MEASUREMENTS OF THERMOPHYSICAL, SPECTROSCOPIC AND STRUCTURAL PARAMETERS OF A SAMPLE

Info

Publication number: RU211395U1
Application number: RU2021139547U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Анатольевич Иванов; Алексей Андреевич Пирязев; Азалия Финарисовна Ахкямова; Евгений Вадимович Комов; Полина Владимировна Бовсуновская
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Заявляемая полезная модель относится к научному приборостроению и может быть использована при проведении измерений теплофизических и спектроскопических свойств образца методами сверхбыстрой калориметрии на чипе и рамановской микроскопии в режиме реального времени. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой универсальной платформы, заключается в упрощении ее конструкции, в том числе за счет использования полимерных материалов для изготовления платформы, а также использования методов 3D-печати для ее изготовления. Заявленный технический результат достигается тем, что в конструкции универсальной платформы, предназначенной для проведения комбинированных in situ теплофизических, спектроскопических и структурных исследований параметров образца, включающей основу, на которой закреплен коннектор с нанокалориметрическим сенсором, основа платформы представляет собой полимерную гибкую пластину, в центральной части которой выполнено утолщение с выемкой для предварительной фиксации и центрирования коннектора с нанокалориметрическим сенсором, при этом коннектор установлен перпендикулярно плоскости основы, выполнен съемным в виде пластины со сквозным отверстием, посредством которого обеспечивают доступ к активной области нанокалориметрического сенсора. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

The claimed utility model relates to scientific instrumentation and can be used when measuring the thermophysical and spectroscopic properties of a sample using ultrafast on-chip calorimetry and real-time Raman microscopy. The technical result achieved when using the proposed universal platform is to simplify its design, including through the use of polymeric materials for the manufacture of the platform, as well as the use of 3D printing methods for its manufacture. The claimed technical result is achieved by the fact that in the design of a universal platform designed for combined in situ thermophysical, spectroscopic and structural studies of sample parameters, including a base on which a connector with a nanocalorimetric sensor is fixed, the base of the platform is a flexible polymer plate, in the central part of which a thickening with a recess for preliminary fixation and centering of the connector with a nanocalorimetric sensor is made, while the connector is installed perpendicular to the plane of the base, made removable in the form of a plate with a through hole, through which access to the active area of the nanocalorimetric sensor is provided. 8 w.p. f-ly, 9 ill.

Description

Область техникиTechnical field

Заявляемая полезная модель относится к научному приборостроению и может быть использована при проведении измерений теплофизических и спектроскопических свойств образца методами сверхбыстрой калориметрии на чипе и рамановской микроскопии в режиме реального времени. Платформа предназначена для проведения in-situ исследований материалов различного типа, например, на рамановских микроскопах и рентгеновских дифрактометрах, оборудованных XYZ подвижными столиками для размещения заявляемой платформы. Кроме того, данная платформа позволяет проводить любую комбинацию исследования свойств образцов методами рентгеновской дифракции, рамановской спектроскопии и нанокалориметрии.The claimed utility model relates to scientific instrumentation and can be used when measuring the thermophysical and spectroscopic properties of a sample using ultrafast on-chip calorimetry and real-time Raman microscopy. The platform is designed for in-situ studies of materials of various types, for example, on Raman microscopes and X-ray diffractometers equipped with XYZ movable tables to accommodate the proposed platform. In addition, this platform allows you to conduct any combination of studying the properties of samples using X-ray diffraction, Raman spectroscopy and nanocalorimetry.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны технические решения, раскрывающие блоки держателей сенсоров для сверхбыстрой калориметрии на чипе, (далее нанокалориметрических сенсоров), обеспечивающие жесткую фиксацию нанокалориметрического сенсора. Известные держатели имеют значительные отличия от разработанной платформы. Конструктивно наличие двухсенсорной системы значительно усложняет схему эксперимента и сужает рабочую область, что ограничивает возможное совмещение с устройствами в условиях ограниченного пространства. Материалы, из которых, как правило, изготавливается такой держатель, значительно увеличивают временные и денежные затраты при проведении исследований (патент RU 2646953 C1).Technical solutions are known from the prior art that reveal blocks of sensor holders for ultrafast calorimetry on a chip (hereinafter referred to as nanocalorimetric sensors) that provide rigid fixation of the nanocalorimetric sensor. Known holders have significant differences from the developed platform. Structurally, the presence of a two-sensor system significantly complicates the experimental design and narrows the working area, which limits the possible combination with devices in a limited space. The materials from which, as a rule, such a holder is made, significantly increase the time and money costs during research (patent RU 2646953 C1).

Так, из патента RU 2620029 С1 известен блок держателей нанокалориметрических сенсоров, представляющий собой пластину коннектора из инертного материала, выполненную с возможностью жесткого пространственного крепления электрической платы, обеспечивающей переход от 20-контактного разъема держателя нанокалориметрического сенсора к 25-контактному разъему D-Sub блока управления нанокалориметра, а также разъема для подключения второго эталонного нанокалориметрического сенсора, используемого при снятии базовой линии. So, from patent RU 2620029 C1, a block of holders of nanocalorimetric sensors is known, which is a connector plate made of an inert material, made with the possibility of rigid spatial fastening of an electric board that provides a transition from a 20-pin connector of the nanocalorimetric sensor holder to a 25-pin D-Sub connector of the control unit nanocalorimeter, as well as a connector for connecting the second reference nanocalorimetric sensor used when removing the baseline.

