Капиллярный компенсационный дифференциальный титрационный калориметр

Основными областями применения титрационных калориметров являются биология, биотехнология, биохимия, физико-химическая биология, медицина. Титрационный калориметр является универсальным средством для измерения параметров кинетики ферментативных реакций и описания молекулярных взаимодействий. Решение задачи снижения концентрации реагентов при измерениях тепловых процессов молекулярных взаимодействий на капиллярном компенсационном дифференциальном титрационном калориметре достигается благодаря тому, что на конце дозирующей иглы для рабочей камеры установлен малогабаритный нагреватель с первым и вторым электрическими выводами, на дозирующей игле эталонной камеры установлены третий и четвертый электрические выводы, идентичные первому и второму выводам, при этом третий и четвертый выводы электрически соединены между собой на конце дозирующей иглы для эталонной камеры, выходные концы второго и третьего выводов электрически соединены между собой, а выходные концы первого и четвертого выводов подсоединены к одному из выходов средства измерения мощности, на конце дозирующей иглы для эталонной камеры установлен такой же, как и на дозирующей игле для рабочей камеры, малогабаритный нагреватель с пятым и шестым электрическими выводами, на дозирующей игле для рабочей камеры установлены седьмой и восьмой электрические выводы. Эти признаки позволяют измерять всю энергию молекулярных взаимодействий компенсационным методом. 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к областям биологии, биотехнологии, биохимии, физико-химической биологии, медицины, а именно к дифференциальным титрационным калориметрам.

В работах [1, 2] указывается на необходимость использования минимальных концентраций реагентов, что соответствует современным требованиям исследований в указанных областях.

Известен изотермический дифференциальный титрационный калориметр [1], содержащий систему титрования с перемешиванием, тепловой экран и две одинаковых калориметрических камеры: эталонную и рабочую. Каждая камера объемом 1.4 мл - это полностью заполняемый сосуд, имеющий форму монеты. Камера имеет длинную узкую трубку, через которую исследуемые образцы вводятся или удаляются при помощи шприцов с длинными иглами. Каждая камера имеет два фототравленных нагревателя, расположенных одинаково на одной плоской внешней поверхности, в то время как вторая плоская поверхность камеры примыкает к специальному термоэлектрическому устройству, содержащему 264 кристалла теллурия висмута. Это устройство используется для измерения разности температур между эталонной и рабочей камерами. Шприцы для титрования объемом от 25 до 250 мкл - это точные стеклянные шприцы, длинные иглы которых из нержавеющей стали имеют на конце прикрепленную перемешивающую лопасть. Шприц для титрования помещается в узел подшипников, обладающих низким трением, который содержит встроенное времязадающее колесо. Этот перемешивающий узел со шприцом легко устанавливается внутрь тефлонового загружающего цилиндра, и времязадающее колесо сцепляется с точным перемешивающим двигателем. Весь этот узел непрерывно вращается в течение эксперимента со скоростью 400 об/мин (управляемый с помощью цифрового тахометра) и производит полное смешивание в камере в пределах нескольких секунд после титрования, что было установлено визуально. Эта базовая линия в присутствии перемешивания используется как исходная базовая линия.

Основные недостатки, органически присущие данному построению титрационного калориметра. Так, например, E.Freire в своем патенте [2] указывает, что мешалка непрерывно создает тепловой эффект, который выражается в виде сдвига базовой линии. Если механическая мешалка плохо выравнена, то повышается уровень шумов, что ограничивает чувствительность прибора. Поскольку мешалка существует в контакте с реагентами и внутренней средой, то она становится теплопроводящим путем, который влияет на проведение эксперимента при температуре, отличной от температуры окружающей среды. Это приводит как к нестабильности измерений, так и к значительному снижению величины регистрируемой измерительной термобатареей мощности теплового эффекта из-за ее потерь за счет теплопередачи во внешнюю среду через вал мешалки. Кроме того, нагревательные элементы расположены на внешних поверхностях калориметрических камер. При такой конструкции нагревателя не обеспечивается равенство подводимой к нагревателям камер при компенсационном методе измерений электрической мощности, измеряемой мощности тепловых процессов, протекающих в калориметрических камерах, и усложняется калибровка калориметра.

