Дифференциальный микрокалориметр

 

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МИКРОКАЛПРИМЕТР для исследования микроорганизмов , со держащий термостат с размещенным в нем калориметрическим блоком с измерительной и эталонной ячейками, включающими внутреннююи внешнюю оболочку с расположенными между ними датчиками теплового потока, устройство ввода исследуемой жидкости во внутреннюю оболочку измерительной ячейки, снабженное блоком проточных теплообменников, содержащим корпус с размещенными в нем спиральными трубками, связанными, с наконечниками, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, снабжен блоком предварительного термостатирования исследуемой жидкости, закрепленным на термостате, при этом внутренняя оболочка измерительной и эталонной ячеек выполнена в виде кювет, а блок проточных теплообменников осI нащен резьбовыми втулками с закрепленными в них баллонами для размещесл ния спиральных трубок и выполненными с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, при этом наконечники трубок соединены с резьбовыми втулками и кюветами. ел у 05 оо со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

OIlHGAHHE NSOBPETEHIiR ...,, Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3352397/28-13 (22) 28.10.81 (46) 15.11.83. Бюл, Р 42 (72) Д.П.Лебедев, А.А.Тарасиков и О.А.Геращенко (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биологического . приборостроения (53) 663.1 (088.8) (56) 1. Патент США М 3059471, кл. 73-190, 1974.

2. Wadso А. А microcalorimeter

for biological ana1ysis. Science

tools. Vol. 21, No 2-3, 1974, с.18-21. (54)(57) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЬ1И МИКРОКАЛ0РИМЕТР для исследования микроорганизмов,содержащий термостат с размещенным в нем калориметрическим блоком с измерительной и эталонной ячейкамИ, включающими внутреннюю и внешнюю оболочку с расположенными между ними

ÄÄSUÄÄ 1054689 А датчиками теплового потока, устройство ввода исследуемой жидкости во внутреннюю оболочку измерительной ячейки, снабженное блоком проточных теплообменников, содержащим корпус с размещенными в нем спиральными трубками, связанными, с наконечниками, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, снабжен блоком предварительного термостатирования исследуемой жидкости, закрепленным на термостате, при этом внутренняя оболочка измерительной и эталонной ячеек выполнена в виде кювет, а блок проточных теплообменников оснащен реэьбовыми втулками с закреп; ленными в них баллонами для размещения спиральных трубок и выполненными с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, при этом наконечники трубок соединены с реэьбовыми втулками и кюветами.

Ф 1 0546

Изобретение относится к калориметрическим измерениям при микробио логических исследованиях и .контроле, роста микроорганизмов при объемном культивировании и может быть исполь5 зовано в медицинской, фармацевтической и микробиологической промышленности для изучения микроорганизмов.

Известны дифференциальные микрокалориметры ампульного типа, предназначенные для измерений теплофизческих свойств жидких и твердых . веществ Pl 1. Внутренняя оболочка известного микрокалориметра выполнена в виде тонкостенного патрона или пластины с отверстием для ампулы,. внешняя поверхность которых. находится в тепловом контакте с термопреобразователями измеряющими выделя" . емое или поглощаемое в процессе экс" перимента тепло. Исследуемый образец. предварительно помещают в ампулу, которую. перед началом эксперимента опускают в измерительную калориметриt> ческую ячейку микрокалориметра,а ймен "5

HG - в ампульный приемник.С целью сохранения теплового равновесия в измерительной калориметрической ячейке ампулу с исследуемым образцом по хо" ду ее погружения выдерживают в теплообменных блоках в течение определен30 ного времени. Время выдержки ампулы в теплообменных блоках определяют необходимым временем ее прогрева до рабочей температуры с определенной точностью.

Недостатком данных конструкций дифференциальных микрокалориметров является то, что в ампулу с исследуемым образцом невозможно в ходе эксперимента ввести дополнительное вещество.; Для повторного исследования вещества с введенными добавками готовят новую ампулу, что снижает диапазон исследований и увеличивает время эксперимента. Для микробиологи- 45 ческих материалов этот недостаток может иметь существенное значение,так нак за время выдержки может измениться начальная концентрация .клеток вследствие их деления. Несмотря на то, что ампулы выполняются таким об" разом, чтобы они входили в.ампульный приемник с минимальным зазором, пред" ставляющим дополнительное термическое сопротивление, повышаоиее инерционность микрокалориметра, устранить зазор между стенками амплуы и приемником невозможно.

