(57)【要約】【課題】【解決手段】本発明は、熱力学的パラメータを決定するために、極少量の液体の蒸発動態及び／又は凝結動態を測定すると同時に熱量を測定するための装置に関する。本発明により、試料によって吸収又は放出される微少な熱量、及び同じオーダーの参照測定と比較した熱量のわずかな差を測定する。この目的において、温度と湿度が一定に保たれる測定チャンバ内に極少量の液体を配置する。極少量の液体から出る熱放射を反復測定するために、少なくとも１個のサーモセンサが設けられている。極少量の液体の時間に依存した変化を測定するための測定手段が用いられる。更に測定値の記録、表示、評価及び／又はデータ処理のために測定チャンバにはコンピュータが接続されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱力学的パラメータを決定するために、一様に蒸発及び／又は凝結する成分を含む極少量の液体の蒸発動態及び／又は凝結動態を測定すると同時に熱量を測定するための装置において、該装置は、液体の温度と蒸気圧とが一定に保たれる測定チャンバ内に少なくとも１種の極少量の液体が存在し、極少量の液体から出る熱放射を繰り返し測定するために少なくとも１個のサーモセンサが設けられており、極少量の液体に関する経時変化を決定するための測定手段が設けられており、更に測定値の記録、表示、評価及び／又は処理のためにコンピュータが設けられていることを特徴とする装置。
【請求項２】
極少量の液体が釣り下がった液滴の形状で存在していることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
極少量の液体が容器に収容されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項４】
極少量の液体が溶液であることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項５】
極少量の液体が、溶解物質の固化した相を含んでいることを特徴とする、請求項４記載の装置。
【請求項６】
極少量の液体が、溶媒を取り込んだゲル状物質を含んでいることを特徴とする、請求項４記載の装置。
【請求項７】
測定チャンバが気密に閉じられていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項８】
液滴のジオメトリーの経時変化を測定するための光学的測定手段が設けられていることを特徴とする、請求項２記載の装置。
【請求項９】
光学的測定手段が妨害放射を抑止するためのフィルターを有することを特徴とする、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
極少量の液体の質量の経時変化に精密秤を用いることを特徴とする、請求項３記載の装置。
【請求項１１】
測定チャンバ内に楕円形反射鏡が配置されていて、その一方の焦点に極少量の液体があり、他方の焦点にサーモセンサがあることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項１２】
極少量の液体が容器内に収容されている場合に、楕円形反射鏡の一方の焦点が当該液体量の自由界面上にあり、他方の焦点がサーモセンサ面にあることを特徴とする、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
サーモセンサが極少量の液体のすぐ近傍にあることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項１４】
液滴がメスピペットと、測定チャンバ内に挿入され且つ調節可能な毛管とを用いて形成されることを特徴とする、請求項１及び２記載の装置。
【請求項１５】
極少量の液体とこれに含まれている固化相とを観察及び／又は計測するために、測定チャンバの壁を貫通して調節可能に配置されている測定用顕微鏡が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項１６】
測定チャンバの内部には、極少量の液体を有する精密秤の計量皿のみが存在することを特徴とする、請求項１０記載の装置。
【請求項１７】
測定チャンバを加熱又は冷却するためのコイルが側壁に沿って配置されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項１８】