Известен изотермический дифференциальный титрационный калориметр [3]. Этот прибор является одной из последних моделей титрационного калориметра фирмы MicroCal Inc. (USA), занимающей лидирующие позиции на мировом рынке указанных приборов. В нем также имеется вал с мешалкой, а нагреватель также выполнен на внешней поверхности калориметрических камер. Таким образом, перечисленные недостатки для аналога [1] в полной мере присущи и этому титрационному калориметру.

Наиболее близким по технической сущности является капиллярный дифференциальный титрационный калориметр [4]. Данный калориметр содержит измерительные части капиллярных калориметрических камер, заключенные в термостатирующую оболочку, инъекционное устройство подачи реагента в камеры, содержащее дозирующую иглу для рабочей камеры и дозирующую иглу для эталонной камеры, устройство приведения игл инъекционного устройства в колебательное движение, пассивный тепловой шунт, охватывающий часть калориметрических камер и соединенный с термостатирующей оболочкой, активный тепловой шунт, расположенный вне термостатирующей оболочки и охватывающий пассивную часть капиллярных калориметрических камер, выполненных в виде прямых капилляров, средство измерения мощности тепловых процессов, происходящих в калориметрических камерах, снабженное выходами для подключения исполнительных устройств, нагреватель, установленный на рабочей камере, подключенный к одному из выходов средства измерения тепловой мощности, нагреватель, установленный на эталонной камере, подключенный к другому выходу средства измерения тепловой мощности, устройство линейного перемещения инъекционного устройства вдоль оси калориметрических камер. Впервые в мировой практике этот титрационный калориметр имеет калориметрические камеры в виде протяженных капилляров, расположенных горизонтально. Данный калориметр имеет преимущества перед современными аналогами благодаря новой системе перемешивания реагентов в калориметрических камерах, точной системе выделения измерительного объема, принципиально новой системе введения добавки в калориметрические камеры. Термостатирующая оболочка данного калориметра, снабженная тепловыми шунтами, полностью исключает теплообмен между элементами измерительного объема калориметрических камер и внешней средой. Данный калориметр хорошо зарекомендовал себя при изучении кинетики ферментативных реакций. В большинстве случаев таких реакций регистрируемые тепловые процессы являются медленными и протекают в течение времени от десятков минут до нескольких часов. При этом тепловые процессы, сопровождающие ферментативные реакции, имеют равную интенсивность по всей длине измерительного объема калориметрической камеры. Это позволяет точно регистрировать указанные процессы в компенсационном режиме с использованием нагревателей рабочей и эталонной камер, равномерно распределенных по длине камер. При регистрации на данном калориметре в компенсационном режиме быстропротекающих процессов связывания биомолекул не обеспечивается требуемая точность. Указанные быстропротекающие процессы происходят только в зоне дозирующего сопла, перемещающегося по длине камеры в течение порядка 20 с. При компенсации теплот данных взаимодействий через распределенный нагреватель температура рабочей камеры становится отличной от температуры тепловых шунтов, что приводит к теплообмену между рабочей камерой и шунтом и, соответственно, к регистрации тепловой мощности, отличной от измеряемой.

При материалах калориметрической камеры с высокой температуропроводностью в режиме измерений без компенсации значительная часть измеряемой мощности теряется за счет теплопередачи по капилляру камеры на тепловой шунт. В худшем случае эта величина достигает 90%. Это не позволяет регистрировать всю энергию взаимодействия, что, соответственно, практически на порядок увеличивает допустимые концентрации реагентов при изучении взаимодействий, что, в свою очередь, на порядок снижает возможности прибора при оценке констант взаимодействия. Данный недостаток характерен также и для всех современных титрационных калориметров, имеющих вал с механической мешалкой.

В предложенном капиллярном калориметре этот недостаток может быть устранен новым техническим решением компенсации измеряемого теплового эффекта при измерении теплот взаимодействия в процессах связывания и комплексообразования, что позволит существенно повысить параметры прибора и уменьшить требуемую концентрацию реагентов.

Задача изобретения - снижение концентрации реагентов при измерениях тепловых процессов взаимодействия на капиллярном компенсационном дифференциальном титрационном калориметре.