89 3

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является дифференциальный микрокалориметр для исследования микроорганизмов, содержащий термостат с размещенным в нем калориметрическим блоком с измерительной и эталонной ячейками,включающими внутреннюю и внешнюю оболочку с расположенными между ними да чиками теплового потока, устройство ввода исследуемой жидкости во внутреннюю оболочку измерительной ячейки, снаб" женное блоком проточных теплообменни-, ков, содержащим корпус с размещенными в нем спиральными трубками, связанными с наконечниками (? 3.

Известная конструкция предполагает возможность введения в измерительную ячейку необходимые добавки жидких веществ. Как правило, такие " добавки осуществляют с помощью шпри ца или пипетки, позволяющих производить дозировку вещества с высокой степенью точности, Однако при таком методе введения добавок температура вводимого вещества: отличается от ра" бочей температуры микрокалориметра; так как в шприце или в пипетке происходит охлаждение даже при очень быстром выполнении этой операции,а про-. точный теплообменник ампулы не s состоянии полностью устранить возникающую при этом разность температур, Таким образом, при введении добавок наблюдается период теплового разбаланса микрокалориметра, т.е, уход

"Экспериментального нуля" от положения теплового равновесия, достигнутого в подготовительный период. Чем больше несоответствие температуры вводимой добавки и рабочей температуры микрокалориметра, тем длительнее период температурного разбаланса и тем значительнее искажение калориметрической кривой, несущей информацию об исследуемом процессе.

Если при исследовании теплофизических характеристик этот Факт проявляется в снижении точности определяемых величин, то, например, s медицине при исследовании воздействия антибиотиков на микроорганизмы этот факт недопустим, так как искажение калориметрической кривой после введения добавки антибиотика из-за теп" лового разбаланса может быть принято .за .имеющее места воздействие введенного антибиотика на микроорга- низмы. Кроме этого, конструкция

3 10546 ампулы образует неразъемное соединение трубчатого канала от места вве" дения добавки до кюветы. Поскольку концы этого канала в ходе эксперимента находятся при разных температурах то иэ кюветы по этому каналу как по тепловому мастику возникают стоки " тепла, которые не контролируются.и, в свою очередь, снижают точность измерений.

Цель изобретения - повышение точности исследования.

Укаэанная цель достигается тем, что известный дифференциальный микрокалориметр для. исследования микроорганизмов, содержащий термостат с раэ" мещенным в нем калориметрическим блоком с измерительной и эталонной ячейками, включающими внутреннюю и внешнюю оболочку с расположенными между ними датчиками теплового потока, устройство ввода исследуемой жидкости во внутреннюю оболочку измерительной ячейки, снабженное блоком проточных теплообменников, содержа" щим корпус с размещенными в нем спиральными трубками", связанными с наконечниками, снабжен блоком предварительного термостатирования исследуемой жидкости, закрепленным на термо- З стате, при этом внутренняя оболочка измерительной и эталонной ячеек выполнена в виде кювет, а блок проточных теплообменников оснащен резьбовыми втулками с закрепленными в них баллонами для размещения спиральных трубок и выполненными с возможностью. перемещения в вертикальной плоскости при этом наконечники трубок соединены с резьбовыми втулками и кюветами, 40

На чертеже изображена принципиальная конструкция дифференциального микрокалориметра для исследования микроорганизмов.

Дифференциальный микрокалориметр 45 для исследования микроорганизмов содержит термостат 1, например суховоздушный, калориметрический блок 2 с идентично выполненными измерительной 3 и эталонной 4 ячейками, 50 каждая из которых включает внутреннюю оболочку 5, выполненную в виде кюветы, и внешнюю 6, состоящую из основного, центрального и бокового радиаторов соответственно 7-9. Между 55 внутренней 5 и внешней 6 оболочками калориметрического блока 2 расположены датчики 10 теплового потока, 89 4 которые одной плоскостью закреплены на торцевых поверхностях центрального и бокового радиаторов соответственно 8 и 9, а с другой плоскостью поджаты к основаниям кювет, выполненных в виде полого диска с отверстием 11 для ввода ясследуемых жид. костей, боковая поверхность которых составляет 103 от общей площадки, и опирающихся на подпятники 12, в которых установлены тензометрические датчики 13, контролирующие усилие, с которым боковые радиаторы 9 прижимают кюветы к центральным радиа" торам 8. Иикрокалориметр содержит устройство для ввода исследуемых жидкостей в кюветы, которое состоит из блока 14 предварительного термостатирования для прогрева исследуемых жидкостей перед вводом их в кюветы и блока 15 проточных тепло" обменников для окончательного выравнивания температур исследуемых жидкостей перед попаданием их в кюветы.

