ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ АДИАБАТНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ МИКРОКАЛОРИМЕТР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01K17/08 

Изобретение относится к научному приборостроению, а именно к дифференциальным адиабатным сканирующим микрокалориметрам, предназначенным для термодинамических исследований слабоконцентрированных растворов биополимеров, в частности растворов белков.

Известно, что высокое давление способно существенно изменять свойства многих биологически важных объектов, что может оказаться полезными, как при изучении фундаментальных вопросов молекулярной биологии и биофизики, так и в прикладном плане для нужд биотехнологии.

Для современных исследований влияние высоких давлений (до пяти-шести тысяч атмосфер) на стабильность и кинетику денатурации/ренатурации макромолекул в слабоконцентрированных растворах методом сканирующей микрокалориметрии необходим высокочувствительный дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр высокого давления. Поскольку тепловые процессы, связанные с термодинамическими изменениями в растворах биополимеров, отличаются малой величиной, чувствительность подобного микрокалориметра должна быть не хуже 10^-6 Вт. Кроме того, данный калориметр должен иметь малую тепловую инерционность (не хуже 60 сек) для исследования быстропеременных тепловых процессов.

Известен дифференциальный изотермический калориметр высокого давления (A.Ousegui, S.Zhu, H.S.Ramaswamy and A.Le Bail "Modelling of a high pressure calorimetr. Application to the measurement of a model food (tyiose)". Journal of Thermal Analyses and Calorimetry. Vol.86 (2006) 1, 243-248). Данный дифференциальный изотермический калориметр высокого давления содержит две калориметрические камеры (ячейки) с расположенным между ними дифференциальным термочувствительным элементом в виде термобатареи измерителя теплового эффекта. Камеры установлены в термостатирующей оболочке, на поверхности которой укреплен медный змеевик, соединенный с жидкостным термостатирующим устройством (холодильником). Изотермическая температура калориметрических камер задается внешним термостатирующим устройством.

Известный калориметр имеет также управляемое исполнительное устройство подачи высокого давления в калориметрические камеры, управление которого обеспечивается посредством компьютера. В данном калориметре каждая калориметрическая камера представляет собой сосуд высокого давления в виде цилиндра с внутренним диаметром 10 мм и внешним диаметром 20 мм, одно основание которого соединено капиллярами высокого давления с исполнительным устройством подачи высокого давления, а другое основание, закрываемое двумя поршнями и винтом, предназначено для размещения в камерах образцов, заключаемых предварительно в мягкую пластиковую оболочку. При этом жидкая среда, передающая давление, поступает в каждую калориметрическую камеру и воздействует на образец через полимерную оболочку.

Данный калориметр имеет следующие недостатки. В нем не обеспечивается сканирование по температуре, что снижает функциональные возможности данного калориметра, то есть возможность измерения термодинамических параметров образцов при постоянном заданном давлении и линейно изменяющейся температуре. Калориметрические камеры большого объема (рабочий объем каждой камеры составляет около 3,9 см³) со стенками толщиной 5 мм имеют большую теплоемкость и, соответственно, большую тепловую инерционность, что не позволяет получать достоверные результаты при изучении быстропеременных тепловых процессов в образцах. Многие мягкие полимеры, из которых изготавливаются полимерные оболочки образцов (например фторопласт), имеют в рабочем диапазоне температур исследования биологических объектов от -20 до +120°С, фазовые переходы, которые могут исказить измеряемый тепловой эффект в образце в исследуемом диапазоне температур.

Кроме того, каждый раз для размещения образцов в калориметрических камерах необходимо освобождать камеру от жидкой среды, передающей давление на образцы, что неудобно при эксплуатации прибора, а также влияет на воспроизводимость его показаний при многократных измерениях. Данный калориметр неудобен для исследования жидких образцов, так как полимерную оболочку с жидким образцом сложно герметизировать. Кроме того, может быть плохая воспроизводимость результатов измерения из-за переменного термического сопротивления между полимерной оболочкой, заполненной образцом, и стенками измерительной камеры как в процессе измерения, так и при перезаправке калориметра исследуемым образцом.

Известен высокочувствительный дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр (авторское свидетельство №328776, G01K 17/08, 1974.07.05) с чувствительностью порядка 5×10^-7 Вт, с диапазоном скоростей сканирования от 0,125 до 2 град/мин, содержащий эталонную и рабочую калориметрические камеры с рабочим объемом 0,5 см³, на поверхности которых укреплены распределенные электронагреватели, внутренний и внешний адиабатные экраны с распределенными по поверхности экранов электронагревателями, дифференциальный измерительный термочувствительный элемент в виде термобатареи, одни спаи которой расположены на поверхности эталонной камеры, а другие - на поверхности образцовой камеры, электрически соединенной с измерителем теплового эффекта, дифференциальный термочувствительный элемент поддержания температуры внутреннего адиабатного экрана в виде термобатареи, одни спаи которой укреплены на калориметрических камерах, а другие - на внутреннем адиабатном экране, электрически соединенной с регулятором температуры внутреннего адиабатного экрана, дифференциальный термочувствительный элемент поддержания температуры внешнего адиабатного экрана в виде термобатареи, одни спаи которой расположены на внутреннем адиабатном экране, а другие - на внешнем адиабатном экране, соединенной с регулятором температуры внешнего адиабатного экрана, при этом калориметрические камеры соединены с жесткими трубками, проходящими через адиабатные экраны и предназначенными для заполнения калориметрических камер исследуемой жидкостью, причем внутри и снаружи адиабатных экранов находится теплопередающая среда - воздух.

Давление среды на жидкие образцы в калориметрических камерах, при котором известная конструкция калориметра позволяет проводить измерение, составляет не более 2-4 атм. Причем давление газовой среды на исследуемую жидкость подается в калориметрические камеры через жесткие трубки, соединенные с ними.

Недостатком данного калориметра является невозможность качественного и количественного измерения тепловых эффектов термодинамических процессов, происходящих в слабоконцентрированных растворах биополимеров при давлениях до 6000 атм.

Задачей предлагаемого изобретения является создание дифференциального адиабатного сканирующего микрокалориметра высокого давления.