Решение задачи обеспечивает предлагаемый капиллярный компенсационный дифференциальный титрационный калориметр, содержащий измерительные части капиллярных калориметрических камер, заключенные в термостатирующую оболочку, инъекционное устройство подачи реагента в камеры, содержащее дозирующую иглу для рабочей камеры и дозирующую иглу для эталонной камеры, устройство приведения игл инъекционного устройства в колебательное движение, пассивный тепловой шунт, охватывающий часть калориметрических камер и соединенный с термостатирующей оболочкой, активный тепловой шунт, расположенный вне термостатирующей оболочки и охватывающий пассивную часть капиллярных калориметрических камер, выполненных в виде прямых капилляров, средство измерения мощности тепловых процессов, происходящих в калориметрических камерах, снабженное выходами для подключения исполнительных устройств, нагреватель, установленный на рабочей камере, подключенный к одному из выходов средства измерения тепловой мощности, нагреватель, установленный на эталонной камере, подключенный к другому выходу средства измерения тепловой мощности, устройство линейного перемещения инъекционного устройства вдоль оси калориметрических камер, отличающийся тем, что на конце дозирующей иглы для рабочей камеры установлен малогабаритный нагреватель с первым и вторым электрическими выводами, на дозирующей игле эталонной камеры установлены третий и четвертый электрические выводы, идентичные первому и второму выводам, при этом третий и четвертый выводы электрически соединены между собой на конце дозирующей иглы для эталонной камеры, выходные концы второго и третьего выводов электрически соединены между собой, а выходные концы первого и четвертого выводов подсоединены к одному из выходов средства измерения мощности, на конце дозирующей иглы для эталонной камеры установлен такой же, как и на дозирующей игле для рабочей камеры, малогабаритный нагреватель с пятым и шестым электрическими выводами, на дозирующей игле для рабочей камеры установлены седьмой и восьмой электрические выводы, идентичные пятому и шестому выводам, при этом седьмой и восьмой выводы электрически соединены между собой на конце дозирующей иглы для рабочей камеры, выходные концы шестого и седьмого выводов электрически соединены между собой, а выходные концы пятого и восьмого выводов подсоединены к другому из выходов средства измерения мощности.

На фиг.1 представлен дифференциальный титрационный калориметр, имеющий электрические выводы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 от нагревательного элемента 9, установленного на дозирующей игле для рабочей камеры П, и нагревательного элемента 10, установленного на дозирующей игле для эталонной камеры 12. Выводы 1, 2, 7, 8 расположены на игле для рабочей камеры, а выводы 3, 4, 5, 6 расположены на игле для эталонной камеры. Нагревательный элемент 9 подключается через выводы 1, 2, 3, 4 к блоку усилителей мощности 13, нагревательный элемент 10 подключается через выводы 3, 6, 7, 8 к блоку усилителей мощности 13, который является оконченным звеном средства измерения мощности. Предложенный калориметр имеет калориметрические камеры в виде прямых капиллярных трубок с внутренним диаметром 2.0 мм. Полный объем калориметрической камеры равен 385 мкл, рабочий объем равен 224 мкл. Рабочим объемом калориметрических камер является объем части трубок, расположенный между дном камер и границей контакта с пассивным тепловым шунтом 14. Длина капилляров рабочего объема камер равна 50 мм. Калориметрические камеры заключены в термостатирующую оболочку 15. На выводных концах капилляров калориметрических камер установлен активный тепловой шунт 16, который снижает тепловой шум и исключает теплообмен калориметрических камер и пассивного теплового шунта с внешней средой через выводную часть капиллярных трубок. Калориметрические камеры снабжены измерительной термобатарей 17 и нагревательными элементами 18 и 19. Калориметрические камеры, заключенные в термостатирующую оболочку 15, установлены в термохолодильник 20. На термостатирующей оболочке установлен датчик температуры 21, а на активном шунте установлен датчик температуры 22. Датчики температуры 21 и 22 подсоединены к многоканальному измерительному усилителю 23, связанному с компьютером 24, содержащим многоканальный АЦП и модуль PC-TIO-10, содержащий таймеры, связанные с блоком усилителей мощности 13, соединенным с нагревателем 25 термостатирующей оболочки и нагревателем 26 активного шунта. Калориметр снабжен измерителем мощности тепловых процессов, состоящим из термобатареи 17, связанной своим выходом со входом нановольтметра 27, который снабжен интерфейсом RS-232, связывающим нановольтметр с компьютером 24, и нагревательных элементов 18 и 19, подключенных к блоку усилителей мощности 13.