Однако в таких измерениях необходимо использование дополнительного эталонного сенсора и, как следствие, дополнительного слота для него, что сильно ограничивает рабочую область эксперимента. Кроме того, ввиду конструктивных особенностей известного блока держателей, отсутствует возможность его использования в рамках совмещения нескольких аналитических методов. Поскольку данный блок представляет собой коннектор и держатель с двумя сенсорами, электронная плата коннектора имеет значительные размеры и встроена в металлическую рамку. Такое расположение и используемые материалы требуют дополнительных временных затрат для создания конструкции. However, in such measurements it is necessary to use an additional reference sensor and, as a result, an additional slot for it, which greatly limits the working area of the experiment. In addition, due to the design features of the known block of holders, there is no possibility of its use in the framework of combining several analytical methods. Since this unit is a connector and holder with two sensors, the connector's electronic board is of considerable size and is built into a metal frame. Such an arrangement and the materials used require additional time to create a structure.

Ввиду конструктивной сложности известный блок держателей обладает существенной стоимостью и не имеет возможности адаптации к различным типам микроскопов. Кроме того, известный из данной установки блок также подразумевает слот для эталонного сенсора, что увеличивает его габариты.Due to the structural complexity of the known block of holders has a significant cost and does not have the ability to adapt to different types of microscopes. In addition, the block known from this installation also includes a slot for a reference sensor, which increases its dimensions.

Из патента RU 2646953 известен держатель нанокалориметрического сенсора для измерения теплофизических параметров образца, а также структуры и свойств его поверхности дает возможность проведения экспериментов с одновременным использованием данных методов, что позволяет проводить in-situ исследования структуры и свойств поверхности, а также теплофизических свойств материалов различного типа с возможностью одновременного снятия базовой линии. Устройство представляет собой приставку к сканирующей головке атомно-силового микроскопа, совмещенную с прецизионным XY столиком. From patent RU 2646953, a holder of a nanocalorimetric sensor for measuring the thermophysical parameters of a sample, as well as the structure and properties of its surface, makes it possible to conduct experiments with the simultaneous use of these methods, which allows in-situ studies of the structure and properties of the surface, as well as the thermophysical properties of materials of various types. with the possibility of simultaneous removal of the baseline. The device is an attachment to the scanning head of an atomic force microscope, combined with a precision XY stage.

Основными недостатками данной системы является конструкционная сложность в реализации применяемой приставки держателя. Кроме того, не учитывается вибрационная активность на сенсоре в процессе эксперимента.The main disadvantages of this system is the structural complexity in the implementation of the used attachment holder. In addition, the vibrational activity on the sensor during the experiment is not taken into account.

Из патента RU 2593209 известен блок держателя нанокалориметрического сенсора, предназначенный для размещения в дифрактометре на X-Y-Z движителе (столике), дает возможность проведения экспериментов с одновременным использованием данных методов, что позволяет проводить in-situ исследования структуры и теплофизических свойств материалов различного типа. Держатель представляет собой пластину из инертного материала, на которой есть возможность жесткого пространственного крепления электрической платы, обеспечивающей переход от 20-контактного разъема держателя нанокалориметрического сенсора к 25-контактному разъему D-Sub блока управления нанокалориметра. From patent RU 2593209, a nanocalorimetric sensor holder block is known, designed to be placed in a diffractometer on an X-Y-Z mover (table), which makes it possible to conduct experiments with the simultaneous use of these methods, which allows in-situ studies of the structure and thermophysical properties of materials of various types. The holder is a plate made of an inert material, on which there is a possibility of rigid spatial fastening of an electric board that provides a transition from the 20-pin connector of the nanocalorimetric sensor holder to the 25-pin D-Sub connector of the nanocalorimeter control unit.

Основными недостатками известного держателя являются технологическая сложность изготовления, а также его массивность, ввиду использования металлических составляющих.The main disadvantages of the known holder are the technological complexity of manufacturing, as well as its massiveness, due to the use of metal components.

Известно совмещение каждого из методов исследования с другими физико-химическими методами. Например, методов нанокалориметрии и оптической микроскопии, рамановской микроскопии и атомно-силовой микроскопии (патент US 20020105641 A1). It is known to combine each of the research methods with other physicochemical methods. For example, methods of nanocalorimetry and optical microscopy, Raman microscopy and atomic force microscopy (patent US 20020105641 A1).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является решение держателя, раскрытого при описании изобретения по патенту US 10060804 B2. Известный держатель, фиксирующий нанокалориметрический чип, используется при реализации совмещения метода нанокалориметрии и различных методов спектроскопических исследований, предусматривающих использование держателя образца. Конструкция держателя выполнена металлической, с дополнительным усложнением в виде системы охлаждения. Изготовление такой системы занимает длительное время, требует специальных навыков и материалов, увеличивает стоимость держателя.The closest in technical essence to the claimed utility model is the holder solution disclosed in the description of the invention according to US patent 10060804 B2. The well-known holder that fixes the nanocalorimetric chip is used in the implementation of the combination of the nanocalorimetry method and various methods of spectroscopic studies that involve the use of a sample holder. The design of the holder is made of metal, with an additional complication in the form of a cooling system. The manufacture of such a system takes a long time, requires special skills and materials, and increases the cost of the holder.

Кроме того, конструкция ближайшего аналога предусматривает наличие двух чипов - эталонного и чипа с образцом. Таким образом, велика вероятность погрешностей эксперимента, так как чипы могут быть из различных партий и, соответственно, незначительно, но все же отличаться один от другого. Кроме того, конструкция известного держателя выполнена закрытой, то есть не может быть использована при необходимости совмещения с другими методами.In addition, the design of the closest analogue provides for the presence of two chips - a reference chip and a chip with a sample. Thus, the probability of experimental errors is high, since the chips can be from different batches and, accordingly, slightly, but still differ from one another. In addition, the design of the known holder is made closed, that is, it cannot be used, if necessary, to be combined with other methods.

Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемой полезной модели, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих приведенным выше аналогам и прототипу, за счет создания универсальной платформы для размещения образцов, который может быть использован при проведении исследований материалов как методами сверхбыстрой калориметрии на чипе, так и рамановской микроскопии в режиме реального времени, и более того, может быть адаптирован под любую комбинированную систему нанокалориметра и рамановского микроскопа, что открывает широкие возможности в его применении и дальнейшей интеграции с другими методами.Thus, the technical problem solved by the claimed utility model is the need to overcome the shortcomings inherent in the above analogues and the prototype, by creating a universal platform for placing samples, which can be used in the study of materials both by ultrafast calorimetry on a chip, and and Raman microscopy in real time, and moreover, can be adapted to any combined system of nanocalorimeter and Raman microscope, which opens up wide possibilities in its application and further integration with other methods.

Краткое раскрытие сущности полезной моделиBrief disclosure of the essence of the utility model

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой универсальной платформы, заключается в упрощении ее конструкции, в том числе за счет использования полимерных материалов для изготовления платформы, а также использования методов 3D-печати для ее изготовления. К техническим преимуществам заявляемого устройства относится также уменьшение массы устройства, в том числе, за счет использования полимерных материалов. Кроме того, использование платформы предусматривает отказ от двухсенсорной системы (использование эталонного сенсора), что позволяет снизить стоимость конструкции, а также уменьшить ее размеры. Благодаря высокой скорости полимерной печати появляется возможность изменять не только геометрические размеры универсальной платформы, но и материалы, из которых изготавливается заявляемое устройство, что позволяет регулировать его гибкость и жесткость, что необходимо в эксперименте в условиях повышенных внешних вибраций и шумов. Благодаря широкодоступным на данный момент методам объемной печати возможно с помощью необходимого программного обеспечения смоделировать платформу с необходимыми геометрическими параметрами.The technical result achieved when using the claimed universal platform is to simplify its design, including through the use of polymeric materials for the manufacture of the platform, as well as the use of 3D printing methods for its manufacture. The technical advantages of the proposed device also include a reduction in the mass of the device, including through the use of polymeric materials. In addition, the use of the platform provides for the rejection of a two-sensor system (the use of a reference sensor), which makes it possible to reduce the cost of the structure, as well as reduce its size. Due to the high speed of polymer printing, it becomes possible to change not only the geometric dimensions of the universal platform, but also the materials from which the claimed device is made, which allows you to adjust its flexibility and rigidity, which is necessary in the experiment under conditions of increased external vibrations and noise. Thanks to currently widely available 3D printing methods, it is possible to simulate a platform with the necessary geometric parameters using the necessary software.

Заявленный технический результат достигается тем, что в конструкции универсальной платформы, предназначенной для проведения комбинированных in situ теплофизических, спектроскопических и структурных исследований параметров образца, включающей основу, на которой закреплен коннектор с нанокалориметрическим сенсором, согласно техническому решению, основа платформы представляет собой полимерную гибкую пластину, в центральной части которой выполнено утолщение с выемкой для предварительной фиксации и центрирования коннектора с нанокалориметрическим сенсором, при этом коннектор установлен перпендикулярно плоскости основы, выполнен съемным в виде пластины со сквозным отверстием, посредством которого обеспечивают доступ к активной области нанокалориметрического сенсора. Полимерная основа может быть изготовлена методом 3D-печати, при этом в качестве полимера используют коммерчески доступные полимерные смолы для фотополимерной печати. Отверстие в пластине коннектора выполнено прямоугольным для доступа лазерного луча рамановского микроскопа. Выемка в полимерной основе выполнена прямоугольной с размерами, соответствующими установочным размерам торцевой части коннектора с нанокалориметрическим сенсором. Коннектор с нанокалориметрическим сенсором имеет толщину не более 4 мм, имеет 10-контактных гнезд для соединения с контактами нанокалориметрического сенсора и 20-контактных гнезд для соединения с контактами основного блока нанокалориметра. Вес заявляемой платформы не превышает 15 г.The claimed technical result is achieved by the fact that in the design of a universal platform designed for combined in situ thermophysical, spectroscopic and structural studies of sample parameters, including a base on which a connector with a nanocalorimetric sensor is fixed, according to the technical solution, the base of the platform is a flexible polymer plate, in the central part of which there is a thickening with a recess for preliminary fixation and centering of the connector with a nanocalorimetric sensor, while the connector is installed perpendicular to the plane of the base, made removable in the form of a plate with a through hole, through which access to the active area of the nanocalorimetric sensor is provided. The resin base can be 3D printed using commercially available photopolymer resins as the resin. The hole in the connector plate is made rectangular for access to the laser beam of the Raman microscope. The recess in the polymer base is made rectangular with dimensions corresponding to the installation dimensions of the end part of the connector with a nanocalorimetric sensor. The connector with a nanocalorimetric sensor has a thickness of no more than 4 mm, has 10-pin sockets for connecting to the contacts of the nanocalorimetric sensor and 20-pin sockets for connecting to the contacts of the nanocalorimeter main unit. The weight of the claimed platform does not exceed 15 g.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами и изображениями, гдеThe claimed utility model is illustrated by the following drawings and images, where

на фиг. 1 изображен коннектор нанокалориметрического сенсора (вид снизу),in fig. 1 shows the connector of the nanocalorimetric sensor (bottom view),

на фиг. 2 изображен коннектор для нанокалориметрического сенсора (вид сверху),in fig. 2 shows a connector for a nanocalorimetric sensor (top view),

на фиг. 3 представлено изображение платформы в сборе с нанокалориметрическим сенсором и коннектором,in fig. 3 shows an image of the platform assembled with a nanocalorimetric sensor and a connector,