Технические результаты, которые могут быть получены при использовании предлагаемого изобретения, - это возможность качественного и количественного измерения тепловых эффектов термодинамических процессов в жидкостях при давлениях до 6000 атм, обеспечение высокочувствительных (не хуже 10^-6 Вт) измерений с малой тепловой инерционностью (не более 60 сек) низкоэнергетических термодинамических процессов в жидких образцах, например слабоконцентрированных растворах биополимеров (от 0,1-0,5%) при высоких давлениях, обеспечение подачи высокого давления в калориметрические камеры без контакта среды, передающей давление, с исследуемой жидкостью путем воздействия давлением на трубки устройства заполнения калориметрических камер, удобство заполнения калориметрических камер исследуемой жидкостью при эксплуатации, расширение диапазона исследований за счет обеспечения сканирования как по температуре, так и по давлению, применения тонкостенных калориметрических камер и адиабатных экранов с малой тепловой инерционностью при высоком давлении

Для решения поставленной задачи предлагается дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр, содержащий эталонную и рабочую калориметрические камеры с укрепленными на их поверхностях распределенными электронагревателями, один или два адиабатных экрана - один внутренний, а другой внешний, с распределенными на их поверхностях электронагревателями, дифференциальный измерительный термочувствительный элемент, контактирующий с эталонной и рабочей калориметрическими камерами, электрически соединенный с измерителем теплового эффекта, дифференциальный термочувствительный элемент поддержания температуры внутреннего адиабатного экрана, контактирующий с калориметрическими камерами и внутренним адиабатным экраном, электрически соединенный с регулятором температуры внутреннего адиабатного экрана, дифференциальный термочувствительный элемент поддержания температуры внешнего адиабатного экрана, контактирующий с внутренним и внешним адиабатными экранами, электрически соединенный с регулятором температуры внешнего адиабатного экрана, внешнюю термостатирующую оболочку, соединенную с устройством задания и поддержания температуры термостатирующей оболочки, например криостатом, устройство заполнения калориметрических камер с жесткими каналами, соединяющимися с калориметрическими камерами, при этом внутри и снаружи адиабатных экранов, установленных внутри термостатирующей оболочки, расположена теплопередающая среда.

Внешняя термостатирующая оболочка представляет собой сосуд высокого давления (в дальнейшем - термостатирующая оболочка высокого давления), соединенный с узлом подачи давления, связанный с управляемым исполнительным устройством подачи давления. Теплопередающей средой является диэлектрическая жидкость - полиэтилсилоксановая жидкость, передающая давление. При этом жесткие каналы устройства заполнения калориметрических камер соединены с калориметрическими камерами с помощью трубок из эластичного материала, передающего давление среды на исследуемую жидкость, расположенную в калориметрических камерах.

При этом изменение внутреннего объема эластичной трубки, заполненной исследуемой жидкостью, под действием давления среды, заполняющей сосуд высокого давления, меньше изменения ее объема, определяемого обратимой деформацией ее стенок или ее прочностью в случае упругого материала стенок, и составляет величину больше изменения объема жидкости за счет ее сжатия давлением среды в общем объеме калориметрической камеры, жесткого канала устройства заполнения и эластичной трубки.

В предлагаемой конструкции устройство заполнения содержит корпус высокого давления с жесткими каналами, обтюратор, прижимную гайку и герметизирующие прокладки.

В предлагаемом изобретении узлом подачи давления является мультипликатор, связанный с управляемым исполнительным устройством подачи давления.

В предлагаемом изобретении термостатирующая оболочка высокого давления может быть корпусом мультипликатора, а теплопередающей средой является, например, полиэтилсилоксановая жидкость.

В предлагаемом изобретении калориметрические камеры представляют собой вертикально расположенные капилляры с дном, выполненные из инертного к исследуемой жидкости материала, например стекла, или сапфира, или золота, или платины.

Предложенное решение иллюстрируется следующим примером его выполнения.

На фиг.1 представлен дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр высокого давления с узлом подачи давления в виде мультипликатора.

На фиг.2 представлен дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр высокого давления с узлом подачи давления в виде мультипликатора, корпус которого является термостатирующей оболочкой высокого давления.

На фиг.3 представлены результаты экспериментальных измерений избыточной парциальной молярной теплоемкости мультиламеллярной дисперсии DPPC (дипальмитоилфосфатидилхолин) в воде при различных давлениях на предлагаемом дифференциальном адиабатном микрокалориметре высокого давления. Пики теплопоглощения соответствуют основному переходу из Р'_β фазы в жидкокристаллическую фазу L_α. Результаты получены при следующих давлениях (слева направо): 0.0981, 53.4, 84.1, 116.6, 164.3, 186.7 мегапаскаль (×10 атм).

На фиг.4 представлены результаты экспериментального определения чувствительности предлагаемого дифференциального адиабатного сканирующего микрокалориметра высокого давления и его тепловой инерционности. Измеренная постоянная времени составила величину порядка 30 сек. Величина шума, определяющая чувствительность калориметра, составила величину 8,4×10^-7 Вт.

Дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр высокого давления, представленный на фиг.1, содержит две одинаковые эталонную 1 и рабочую 2 калориметрические камеры (эталонная камера 1 заполнена жидкостью - эталоном сравнения, а рабочая камера 2 заполнена жидкостью - образцом, параметры которого измеряются), выполненные в виде цилиндрических вертикально расположенных трубок с дном (в виде пробирок) из стекла с рабочим объемом каждой из них около 0,35 см³. При этом для обеспечения равенства теплоемкостей камер они откалиброваны по величине рабочего объема с погрешностью ±0,005 см³ и по величине массы с погрешностью ±0,005 мг. Высота рабочей измерительной цилиндрической части каждой из камер составляет 40 мм, внутренний диаметр рабочей части камеры - 3,5 мм, толщина стенок - 0,25 мм.

На рабочей части каждой из камер намотан проволочный электронагреватель 3 (эталонная камера) и 4 (рабочая камера). Между рабочими частями калориметрических камер 1 и 2 установлен измерительный дифференциальный термочувствительный элемент в виде термобатареи 5, электрически соединенным с измерителем теплового эффекта 6, электрически соединенного с нагревателями 3 и 4. Дифференциальная термобатарея 5, изготовленная в виде цилиндрической катушки из константановой проволоки.

При этом одна половина катушки покрыта медью (обмеднена) по образующей цилиндра. Две противолежащие границы раздела половины катушки, покрытой медью, и половины катушки, свободной от меди, являются термочувствительными зонами (спаями) термобатареи, содержащей определенное число подобных спаев на каждой границе раздела.

При этом спаи одной границы раздела термобатареи укреплены на рабочей части эталонной калориметрической камеры 1, а другие - на поверхности рабочей калориметрической камеры 2.

Расположение спаев на поверхности камер может быть как внешним (камеры внутри термобатареи), так и внутренним (камеры снаружи термобатареи). Рабочие части калориметрических камер 1 и 2 расположены во внутреннем адиабатном экране 7. При этом адиабатный экран 7 изготовлен из материала с высоким коэффициентом температуропроводности - а (а=λ/c_pρ, где λ - коэффициент теплопроводности; с_p - удельная теплоемкость, ρ - удельный вес), например, из меди или алюминия.

На внешнюю поверхность внутреннего адиабатного экрана 7, как на его цилиндрическую часть, так и на верхнее и нижнее основания, нанесен пленочный равномерно распределенный по поверхности экрана электронагреватель 8.

Нижнее основание и цилиндрическая часть адиабатного экрана 7 имеет толщину 2 мм, а верхнее основание выполнено в виде теплового шунта толщиной 8 мм, обеспечивающего снижение уровня тепловых шумов, возникающих за счет теплоотвода из рабочих частей измерительных камер по их стенкам и исследуемым жидкостям.