Калориметр снабжен инъекционным устройством, служащим для введения реагентов в калориметрические камеры и состоящим из шприца 28 для рабочей камеры и шприца 29 для эталонной камеры, размещенных в одном корпусе 30. Поршни дозирующих шприцов 31 и 32 объединены связывающей их пластиной 33. Для обеспечения введения реагентов в калориметрические камеры корпус шприцов связан с первым винтовым механизмом 34, а пластина связана со вторым винтовым механизмом 35. Винтовой механизм 34 приводится в движение шаговым двигателем 36, а винтовой механизм 35 шаговым двигателем 37. Управление шаговыми двигателями осуществляется компьютером через блок усилителей мощности 13. Колебательный режим дозирующий игл обеспечивается вибрационным устройством 38, частота колебаний которого управляется компьютером через блок усилителей мощности 13.

Предлагаемый дифференциальный титрационный калориметр работает следующим образом.

Тепловая мощность, для измерения которой предназначен предложенный калориметр возникает в рабочей калориметрической камере следующим образом: например, в режиме введения добавки при движении дозирующей иглы из камеры в рабочей камере 11 реагент добавки начинает выделяться из иглы непосредственно у дна камеры. В процессе подъема игл реагент добавки распределяется равномерно по всей длине камеры. В рабочую камеру дозируется реагент добавки, а в эталонную камеру дозируется такое же количество нейтрального вещества (буфер и др.). Часть калориметрических камер ниже границы теплового шунта 14 является измерительным объемом. При вхождении сопла дозирующей иглы в зону шунта 14 и дальнейшем ее подъеме тепловой эффект от взаимодействия реагента добавки с образцом не дает вклад в сигнал от измеряемой тепловой мощности, так как полностью шунтируется в системе шунтов 14 и 16. На фиг.2 представлена работа тепловых шунтов, где регистрируется калориметром мощность, вводимая в калориметрическую камеру одной колеблющейся иглой. При нахождении колеблющейся иглы в рабочем объеме калориметром регистрируется выделяемая колеблющейся иглой тепловая мощность. При нахождении колеблющейся иглы вне рабочего объема калориметром указанная мощность не регистрируется. Введение дозы через дозирующую иглу происходит благодаря одновременному движению шприцов 28 и 29 и поршней 31 и 32. Приводом для перемещения шприцов является шаговый двигатель 36 и винтовой механизм 34. Приводом для поршней является шаговый двигатель 37 и винтовой механизм 35. При различной скорости движения шприцов и поршней происходит управляемое компьютером 24 дозирование. Заполненные реагентами шприцы посредством винтового механизма, приводимого во вращение шаговым двигателем 34, управляемого от компьютера через блок усилителей 13, устанавливаются в положение максимального погружения в заполненные реагентами калориметрические камеры. После опускания шприцов осуществляется фиксация поршней планкой 33. При введении дозы производится продольное перемещение шприцов механизмом 34 на всю длину калориметрических камер. Одновременно с этим производится перемещение поршней механизмом 35. За счет различной величины перемещений механизмов 34 и 35 шприцами осуществляется дозирование заданного количества реагентов. Возможен вариант дозирования из крайнего верхнего положения в сторону погружения игл в камеры. Операция подачи дозы повторяется многократно в соответствии с заданной программой. Каждое новое дозирование производится из исходного положения. При введении дозы осуществляется ее интенсивное перемешивание вибрирующими дозирующими иглами. Амплитуда и частота вибрации игл обеспечивается вибрационным устройством 38.