на фиг. 4 приведена модель полимерной основы (вид сбоку),in fig. 4 shows a model of a polymer base (side view),

на фиг. 5 приведена модель полимерной основы (вид сзади),in fig. 5 shows a model of a polymer base (rear view),

на фиг. 6 представлены графики зависимости изменения температуры на нанокалоримерическом сенсоре в зависимости от мощности пучка рамановского излучения, направленного в центр рабочей области сенсора,in fig. Figure 6 shows the graphs of the temperature change on the nanocalorimeric sensor depending on the power of the Raman radiation beam directed to the center of the sensor's working area,

на фиг. 7 приведены примеры сигналов для мощности лазера 3,2%, in fig. 7 shows examples of signals for a laser power of 3.2%,

на фиг. 8 приведен спектр кофеина на стекле и на нанокалориметрическом сенсоре,in fig. 8 shows the spectrum of caffeine on glass and on a nanocalorimetric sensor,

на фиг. 9 приведена дифракционная картина образца в каптоновой пленке и на нанокалориметрическом сенсоре.in fig. Figure 9 shows the diffraction pattern of the sample in a Kapton film and on a nanocalorimetric sensor.

Позициями на чертежах обозначены: Positions in the drawings indicate:

1. Полимерная основа1. Polymer base

2. Коннектор2. Connector

3. Нанокалориметрический сенсор3. Nanocalorimetric sensor

4. Утолщение основы4. Thickening of the base

5. Прямоугольная выемка под коннектор5. Rectangular notch for connector

6. 20-контактный разъем6. 20-pin connector

7. 10-контактное гнездо для крепления нанокалориметрического сенсора7. 10-pin socket for attaching a nanocalorimetric sensor

8. Сквозное отверстие в коннекторе8. Through hole in the connector

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

Универсальная платформа (фиг. 3) позволяет обеспечить необходимую фиксацию образца в процессе эксперимента. Устойчивая фиксация и защита от внешних воздействий сенсора нанокалориметра и его активной области достигается за счет заявленных особенностей конструкции. Еще одним достоинством является закрепление внешней контрольной термопары, функцией которой является обеспечение сигнала сравнения для корректности измерений. В конструкции учтена возможность при различных экспериментах управлять положением и фиксировать контрольную термопару. Для комбинации трех методов воздействия на образец, принципиальное значение имеет жесткость фиксации сенсора с образцом, таким образом, чтобы пересечение осей пучка дифрактометра и лазера рамановского микроскопа находилось в активной области нанокалориметрического сенсора, размер которой составляет, как правило, 100 мкм на 100 мкм. Необходимо, чтобы пучок рентгеновских лучей, точка его фокуса, пересечение осей дифрактометра и лазера рамановского микроскопа, центр активной области нанокалориметрического сенсора лежали строго на одной оси, перпендикулярной плоскости детектора устройства измерения параметров образца. Это возможно реализовать жесткой фиксацией блока держателя с движущимся столиком дифрактометра.The universal platform (Fig. 3) provides the necessary fixation of the sample during the experiment. Stable fixation and protection from external influences of the nanocalorimeter sensor and its active area is achieved due to the declared design features. Another advantage is the attachment of an external control thermocouple, the function of which is to provide a comparison signal for correct measurements. The design takes into account the possibility of controlling the position and fixing the control thermocouple during various experiments. For a combination of three methods of impact on a sample, the rigidity of fixing the sensor with the sample is of fundamental importance, so that the intersection of the axes of the beam of the diffractometer and the laser of the Raman microscope is in the active region of the nanocalorimetric sensor, the size of which is, as a rule, 100 μm by 100 μm. It is necessary that the X-ray beam, its focus point, the intersection of the axes of the diffractometer and the laser of the Raman microscope, the center of the active region of the nanocalorimetric sensor lie exactly on the same axis, perpendicular to the plane of the detector of the device for measuring the parameters of the sample. This can be realized by rigid fixation of the holder block with the moving stage of the diffractometer.

Заявляемая платформа позволяет проводить эксперименты с использованием только одного нанокалориметрического чипа (сенсора) путем последовательной записи калориметрических сигналов для пустого чипа и чипа с образцом. Разность в записанных тепловых сигналах и является калориметрической кривой образца. Такая методика проведения экспериментов позволяет повысить качество получаемых данных т. к. базовый сигнал, используемый для вычитания базовой линии, получен на том же самом чипе, что исключает дополнительную ошибку, связанную с флуктуациями качества нанокалориметричеких чипов, что, например, случается при использовании чипов из различных партий.The inventive platform makes it possible to carry out experiments using only one nanocalorimetric chip (sensor) by successively recording calorimetric signals for an empty chip and a chip with a sample. The difference in the recorded thermal signals is the calorimetric curve of the sample. This experimental technique improves the quality of the data obtained, since the base signal used to subtract the baseline was obtained on the same chip, which eliminates an additional error associated with fluctuations in the quality of nanocalorimetric chips, which, for example, happens when using chips from various parties.

Заявляемая платформа включает полимерную основу 1, выполненную методами 3D печати и коннектор 2 с нанокалориметрическим сенсором 3. В качестве полимеров для изготовления основы могут быть использованы коммерчески доступные полимерные материалы, например, ASIGA, Wanhao, Anycubic, обладающих широким спектром различных характеристик. Использование материалов с различными свойствами позволяет регулировать упругие свойства изготавливаемой основы и зажима, а также облегчить массу платформы. The claimed platform includes a polymer base 1 made by 3D printing methods and a connector 2 with a nanocalorimetric sensor 3. Commercially available polymer materials can be used as polymers for the manufacture of the base, for example, ASIGA, Wanhao, Anycubic, which have a wide range of different characteristics. The use of materials with different properties makes it possible to control the elastic properties of the base and clamp being made, as well as to lighten the weight of the platform.