測定チャンバ内に加湿器及び／又は乾燥器が配置されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項１９】
溶液の一定の蒸気圧を生じせしめるための手段が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項２０】
コンピュータが加熱、冷却、気体の加湿及び／又は気体の乾燥の各制御にも用いられることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
測定チャンバ内に、一様に蒸発及び／又は凝結する成分を含む２種以上の極少量の液体が存在することを特徴とする、請求項１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求項のプリアンブルに記載された、熱力学的パラメータを決定するために、極少量の液体の蒸発動態及び／又は凝結動態を測定すると同時に熱量を測定するための装置に関する。この熱量は、好ましくは液体からなる非常に少量の試料から蒸発中に奪れ、及び／又は凝結中に放出される。
【０００２】
本発明に係る装置は、特に室温に近い溶液の固有蒸発熱及び固有蒸気圧を同時に測定するために用いられる。液体中に化学平衡が存在し、蒸発過程及び／又は凝結過程がこの化学平衡の変動と関連する場合には、この装置は固有の化学反応熱の測定にも用いられる。溶解した物質が固化して生成する固相（結晶相）と、それに接触する溶液とからなる複合系においては、この装置は飽和溶液の濃度及び固有溶解熱の測定にも用いられる。極少量の液体は溶媒を取り込んだゲル状物質であってもよい。本装置は、溶媒の蒸気圧の大きさが飽和水蒸気圧を超えず、また溶液中に溶解した物質の蒸気圧が溶媒の蒸気圧に比べて無視できるほど小さい溶液についての測定を行うために提供される。
【背景技術】
【０００３】
従来の熱量計はいずれも、測定しようとする熱量が速く放出されればされるほど検出可能な出力が小さくなるという原理的問題を有することが知られている。放出された全熱量を測定するために熱量計が必要とする固有の時間から装置の時定数が決定される。これによると、現在技術的に実現可能な最大時定数である約１０００秒（ｓ）において、確実に検出できる出力は約０．１マイクロワット（μＷ）であり、時定数が３０ｓの場合には約１０ナノワット（ｎＷ）に低下する。例えばチップベース型で、熱的に制御されたマイクロ測定セルを利用すれば、熱量計を小型化することができ、非常に少量の物質を使用する場合に好ましい。しかし、ナノジュール（ｎＪ）の範囲の熱量を測定する為に利用する際には、熱量が数秒以内に与えられる場合に限定されてしまう。この従来技術に関する問題を完全に解決することが、本発明に係る装置が解決すべき課題である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、従来技術を更に改良し、液体試料の一部が蒸発及び／又は凝結する間に、好ましくは１０００ｓの時間で１μＬの試料自体が吸収又は放出するｎＷオーダーの小さい熱量と、参照測定値と比較した同低度の熱量の僅かな差を測定することである。測定すべき熱量は蒸発速度及び／又は凝結速度に依存するので、本発明に係る装置は、極少量の液体試料の蒸発動態及び／又は凝結動態の測定を技術的に可能とし、しかもこれらの測定と同時に、液体の蒸気圧を決定するため、或いは参照試料と比較した蒸気圧の小さい差を決定するために用いられる。試料が少量であるため、測定中に測定値に影響する要因を除去するような構成が必要となる。更に、測定から直接得られたデータ（時間の関数としての試料温度、試料容積及び試料の質量）とモデル分析とを用いて、直接測定できる熱量及び蒸気圧の値を逆算できなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題は本発明に従い、請求項１の特徴部に記載された特徴によって解決され、従属請求項に記載された特徴により有利に構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明に係る装置の一実施形態においては、溶媒の温度と蒸気圧（空気又は気体の相対湿度）を一定に維持することができる測定チャンバに試料を入れる。試料の質量は自然に減少し、且つ測定チャンバ内の温度に対して試料表面の温度が自然に低下するが、これらの変化を経時的に測定する。本装置は、試料が専ら測定チャンバ内の気体と熱的に接触し、測定チャンバ内の気体への物質移動が専ら試料表面で行われるように基本的に構成されている。試料の表面温度はパイロメトリック（pyrometrisch）に、即ち非接触的に測定できる。あらゆるデータの評価は、コンピュータを用いた周辺装置で行われる。