Для компенсации эффектов тепловыделения и теплопоглощения непосредственно в рабочей камере в нагреватели 9 и 10 задается начальная тепловая мощность. При компенсации теплового эффекта в рабочей камере происходит увеличение или уменьшение начальной мощности в рабочей камере в зависимости от знака теплового процесса. По мере перемещения сопла вместе с ним перемещается зона компенсации измеряемой тепловой мощности. При этом калориметрическая камера не изменяет своей температуры и, соответственно, исключен теплообмен калориметрических камер с тепловым шунтом при регистрации измеряемого тепла взаимодействия, что позволяет измерять всю энергию взаимодействия исследуемых реагентов, без потерь. Данное построение компенсационной схемы измерения тепловой мощности позволяет снизить концентрацию взаимодействующих реагентов, так как позволяет измерять весь тепловой эффект взаимодействия, а не его часть. Начальная тепловая мощность на нагревателях 9 и 10 и, соответственно, выделяемые тепловые мощности нагревателя 9 и 10 в режиме компенсации, рассеиваются в тепловом шунте 14 и на результаты измерений не влияют. Благодаря тому что каждый из нагревателей содержит четыре одинаковых вывода (1-4 для нагревателя 9, 5-8 для нагревателя 10), попарно расположенных на обеих иглах, исключено влияние на результат измерения тепловой энергии, выделяющейся в этих выводах при протекании тока компенсации.

Сигнал разбаланса по температуре между камерами поступает на вход цифрового нановольтметра НР34420А. Практически во всех современных калориметрах для этих целей используются высокочувствительные цифровые вольтметры, имеющие интерфейс RS-232. При пороге чувствительности нановольтметра на уровне 2 нВ в современных калориметрах обеспечивается порог чувствительности по мощности порядка 50 нВт. Сигнал разбаланса тепловой мощности поступает на СОМ-порт компьютера, считывается управляющей программой, обрабатывается программой цифрового регулирования с коррекцией. Компенсационный сигнал в цифровой форме записывается в таймер модуля РС-TIO-10, которым снабжен компьютер в системе измерителя тепловой мощности. Сформированный в модуле РС-TIO-10 выходной TTL сигнал ШИМ с выхода таймера модуля подается в компенсационный нагреватель 9 через один из усилителей мощности блока 13, обеспечивая автоматическое выравнивание температуры между камерами. Величина компенсационной тепловой мощности рассчитывается по величине компенсационного сигнала ШИМ и представляется в абсолютных единицах на компьютере. Калориметрические камеры, заключенные в термостатирующую оболочку 15, размещены в термохолодильнике 20, который обеспечивает необходимый диапазон рабочих температур титрационного калориметра. Термостатирование калориметрических камер обеспечивается термостатирующей оболочкой 15 и тепловыми шунтами 14 и 16, на которых соответственно установлены датчики температуры 21 и 22, подключенные к многоканальному измерительному усилителю 23. Температура термостатирующей оболочки и активного теплового шунта автоматически регулируется по сигналам датчиков соответственно 21 и 22, связанных с компьютером через многоканальный измерительный усилитель. Сигналы с усилителя 23 поступает в компьютер на многоканальный АЦП. Сформированные сигналы ШИМ с выходов таймеров модуля PC-TIO-10 подаются в нагреватель термостатирующей оболочки и нагреватель шунта через усилитель мощности, обеспечивая автоматическое регулирование температуры в соответствии с уставкой, заданной на компьютере. Таким же образом может быть реализован компенсационный режим измерения тепловой мощности в эталонной камере. Имеется возможность измерять компенсационным методом тепловую мощность, например, в рабочей камере подачей компенсационной мощности в нагреватель эталонной камеры. При компенсации мощности в эталонной камере компенсационная мощность должна подаваться в нагреватель рабочей камеры. Данный режим позволяет повысить быстродействие системы измерения, но уступает варианту компенсации непосредственно в той камере, в которой возникает тепловой процесс, так как не обеспечивает возможности снижения концентрации взаимодействующих реагентов в исследовательской практике.

Тестирование калориметра проводилось с использованием принятых в мировой практике тестов [5]. Проведено тестирование калориметра посредством регистрации тепловой энергии 17.584 мДж, выделенной в нагревателе 9 при подъеме нагревателя на дозирующей игле рабочей камеры (фиг.3). Интеграл оцифрованного сигнала равен 2050260. Калибровочный коэффициент при электрической калибровке равен 8.5764·10^-9 Дж/ед. площади.