Основа представляет собой гибкую пластину, форма и размеры которой выбраны с обеспечением возможности проведения in situ теплофизических и спектроскопических экспериментов. Так, с одной стороны пластины выполнено утолщение 4 для предварительной фиксации и центрирования коннектора с нанокалориметрическим сенсором. В данном утолщении выполнена прямоугольная выемка 5. В данную выемку перпендикулярно плоскости основы торцевой стороной помещен коннектор с сенсором. В основе по углам пластины могут быть выполнены 4 несквозных отверстия (выемки) для размещения магнитов диаметром 2-7,5 мм в зависимости от необходимой силы фиксации основы на предметном столике. Также основа может быть снабжена двумя сквозными отверстиями, позволяющими при особой необходимости фиксировать коннектор с сенсором при помощи двух винтов типа М2, располагающихся непосредственно под отверстиями коннектора. Основа также снабжена двумя несквозными отверстиями для фиксации сенсора при помощи полимерного зажима 4 с винтами типа М2. The base is a flexible plate, the shape and dimensions of which are chosen to enable in situ thermophysical and spectroscopic experiments. So, on one side of the plate, a thickening 4 is made for preliminary fixation and centering of the connector with a nanocalorimetric sensor. A rectangular recess 5 is made in this thickening. A connector with a sensor is placed in this recess perpendicular to the plane of the base with its end side. In the base at the corners of the plate, 4 non-through holes (recesses) can be made to accommodate magnets with a diameter of 2-7.5 mm, depending on the required force of fixing the base on the stage. Also, the base can be equipped with two through holes, allowing, if necessary, to fix the connector with the sensor using two M2 screws located directly under the connector holes. The base is also equipped with two non-through holes for fixing the sensor using a polymer clamp 4 with M2 type screws.

Коннектор и сенсор представляют собой электронную плату, осуществляющую функцию передачи аналогового сигнала от коннектора с нанокалориметрическим сенсором до электронного контрольного блока нанокалориметра и гибкой полимерной основы. Коннектор представляет собой плату с 20-контактный разъемом 6 и закреплен на основе перпендикулярно плоскости пластины в прямоугольной выемке, при необходимости зафиксирован зажимом. Разъем закреплен к 20-контактному гнезду с отведенными гибкими проводами, что обеспечивает передачу электрических сигналов от сенсора до основного блока нанокалориметра. Гибкие провода необходимы во избежание механических напряжений при перемещении платформы, каждый провод экранирован для уменьшения шумов во входные и выходные сигналы нанокалориметрического сенсора. В основе платформы предусмотрены 7 отверстий для крепления к основной экспериментальной платформе при помощи магнитов, например, на подвижный столик рамановского микроскопа.The connector and the sensor are an electronic board that performs the function of transmitting an analog signal from the connector with the nanocalorimetric sensor to the electronic control unit of the nanocalorimeter and the flexible polymer base. The connector is a board with a 20-pin connector 6 and is fixed on the base perpendicular to the plane of the plate in a rectangular recess, if necessary, fixed with a clip. The connector is attached to a 20-pin socket with separate flexible wires, which ensures the transmission of electrical signals from the sensor to the main unit of the nanocalorimeter. Flexible wires are necessary to avoid mechanical stress when moving the platform, each wire is shielded to reduce noise in the input and output signals of the nanocalorimetric sensor. At the base of the platform, there are 7 holes for attaching to the main experimental platform using magnets, for example, on the movable stage of a Raman microscope.

Нанокалориметрический сенсор жестко зафиксирован и подключен к коннектору, который имеет 10 контактных гнезд 7 для соединения с контактами нанокалориметрического сенсора. В коннекторе выполнено отверстие 8, обеспечивающее просвет активной зоны сенсора для хода лазерных лучей рамановского микроскопа. Жесткая фиксация крайне важна в условиях совмещения нескольких экспериментальных методик. Жесткая фиксация нанокалориметрического сенсора необходима, чтобы лазер рамановского микроскопа проходил через центр активной области нанокалориметрического сенсора, размер которой составляет, преимущественно, 100 мкм на 100 мкм. Луч лазера рамановского микроскопа и центр активной области нанокалориметрического сенсора расположены строго на одной оси, перпендикулярной плоскости детектора устройства измерения параметров образца. Данная геометрия достигается благодаря жесткой фиксации блока держателя непосредственно к столику рамановского микроскопа. The nanocalorimetric sensor is rigidly fixed and connected to the connector, which has 10 pin sockets 7 for connection with the contacts of the nanocalorimetric sensor. The connector has a hole 8, which provides a gap in the active zone of the sensor for the passage of laser beams of the Raman microscope. Rigid fixation is extremely important when several experimental techniques are combined. Rigid fixation of the nanocalorimetric sensor is necessary for the laser of the Raman microscope to pass through the center of the active region of the nanocalorimetric sensor, the size of which is mainly 100 μm by 100 μm. The laser beam of the Raman microscope and the center of the active region of the nanocalorimetric sensor are located strictly on the same axis, perpendicular to the plane of the detector of the device for measuring the parameters of the sample. This geometry is achieved due to the rigid fixation of the holder block directly to the stage of the Raman microscope.