【０００７】
本発明に係る装置においては、試料それ自体が熱量計に対する作用物質であることが好ましく、周囲との準定常的熱交換の条件下で熱量計が機能する。試料から放出又は試料に吸収された熱量は試料表面で測定された温度の経時変化から計算される。特に本装置は、測定しようとする熱量が非常に低速で放出される場合に、少量の試料で測定を行うためのものである。この場合、約１ｍｇの質量の試料で、１０００ｓのオーダーの時定数で１０ｎＷのオーダー単位の熱量の測定が可能である。
【０００８】
本発明に係る装置を用いれば、直接測定できる熱量と蒸気圧の測定値を基にして、それらより導出可能な熱力学的な値、例えば溶媒の化学ポテンシャルやエンタルピーの過剰寄与成分を求めることができる。これらの値は、溶解している物質と溶媒との相互作用や溶解分子間の相互作用を特徴付けるものである。本装置を用いることにより、固体物質及び／又はゲル状物質を含む複合系のフェーズダイアグラムの一部を直接求めることができる。
【０００９】
本発明に係る装置は、電解液や緩衝液を添加してタンパク質等の生物学的高分子化合物の水溶液を測定する場合に要求される性能パラメータ及び設計上の詳細を満足するものである。これらの要求は、次の前提に基づいている。
【００１０】
ａ）タンパク質、特にタンパク質結晶は極少量（μgオーダー）でしか入手できないことが多い。
【００１１】
ｂ）タンパク質溶液はガラス、ケイ素、その他の表面を汚染し、その除去は困難で、化学的侵食性のある薬品を使用しなければならない。この種の汚染は、タンパク質溶液を測定する度に、高価な高感度マイクロチップ熱量計を使用不能にすることがある。
【００１２】
ｃ）従来の（無機）系と比較して、タンパク質結晶の成長及び分解の速度は１／１０〜１／１００程度である。これは結晶化や分解の際に検出される熱量が従来の系よりもかなり低いことを意味する。
【００１３】
ｄ）通常の条件（室温、大気圧）下においては、タンパク質結晶は飽和溶液と絶えず接触している場合に限り安定である。更に、タンパク質結晶は機械的負荷や熱的負荷に対して非常に敏感である。従って、熱量計を用いた測定過程でタンパク質結晶を不適切に取り扱うと測定結果が不正確となる。
【００１４】
更に、本発明に係る装置は、時間的／経済的に優れた熱力学的測定を可能にする。従って、この装置はタンパク質の結晶成長に関するあらゆる研究において、通常の特性調査（非有機系における示差熱分析と同等）に使用することができる。
【００１５】
本発明に係る装置においては、調査対象の一試料（水溶液）で互いに独立した２種の測定を同時に行うことができる。一方は、測定時間中、周囲条件を選択することによって溶媒の蒸発が絶えず進行するようにし、試料の質量損失を記録する。他方は、全測定時間に亘り、熱量計を用いて単位時間当たりの蒸発熱の測定を行う。この場合、装置の構成要素である熱量計に対する作用物質は、調査対象の試料自身である。この熱量計による測定は、試料の表面温度をパイロメトリックに測定し、少なくとも１個のサーモセンサを用いて連続的に記録することにより、非接触（nicht-invasivem）な方法で実現される。
【００１６】
本発明の装置において、調査対象の試料（水溶液）は気密に閉じた測定チャンバ内に配置される。測定チャンバ内の温度及び空気の相対湿度は正確に調整でき、全測定時間に亘り一定に維持されるため、温度勾配や対流はほとんど避けられる。このように装置を構成することにより、試料は、実質的に周囲の気体との自由界面でのみ熱的接触を有し、試料から周囲への物質移動は実質的に自由界面でのみ行われ得る。試料の表面温度をパイロメトリックに測定する目的で、測定チャンバの内部には楕円形の凹面鏡と受光器が設けられている。これらは、凹面鏡の一方の焦点が、測定チャンバに正確に配向する試料界面上に存在、他方の焦点が受光器のセンサ面上に存在するように位置決めされる。このような配置にすると、試料の自由界面の当該部分は受光器の口径に合わせて結像されるので、表面温度の測定を行うことができる。
【００１７】