Химическая калибровка по барию выполнена для добавки, дающей энергию взаимодействия 10.7278 мДж (использовано 49 мм камеры) [3.41432 мкл·0.1М·31.42 кДж/моль]. Величина энергии взаимодействия определена по стандартизованной величине энергии первого пика при взаимодействия 3.484 мкл Ва²⁺ (0.1М) с образцом 224 мкл 18-crown-6 (0.01М) при температуре 25°С. Данное значение получено с учетом того, что энергия первого пика равна 42 мДж для объема добавки бария (0.1М) 14 мкл в объем камеры 900 мкл 18-crown-6 (0.01M) [5]. На объем камеры капиллярного калориметра 224 мкл соответственно уменьшена добавка до 3.484 мкл. Площадь пика, зарегистрированного на капиллярном калориметре (фиг.4), равна 1247110. Калибровочный коэффициент при химической калибровке равен 8.6021·10^-9 Дж/ед. площади. Таким образом, данные калибровки по барию и электрической калибровки практически одинаковы, так как воспроизводятся с погрешностью 0.3%, что подтверждает высокую точность компенсационных измерений с использованием нагревательных элементов, установленных на концах дозирующих игл.

Благодаря измерению всей энергии взаимодействия исследуемых реагентов в предложенном калориметре обеспечена возможность работы с меньшими концентрациями этих реагентов при сохранении заданного соотношения сигнал/шум.

Литература

1. Patent U.S. 5,707,149, Int.CI.⁶: G01K 017/00. Device and method for measuring the heat of reaction resulting from mixture of a plurality of reagents / Freire E., Privalov G.P., Privalov P.L. and Kavina V.V. - 12p.: fig.

2. Rapid measurement of binding constants and heats of binding using a new titration calorimeter / Wiseman Т., Williston S., Brandts J.F. and Lin L. // Anal. Biochem. - 1989. - Vol.179. - P.131-137.

3. Patent U.S. 5,967,659, Int.CI.⁶: G02N 25/20. Ultrasensitive differential microcalorimeter with user-selected gain setting / Plotnikov V.V., Brandts J.F., Brandts M.J. - 11 p.: fig.

4. Моисеева С.П. Разработка калориметрического метода и капиллярного титрационного калориметра для изучения биохимических реакций: Автореф. дис. канд. техн. наук. - М., 2005. - 20 с.

5. Standards in isothermal microcalorimetry (IUPAC Technical Report) / I.Wadso, R.N.Goldberg // Pure Appl. Chem. - 2001. - Vol.73 (10). - P.1625-1639.

Капиллярный компенсационный дифференциальный титрационный калориметр, содержащий измерительные части капиллярных калориметрических камер, заключенные в термостатирующую оболочку, инъекционное устройство подачи реагента в камеры, содержащее дозирующую иглу для рабочей камеры и дозирующую иглу для эталонной камеры, устройство приведения игл инъекционного устройства в колебательное движение, пассивный тепловой шунт, охватывающий часть калориметрических камер и соединенный с термостатирующей оболочкой, активный тепловой шунт, расположенный вне термостатирующей оболочки и охватывающий пассивную часть капиллярных калориметрических камер, выполненных в виде прямых капилляров, средство измерения мощности тепловых процессов, происходящих в калориметрических камерах, снабженное выходами для подключения исполнительных устройств, нагреватель, установленный на рабочей камере, подключенный к одному из выходов средства измерения тепловой мощности, нагреватель, установленный на эталонной камере, подключенный к другому выходу средства измерения тепловой мощности, устройство линейного перемещения инъекционного устройства вдоль оси калориметрических камер, отличающийся тем, что на конце дозирующей иглы для рабочей камеры установлен малогабаритный нагреватель с первым и вторым электрическими выводами, на дозирующей игле эталонной камеры установлены третий и четвертый электрические выводы, идентичные первому и второму выводам, при этом третий и четвертый выводы электрически соединены между собой на конце дозирующей иглы для эталонной камеры, выходные концы второго и третьего выводов электрически соединены между собой, а выходные концы первого и четвертого выводов подсоединены к одному из выходов средства измерения мощности, на конце дозирующей иглы для эталонной камеры установлен такой же, как и на дозирующей игле для рабочей камеры, малогабаритный нагреватель с пятым и шестым электрическими выводами, на дозирующей игле для рабочей камеры установлены седьмой и восьмой электрические выводы, идентичные пятому и шестому выводам, при этом седьмой и восьмой выводы электрически соединены между собой на конце дозирующей иглы для рабочей камеры, выходные концы шестого и седьмого выводов электрически соединены между собой, а выходные концы пятого и восьмого выводов подсоединены к другому из выходов средства измерения мощности.