На поверхности калориметрических камер 1 и 2 у их дна закреплен дифференциальный термочувствительный элемент в виде двух последовательно соединенных пленочных термобатарей 9, спаи которых закреплены на калориметрических камерах 1 и 2 и внутреннем адиабатном экране 7, электрически соединенных с регулятором температуры внутреннего адиабатного экрана 10, выход которого электрически соединен с нагревателем 8.

Внутренний адиабатный экран 7 укреплен внутри внешнего адиабатного экрана 11, изготовленного из материала с высоким коэффициентом температуропроводности, например из меди или алюминия.

На поверхность внешнего адиабатного экрана 11, как на его цилиндрическую часть, так и на верхнее и нижнее основания, нанесен пленочный равномерно распределенный по поверхности экрана электронагреватель 12. Нижнее основание и цилиндрическая часть адиабатного экрана 11 имеет толщину 3-5 мм, а верхнее основание выполнено в виде теплового шунта толщиной 10-15 мм, обеспечивающего снижение уровня тепловых шумов, возникающих за счет теплоотвода из рабочих частей измерительных камер по их стенкам камер и исследуемым жидкостям.

Между внутренним адиабатным экраном 7 и внешним адиабатным экраном 11 расположен дифференциальный термочувствительный элемент в виде термобатареи 13. При этом термобатарея 13 электрически соединена с регулятором температуры внешнего адиабатного экрана 14, выход которого электрически соединен с нагревателем 12. Прчем одни спаи дифференциальной термобатареи 13 закреплены на внутреннем адиабатном экране 7, а другие спаи закреплены на внешнем адиабатном экране 11.

На внутреннем адиабатном экране 7 укреплен датчик температуры 15, электрически соединенный с измерителем температуры 16. Адиабатные экраны вместе с калориметрическими камерами установлены внутри толстостенной термостатирующей оболочки высокого давления 17, теплообменник 18 которой соединен с криостатом 19.

На термостатирующей оболочке высокого давления 17 установлен датчик температуры 20, электрически соединенный с преобразователем сопротивления в напряжение 21.

Термостатирующая оболочка высокого давления 17 имеет верхнюю крышку в виде фланца 22, прикрепляемого к термостатирующей оболочке высокого давления 17 с помощью болтов 23.

К фланцу 22 снизу прикреплен с помощью болтов 24 самоуплотняющийся корпус 25 устройства заполнения калориметрических камер. Между корпусом 25 и фланцем 22 установлена герметизирующая прокладка 26. Прокладка выполнена из эластичного материала.

Внешние диаметры фланца 22 и корпуса 25 подогнаны под внутренний диаметр термостатирующей оболочки высокого давления 17 с зазором не более 0,01 мм.

К нижней поверхности корпуса 25 с помощью кронштейнов 27 прикреплены адиабатные экраны 7 и 11 с калориметрическими камерами 1 и 2.

Устройство заполнения калориметрических камер, содержащее корпус 25, имеет заправочные капиллярные каналы 28 и 29 диаметром 0,8-1,5 мм, обтюратор 30 с запрессованной прокладкой 31 из мягкого инертного материала, прижимную гайку 32, прокладку из мягкого материала 33.

Внутренние контактные цилиндрические и плоские поверхности корпуса 25 и внешние контактные цилиндрические и плоские поверхности обтюратора 30 шлифованы и подогнаны между собой с зазором не более 0,01 мм. Капиллярные заправочные каналы 28 и 29 корпуса 25 соединены с калориметрическими камерами 1 и 2 эластичными трубками 34 и 35.

Максимальное усилие, воздействующее на обтюратор при давлении Р=6000 атм составляет величину F=2PS=212 кг при S=πD²/4=1,8×10^-2 см² (В=0,15 см). При D=0,1 см F=94,2 кг, где D - внутренний диаметр каждого канала заполнения.

В корпусе 25 устройства заполнения через отверстие 36 герметично (при давлении до 6000 атм) проведены электрические провода от нагревателей, термобатарей, датчиков температуры.

Внутренний объем термостатирующей оболочки высокого давления 17 и внутренние объемы адиабатных экранов 7 и 11 заполнены теплопередающей средой 37 в виде жидкости, например полиэтилсилоксановой ПЭС-5, которая одновременно является средой, передающей давление.

Для подачи давления в объемы адиабатных экранов они имеют микроотверстия 38 (на фиг.1 показаны условно, так как в реальной конструкции - это зазоры между конструктивными элементами адиабатных экранов).

Рабочее давление в термостатирующую оболочку высокого давления 17 задается исполнительным устройством подачи давления 39. Данное устройство электрически соединено с компьютером 40 посредством цифровой части калориметра 41, которая также электрически соединена с измерителем теплового эффекта 6, с регулятором температуры внутреннего адиабатного экрана 10, с регулятором температуры внешнего адиабатного экрана 14, с измерителем температуры 16, с преобразователем напряжения в сопротивление 21. При этом исполнительное устройство подачи давления 39 связано капилляром высокого давления 42 с узлом подачи давления в виде мультипликатора, состоящего из поршня низкого давления 43, поршня высокого давления 44 и корпуса 45, соединенного капилляром высокого давления 46 с термостатирующей оболочкой высокого давления 17.

Дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр, представленный на фиг.2, отличается от конструкции, представленной на фиг.1 тем, что корпусом мультипликатора является термостатирующая оболочка высокого давления 17.

Калориметрические камеры из стекла могут функционировать при подаче равного высокого давления внутрь камер и снаружи до давления 6000 кг/см², так как прочность стекла на сжатие в зависимости от марки стекла лежит в диапазоне от 6100 до 12300 кг/см².

Калориметрические камеры могут изготавливаться из инертных материалов, но с большим, чем у стекла коэффициентом температуропроводности материала камеры. Это, например, лейкосапфир. Из него промышленно изготавливаются пробирки с внутренним диаметром до 2 мм, длиной до 100 мм и толщиной стенки 0,3-0,5 мм. Кроме того, калориметрические камеры изготавливаются из промышленно выпускаемых золотых или платиновых капилляров с внутренним диаметром до 1,5 мм и толщиной стенки до 0,2 мм.

Применение подобных металлических капилляров в виде трубчатых цилиндрических камер с дном позволяет уменьшить рабочий объем калориметрических камер в предлагаемом решении до величины 0,07-0,1 см³, а также значительно уменьшить внутренний объем термостатирующей оболочки высокого давления (не менее чем в 1,5 раза), что важно при работе с высоким давлением, так как снижение объема термостатирующей оболочки высокого давления уменьшает толщину ее стенок.

