ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК МНОГОКАНАЛЬНОГО МИКРОКАЛОРИМЕТРА

Полезная модель предназначена для научных исследований в области изучения свойств биополимеров и физиологически-активных веществ с использованием сканирующих микрокалориметров.
Сканирующая микрокалориметрия широко используется в физической химии, физико-химической биологии и при анализе свойств биологически активных биополимеров для медицины. Однако ее применение в биотехнологии и фармацевтике затрудняется тем, что при проведении тестовых работ и сертификации биополимерной продукции требуется проведение серий экспериментов с разными концентрациями и составами биополимеров для проведения сравнительного анализа их свойств относительно друг друга в одинаковых условиях проведения эксперимента.
Известен высокочувствительный дифференциальный адиабатный сканирующий микрокалориметр [1]. С целью повышения чувствительности калориметрические камеры выполнены в виде плоскопараллельных дисков, на двух поверхностях каждого из которых равномерно распределены нагреватели и по периферии расположена термобатарея, при этом тепловые экраны выполнены в виде двух обращенных друг к другу тождественных полуобъемов, например полусфер. К недостатку данной конструкции относится применение золота для изготовления калориметрических камер, большой объем калориметрических камер и сложность в изготовлении.
Известна конструкция дифференциального сканирующего калориметра и способ его применения для обнаружения термостабильных вариантов белков и/или метаболитов в биологическом образце, например, в ткани, в цельной крови, в плазме или сыворотке [2]. Объем биологического образца составляет примерно от 20 до 125 мкл. Концентрация белков, в измерительной пробе, составляет от 650 до 150 мкг/мл. К недостатку конструкции измерительной части относящейся к конструкции тестового и эталонного каналов можно отнести необходимость предварительной загрузки пробы в цилиндрический сосуд и введение сосуда в коническое пространство измерительных ячеек, что значительно снижает чувствительность и формирует большие ошибки при исследовании проб биополимеров с низкой концентрацией.
Известна конструкция дифференциального адиабатного сканирующего микрокалориметра [3], который широко используется в физико-химической биологии, биотехнологии и фармацевтике при проведении научно-исследовательских работ, сертификации продукции и разработке современных технологий. Микрокалориметр обладает высокой чувствительностью и выбран в качестве прототипа. Конструкция измерительного блока микрокаллориметра содержит внутренний и внешний адиабатные экраны, дифференциальный термочувствительный элемент, размещенный между эталонной и измерительной калориметрическими камерами, выход которого соединен с входом измерителя теплового эффекта, выход которого соединен с входом АЦП, другой дифференциальный термочувствительный элемент, контактирует с калориметрической эталонной камерой и внутренним адиабатным экраном, выход элемента соединен с входом регулятора температуры внутреннего адиабатного экрана. Блок содержит третий дифференциальный термочувствительный элемент, контактирующий с калориметрической эталонной камерой и внешним адиабатным экраном, выход которого соединен с входом регулятора температуры внешнего адиабатного экрана. Калориметрические камеры выполнены из стекла с рабочим объемом 0.34 мл.
При поточном тестировании серий биополимеров с помощью данного микрокалориметра требуется большое количество времени из-за наличия в конструкции измерительного блока микрокалориметра только одной измерительной камеры для одного образца биополимера. При минимальной скорости нагрева 0,125°С/мин для прохождения одного цикла исследования одной пробы в диапазоне температур от 25°С до 125°С требуется около 17 часов непрерывной работы.
Таким образом, в настоящее время отсутствуют микрокалориметры, которые с одной стороны обладали бы высокой чувствительностью и с другой стороны позволяли бы одновременно исследовать несколько образцов для ускорения процесса изучения структур биомолекул.
Задача состоит в расширении арсенала типов измерительных блоков микрокалориметров для повышения производимости при обеспечении одновременного потокового исследования группы слабоконцентрированных растворов биологически активных полимеров в одном и том же режиме.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в состав измерительного блока микрокалориметра содержащего эталонную и измерительную камеры дополнительно введены N измерительных камер, которые расположены равномерно друг относительно друга по внешнему кругу относительно вертикальной оси эталонной камеры закрепленной в центре рабочего объема внутреннего экрана. При этом на поверхности рабочей части эталонной камеры предварительно установлен проволочный электронагреватель, который подключен к выходу регулятора компенсации прогрева камер, вход которого подключен к разъемному соединению блока. Измерительный блок дополнительно содержит N первых дифференциальных термочувствительных элементов, каждый из которых одновременно контактирует как с поверхностью эталонной камеры, так и с поверхностью одной из измерительных камер. При этом измерительный блок дополнительно содержит N измерителей тепловых эффектов, входы которых подключены к соответствующим выходам первых дифференциальных термочувствительных элементов, а выходы измерителей тепловых эффектов подключены к входам многоканального АЦП, выход которого, подключен к средству разъемного соединения измерительного блока.