Оба блока соединены гибкими шлангами

l6. В корпусе 17 блока 14 предварительного термостатирования выполнено контрольное гнездо 18 для датчика

19 термометра 20 и рабочие полости

21 для исследуемых жидкостей. В нем we устайовлены вентили 22 для перекрытия соединительных шлангов 16 . На внешней поверхности блока 14 предварительного термостатирования намотан проволочнь>й электронагреватель

23, управляемый электронной схемой термостабилизации (на чертеже не показана ). В крышке 24 блока установлены про1>ковые вводы 25 для герметизации рабочий полостей. Между корпусом 17 и крышкой 25 установлена прокладка 26.

В корпусе 27 блока 15.проточных теплообменников выполнено контрольное гнездо 28 для второго датчика 29 термометра 20 и рабочие полости 30 для проточных теплообменников 3I состоящих из стеклянных баллонов 32, 1 заполненных теплопроводной жидкостью, внутри которых проходят спиральные трубки 33 для термостабилизации исследуемых жидкостей. Баллоны 32 неподвижно закреплены в резьбовых втулках 34, имеющих возможность . при вращении перемещаться в вертикальном направлении вдоль скользящих втулок 35, которые вставлены в рабочие полости 30 и закреплены винтами 36. Наконечник 37 резьбовой

% 1054689 микрокалориметра в виде кюветы, стенки которой находятся е непосредственном контакте с датчиками теплового потока поз вол яет и сключит ь термическое сопротивление зазора при введении ампулы в ампульный приемник и уменьшить теплоемкость внутренней оболочки за счет исключения ампуль- ного приемника;

Затем заливают в баллоны 32 тепло проводную жидкость и устанавливают всю конструкцию в пенопластовый короб, после чего последний помещают в термостат 1, а гибкие шланги 16, ведущие от блока 14 предварительного термостатирования, подсоединяют к проточным теплообменникам 31. Выt0 держивают устройство в термостате до установления теплового равновесия, которое фиксируют по сигналу с датчиков 10 теплового потока и определяют по моменту установления "экс20 периментального нуля" микрокалориметра на постоянном уровне, Затем включают блок 14 предварительного термостатирования и, контролируя его температуру по показанию термометра 20 и сравнивая.ее с температурой блока

15 проточных теплообменников, где в контоольном гнезде 18 установлен датчик 19 термометра 20, доводят ее до температуры калориметрического блока 2, которая равна температуре блока 15 проточных теплообменни ков. В момент равен ст ва температур блока 14 предварительного термостатирования и блока 15 проточных теплообменников с помощью вентилей 22 перемещают соединительные шланги 16 и в рабочие- полости 2 1 с помощью. шприца через пробковые вводы

25 вводят исследуемые жидкости. Введенные жидкости выдерживают в полостях определенное время с целью прогрева до рабочей температуры, после чего вентили 22 открывают и жидкости из рабочих полостей 21 по соедини" тельным шлангам 16 и по спиральным трубкам 33 протекают в кюветы. Небольш я разность температур, которая может при этом существовать, определяется удвоенной погрешностью измерения используемого термометра. При этом температуру жидкостей по мере их протекания из блока 14 предварительного термостатирования в кюветы дополнительно термостабилизируют до значения рабочей температуры каловтулки 34 выполнен из нетеплопроводного материала и скреплен с кюветой посредством разъемного соединения

38. Все детали микрокалориметра за исключением прокладки 26, баллонов

32 и наконечников 37 выполнены из высокотеплопроводного материала. блок 14 предварительного термостатирования установлен снаружи термостата 1, а калориметрический блок 2 и блок 15 проточных тепло обменников, помещенные в пенопластовый короб, установлены внутри термостата 1

Устройство работает следующим образом.