Минимально возможный объем демпфирующей части эластичной трубки, который обеспечивает равенство давлений внутри и снаружи измерительных камер, можно оценить из следующих соображений. Суммарный объем заправленной анализируемой жидкости (V_сум) складывается из трех основных составляющих, а именно объема калориметрической камеры (V_кам); объема жестких частей канала устройства заполнения (V_кан); внутреннего объема эластичной трубки в несжатом состоянии (V_эласт).

V_сум=V_кан+V_кам+V_эласт.

Поскольку коэффициент объемного сжатия материала, из которого изготовляются камеры и подводящие жесткие части каналов, много меньше коэффициента объемного сжатия заполняемой жидкости (водный раствор), можно полагать, что объем жесткой части конструкции (V_кан+V_кам) не зависит от давления. В отличие от объема жесткой части объем эластичной трубки в зависимости от приложенного давления может меняться от V_эласт до некоторого критического значения V_крит, при котором эластичная трубка начнет подвергаться необратимой деформации или разрушится. Очевидно, что при повышении давления до величины Р суммарный объем заправленной анализируемой жидкости V_сум уменьшится на величину βV_сумР, где β - коэффициент объемного сжатия исследуемой жидкости. Такое уменьшение объема жидкости может быть скомпенсировано только уменьшением объема V(Р) эластичной трубки при повышении давления Р на величину ΔV(Р)=V_эласт-V(Р)=βV_сумР. При некотором давлении Р_крит величина инкремента объема ΔV(Р) эластичной трубки достигнет максимума компенсационных возможностей ее эластичных стенок: V_эласт-V_крит=ΔV_крит=βV_сумР_крит, где ΔV_крит - предел допустимого изменения объема эластичной трубки, определяемый обратимой деформацией ее стенок или ее прочностью в случае упругого материала стенок. Дальнейшее повышение давления приведет к перепаду давлений внутри и снаружи калориметрической камеры и, возможно, к разрушению эластичной трубки при ΔV(Р)>ΔV_крит. Учитывая, например, что максимальное относительное изменение объема воды в рабочем диапазоне давлений от 1 до 6000 атм не превышает 20%, соответственно, максимальное изменение объема эластичной трубки при изменении давления от 1 до 6000 атм должно составлять не менее 20% от суммарного объема воды в жестких каналах, в эластичной трубке и в измерительной камере, то есть ΔV(Р)_макс должно быть не меньше чем 0,2 V_сум. Для других исследуемых жидкостей ΔV(P)_макс>γV_сум в случае наличия газовой фазы в исследуемой жидкости и ΔV(P)_макс>γV_сум в случае ее отсутствия, где γ=βР_макс - максимальное относительное изменение объема исследуемой жидкости в максимальном диапазоне задаваемых давлений (от 1 до 6000 атм). Причем V_эласт>V_крит+γV_сум=V_крит/(1-γ)+γ(V_кан+V_кам)/(1-γ) в случае наличия в жидкости газовой фазы или V_эласт>V_крит+γV_сум=V_крит/(1-γ)+γ(V_кан+V_кам)/(1-γ) в случае ее отсуствия. При этом ΔV(Р)_макс должно быть меньше чем

ΔV_крит.

Таким образом, для исключения разрушения эластичной трубки при воздействии на нее высокого давления внешней среды необходимо, чтобы изменение внутреннего объема эластичной трубки ΔV(Р), заполненного исследуемой жидкостью, находилось в пределах допустимого изменения ее объема ΔV_крит, определяемого обратимой деформацией ее стенок или ее прочностью в случае упругого материала стенок. При этом величина ΔV(Р) должна быть равна или больше (в случае наличия в жидкости газовой фазы) изменения объема жидкости за счет ее сжатия давлением среды в общем (суммарном) объеме измерительной камеры, жесткого канала устройства заполнения и эластичной трубки, то есть равна или больше чем величина βV_сумР.

Предложенный дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр дает возможность реализовать несколько режимов работы.

Изобарический режим работы микрокалориметра со сканированием по температуре в диапазоне от +5 до +130°С, при этом изобарическое давление задается в диапазоне от 1 до 6000 атм.

Изотермический режим работы микрокалориметра со сканированием по давлению от 1 до 6000 атм, при этом изотермическая температура задается в диапазоне от +5 до +130°С.

Режим работы микрокалориметра с одновременным сканированием по температуре и давлению (изменение давления при сканировании по температуре и изменение температуры при сканировании по давлению), по температуре от +5 до +130°С и давлению от 1 до 6000 атм.

Изобарический режим работы микрокалориметра с заданием постоянного давления в диапазоне от 1 до 6000 атм и сканировании по температуре в диапазоне от +5 до +130°С реализуется следующим образом.

Шприцом с длинной иглой через заправочный капиллярный канал 28 эталонная калориметрическая камера 1 (фиг.1) заполняется эталонной жидкостью с известной теплоемкостью, а через заправочный капиллярный канал 29 рабочая калориметрическая камера 2 заполняется жидким образцом (исследуемой жидкостью).

Заполнение камер производится с обеспечением минимального остаточного объема газовой фазы в заправочных каналах 28 и 29 за счет равномерного извлечения иглы шприца из заправочных каналов при заполнении их жидкостью. При этом полностью заполняются исследуемой жидкостью объемы камер 1 и 2, объемы эластичных трубок 34 и 35, а также объемы заправочных каналов 28 и 29. После чего входные отверстия заправочных каналов 28 и 29 зажимаются прокладкой 31 обтюратора 30, который уплотняется прижимной гайкой 32 и прокладкой 33, герметизирующей обтюратор 30.

В теплообменник 18 термостатирующей оболочки высокого давления 17 подается охлаждающая жидкость криостатом 19, температура которой определяет нижнюю заданную температуру калориметра. После установки заданной температуры термостатирующей оболочки 17, измеряемой датчиком 20 и преобразователем сопротивления в напряжение 21, управляющий компьютер 40 задает программу изменения давления посредством цифровой части 41 на исполнительное устройство подачи давления 39, которое с заданной скоростью поднимает давление перед поршнем низкого давления 43 мультипликатора.

Поршень низкого давления 43 перемещается и передает усилие на поршень высокого давления 44, который создает в жидкой среде 37, заполняющей термостатирующую оболочку 17 с соответствующим коэффициентом мультипликации (от 5 до 10), требуемое высокое давление за счет ее сжатия. При увеличении давления в жидкой среде 37 эластичные трубки 34 и 35 сжимаются и передают давление в исследуемые жидкости, заполняющие объемы калориметрических камер 1 и 2, эластичных трубок 34 и 35, а также каналов заполнения 28 и 29. После достижения заданного давления оно поддерживается на постоянном уровне управляющим компьютером 40, цифровой частью 41 и исполнительным устройством подачи давления 39.

При сжатии жидкой среды в ней выделяется тепло приближенно пропорциональное коэффициенту сжатия жидкости, ее начальному объему и квадрату изменения давления, то есть Q≈βV₀(ΔP)², где β - средний коэффициент сжимаемости жидкой среды при изменении давления в диапазоне ΔР, V₀ - начальный объем сжимаемой жидкой среды.