Технические результат заключается в том, что предлагаемая конструкция измерительного блока микрокалориметра позволяет проводить одновременный анализ нескольких образцов слабоконцентрированных растворов биополимеров (от 0,1-0,5%) в одинаковых условиях, тем самым обеспечивает возможность сокращения времени исследования при потоковом сканировании образцов и экономии энергоресурсов в расчете на один анализ.
Предложенное техническое решение конструкции измерительного блока микрокалориметра иллюстрируется следующим примером его выполнения.
На фиг. 1 представлена конструкция измерительного блока дифференциального адиабатного сканирующего микрокалориметра с фронтальным сечением эталонной и измерительных камер, внешнего и внутреннего экранов.
На фиг. 2 представлена конструкция измерительного блока с поперечным сечением (А-А) эталонной и измерительных камер, внешнего и внутреннего экранов.
Для решения поставленной задачи предлагается новая структура измерительного блока для многоканального дифференциального адиабатного сканирующего микрокалориметра. В состав многоканального измерительного блока микрокалориметра входят: эталонная калориметрическая камера (26), измерительные калориметрические камеры (20-25), внешний адиабатный экран (18), внутренний адиабатный экран (19), первые дифференциальные термочувствительные элементы (27-32), второй дифференциальный термочувствительный элемент (34), третий дифференциальный термочувствительный элемент (33), измерители теплового эффекта (12-17), регулятор (10) температуры внешнего адиабатного экрана (18), регулятор (8) температуры внутреннего адиабатного экрана (19), преобразователь сопротивления в напряжение (3), резистивный датчик температуры (5), аналого-цифровой преобразователь (11), разъемное соединение (38). При этом количество N дополнительных измерительных камер, дополнительных первых дифференциальных термочувствительных элементов, дополнительных измерителей тепловых эффектов выбирают в пределах от 1 до 5.
Отдельные узлы измерительного блока связаны между собой следующим образом. Эталонная (26) камера и измерительные калориметрические камеры (20-25), расположены вертикально в рабочем объеме внутреннего экрана, на рабочей части эталонной камеры намотан проволочный электронагреватель (7), который подключен к выходу регулятора (4) компенсации прогрева камер, вход (37) которого подключен к разъемному соединению измерительного блока (38).
Первые дифференциальные термочувствительные элементы (27-32) размещены между эталонной (26) камерой и измерительными калориметрическими камерами (20-25). Выходы дифференциальных термочувствительных элементов подключены к входам измерителей теплового эффекта (12-17), выходы измерителей теплового эффекта соединены с входами АЦП (11).
Выход второго дифференциального термочувствительного элемента (34), контактирующего с калориметрической эталонной камерой (26) и внутренним адиабатным экраном (19) соединен с входом регулятора температуры (8) выход которого соединен с пленочным электронагревателем (6) внутреннего адиабатного экрана (19)
Выход третьего дифференциального термочувствительного элемента (33) контактирующий с калориметрической эталонной камерой (26) и внешним адиабатным экраном (18), соединен с входом регулятора температуры (10) выход которого соединен с пленочным электронагревателем (9) внешнего адиабатного экрана (18).
Внутренний адиабатный экран (19) укреплен внутри внешнего адиабатного экрана (18). Оба экрана изготовлены из материала с высоким коэффициентом температуропроводности, например, из алюминия или меди.
Пленочные электронагреватели (6, 9) наклеены равномерно по всем внешним поверхностям внутреннего (19) и внешнего (18) адиабатных экранов.
3
Рабочие части эталонной (26) камеры и измерительных (20-25) калориметрических камер расположены в рабочем объеме внутреннего адиабатного экрана (19). Камеры выполнены из инертного материала, например, стекла в виде цилиндрических вертикально расположенных трубок с разной толщиной стенок в верхней и нижней части. В верхней части каждой камеры сформирован канал с внутренним диаметром до 1,5 мм, через который проходит заполнение через узел заправки (2) выбранных камер шприцом, содержащим раствор биополимера или эталонный образец. В нижней части камеры сформирован рабочий объем в форме пробирки с тонкими стенками до 0,2 мм с рабочим объемом каждой из них около 0,35 см. Для обеспечения равенства теплоемкостей камер, они откалиброваны по величине рабочего объема с погрешностью ± 0,005 см и по величине массы с погрешностью ± 0,005 мг. Объемы всех камер выбирается из диапазона от 0,3 до 0,4 см.