本発明の一実施形態において、垂直に配向する微細な毛管の先端に釣り下がった液滴として試料が存在するように構成されてもよい。毛管のジオメトリーは、毛管と共軸方向で、毛管の外径に対して可能な限り直径の大きい液滴が釣り下がるように選択する（例えば、肉厚が先端に向かって楔形に小さくなるよう切削された毛管であって、先端部における外径及び内径がそれぞれ約８０μｍ及び約５０μｍである毛管）。更に、開口部における毛管の表面を不動態化（例えばシラン皮膜を付ける）すれば、毛管の外表面に液体皮膜が生じるため、球状である液滴が変形したり、質量が失われたりすることを防止できる。この場合、液滴質量の測定は、測定用の顕微鏡をチャンバ外から測定チャンバ内に導入して行う。この測定用の顕微鏡は、対物レンズ上に液滴が形成され、液滴の幾何学的パラメータの計測が可能となるように配置する。液滴は、外部から挿入・操作可能なメスピペットによって、毛管の先端に形成できる。メスピペットは液体試料の貯蔵容器として働くと同時に測定開始前に試料を熱的に平衡とするために用いることができる。
【００１８】
第２の実施形態において本発明に係る装置は、測定チャンバ内において調査対象の試料を上方に開口する鉢状の容器に入れ、液体の上側メニスカスのみが測定チャンバの空間と接触するように構成できる。この容器は、非常に濡れにくく、且つ熱伝導度が極めて小さい不活性材料からなり、内寸は通常最大で直径４ｍｍ、高さ１ｍｍでなければならない。試料の質量は計量により測定する。この目的のため容器は、測定精度約０．１μｇの精密秤であり、測定チャンバ内に導入される計量皿と電磁力補償方式で結合されて、容器内の液体の質量を絶えず記録できるようになっている。チャンバの外から壁を通って測定チャンバ内に導入され、外部から操作できるメスピペットは、一定量の液体試料が鉢状容器内に注入され得るように設置されている。このメスピペットは貯蔵容器として用いられると共に、調査対象の溶液を熱的に平衡に達せしめる働きをする。溶解した物質が固化して生成する固相（結晶相）と、これと接触する溶液とからなる複合系で測定を行う場合、このメスピペットは大きい流出口を有し、調査対象の溶液と共に小さい単結晶（通常結晶サイズは数百μｍ）を、溶液受容用の容器に導入することができる。更に、鉢状容器内の液体メニスカス、場合によりその中に存在する単結晶を観察できるように、測定チャンバの壁は測定用顕微鏡（例えば内視鏡）用の貫通孔を有することができる。
【００１９】
本発明の測定装置には、データの測定・評価・制御用の周辺装置も含まれる。釣り下がった液滴の幾何学的パラメータを測定用顕微鏡を用いて経時的に計測することは、後段の画像処理において行われることが好ましい。
【００２０】
測定チャンバ内の溶媒（例えば水）の蒸気圧は、測定チャンバ内において試料から充分離れた場所の空気の相対湿度によって決定される。通常、溶液上、即ち液体メニスカス直上における溶媒の平衡蒸気圧よりも小さい。ピペット内の液体試料の温度が測定チャンバ内の温度と等しくなったら（１℃未満の温度差は許容）、試料を直ちに測定チャンバ内に入れる。試料を入れた直後、チャンバ内の状態に支配される拡散が起こることにより、試料の自由界面から測定チャンバ内に向かって溶媒の蒸発が始まる。試料の質量の経時変化の測定結果に基づき、溶媒の蒸発速度が決定され、それより溶媒の平衡蒸気圧が求められる。
【００２１】
溶媒が蒸発した結果、試料の温度が測定チャンバ内（液滴から充分離れた個所）の温度に比べて低下し、最終的には経時的に消費される蒸発熱（溶媒の蒸発エンタルピー）と、測定チャンバの気体室から出る熱量により液滴に供給される熱量とがほぼ平衡となり、準定常的な温度差が生じる。一方では試料表面で、他方では測定チャンバ内でパイロメトリックに測定した経時的な温度差から、測定された試料の蒸発速度を用いて、溶媒の蒸発エンタルピーを求める。
【００２２】
測定中に溶媒が継続的に蒸発すると、溶液の濃度は常に上昇し、その結果、溶解した成分が結晶化しない限り、溶媒の蒸気圧は常に変化する（一般には減少する）。特に、純粋な溶媒からなる試料と比較すると蒸発速度に特有の差異が生じる。これを測定することにより、溶媒の化学的ポテンシャルの過剰成分が目的値として計算される。測定中に溶液の濃度が上昇する結果、溶媒の蒸発エンタルピーも時間に依存することになる。純粋な溶媒の一定の蒸発エンタルピーに対する特有の差異に基づき、溶液中の溶媒の分子エンタルピーの過剰成分が目的値として求められる。
【００２３】