При этом удельный тепловой поток, выделяемый в единице объема при изменении давления ΔР за время τ, будет q≈β₀(ΔР)²/τ. Так, для жидкой среды с максимальным коэффициентом сжимаемости β=5×10^-5 см²/кг при изменении давления ΔР=5000 кг/см² за время 3600 сек q≈30 мВт/см³.

Это дает изменение температуры жидкой среды (полиэтилсилоксановой жидкости ПЭС-5 со средней удельной теплоемкостью Ср≈1,8 Дж/град.г) в адиабатных условиях приблизительно на 68°С. Для водных растворов (Ср≈4,2 Дж/град.г) в калориметрических камерах эта величина составит приблизительно 29°С, то есть в этом случае исследуемая жидкость вместе с калориметрической камерой будет нагреваться от жидкой среды, передающей давление.

В изобарическом режиме работы калориметра этот эффект может оказывать вредное влияние, заключающееся в том, что при установлении изобарического режима температура калориметрических камер с исследуемой жидкостью будет неуправляемо изменяться в рабочем диапазоне температур за счет изменения температуры жидкой среды при ее адиабатном сжатии. Это может отрицательно воздействовать на исследуемую жидкость.

Для исключения этого вредного влияния температура термостатирующей оболочки, а следовательно, и температура жидкой среды задается ниже, чем нижняя граница рабочего температурного диапазона калориметра (от +5 до +130°С) на величину нагрева жидкой среды при ее адиабатном сжатии с заданной скоростью в режиме выхода давления на заданный изобарический уровень. При этом изменение температуры жидкой среды за счет адиабатного сжатия не будет выше нижней границы рабочего температурного диапазона калориметра (+5°С).

В другом варианте для исследуемых жидкостей, кристаллизующихся при низких температурах, в предложенном калориметре предусмотрен режим задания и поддержания заданной температуры (изотермический режим), которая выше температуры кристаллизации исследуемой жидкости. В этом режиме работы жидкая среда 37 перед подачей в нее давления охлаждается за счет теплоотвода в термостатирующую оболочку высокого давления 17, охлаждаемую криостатом 19.

При этом при охлаждении жидкой среды перед подачей в нее давления температура калориметрических камер поддерживается постоянной за счет подвода к ним мощности нагрева, подаваемой от измерителя теплового эффекта 6, управляемого компьютером 40, на нагреватели 3 и 4 калориметрических камер 1 и 2. Температура адиабатных экранов 7 и 11 также поддерживается постоянной за счет подвода к ним мощности нагрева, подаваемой от регуляторов температуры 10 и 14, управляемых компьютером 40, на нагреватели 8 и 12.

После выхода термостатирующей оболочки 17 на заданную температуру управляющий компьютер 40 включает режим выхода давления на заданный изобарический уровень, управляя через цифровую часть 41 исполнительным устройством подачи давления 39. При этом мощности нагрева, подаваемые на калориметрические камеры и адиабатные экраны, снижаются пропорционально мощности, выделяемой в жидкой среде при подаче в нее давления, обеспечивая тем самым поддержание заданной температуры калориметрических камер на постоянном уровне перед включением режима температурного сканирования.

После достижения заданного изобарического уровня управляющий компьютер 40 по сигналу, переданному с цифровой части калориметра 41, включает режим температурного сканирования в рабочем диапазоне температур с заданной скоростью, обеспечивая нагрев калориметрических камер 1 и 2 с постоянной линейной скоростью.

По сигналу дифференциальной термобатареи 9 регулятор температуры внутреннего адиабатного экрана 10 подает мощность нагрева на нагреватель 8, обеспечивая поддержание температуры внутреннего адиабатного экрана 7, равной температуре калориметрических камер 1 и 2 с погрешностью не более 0,001 град. при любой скорости их нагрева.

Температура внутреннего адиабатного экрана 7, практически равная температуре калориметрических камер 1 и 2, определяется датчиком температуры 15 и измерителем температуры 16 с погрешностью не более 0,01 град.

По сигналу дифференциальной термобатареи 13 регулятор температуры внешнего адиабатного экрана 14 подает мощность нагрева на нагреватель 12, обеспечивая поддержание температуры внешнего адиабатного экрана 11, равной температуре калориметрических камер 1 и 2, с погрешностью не более 0,01 град. при любой скорости сканирования по температуре.

Тепловой эффект в жидком образце (например, при конформационном переходе белка в водном растворе), возникающий при линейном изменении температуры исследуемой жидкости и при постоянном давлении в ней, регистрируется измерителем теплового эффекта 6 по сигналу дифференциальной измерительной термобатареи 5. При этом чувствительность дифференциальной термобатареи 5 и измерителя теплового эффекта в газовой среде при атмосферном давлении составляет величину порядка 5×10^-7 Вт.

В предложенной конструкции чувствительность лимитируется в основном теплоотводом в жидкую среду 37, контактирующую с калориметрическими камерами 1 и 2, а также с измерительной термобатареей 5. Это обеспечивает чувствительность адиабатного сканирующего микрокалориметра высокого давления порядка 10^-6 Вт, что позволяет количественно измерять слабые тепловые эффекты в жидкостях при высоком давлении, например слабоконцентрированных растворах белков. До настоящего времени не существовало дифференциальных адиабатных сканирующих микрокалориметров высокого давления для исследования жидких образцов с такой чувствительностью.

При изменении температуры калориметрических камер 1 и 2, а также адиабатных экранов 7 и 11 на величину ΔТ в режиме температурного сканирования давление в жидкой среде изменяется за счет увлечения ее температуры на величину

ΔР=αΔТ/β, где

α - коэффициент теплового расширения жидкой среды, уменьшающийся с ростом давления и увеличивающийся с ростом температуры,

β - коэффициент сжатия жидкой среды под действием давления, уменьшающийся с ростом давления и увеличивающийся с ростом температуры.

Такое изменение давления может достигать 1000 атм при изменении температуры жидкой среды на 100°С.

Поддержание изобарных условий в режиме температурного сканирования, то есть компенсирование изменения давления при изменении температуры жидкой среды обеспечивает управляющий компьютер 40 посредством цифровой части 41 и исполнительного устройства подачи давления 39, в состав которого входит датчик давления (не указан).

Один из способов поддержания постоянного давления в калориметрических камерах при линейном изменении их температуры следующий. При настройке дифференциального адиабатного сканирующего микрокалориметра перед эксплуатацией в калориметрические камеры, заполненные эталонной жидкостью, имеющей коэффициент теплового расширения и коэффициент сжатия, близкие по величине к таким же коэффициентам исследуемой жидкости, помещают датчик давления, например манганиновый, предварительно калиброванный в рабочем диапазоне давлений.

