本發(fā)明涉及一種熱功率測量裝置，特別是關(guān)于一種具有可見-紫外光譜測量功能的熱功率測量裝置。

背景技術(shù)：

熱功率測量裝置(即量熱計)廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物等科學(xué)領(lǐng)域和石油化工、二次電池、食品加工、制藥等技術(shù)領(lǐng)域。其中，等溫滴定量熱計尤其適用于生物體系及分子間弱相互作用研究。由于該類體系的復(fù)雜性，一般會輔以光譜測量以獲得微觀信息。等溫滴定量熱可以多點連續(xù)滴定，具有濃度掃描的特點。而目前光譜等用于微觀結(jié)構(gòu)研究的儀器在設(shè)計上并不具備這種掃描功能，只能逐點分別測試。所以，面對復(fù)雜多變的量熱曲線以及無法連續(xù)測量的有限光譜結(jié)果，常常使人無法確定不同量熱曲線變化區(qū)間對應(yīng)的結(jié)構(gòu)和相態(tài)。特別是對于生物大分子和分子自組裝體系而言，相互作用、結(jié)構(gòu)和相態(tài)的轉(zhuǎn)化具有很強(qiáng)的動力學(xué)依賴性，溫度甚至攪拌方式、攪拌速度和時間等微小差異就可能導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)。這就使得分別進(jìn)行滴定量熱與光譜測量常常難以得到相互作用與微觀結(jié)構(gòu)間的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系。

國際上曾有人把光纖探針放入滴定量熱計的反應(yīng)池中直接測量溶液濁度的變化(p.johansson,i.wadso,thermochimicaacta1999,342,19)，但是其光學(xué)測量部分具有明顯的局限性，首先是無法給出詳細(xì)的光譜信息，其次是光纖探針直接浸泡在溶液中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了其使用。此后再無儀器能夠?qū)崿F(xiàn)溶液體系的能量與微觀結(jié)構(gòu)的同步測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種能夠同時實現(xiàn)溶液體系的能量與微觀結(jié)構(gòu)的同步測量的儀器，即具有可見-紫外光譜測量功能的熱功率測量裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種具有可見-紫外光譜測量功能的熱功率測量裝置，其特征在于，該熱功率測量裝置包括熱測量系統(tǒng)、光譜測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)及恒溫恒濕間，所述熱測量系統(tǒng)、光譜測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)均放置在所述恒溫恒濕間內(nèi)；所述熱測量系統(tǒng)用于測量溶液反應(yīng)體系的熱功率；所述光譜測量系統(tǒng)用于測量溶液的可見-紫外光譜，所述光譜測量系統(tǒng)包括光源，所述光源發(fā)出的光經(jīng)y型分叉光纖分成兩路光，兩路光分別通過光纖衰減器和光纖進(jìn)入所述溶液反應(yīng)體系和底液，經(jīng)所述溶液反應(yīng)體系和底液后出射的光分別經(jīng)光纖耦合透鏡和光纖進(jìn)入光譜儀；所述數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集裝置、計算機(jī)和納伏計，所述計算機(jī)內(nèi)設(shè)置有量熱模塊、光譜模塊和量熱-光譜聯(lián)用模塊；所述數(shù)據(jù)采集裝置用于采集所述熱測量系統(tǒng)的恒溫浴溫度及程控直流電源的電流和電壓信號并發(fā)送到所述量熱模塊，所述納伏計用于采集所述溶液反應(yīng)體系的熱流信號并將其發(fā)送到所述量熱模塊，所述量熱模塊用于所述熱測量系統(tǒng)的標(biāo)定和熱功率測量；所述光譜模塊用于采集所述光譜儀信號并進(jìn)行所述溶液光譜信號的后處理；所述量熱-光譜聯(lián)用模塊用于實現(xiàn)熱功率和光譜信號的測量控制。

進(jìn)一步，所述熱測量系統(tǒng)包括恒溫浴、熱沉、量熱池、反應(yīng)池和熱標(biāo)定系統(tǒng)，所述恒溫浴內(nèi)放置所述熱沉，所述熱沉內(nèi)放置所述量熱池，所述量熱池采用雙子池設(shè)計即包括大小和結(jié)構(gòu)完全相同的樣品池和參比池，所述樣品池和參比池均包括導(dǎo)熱塊、溫差熱電堆和反應(yīng)池，每一所述導(dǎo)熱塊內(nèi)均放置用于盛放所述溶液反應(yīng)體系或底液的反應(yīng)池，每一所述導(dǎo)熱塊均設(shè)置有用于放置所述光纖耦合透鏡的光學(xué)測量孔，所述熱標(biāo)定系統(tǒng)包括程控直流電源及與之相連的固定于所述導(dǎo)熱塊內(nèi)的熱電阻，所述程控直流電源采用不同電流加熱所述熱電阻使得不同輸入熱功率情況下所述溫差熱電堆有不同的輸出電壓信號，所述樣品池和參比池的溫差熱電堆輸出端反接，即所述樣品池?zé)犭姸演敵龆苏龢O連接所述參比池?zé)犭姸演敵龆苏龢O，兩所述溫差熱電堆輸出端負(fù)極外接所述納伏計作為輸出信號。