測定チャンバ内の空気の相対湿度を調整して、測定チャンバ内の溶媒の蒸気圧が飽和溶液上の蒸気圧よりも小さくなるようにすると、結晶相の種結晶の形成速度が遅くなり、当初不飽和の溶液の濃度は飽和濃度を超えて経時的に上昇する。濃度既知の不飽和溶液に、溶解している物質の小さい単結晶（通常、前述のサイズ）を適切なタイミングで添加すると、まず溶解によって結晶サイズが減少し、更に濃度が飽和溶液の範囲になるので結晶成長が起こる。導入された結晶の質量は非常に小さいので、その溶解による溶液の付加的な濃度上昇は無視することができる。測定用顕微鏡、更には場合によってその後段の画像処理を用いて、導入された結晶のサイズを経時的に記録し、溶解現象から結晶成長に転移する点から飽和濃度（フェーズダイアグラム上の点）を求める。
【００２４】
結晶サイズが十分大きい（場合によっては前述より大きい）単結晶を導入する場合、溶解から成長への移行がパイロメトリックな測定の際に明確な屈曲点として記録される。これは、吸熱から発熱への転移によるものである。測定用顕微鏡による観察に基づいて、結晶の溶解速度や成長速度（単位時間当たりの質量）を決定できれば、パイロメトリックな温度測定のデータから分子溶解エンタルピーが算出され、それより飽和濃度の温度依存性（フェーズダイアグラムにおける曲線）を求めることができる。
【００２５】
本発明に係る装置の全ての実施形態において、蒸気圧既知の溶液又は蒸発熱既知の溶液を用いて必要に応じて較正測定を行わなければならない。これにより、釣り下がった液滴の状態で測定する際に、受光器に現れる信号の液滴半径に対する感度が低いために生じる測定誤差を除去することができる。試料が鉢状の容器に入れられている場合、較正測定を行うと、試料と測定チャンバとの間の熱輸送及び物質輸送の移動係数を決定できる。
【００２６】
本発明に係る装置の更なる実施形態によれば、複数の極少量の液体を同様の方法で共通の測定チャンバ内に配置して、全ての極少量の液体試料で表面温度と蒸発動態又は凝結動態とを同時に測定することができる。これらの極少量の液体試料に、蒸発熱既知の試料又は蒸気圧既知の試料があれば、この試料を参照試料として他の試料の測定データを求めることができ、それによって測定チャンバ内で極少量の液体から充分離れた個所における温度と蒸気圧の不正確な測定に起因する測定誤差を除去することができる。
【００２７】
従来の熱量計とは異なり本発明に係る装置では、作用物質で測定され時間により可変な周囲に対する温度差ΔＴ（ｔ）は、準定常的な条件である限り、即ちＮ（ｔ）が時間的に非常に低速に変化して測定時間ｔより初期の時間でＮ（ｔ）の変化がΔＴ（ｔ）に対して微小な変化としてしか表れない場合は、試料が放出又は吸収する熱量Ｎ（ｔ）の尺度となる。本装置により、その構造と使用目的に応じて実際に測定される熱量は通常、１０〜１００μＷのオーダーであり、特有の時定数τ＝｜Ｎ（ｔ）／（ｄＮ（ｔ）／ｄｔ）｜≧１・１０3ｓによって変化する。この理論は、準定常性の成立を示すものである。釣り下がった液滴で測定する場合、感度ΔＴ（ｔ）／Ｎ（ｔ）▲≒▼１／（４πａgＲo（ｔ））が生じる。ここで、Ｒo（ｔ）は時間に依存した液滴半径、ａｇは空気の熱伝導度を意味する。これより、典型的な値Ｒo＝５・１０-4ｍ及びａg＝０．０２５Ｗ／Ｋ・ｍの場合、ΔＴ（ｔ）／Ｎ（ｔ）▲≒▼６・１０3Ｋ／Ｗが得られる。
【００２８】
Ｎ（ｔ）を測定する際の装置の理論的解像度は、基本的に２種の要因によって制限される。即ち、サーモセンサ及び後段に接続される電子装置のノイズと、蒸発速度の測定精度である。パイロメトリックに温度を測定するために、室温下における黒体の最大放射の波長領域、即ち分光領域１０μｍ以上で最大分光感度を有する高感度サーモセンサを使用する。これにより水溶液の組成とは殆ど無関係に、釣り下がった液滴の表面温度の測定が確実に行える。これには冷却を必要としない市販のサーモセンサが適している。その時定数は約６０ｍｓであり、サーモセンサのダイナミックレンジは≧１０5である。サーモセンサは、記録される放射出力の上部の領域にて測定される温度に簡便に較正できる。
【００２９】