Электрические соединительные провода датчика герметично выведены через технологический обтюратор, вставляемый вместо рабочего обтюратора 30 в корпус узла заполнения 25. Включают выход на изобарический режим и после установки изобарического режима в рабочем диапазоне давлений, как было указано выше, нагревают калориметрические камеры с заданной линейной скоростью, регистрируя датчиком давления диаграмму изменения давления и скорость изменения давления в зависимости от заданной постоянной скорости изменения температуры при линейном нагреве и охлаждении калориметрических камер.

Эти данные вводят в программу компьютера 40, обеспечивающую поддержание изобарического режима. В рабочем режиме при линейном изменении температуры калориметрических камер с заданной скоростью сканирования компьютерная программа будет обеспечивать управление исполнительным устройством подачи давления 39 так, что при увеличении температуры калориметрических камер давление будет сбрасываться исполнительным устройством по заданной программе, поддерживая изобарический режим в камерах. Изотермический режим работы калориметра с заданием постоянной температуры в диапазоне от +5 до +130°С и сканированием по давлению в диапазоне от 1 до 6000 атм реализуется следующим образом.

Температура термостатирующей оболочки высокого давления устанавливается меньше нижней границы рабочего температурного диапазона так, как указывалось выше.

Перед заполнением калориметрических камер исследуемой жидкостью их нагревают до температуры заданного изотермического режима, но меньше температуры кипения исследуемой жидкости при атмосферном давлении, после чего заполняют калориметрические камеры исследуемой жидкостью и герметизируют их так же, как указывалось выше. Это исключает неуправляемое увеличение давления исследуемой жидкости в герметично закрытых камерах за счет роста их температуры при выходе на изотермический режим или вытеснение части исследуемой жидкости из калориметрических камер за счет теплового расширения при выходе на изотермический режим при негерметизированных камерах.

Затем управляющий компьютер 40 по сигналу, переданному с цифровой части калориметра 41, задает постоянный перепад температур между внутренним адиабатным экраном 7 и внешним адиабатным экраном 11 (температура внутреннего адиабатного экрана задается выше температуры внешнего адиабатного экрана), а также задает постоянный перепад температур между калориметрическими камерами и внутренним адиабатным экраном 7 (температура калориметрических камер задается выше температуры внутреннего адиабатного экрана).

При этом заданные перепады температур поддерживаются с высокой точностью дифференциальной термобатареей 9, регулятором температуры внутреннего адиабатного экрана 10 и нагревателем 8, а также дифференциальной термобатареей 13, регулятором температуры внешнего адиабатного экрана 14 и нагревателем 12 (между адиабатными экранами - с погрешностью не больше 0,01°С, а между внутренним адиабатным экраном и калориметрическими камерами - с погрешностью не больше 0,001°С). Фиксированные перепады температур задаются для обеспечения изотермического режима при выделении тепла в жидкой среде при увеличении давления в ней.

После перечисленных выше подготовительных операций управляющий компьютер 40 по сигналу, переданному с цифровой части калориметра 41, нагревает калориметрические камеры до заданной температуры изотермического режима. При этом поддержание постоянного начального давления при выходе калориметрических камер и экранов на изотермический режим в рабочем диапазоне температур, то есть компенсирование изменения давления при изменении температуры жидкой среды, обеспечивает управляющий компьютер 40 посредством цифровой части 41 и исполнительного устройства подачи давления 39, в состав которого входит датчик давления.

После установки заданной температуры изотермического режима, измеряемого датчиком 15 и измерителем температуры 16, управляющий компьютер 40 задает программу линейного изменения давления в рабочем диапазоне изменения давлений (от 1 до 6000 атм) посредством цифровой части 41 на исполнительное устройство подачи давления 39, которое с заданной скоростью поднимает давление перед поршнем низкого давления 43 мультипликатора.

Поршень низкого давления 43 перемещается и передает усилие на поршень высокого давления 44, который создает в жидкой среде 37, заполняющей термостатирующую оболочку 17 с соответствующим коэффициентом мультипликации (от 5 до 10), требуемое высокое давление за счет ее сжатия. При увеличении давления в жидкой среде 37 эластичные трубки 34 и 35 сжимаются и передают давление в исследуемые жидкости, заполняющие объемы калориметрических камер 1 и 2, эластичных трубок 34 и 35, а также каналов заполнения 28 и 29.

При этом задается такая скорость изменения давления, при которой тепловая мощность, выделяемая при адиабатном сжатии жидкой среды, не больше тепловой мощности, отводимой от жидкой среды охлаждаемыми адиабатными экранами и термостатирующей оболочкой высокого давления.

Отвод тепла, выделяющегося в жидкой среде при ее сжатии, обеспечивается теплоотдачей от жидкой среды на охлаждаемые адиабатные экраны и термостатирующую оболочку высокого давления, температура которых задается и поддерживается постоянной. Температура внутреннего адиабатного экрана 7 поддерживается постоянной дифференциальной термобатареей 9, регулятором температуры 10 и нагревателем 8. Температура внешнего адиабатного экрана поддерживается постоянной дифференциальной термобатареей 13, регулятором температуры 14 и нагревателем 12. Температура внешней термостатирующей оболочки высокого давления поддерживается постоянной криостатом 19.

Тепловой эффект в жидком образце, возникающий при линейном изменении давления в исследуемой жидкости при ее постоянной заданной температуре, регистрируется измерителем теплового эффекта 6 по сигналу дифференциальной измерительной термобатареи 5, как указывалось выше.

Возможен еще один из способов поддержания постоянной температуры в калориметрических камерах при линейном изменении давления в жидкой среде. При настройке дифференциального адиабатного сканирующего микрокалориметра перед эксплуатацией в калориметрические камеры, заполненные эталонной жидкостью, имеющей коэффициент теплового расширения и коэффициент сжатия, близкие по величине к таким же коэффициентам исследуемой жидкости, помещают датчик температуры, например термопару, предварительно калиброванную в рабочем диапазоне температур.

Электрические соединительные провода датчика температур герметично выведены через технологический обтюратор, вставляемый вместо рабочего обтюратора 30 в корпус узла заполнения 25. Включают выход на изотермический режим, и после установки изотермического режима в рабочем диапазоне температур, как было указано выше, изменяют давление с заданной линейной скоростью, регистрируя датчиком температуры диаграмму изменения температуры и скорость ее изменения в зависимости от заданной постоянной скорости изменения давления в жидкой среде.

Эти данные вводят в программу компьютера 40, обеспечивающую поддержание изотермического режима. В рабочем режиме при линейном изменении давления в жидкой среде с заданной скоростью сканирования компьютерная программа будет обеспечивать управление измерителем теплового эффекта 6, регулятором температуры 10 и 14 так, что при увеличении давления в жидкой среде тепловая мощность, подаваемая на подогрев калориметрических камер и адиабатных экранов, будет изменяться по программе поддержания изотермического режима в камерах, обеспечивая их постоянную температуру.