進(jìn)一步，所述恒溫恒濕間要求控溫在20至25℃，控溫精度±0.5℃，相對濕度(45～70)％rh。

進(jìn)一步，所述熱測量系統(tǒng)采用等溫滴定式量熱法。

進(jìn)一步，每一所述反應(yīng)池均采用石英玻璃管。

進(jìn)一步，所述恒溫浴要求控溫在15至60℃間，控溫精度為±0.0001℃，所述恒溫浴采用水浴或油浴。

進(jìn)一步，每一所述導(dǎo)熱塊均采用高導(dǎo)熱材料制作而成。

進(jìn)一步，所述光源采用鹵素?zé)艏与疅簟?/p>

進(jìn)一步，光譜測量結(jié)束后通過所述程控直流電源在所述量熱池的所述溫差熱電堆上施加電流直接冷卻反應(yīng)池和參考池令其快速達(dá)到熱平衡，實現(xiàn)快速測量。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明把光通路置于反應(yīng)池外，避免了反應(yīng)池內(nèi)置光纖探針造成的反應(yīng)體系復(fù)雜化，操作更加簡便快捷。2、本發(fā)明采用樣品池和參比池同時進(jìn)行熱測量和光譜測量，同時實現(xiàn)了雙池?zé)釡y量和雙路光測量，對消光譜測量中產(chǎn)生的熱量使兩種測量互不干擾，提高了光測量效率。3、本發(fā)明通過珀耳帖效應(yīng)主動降溫進(jìn)一步加快熱平衡，從而降低光測量對熱測量的影響，提高了測量效率。綜上所述，本發(fā)明既可同時測量熱功率和光譜，也可單獨測量熱功率和光譜，可以廣泛用于生物大分子及分子自組裝等分子間弱相互作用及其他溶液反應(yīng)體系的研究與應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明熱功率測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明光譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的導(dǎo)熱塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中十二烷基硫酸鈉(sds)滴入牛血清蛋白(bsa)反應(yīng)過程中的熱和紫外光譜測量結(jié)果，其中，圖(a)為反應(yīng)過程中熱測量結(jié)果，圖(b)為反應(yīng)過程中紫外光譜測量結(jié)果。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明的溶液反應(yīng)體系包括溶液和底液，一般實驗前在樣品池和參比池的反應(yīng)池內(nèi)均放置底液(例如具體實施例中的bsa)，參比池的反應(yīng)池內(nèi)的底液不變，只作為熱測量和光測量的參考；樣品池的反應(yīng)池中要滴入溶液(例如實施例中的sds)，樣品池的反應(yīng)池中的底液與滴入溶液發(fā)生反應(yīng)同時放出熱量，光譜也相應(yīng)變化。

如圖1～3所示，本發(fā)明提供的具有可見-紫外光譜測量功能的熱功率測量裝置，包括熱測量系統(tǒng)1、光譜測量系統(tǒng)2、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)3及恒溫恒濕間4；其中，熱測量系統(tǒng)1、光譜測量系統(tǒng)2和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)3均放置在恒溫恒濕間4內(nèi)。

本發(fā)明的熱測量系統(tǒng)1包括恒溫浴11、熱沉12、量熱池和熱標(biāo)定系統(tǒng)。恒溫浴11內(nèi)放置熱沉12以進(jìn)一步提高溫度穩(wěn)定性。熱沉12內(nèi)放置量熱池，量熱池采用雙子池設(shè)計即量熱池包括一樣品池13和一參比池14，樣品池13和參比池14的大小和結(jié)構(gòu)完全相同，且樣品池13和參比池14在熱沉12內(nèi)對稱放置以保證熱環(huán)境相同。樣品池13和參比池14均包括一導(dǎo)熱塊141、一溫差熱電堆和一反應(yīng)池。每一導(dǎo)熱塊141中心均放置用于盛放溶液反應(yīng)體系或底液的反應(yīng)池，每一導(dǎo)熱塊141上均設(shè)置有兩個光學(xué)測量孔142。熱標(biāo)定系統(tǒng)用于建立輸出電壓信號與熱功率間的對應(yīng)關(guān)系(一般是線性關(guān)系)，其包括程控直流電源15及與之相連的固定于導(dǎo)熱塊141內(nèi)的熱電阻，程控直流電源15采用不同電流加熱熱電阻使得不同輸入熱功率情況下溫差熱電堆有不同的輸出電壓信號，樣品池13和參比池14的溫差熱電堆輸出端反接，即樣品池13的溫差熱電堆輸出端正極連接參比池14的溫差熱電堆輸出端正極，兩溫差熱電堆輸出端負(fù)極外接納伏計作為整個量熱池輸出信號，此種連接可對消熱沉溫度的擾動對溫差熱電堆輸出信號的影響。此外，本發(fā)明還利用珀耳帖效應(yīng)通過程控直流電源15在溫差熱電堆施加電流主動冷卻樣品池和參比池使其與熱沉快速達(dá)到熱平衡，以盡快消除環(huán)境及光信號的熱影響。