サーモセンサの検出感度は、釣り下がった液滴で作業する装置を用いた実用運転で１７０μＶ／Ｋと決定される。パイロメトリックな測定に対して最適な連続走査周波数１０Ｈｚにおいて、周辺の電子装置の影響を考慮すると、個々の測定で記録される温度の測定誤差±３・１０-3Ｋに対応して記録される電圧値の、ノイズに起因する測定誤差±０．５μＶが生じる。次いでコンピュータを利用する評価によって、温度データは長さτの特定の時間間隔に亘り理想的な理論的変化に適合される。この場合、温度測定の想定される統計的誤差（δＴ）statは、装置によって記録される出力（δＮ）R▲≒▼５・１０-9Ｗの限界解像度に対するノイズ起因の理論的な影響に対応して、（δＴ）stat＝±３・１０-5Ｋに改善される。
【００３０】
釣り下がった液滴において試料の質量を求めるための理論的限界精度は、液滴半径を測定する際の測定不確定さδＲ0、即ち顕微鏡の解像度の限界によって与えられる。口径＜１の観察用顕微鏡については、個々の測定で口径に起因する測定誤差δＲ0▲≒▼５・１０-7ｍが生じる。自動化された画像分析により、１０秒毎に液滴半径の測定が行われる。コンピュータを利用する次の評価において、液滴半径のデータが連続時間τの特定の時間間隔に亘り理想的な理論的変化に適合される。この場合、半径測定の理論的な統計的誤差は、（δＲ0）stat＝±５・１０-8ｍに改善される。熱量を決定する場合は、ここから更なる誤差（δＮ）Apが生じる。これは（δＮ）Ap／Ｎ（ｔ）▲≒▼３・（δＲ0）stat／Ｒo（ｔ）▲≒▼±３・１０-4から導かれ、測定された出力Ｎ（ｔ）に比例している。１０μＷのオーダーの出力が測定される場合、（δＮ）Apは、ノイズに起因する理論的限界解像度（δＮ）Rのオーダーを有する。
【００３１】
試料を入れるための鉢状の容器を備えた装置では、感度や、時定数、ノイズに起因する出力測定の限界解像度に関して基本的により高度の値（釣り下がった液滴と同じオーダーではあるが）を達成できる。その理由は、自由表面が減少するため試料と測定チャンバとの間の熱輸送及び溶媒輸送の移動係数が釣り下がった液滴の場合よりも小さいからである。試料の蒸発速度の測定には、精密秤を使用し、後段に接続されたＡ／Ｄ変換器の性能を考慮して、５ｍｇのオーダーの時間関数の試料質量ｍ（ｔ）を用いて、１ｓの時間間隔を置いて±０．１μｇの精度で計量を実施できる。次いでコンピュータを利用する評価において、これらのデータは長さγの特定の時間間隔に亘り理想的な理論的変化に適合される。この場合、想定される計量に伴う統計的誤差が（δｍ）stat＝±３・１０-9ｇに改善される。これによりＮ（ｔ）を決定する際の誤差（δＮ）Wは、（δＮ）W／Ｎ（ｔ）▲≒▼（δm）stat／ｍ（ｔ）▲≒▼±１・１０-6に従う１０μＷオーダーのＮ（ｔ）について、１０-11Ｗのオーダーとなる。従って、この誤差はノイズに起因する限界解像度よりも小さい。
【００３２】
次に、本発明の３種の実施形態の正面略図に基づいて詳細に説明する。
図１では、気密に閉じた測定チャンバ１０が幾何学的な軸Ｘ−Ｘを有し、保持手段１１により部分１０１と１０２とに分割されている。測定準備が完了したら、上側部分１０２を下側部分１０１の上に載置できるようになっている。中央開口部１１１を有する支柱構造又は間仕切り板として形成された保持手段１１は、楕円形の鏡１２を保持する機能を有する。鏡１２は中央開口部１１１を塞ぐか、或いは少なくともその中に挿入されていて、その光学軸Ｏ−Ｏは幾何学的な軸Ｘ−Ｘと合致することが好ましい。楕円形の鏡１２は中央部１３で放射を透過し、その光学軸Ｏ−Ｏ上に２つの焦点Ｆ1とＦ2を有する。焦点Ｆ1（及びそのすぐ近傍。それゆえ焦点範囲と言う）には溶液の液滴１４が位置し、焦点Ｆ2（及びそのすぐ近傍＝焦点範囲）にはサーモセンサ２４が位置する。液滴１４の直径は＜２ｍｍとし、それに含まれる液体試料の量は＜４μＬとする。液滴１４は毛管１５から重力の作用で自由に懸垂する。毛管１５は直径が＜３００μｍで、（フレキシブルな）管又はチューブ１６を介してマイクロピペット１７と接続されている。液滴の直径を同時に測定するために測定ビームパス１８を用いる。測定ビームパス１８は本質的に測定チャンバ部分１０１内にあり、光学要素として光源１８１、ビームスプリッター１８２、フィルター１８３、対物レンズ１８４及び光学センサ１８５（例えばＣＣＤカメラ）を包含している。液滴１４は、ビームスプリッター１８２と対物レンズ１８４を通して光源１８１によって照射される。液滴１４で反射し散乱した測定ビームパス１８は、対物レンズ１８４とビームスプリッター１８２によりセンサ１８５に到達し、そこで液滴１４の像を形成する。測定ビームパス１８内に配置された光学フィルター１８３は、液滴１４とその周囲の熱平衡に影響を与える可能性のある妨害光線をすべて取り除く。