Режим с одновременным сканированием по температуре в рабочем диапазоне температур от +5 до +130°С и давлению в рабочем диапазоне давлений от 1 до 6000 атм реализуется следующим образом.

Температура термостатирующей оболочки высокого давления устанавливается меньше нижней границы рабочего температурного диапазона так же, как указывалось выше.

Перед заполнением калориметрических камер исследуемой жидкостью их нагревают до температуры нижней границы рабочего температурного режима, после чего заполняют калориметрические камеры исследуемой жидкостью и герметизируют их так же, как указывалось выше.

После вышеперечисленных подготовительных операций управляющий компьютер 40 задает программу линейного изменения давления в рабочем диапазоне изменения давлений (от 1 до 6000 атм) посредством цифровой части 41 на исполнительное устройство подачи давления 39, которое с заданной скоростью поднимает давление перед поршнем низкого давления 43 мультипликатора. Поршень низкого давления 43 перемещается и передает усилие на поршень высокого давления 44, который создает в жидкой среде 37, заполняющей термостатирующую оболочку 17, с соответствующим коэффициентом мультипликации (от 5 до 10), требуемое высокое давление за счет ее сжатия. При увеличении давления в жидкой среде 37 эластичные трубки 34 и 35 сжимаются и передают давление в исследуемые жидкости, заполняющие объемы калориметрических камер 1 и 2, эластичных трубок 34 и 35, а также каналов заполнения 28 и 29.

При этом скорость изменения давления задается такая, при которой тепловая мощность, выделяемая при адиабатном сжатии жидкой среды, дает скорость нагрева жидкой среды (и, соответственно, калориметрических камер и адиабатного экрана) не выше, чем задаваемая скорость температурного сканирования.

Одновременно с началом сканирования по давлению управляющий компьютер 40 включает скорость сканирования по температуре. При этом мощность нагрева калориметрических камер и адиабатных экранов задается такая, что при ее сложении с тепловой мощностью, выделяемой в жидкой среде при ее сжатии давлением, суммарная тепловая мощность обеспечивает нагрев калориметрических камер с заданной скоростью сканирования.

Обеспечение заданной скорости линейного изменения давления с учетом изменения давления при сканировании по температуре обеспечивает управляющий компьютер 40 посредством цифровой части 41 и исполнительного устройства подачи давления 39, в состав которого входит датчик давления (на фиг. не указан).

По сигналу дифференциальной термобатареи 9 регулятор температуры внутреннего адиабатного экрана 10 подает мощность нагрева на нагреватель 8, обеспечивая поддержание температуры внутреннего адиабатного экрана 7, равной температуре калориметрических камер 1 и 2, с погрешностью не более 0,001 град. при любой скорости их сканирования по температуре.

Температура внутреннего адиабатного экрана 7, практически равная температуре калориметрических камер 1 и 2, определяется датчиком температуры 15 и измерителем температуры 16 с погрешностью не более 0,01 град.

По сигналу дифференциальной термобатареи 13 регулятор температуры внешнего адиабатного экрана 14 подает мощность нагрева на нагреватель 12, обеспечивая поддержание температуры внешнего адиабатного экрана 11, равной температуре калориметрических камер 1 и 2, с погрешностью не более 0,01 град. при любой скорости сканирования по температуре.

Тепловой эффект в жидком образце, возникающий при линейном изменении температуры исследуемой жидкости и при одновременном линейном изменении давления в ней, регистрируется измерителем теплового эффекта 6 по сигналу дифференциальной термобатареи 5.

Один из способов поддержания постоянной линейной скорости изменения давления в калориметрических камерах при линейном изменении их температуры следующий. При настройке дифференциального адиабатного сканирующего микрокалориметра перед эксплуатацией в калориметрические камеры, заполненные эталонной жидкостью, имеющей коэффициент теплового расширения и коэффициент сжатия, близкие по величине к таким же коэффициентам исследуемой жидкости, помещают в одну из камер датчик давления, например манганиновый, предварительно калиброванный в рабочем диапазоне давлений, а в другую камеру - датчик температуры, например термопару, предварительно калиброванную в рабочем диапазоне температур. Электрические соединительные провода датчика давления и датчика температуры герметично выведены через технологический обтюратор, вставляемый вместо рабочего обтюратора 30 в корпус узла заполнения 25.

Устанавливают температуру калориметрических камер на нижнюю границу рабочего диапазона температур, герметизируют камеры и включают сканирование по температуре и давлению с заданными скоростями в рабочих диапазонах температур и давлений, регистрируя датчиком давления диаграмму изменения давления и скорость изменения давления, а датчиком температуры - диаграмму изменения температуры и скорость изменения температуры. Эти данные вводят в программу компьютера 40, обеспечивающую поддержание линейного изменения температуры и давления.

В рабочем режиме при линейном изменении температуры калориметрических камер с заданной скоростью сканирования и линейном изменении давления в жидкой среде с заданной скоростью сканирования компьютерная программа будет обеспечивать управление исполнительным устройством подачи давления 39 так, что при увеличении температуры калориметрических камер давление будет сбрасываться исполнительным устройством по заданной программе, поддерживая линейное изменение давления, с учетом изменения давления за счет нагрева жидкой среды, а тепловая мощность, подаваемая на нагрев камер, будет обеспечивать их линейное изменение температуры с учетом тепловой мощности, выделяемой при сжатии жидкой среды.

До настоящего времени дифференциальные адиабатные сканирующие микрокалориметры высокого давления, обеспечивающие высокочувствительные измерения тепловых эффектов в жидких образцах при давлении до 6000 атм при различных режимах изменения температуры и давления, не были известны.

Из известного уровня техники не следует явным образом то, что замена газовой среды внутри и снаружи адиабатных экранов на жидкую среду при атмосферном давлении обеспечит чувствительность адиабатного санирующего микрокалориметра не хуже 10^-6 Вт, поскольку тепловые характеристики газа и жидкости значительно отличаются. Так, при прочих равных условиях теплоотдача в газовой среде в 10-20 раз меньше, чем в жидкости. Кроме того, это различие еще больше усиливается при увеличении давления среды до 6000 атм, приблизительно в 1,2-1,6 раза в зависимости от жидкой среды.

Высокое давление влияет на параметры тепловых датчиков, нагревателей, контактных соединений, присоединительных проводов, что может вносить дополнительные искажения в результаты измерений и снижать чувствительность прибора. Однако полученные результаты показывают, что в предложенной конструкции влияние вышеуказанных воздействий сведено к минимуму, что подтверждается чувствительностью микрокалориметра не хуже 10^-6 Вт.

Кроме того, предложенное решение обеспечивает тепловую инерционность измерительной системы тепловой мощности адиабатного сканирующего микрокалориметра высокого давления не хуже 60 сек. С такой тепловой инерционностью не известны дифференциальные адиабатные сканирующие микрокалориметры высокого давления для измерения быстропеременных тепловых процессов в исследуемых жидкостях. Это также не вытекает из известного уровня техники, касающегося количественного измерения быстропеременных тепловых эффектов в жидкостях при высоких давлениях.