Перед экспериментом предварительно подготавливают микрокалориметр к работе. Для этого скользящие втулки 35 до упора наворачивают на резьбовые втулки 34, неподвижно закрепленные на стеклянных баллонах 32, Кюветы наворачивают на наконечник

37. Такое положение необходимо для автоклавирования кювет перед проведением микробиологических экспериментов.

Собранную таким образом конструкцию помещают в рабочие полости 30 корпуса 27 и закрепляют винтами 36 так, чтобы скользящие втулки 35 во все последующее время оставались неподвижными. Весь блок 1 проточных теплообменников с кюветами автокла35 вируют, после чего его устанавливают на калориметрический блок 2, при этом кюветы оказываются расположенными между датчиками 10 теплового потока с небольшим зазором над под40 пятниками 12. Вращая баллоны 32 с резьбовыми втулками 34 в скользящих втулках 35, одновременно выворачивают наконечники 37 из кювет так, что последние в определенный момент рас45 стыковываются с наконечниками 37 в месте разъемного соединения 38 и сбрасываются на подпятники 12. При этом наконечник 37 остается введенным в отверстие 11 кюветы с зазором, представляющим собой большое термическое сопротивление, предотвращая тем самым сток тепла, выделяемого в кювете. После этого, следя за показаниями тензометрических датчиков

13, поджимают боковые радиаторы 9 к основаниям кювет, обеспечивая постоянство теплового контакта кювет с датчиками 10 теплового потока, 6

Выполнение внутренней оболочки

7 105468 риметрического блока 2 в спиральных трубках 33 проточных теплообменников, так, что, попадая в кювету, жидкости не вносят сколь-нибудь заметного разбаланса s тепловое равновесие. Теплообменник с наклонной трубкой в . микрокалориметре устанавливают для более полного прогрева проходящей через него исследуемой жидкости до температуры эталонной жидкости.

При стоке объема V суспензии через теплообменник дифференциального микрокалориметра .необходимо рассматривать два процесса: непосредственно сток суспензии .по наклонной (с углом ф) трубке; отрыв капель суспен-. зии у торца прямой трубки и их падение непосредственно в измерительную кювету. В том и другом процессе не допускается, чтобы капли суспензии за счет сил поверхностного натяжения оставались или в наклонной части .труб ки или на ее торце. Это может привести к дрейфу "экспериментального нуля" микрокалориметра и, следовательно, уменьшению точности. Оптимальный радиус трубки теплообменника будет определяться условием, когда силы гравитации, действующие на объем дозируемой жидкости (суспензии ), будут больше сил поверхностного натяжения Fg, на границе раздела суспензия-твердое тело поверхность трубки

Тогда для объема суспензии в трубF ) Fd, (1J . для торца трубки:

> F {2)

Для суспензии в объеме трубки, 40 наклоненной под углом p,ñèëû поверхностного натяжения по периметру на границе раздела сред равны

Fg =2 Rj+2Ti Q ® "-4ЛЙУ 45

Уравнение (1) запишется в виде:

yq7iR L > 4Уйо(,sin Р (Э)

Для капли суспензии на торце трубки уравнение (2) запишется PgiIR ъ 2Т гd., rae - 0,6

4 — э

Откуда внутренний радиус спиральных трубок 33 выбирают в соответствии с зависимостью е

%Р

При протекании суспензии через теплобменник в кювету должно выполняться условие (3) и (4):

oL

1%

V)4Т!R Вin (3 i (й

Ч >4,4Ti R sing (6)

Уравнение (6) с точностью до постоянного коэффициента связывает радиус трубки, угол ее наклона с объемом вводимой в теплообменник жидкости (суспенэии ), при других меньших вводимых объемах пробы силы поверх" ностного натяжения уравновесятся с силой ее тяжести и часть жидкости может остаться внутри трубки, После этого .соединительные шланги 16 перекрываются вентилями 22 и устройство вновь готово для введения необходимых для исследования добавок.

Предложенный дифференциальный микрокалориметр для исследования микроорганизмов позволяет производить неоднократный ввод добавок, на- . пример активных ферментов, в процессе одного эксперимента и тем самым расширить, точность и диапазон микробиологических исследований.

1054689

ВНИИПИ Заказ 9092/47 Тираж 873 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4