測定チャンバ１０内の温度を一定に維持するか、或いは調節するために、加熱・冷却装置１９を用いる。この装置は温度センサ２０を使用し、コンピュータ２１で制御される。測定チャンバ１０内の湿度を一定に保つために、湿度計２２と加湿器又は乾燥器２３とが設けられており、やはりコンピュータ２１で制御される。更に、サーモセンサ２４の表面温度及び経時的に変化する液滴直径の測定データがセンサ１８５に収容され、コンピュータ２１で記憶、評価される。以下の測定例は水を溶媒として使用し、これに電解／緩衝液として２０ｍＭ ＨＣｌ＋５０ｍＭ クエン酸Ｎａ塩＋１％フェノール（ｐＨ＝６．５）を溶解させ、更に分子量３５０００の溶解タンパク質（特殊なインシュリン突然変異体）０．６ｍｇ／ｍＬを含有する試料とする。測定に際しては、同じ組成でタンパク質を含まない参照系でも測定を行う。この参照測定によって、溶液中に含まれるタンパク質の割合に直接起因する、測定データに及ぼす影響を求めることが容易となる。この例では一定の状況を把握するために、液滴容積が初期値の半分に達するか、或いは溶解した物質の濃度が初期値の２倍に達した時点で、全測定を終了する。この場合、本来の測定には１６２０ｓ、参照測定には２９００ｓを要する。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
測定中に蒸発する結果、液滴半径は減少し、溶解している成分の濃度は上昇するので、上の表に記載されている液滴半径、液滴温度、吸収された熱量、溶媒の蒸気圧（即ちガス圧）の初期データは程度の差こそあれ、顕著に変化している。参照系の測定値と比較した測定値の経時的変化に基づき、タンパク質成分によって決定される興味深い熱力学的データを求めることができる。この例ではμ2(ex)／ｋＴ＝０．３８、μ3(ex)／ｋＴ＝−０．１４、ｈ2(ex)／ｋＴ＝８．８６、ｈ3(ex)／ｋＴ＝−４．０８が得られる。ここでμ2(ex)及びμ3(ex)は溶液中に含まれる溶媒の（全濃度基準）二次及び三次の（分子）化学的ポテンシャル過剰成分、ｈ2(ex)、ｈ3(ex)は溶液中に含まれる溶媒の（全濃度基準）二次及び三次の分子エンタルピー過剰成分、ｋはボルツマン定数、及びＴは絶対温度を表す。
【００３５】
この測定例では表に記載された測定値も、参照測定との対応する差の値も、上で導かれたノイズに起因する測定誤差よりもはるかに高い。しかし、ノイズに起因する測定誤差が小さいことは、例えば液滴動態が非常に低速(液滴半径の経時変化が＜１０μｍ／ｓ)であるという条件下で、対応する参照測定との小さい差（１％の範囲）を確実に測定しなければならない場合に非常に重要である。
【００３６】
図２に示す測定チャンバ２５においては、中空体、好ましくは中空円筒体を形成する上側部分２５１が床２５２により気密に閉鎖できるようになっている。超小型計量器（精密秤）２６の皿２６２の棒状ホルダー２６１が床２５２を貫通している。秤の上には直接或いは支持具２６３を介して、液体試料２６５の入った鉢又は皿２６４が置かれている。その容量は８１０μＬであり、鉢２６４は支柱から熱的に絶縁されている。液体試料を導入するために用いるマニピュレータ２７は、上側部分２５１の壁内の開口部２５５を介して測定チャンバ２５内に挿入され、両矢２９で略示されているように、長手方向に動かすことができる。超小型計量器２６は試料の質量を測定するために用いられ、支持具２６３を介して計量皿２６２と剛性的に結合されているので、補償原理により液体２６５のメニスカスを一定の垂直位置に保つ。液体試料２６５は楕円形の鏡１２の焦点（焦点範囲）Ｆ１又はその周囲に位置する。鏡１２は上側部分２５１の天井に固定されている。他方の焦点（焦点範囲）Ｆ２又そのすぐ周囲にはサーモセンサ２４が配置されている。前述のように鏡１２の楕円形の長軸の上に焦点Ｆ１とＦ２が位置するが、この長軸は測定チャンバ２５の幾何学的な軸Ｘ−Ｘと合致する。周囲温度（Ｔ８０．１℃）と空気湿度（γＦ８０．１％）を安定化又は調節するために、測定チャンバ２５内には温度センサ２０と加熱・冷却装置１９、及び湿度計２２と加湿・乾燥装置２３が存在する。両装置は超小型計量器２６と同様にコンピュータ２１と接続されており、コンピュータ２１は加熱・冷却装置１９及び加湿・乾燥装置２３の測定値を記憶し、両装置を制御する。開口部２５４を介して測定チャンバ２５内に挿入されている測定用顕微鏡２８は、両矢３０方向に動かすことができ、液体試料２６５の観察に用いられる。例えばある実施形態で内視鏡であってよい測定用顕微鏡２８により、マニピュレーター２７で液体試料２６５中に導入した結晶、及び溶解した物質の変化を観察できる。図２に示す装置でも、試料の容積と温度の経時変化を測定し、そこからコンピュータ２１に含まれるソフトウェアによって当該物質の溶媒の蒸気圧と固有蒸発熱、及びその他の熱力学的パラメータを求めることができる。