Заявляемая платформа предусматривает возможность отказа от двухсенсорной системы, что позволяет удешевить стоимость конструкции, а также уменьшить размеры устройства, и, как следствие, способствует минимизации погрешности, вносимой вторым сенсором, при возможном различии в технических характеристиках сенсоров. Конструкция аналогов предусматривала наличие дополнительного слота для второго эталонного сенсора, что значительно увеличивало размеры держателей или платформ и не позволяло проводить совмещения с некоторыми приборами. В заявляемой платформе используется один сенсор, на котором проводятся измерения базовой линии, без дальнейшего вмешательства в ход эксперимента.The proposed platform provides for the possibility of abandoning a two-sensor system, which makes it possible to reduce the cost of construction, as well as reduce the size of the device, and, as a result, helps to minimize the error introduced by the second sensor, with a possible difference in the technical characteristics of the sensors. The design of analogs provided for an additional slot for a second reference sensor, which significantly increased the size of holders or platforms and did not allow alignment with some devices. The claimed platform uses a single sensor, on which measurements of the baseline are carried out, without further intervention in the course of the experiment.

Заявляемая платформа является намного более простым и быстрым в реализации решением, и конструктивно может быть адаптирована под любую комбинированную систему нанокалориметра и рамановского микроскопа, что открывает широкие возможности в ее применении и дальнейшей интеграции с другими методами. Использование различных материалов в качестве полимера для 3D-печати с заданными свойствами позволит проводить эксперименты при различных внешних условия, например, в условиях повышенной вибрационной активности или в условиях низких и высоких температур. Различные коммерчески доступные фотополимерные смолы имеют различную вязкость, температуру плавления, температуру тепловой деформации, износостойкость, прочность на изгиб и прочие характеристики, комбинируя которые возможно изготовить основу с заданными свойствами. The proposed platform is a much simpler and faster solution to implement, and can be structurally adapted to any combined system of a nanocalorimeter and a Raman microscope, which opens up wide opportunities for its application and further integration with other methods. The use of various materials as a polymer for 3D printing with desired properties will allow experiments to be carried out under various external conditions, for example, under conditions of increased vibrational activity or under conditions of low and high temperatures. Various commercially available photopolymer resins have different viscosity, melting point, heat distortion temperature, wear resistance, flexural strength and other characteristics, by combining which it is possible to produce a base with desired properties.

Платформа может двигаться в трех направлениях (по осям XYZ) за счет расположения на подвижных столиках дифрактометра или рамановского микроскопа. В плате имеется отверстие для просвета активной зоны сенсора, через который могут проходить рентгеновские лучи дифрактометра и лазерные лучей рамановского микроскопа. Геометрия данного отверстия подбирается в зависимости от активной области нанокалоримеческого сенсора, что позволяет комбинировать его с другими методами анализа веществ. The platform can move in three directions (along the XYZ axes) due to the location of the diffractometer or Raman microscope on movable tables. The board has a hole for the lumen of the active zone of the sensor, through which X-rays of the diffractometer and laser beams of the Raman microscope can pass. The geometry of this hole is selected depending on the active area of the nanocalorimic sensor, which makes it possible to combine it with other methods of substance analysis.

Заявляемую платформу используют следующим образом. Нанокалориметрический сенсор с образцом подключают к коннектору, затем коннектор помещают в прямоугольную выемку на основе и закрепляют, например, при помощи зажима и двух винтов. При необходимости коннектор также можно дополнительно закрепить двумя винтами. Затем систему «сенсор-коннектор-основа» подключают к основному блоку нанокалориметра, и помещают на предметный столик под рамановский микроскоп для выравнивания. В таком виде система готова к началу эксперимента.The claimed platform is used as follows. The nanocalorimetric sensor with the sample is connected to the connector, then the connector is placed in a rectangular recess on the base and fixed, for example, with a clamp and two screws. If necessary, the connector can also be additionally secured with two screws. Then the "sensor-connector-base" system is connected to the main unit of the nanocalorimeter, and placed on the object stage under the Raman microscope for alignment. In this form, the system is ready to start the experiment.

Уникальность универсальной платформы состоит в возможности совмещения нескольких приборов, таких как нанокалориметр и рамановский микроскоп. Такое совмещение становится возможным благодаря специальной конструкции платформы для размещения нанокалориметрического сенсора, а именно возможности размещения сенсоров отдельно от основного управляющего блока нанокалориметра. Конструктивные особенности прибора позволяют проводит in situ теплофизические и спектроскопические эксперименты, а именно проводить многофакторный анализ структуры и свойств образца при воздействии различных внешних факторов, таких как изменение температуры, электрических и магнитных полей. В ходе проведения испытаний в полимере могут проходить процессы деструкции, структурной реорганизации, плавления и др. Комбинация двух методов анализа в процессе in situ эксперимента позволяет получать наиболее полную информацию о структуре и свойствах образца, устраняя возможные неоднозначности в интерпретации результатов.The uniqueness of the universal platform lies in the possibility of combining several instruments, such as a nanocalorimeter and a Raman microscope. Such a combination becomes possible due to the special design of the platform for placing the nanocalorimetric sensor, namely, the possibility of placing the sensors separately from the main control unit of the nanocalorimeter. The design features of the device make it possible to conduct in situ thermophysical and spectroscopic experiments, namely, to carry out a multivariate analysis of the structure and properties of the sample under the influence of various external factors, such as changes in temperature, electric and magnetic fields. During testing, the polymer can undergo destruction, structural reorganization, melting, etc. The combination of two methods of analysis during the in situ experiment allows obtaining the most complete information about the structure and properties of the sample, eliminating possible ambiguities in the interpretation of the results.

Заявляемое устройство предусматривает возможность исследовать образцы массами от десятков пикограмм до сотен нанограмм. Верхний температурный диапазон нанокалориметрических сенсоров достигает 450°С. Использование однотипных сенсоров из серии XEN392 с различной активной областью сенсора компании XENSOR, значительно упрощает процесс калибровки и обработки результатов. Необходимость калибровки возникает только в случае смены типа используемых сенсоров. The claimed device provides for the possibility of examining samples weighing from tens of picograms to hundreds of nanograms. The upper temperature range of nanocalorimetric sensors reaches 450°С. The use of the same type of sensors from the XEN392 series with a different active area of the XENSOR sensor greatly simplifies the process of calibration and processing of results. The need for calibration arises only if the type of sensors used is changed.