本發(fā)明的光譜測量系統(tǒng)2用于測量樣品池13中反應(yīng)池內(nèi)的溶液反應(yīng)體系和參考池14中反應(yīng)池內(nèi)底液的可見-紫外光譜，進(jìn)而可以測量得到溶液的可見-紫外光譜變化。光譜測量系統(tǒng)2包括光源21、y形分叉光纖22、光纖衰減器23、光纖24、光纖耦合透鏡25以及帶有光柵的光譜儀26。光源21發(fā)出的光經(jīng)過y型分叉光纖22分成兩路光，兩路光分別先后通過光纖衰減器23、光纖24和放置在光學(xué)測量孔142內(nèi)的光纖耦合透鏡25進(jìn)入樣品池13(或參比池14)內(nèi)的溶液反應(yīng)體系(或底液)，經(jīng)溶液反應(yīng)體系和底液后出射的光再分別經(jīng)過對面光學(xué)測量孔142內(nèi)的光纖耦合透鏡25和光纖24進(jìn)入光譜儀26；本發(fā)明的光源21設(shè)置在反應(yīng)池外部，同時利用樣品池13和參比池14實現(xiàn)雙光路測量；光纖衰減器23使兩路光信號強(qiáng)度一致，即調(diào)節(jié)光信號相對強(qiáng)度使熱信號對消到極小值，以盡可能消除光測量對熱測量的影響。兩路光譜信號可以通過同一光譜儀的不同通道同時測量，或用同一光譜儀分別測量。

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)3包括數(shù)據(jù)采集卡31或帶掃描卡的數(shù)字多用表、納伏計32和計算機(jī)，計算機(jī)內(nèi)設(shè)置有量熱模塊、光譜模塊以及量熱-光譜聯(lián)用模塊。其中，量熱模塊用于熱測量系統(tǒng)1的標(biāo)定和熱功率測量，數(shù)據(jù)采集卡31或帶掃描卡的數(shù)字多用表用于采集恒溫浴溫度及程控直流電源15的電流和電壓信號并將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到量熱模塊，納伏計用于采集溫差熱電堆產(chǎn)生的熱流信號并將其發(fā)送到量熱模塊進(jìn)行處理和顯示；光譜模塊用于采集光譜儀26的信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理實現(xiàn)待測溶液的光譜信號測量；量熱-光譜聯(lián)用模塊用于實現(xiàn)熱功率和光譜信號的測量控制，由于光譜測量時光信號會加熱樣品池13和參比池14，嚴(yán)重干擾熱測量，所以需要通過量熱-光譜聯(lián)用模塊控制程控直流電源15向兩池的熱電堆施加電流冷卻兩反應(yīng)池到設(shè)定溫度，強(qiáng)制恢復(fù)熱平衡后才能進(jìn)行下一步熱測量和光譜測量，這個過程需要通過量熱-光譜聯(lián)用模塊測量熱信號并施加適當(dāng)?shù)睦鋮s電流來完成。

在一個優(yōu)選的實施例中，恒溫恒濕間4要求控溫在20至25℃，控溫精度±0.5℃，相對濕度(45～70)％rh。

在一個優(yōu)選的實施例中，熱測量系統(tǒng)1可以采用等溫滴定式量熱法，但不限于滴定式，可以根據(jù)實際應(yīng)用進(jìn)行選擇。

在一個優(yōu)選的實施例中，每一反應(yīng)池均可以采用石英玻璃管。

在一個優(yōu)選的實施例中，恒溫浴11要求控溫在15至60℃間，控溫精度±0.0001℃，恒溫浴11可以是水浴或油浴。

在一個優(yōu)選的實施例中，導(dǎo)熱塊141可以采用鋁合金或銅等高導(dǎo)熱材料制作而成。

在一個優(yōu)選的實施例中，溫差熱電堆可采用商用半導(dǎo)體熱電模塊組裝而成，根據(jù)熱測量具體要求選擇不同型號，在此不做限定。

在一個優(yōu)選的實施例中，光源21可以采用鹵素?zé)艏与疅簟?/p>

下面以十二烷基硫酸鈉(sds)和牛血清蛋白(bsa)的滴定反應(yīng)過程的熱功率和紫外光譜測量為實施例說明本發(fā)明的具有可見-紫外光譜測量功能的熱功率測量裝置的使用過程。

在滴定反應(yīng)前首先測量0.6ml的5mg/ml的bsa水溶液體系的紫外光譜，然后每次滴入10微升sds，測量滴定熱，滴定熱測量結(jié)束后測量紫外光譜，交替進(jìn)行熱測量與光譜測量。本實施例共33次滴定結(jié)果和34次紫外光譜結(jié)果分別如圖4(a)和(b)所示，圖4(b)中頂部曲線序號0表示第一次熱測量前的光譜結(jié)果，由圖4可見，本發(fā)明可同時測得該體系的熱信號和光譜信號。

上述實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。