【００３７】
図３の測定チャンバ２５は、図２と同様に中空円筒体２５１と床２５２からなる。床は中央開口部２５３を有しており、中心から外れた位置に加湿器又は乾燥器２３を担持している。超小型計量器２６の一部である計量皿２６２のホルダー２６１が開口部２５３を介して挿入されている。計量皿２６２の上には液体試料２６５を入れた小さい鉢２６４の支持具２６３が配置されている。鉢２６４は灰色赤外放射体の性質を有している。中空円筒体２５１は、内視鏡２８及びマニピュレーター２７を導入するための２つの開口部２５４及び２５５を備えている。いずれもこれらの開口部２５４及び２５５を介して両矢３０、２９の方向に運動可能である。さらに中空円筒体２５１内には、円筒体側壁に取り付けたコイル形状の冷却・加熱装置１９、温度センサ２０、湿度計２２及びサーモセンサ２４が配置されており、いずれも制御及び調節の目的でコンピュータ２１と接続されている。サーモセンサ２４は最大開口比を考慮して、支持具２６３から可能な限り近くに、この場合は支持具２６３の下方約１ｍｍの所に熱的に絶縁及び解離して設けられている。サーモセンサ２４と鉢２６４との間隔は、超小型計量器２６の補償原理に基づき、液体試料２６５の質量が変化しても一定である。冷却・加熱装置１９は、温度センサ２０の温度吸収に応じて、測定チャンバ２５内の温度を一定に維持又は調節するようにコンピュータ２１により制御される。加湿器又は乾燥器２３は、コンピュータ２１に与えられた温度センサ２２の測定値に従い、測定チャンバ２５内の気体湿度を一定に維持するようにコンピュータ２１により制御される。サーモセンサ２４と計量器２６の測定値も、同様にコンピュータ２１に送られ、そこで熱量、蒸気圧、蒸発動態又は熱力学的パラメータの把握、調整又は表示のために処理される。
【００３８】
図１に示す測定例におけるような初期組成の溶液で測定する場合、測定チャンバ温度２６．８℃及び空気の相対湿度６５．０％で浅い鉢状の容器２６４に８ｍｇの液体を入れ、試料の初期質量変化−１．７５μｇ／ｓ及び初期温度低下１．３５℃が記録される。これに対応する試料の初期熱量吸収は３．９μＷである。参照系と比較した差は、質量減少に関しては最初は約０．１μｇ／ｓ、試料温度に関しては約０．３℃であり、これによって熱量吸収の差８６０ｎＷを証明したことになる。それ以外は、図１に示した測定例と同様の手順で進められる。
【００３９】
詳細な説明、添付の請求項及び図面に示された特徴は、単独でも、任意に組み合わせてもよく、本質的に本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】試料が釣り下がった液滴として存在する、本発明に係る装置を示す。
【図２】液体試料が鉢状の容器に入っている、本発明に係る第２の装置を示す。
【図３】熱放射を直接測定する、本発明に係る第３の装置を示す。
【符号の説明】
【００４１】
１０、２５  測定チャンバ
１１  保持手段
１２  楕円形の鏡
１３  中央部
１４  液滴
１５  毛管
１６  管又はチューブ
１７  マイクロピペット
１８  測定ビームパス
１９  冷却・加熱装置
２０  温度センサ
２１  コンピュータ
２２  湿度計
２３  加湿器又は乾燥器
２４  サーモセンサ
２６  超小型計量器、精密秤
２７  マニピュレーター
２８  測定用顕微鏡
２９、３０  両矢
１０１、２５２  下側部分、床
１０２、２５１  上側部分、中空円筒体
１１１  中央開口部
１８１  光源
１８２  光線分割器
１８３  フィルター
１８４  対物レンズ
１８５  光学センサ
２５４、２５５  開口部
２６１  ホルダー
２６２  皿
２６３  支持具
２６４  鉢、皿
２６５  液体試料
Ｘ−Ｘ  幾何学的な軸
Ｙ−Ｙ  光学軸
Ｆ1、Ｆ2  焦点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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