Основная плата коннектора подключается к управляющему блоку нанокалориметра посредством гибких проводов, обеспечивающих стабильную передачу сигнала от нанокалориметрического сенсора к прибору и исключающих посторонние возмущения.The main connector board is connected to the control unit of the nanocalorimeter using flexible wires that ensure stable signal transmission from the nanocalorimetric sensor to the device and exclude extraneous disturbances.

Заявляемое устройство позволяет снимать базовую линию с основного сенсора, с последующим нанесением на него образца, не используя другие сенсоры. Вычитание базового сигнала из сигнала сенсора с образцом обеспечивает необходимый сигнал от чистого образца. Такой последовательный тип проведения эксперимента повышает качество получаемых данных, ввиду отсутствия дополнительного эталонного чипа, относительного которого обычно происходит пересчет сигнала образца. Кроме того, данная особенность позволит существенно уменьшить размеры платформы, и позволит проводить совмещение с системами в условиях ограниченного рабочего пространства.The inventive device allows you to remove the baseline from the main sensor, followed by applying a sample on it without using other sensors. Subtracting the base signal from the sample sensor signal provides the required signal from a clean sample. Such a sequential type of experiment improves the quality of the data obtained, due to the absence of an additional reference chip, relative to which the sample signal is usually recalculated. In addition, this feature will significantly reduce the size of the platform, and will allow for combination with systems in a limited workspace.

Заявляемые конструктивные особенности обеспечивают стабильную фиксацию активной области нанокалориметрического сенсора и защиту от внешних воздействий. The claimed design features provide stable fixation of the active area of the nanocalorimetric sensor and protection from external influences.

Изменение температуры, регистрируемое термопарами, на нанокалориметрическом сенсоре в зависимости от мощности пучка рамановского излучения, направленного в центр рабочей области сенсора показана на фиг. 6. Данные получены при мощностях лазера 0.01, 0.1, 1, 3.2, 5, 10, 25, 50, 100 процентов от максимальной мощности лазерного излучения в 170 мВт.The change in temperature recorded by thermocouples on a nanocalorimetric sensor depending on the power of the Raman radiation beam directed to the center of the sensor's working area is shown in Fig. 6. Data obtained at laser powers of 0.01, 0.1, 1, 3.2, 5, 10, 25, 50, 100 percent of the maximum laser power of 170 mW.

На графике круглыми точками отмечены значения, полученные с использованием дополнительного нейтрального серого фильтра, позволяющие наблюдать активную область чипа в оптический микроскоп. Квадратами на графике отмечены значения, полученные без использования нейтрального серого фильтра и без возможности наблюдения в оптический микроскоп. Методом наименьших квадратов получена линейная аппроксимация функцией y=a+bx, где a=0±0, b=0,0380±0,0007, R^∧2=0,96 (с нейтральным серым фильтром), a=0±0, b=0,9012±0,0455, R^∧2=0,90 (без нейтрального серого фильтра). Мощность лазера значительно уменьшается при использовании нейтрального серого фильтра. При мощности лазера в 100% и без нейтрального серого фильтра на рабочей области может наблюдаться существенно локальное повышение температуры, и последующее прожигание мембраны сенсора. Показано что, начиная с мощности лазера в 10%, начинается значительное повышение температуры активной области чипа, что может влиять на точность регистрируемых экспериментальных данных. On the graph, round dots mark the values obtained using an additional neutral gray filter, which make it possible to observe the active region of the chip in an optical microscope. The squares on the graph indicate the values obtained without using a neutral gray filter and without the possibility of observation in an optical microscope. Using the least squares method, a linear approximation by the function y=a+bx, where a=0±0, b=0.0380±0.0007, R ^∧ 2=0.96 (with a neutral gray filter), a=0±0, b=0.9012±0.0455, R ^∧ 2=0.90 (no ND filter). Laser power is significantly reduced when using an ND filter. At a laser power of 100% and without a neutral gray filter, a significant local temperature increase can be observed on the working area, and subsequent burning of the sensor membrane. It is shown that, starting from a laser power of 10%, a significant increase in the temperature of the active region of the chip begins, which can affect the accuracy of the recorded experimental data.

На фиг. 7 представлен график зависимости температуры от времени. В момент времени 440 мс происходит включение лазера, в момент 516 мс лазер выключается. Низкая тепловая инерция позволяет стабилизировать сигнал температуры за короткое время, а высокое временное разрешение позволяет наблюдать процесс стабилизации. Время стабилизации температуры по результатам измерений 2-4 мс.In FIG. 7 is a plot of temperature versus time. At time 440 ms, the laser is turned on; at time 516 ms, the laser is turned off. The low thermal inertia makes it possible to stabilize the temperature signal in a short time, and the high temporal resolution makes it possible to observe the stabilization process. The temperature stabilization time according to the results of measurements is 2-4 ms.

На фиг. 8 представлен спектр кофеина, полученный при совмещении метода нанокалориметрии и рамановской микроскопии.In FIG. Figure 8 shows the spectrum of caffeine obtained by combining the method of nanocalorimetry and Raman microscopy.

На фиг. 9 представлена дифракционная картина, полученная при помещении образца в каптоновую пленку и на чип нанокалориметрического сенсора. Обе одномерные дифракционные картины получены путем азимутального интегрирования дифракционных картин, записанных при помощи детектора Dectris Pilatus3 1M. Также, одномерные профили были скорректированы на поглощение образца и платформы образца, и на фоновое рассеяние. In FIG. Figure 9 shows the diffraction pattern obtained by placing the sample in a Kapton film and on a nanocalorimetric sensor chip. Both one-dimensional diffraction patterns were obtained by azimuthal integration of diffraction patterns recorded with a Dectris Pilatus3 1M detector. Also, the one-dimensional profiles were corrected for the absorption of the sample and sample platform, and for background scattering.