В предложенном устройстве обеспечивается удобное и оперативное заполнение калориметрических камер исследуемой жидкостью, а также - подача в калориметрические камеры высокого давления посредством воздействия давления среды на каналы заполнения калориметрических камер, исключение контакта исследуемой жидкости с жидкой средой, передающей давление, обеспечение сравнительно малого усилия на запорный элемент (обтюратор) устройства заполнения за счет малой площади контакта исследуемой жидкости под высоким давлением с поверхностью обтюратора (от 92,4 до 212 кг при внутреннем диаметре каналов заполнения от 1 до 1,5 мм).

Совокупность технических результатов, обеспечиваемых устройством заполнения и его соединением с калориметрическими камерами предложенного калориметра посредством эластичных трубок, не следует явным образом из известного уровня техники.

Кроме того, предложенный калориметр имеет большой диапазон вариантов исследования жидких образцов при различных давлениях и температурах и их изменении с различными скоростями, что также не следует явным образом из известного уровня техники.

Технические результаты, которые получены при использовании предлагаемого изобретения - это обеспечение высокочувствительных малоинерционных измерений низкоэнергетических термодинамических процессов в жидких образцах при высоких давлениях, обеспечение подачи высокого давления в калориметрические камеры путем воздействия давлением на эластичные трубки системы заполнения калориметрических камер без контакта исследуемой жидкости с жидкой средой, передающей давление в камеры, применение тонкостенных калориметрических камер и адиабатных экранов с малой тепловой инерционностью при высоком давлении за счет подачи одинакового высокого давления как внутрь камер, так и снаружи, удобство заполнения калориметрических камер исследуемой жидкостью при эксплуатации, расширение диапазона исследований за счет обеспечения сканирования как по температуре, так и по давлению.

Предложенный высокочувствительный дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр высокого давления может быть использован для оценки изменения термодинамического и активационного объемов при конформационных переходах макромолекул; для определения температуры конформационных переходов полимеров и биополимеров в растворе при произвольных давлениях в диапазоне от 1 до 6000 атм, теплоты (энтальпии) конформационных переходов полимеров и биополимеров в растворе и их зависимости от давления и температуры; для выяснения характера структурных изменений под действием высокого давления; для изучения принципов самоорганизации и поддержания структуры макромолекул из живых организмов, обитающих на больших глубинах, при давлениях до 1000 атм; для разработки технологий использования высоких давлений при ренатурации рекомбинантных белков (ферментов), получаемых в неактивной форме в виде "тел включения"; для разработки технологий приготовления пищевых продуктов длительного хранения с использованием высокого давления; для определения парциальной теплоемкости химических соединений (включая полимеры и биополимеры) в разбавленных растворах в диапазоне температур 0-100°С и давлений 1 до 6000 атм и др.

Изобретение относится к научному приборостроению, а именно к дифференциальным адиабатным сканирующим микрокалориметрам, предназначенным для термодинамических исследований слабоконцентрированных растворов биополимеров, в частности растворов белков. Предложенный дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр дополнительно содержит устройство заполнения калориметрических камер с жесткими каналами, соединяющимися с калориметрическими камерами. При этом внешняя термостатирующая оболочка представляет собой сосуд высокого давления, соединенный с узлом подачи давления, связанный с управляемым исполнительным устройством подачи давления, теплопередающей средой является диэлектрическая жидкость - полиэтилсилоксановая жидкость. Жесткие каналы устройства заполнения калориметрических камер соединены с калориметрическими камерами с помощью трубок из эластичного материала, передающего давление среды на исследуемую жидкость, расположенную в калориметрических камерах. При этом устройство заполнения с жесткими каналами содержит корпус высокого давления, обтюратор, прижимную гайку и герметизирующие прокладки, узлом подачи давления является мультипликатор, термостатирующая оболочка является корпусом мультипликатора. Технический результат - создание дифференциального адиабатного сканирующего микрокалориметра высокого давления. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр, содержащий эталонную и рабочую калориметрические камеры с укрепленными на их поверхностях распределенными электронагревателями, один или два адиабатных экрана: один - внутренний, а другой - внешний, с распределенными на их поверхностях электронагревателями, дифференциальный измерительный термочувствительный элемент, контактирующий с эталонной и рабочей калориметрическими камерами, электрически соединенный с измерителем теплового эффекта, дифференциальный термочувствительный элемент поддержания температуры внутреннего адиабатного экрана, контактирующий с калориметрическими камерами и внутренним адиабатным экраном, электрически соединенный с регулятором температуры внутреннего адиабатного экрана, дифференциальный термочувствительный элемент поддержания температуры внешнего адиабатного экрана, контактирующий с внутренним и внешним адиабатными экранами, электрически соединенный с регулятором температуры внешнего адиабатного экрана, внешнюю термостатирующую оболочку, соединенную с устройством задания и поддержания температуры термостатирующей оболочки, например криостата, при этом внутри и снаружи адиабатных экранов, установленных внутри термостатирующей оболочки, расположена теплопередающая среда, отличающийся тем, что он дополнительно содержит устройство заполнения калориметрических камер с жесткими каналами, соединяющимися с калориметрическими камерами, при этом внешняя термостатирующая оболочка представляет собой сосуд высокого давления, соединенный с узлом подачи давления, связанный с управляемым исполнительным устройством подачи давления, теплопередающей средой является диэлектрическая жидкость, передающая давление, жесткие каналы устройства заполнения калориметрических камер соединены с калориметрическими камерами с помощью трубок из эластичного материала, передающего давление среды на исследуемую жидкость, расположенную в калориметрических камерах, при этом изменение внутреннего объема эластичной трубки, заполненной исследуемой жидкостью, под действием давления среды, заполняющей сосуд высокого давления, меньше изменения ее объема, определяемого обратимой деформацией ее стенок или их прочностью в случае упругого материала стенок, и составляет величину больше изменения объема жидкости за счет ее сжатия давлением среды в общем объеме калориметрической камеры, жесткого канала устройства заполнения и трубки из эластичного материала.

2. Микрокалориметр по п.1, отличающийся тем, что устройство заполнения с жесткими каналами содержит корпус высокого давления, обтюратор, прижимную гайку и герметизирующие прокладки.

3. Микрокалориметр по п.1, отличающийся тем, что узлом подачи давления является мультипликатор.

4. Микрокалориметр по п.1, отличающийся тем, что термостатирующая оболочка является корпусом мультипликатора.

5. Микрокалориметр по п.1, отличающийся тем, что диэлектрической жидкостью является преимущественно полиэтилсилоксановая жидкость.

6. Микрокалориметр по п.1, отличающийся тем, что калориметрические камеры представляют собой вертикально расположенные капилляры с дном, выполненные из инертного к исследуемой жидкости материала - стекла, или сапфира, или золота, или платины.