Проведенные эксперименты, позволяют сделать вывод о возможности комбинации сканирующей нанокалориметрии, рамановской спектроскопии и рентгеновского рассеяния, поскольку получена методика коррекции данных, получаемых при помощи каждой аналитической методики, для получения результатов, полностью идентичных тем, что получены при использовании каждого метода по отдельности. Более того, одновременное использование трех методов исследования позволяет получить уникальную информацию для образцов, изменяющихся при комнатной температуре.The experiments performed allow us to conclude that it is possible to combine scanning nanocalorimetry, Raman spectroscopy, and X-ray scattering, since a method for correcting the data obtained using each analytical technique was obtained to obtain results that are completely identical to those obtained using each method separately. Moreover, the simultaneous use of three research methods allows obtaining unique information for samples that change at room temperature.

Пример конкретного выполненияExample of a specific implementation

В качестве опытного образца изготовлена и опробована универсальная платформа для проведения in situ спектроскопических, теплофизических и структурных исследований. Платформа состоит из полимерной основы, выполненной из коммерческой фотополимерной смолы для 3D-печати, и имеет характерные размеры 105 мм на 105 мм и высоту 3 мм. Коннектор крепится вертикально в специальной прямоугольной выемке, реализованной в утолщении полимерной основы. Размеры утолщения 50 мм на 30 мм с высотой 15 мм. Утолщение также используется для вывода проводов от 20-контактного разъема от нижней части платформы, для возможности крепления основы. В основе по углам также реализованы 4 сквозных отверстия для крепления платформы с помощью винтов типа М2. В данной реализации не предусматривается дополнительное крепление платформы с помощью магнитов, ввиду особой конструкции предметного столика рамановского микроскопа, поэтому дополнительные три отверстия для магнитов не предусмотрены. A universal platform for in situ spectroscopic, thermophysical, and structural studies was fabricated and tested as a prototype. The platform consists of a resin base made from a commercial 3D printing photopolymer resin and has characteristic dimensions of 105mm by 105mm and a height of 3mm. The connector is mounted vertically in a special rectangular recess, implemented in the thickening of the polymer base. Thickening dimensions 50 mm by 30 mm with a height of 15 mm. The boss is also used to lead wires from the 20-pin connector from the bottom of the platform, to allow the base to be attached. There are also 4 through holes in the base at the corners for fixing the platform with M2 type screws. In this implementation, additional mounting of the platform with magnets is not provided, due to the special design of the Raman microscope stage, therefore, additional three holes for magnets are not provided.

Габариты коннектора: длина 90 мм, ширина 20 мм, высота 2 мм, с количеством контактов 20 штук и сквозным отверстием размерами 8×7 мм, для доступа к активной области нанокалориметрического сенсора.Connector dimensions: length 90 mm, width 20 mm, height 2 mm, with 20 contacts and a through hole 8×7 mm in size, for access to the active area of the nanocalorimetric sensor.

Заявляемая полезная модель может быть реализована в рамках системы для совмещения трех методов анализа с одновременной возможностью in situ измерений, ввиду наличия существенных сложностей в реализации, связанных с конструкцией приборов и конструкции держателей или платформ. The claimed utility model can be implemented as part of a system for combining three methods of analysis with the simultaneous possibility of in situ measurements, due to the presence of significant implementation difficulties associated with the design of devices and the design of holders or platforms.

Дополнительными преимуществами данной платформы по сравнению с аналогами является ее сравнительная дешевизна, благодаря существенным изменениям в конструкции платформы. Внедрение технологии фотополимерной 3D-печати позволяет исключить из процесса дополнительные затраты на изготовление опытных образцов, выполненных из металлических составляющих, требующих специализированных навыков для изготовления и постобработки. Additional advantages of this platform in comparison with analogues is its comparative cheapness, due to significant changes in the design of the platform. The introduction of photopolymer 3D printing technology makes it possible to exclude from the process additional costs for the production of prototypes made of metal components that require specialized skills for manufacturing and post-processing.

Claims

1. A universal platform designed for conducting combined in situ thermophysical, spectroscopic and structural studies of sample parameters, including a base on which a connector with a nanocalorimetric sensor is fixed, characterized in that the base of the platform is a flexible polymer plate, in the central part of which there is a thickening with recess for preliminary fixation and centering of the connector with a nanocalorimetric sensor, while the connector is installed perpendicular to the plane of the base, made removable in the form of a plate with a through hole, through which access to the active area of the nanocalorimetric sensor is provided.

2. The platform according to claim 1, characterized in that the polymer base is made by 3D printing.

3. The platform according to claim 1, characterized in that commercially available polymer resins for photopolymer printing are used as the polymer.

4 Platform according to claim 1, characterized in that the hole in the connector plate is made rectangular for access to the laser beam of a Raman microscope.

5. The platform according to claim 1, characterized in that the recess in the polymer base is made rectangular with dimensions corresponding to the installation dimensions of the end part of the connector with a nanocalorimetric sensor.

6. Platform according to claim 1, characterized in that the connector with a nanocalorimetric sensor has a thickness of no more than 4 mm.

7. The platform according to claim 1, characterized in that the connector has 10 contact sockets for connecting to the contacts of the nanocalorimetric sensor.

8. The platform according to claim 1, characterized in that the connector has 20 contact sockets for connecting to the contacts of the main unit of the nanocalorimeter.

9. Platform according to claim 1, characterized in that its weight does not exceed 15 g.