Между внешней поверхностью рабочей части эталонной калориметрической камеры (26) и внешними поверхностями каждой из рабочих калориметрических камер (20-25), установлены первые дифференциальные термочувствительные элементы (27-32) выполненные в виде Термобатарей. Выходы термобатарей подключены к входам соответствующих измерителей теплового эффекта (12-17), выходы которых подключены к входам аналого-цифрового преобразователя (11). Каждая термобатарея изготавливается из константанового провода диаметром 0.05 мм, который наматывается на оправку с шагом 0.05 мм. Затем на половину термобатареи вдоль оси намотки наносится гальванический слой меди. На заключительном этапе батарея покрывается клеем. После высыхания и термообработки батарея снимается с оправки. Сформированное число спаев термобатареи между константаном и медью составляет не менее 400 на рабочей длине 40 мм.
На внешней донной части поверхности эталонной калориметрических камеры (26) закреплены второй (34) и третий (33) дифференциальные термочувствительные элементы, выполненные на основе термопар. Один спай термопар закреплен на эталонной калориметрической камере (26). Второй спай второго дифференциального термочувствительного элемента (34) закреплен на внутреннем адиабатном экране (19). В свою очередь второй спай третьего дифференциального термочувствительного элемента (33) закреплен на внешнем адиабатном экране (18). Выход второго дифференциального термочувствительных элемента (34) подключен к входу регулятора температуры (8), выход которого электрически соединен с нагревателем (6) внутреннего адиабатного экрана (19). Выход третьего дифференциального термочувствительных элемента (33) подключен к входу регулятора температуры (10), выход которого электрически соединен с нагревателем (9) внешнего адиабатного экрана (18).
На внутреннем адиабатном экране (19) закреплен датчик температуры (5) выполненный на основе резистора, электрически соединенного с преобразователем сопротивления в напряжение (3) выход (36) которого подключен к разъемному соединению (38).
На внешней поверхности внешнего адиабатного экрана (18) закреплен контур охлаждения (35) для охлаждения экранов и камер после проведения этапа нагрева.
Предложенная структура блока многоканального дифференциального адиабатного сканирующего микрокалориметра дает возможность реализовать режим поточного исследования биологически активных биополимеров в области создания фармакологических композиций.
Режим работы блока измерительного блока микрокалориметра связан с заданием постоянного давления в камерах в диапазоне от 1 до 2,5 атм и с нагревом камер в диапазоне от -10 до +130°С, с выбранной скоростью прогрева. В начале работы через заправочные входы измерительных калориметрических камер (20-25) их заполняют жидкими образцами содержащими биополимеры. Через заправочный вход эталонной калориметрической камеры (26) в нее вводят эталонную жидкостью с известной теплоемкостью. После заправки измерительных камер (20-25) рабочими жидкостями, для исключения кипения жидкостей в камеры подается избыточное давление воздуха порядка 2 атм. с помощью штуцера (1).
Измерительный блок многоканального микрокалориметра обеспечивает нагрев калориметрических камер с постоянной линейной скоростью выраженной в °С/мин, выбираемой из группы состоящей из 2; 1; 0.5; 0.25; 0.125.
В период нагрева обеспечивается поддержание температур внутреннего адиабатного экрана (19) и внешнего адиабатного экрана (18), которые равны температуре калориметрических камер (20-25) с погрешностью не более 0,001 град. при любой скорости их нагрева. Для прогрева используют регуляторы температуры внутреннего адиабатного экрана (8) и регуляторы температуры внешнего адиабатного экрана (10), к входу которых подключены термобатареи для измерения разности температур между эталонной камерой и внутренней термостатирующей оболочкой (34) и термобатареи для измерения разности температур между эталонной камерой и внешней термостатирующей оболочкой (33).
Измеряемые тепловые эффекты в жидких образцах биополимеров, возникающие при линейном изменении температуры регистрируются измерителями теплового эффекта (12-17) по сигналу первых дифференциальных измерительных элементов (27-32). При этом воспроизводимость базовой линии при скорости сканирования 1°С/мин составляет около 0.5 микроватт, что позволяет количественно измерять слабые тепловые эффекты в слабоконцентрированных растворах биополимеров. До настоящего времени не существовало многоканальных дифференциальных адиабатных сканирующих микрокалориметров для исследования жидких образцов с такой чувствительностью.
Полезная модель обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, связанных с возможностью работы в многоканальном режиме за счет новой конструкции измерительного блока, который расширяет арсенал типов микрокалориметров и позволяет проводить поточные исследования биологически активных биополимеров, используемых, в том числе, для медицинских приложений.
Конструкция измерительного блока позволяет, с высокой точностью в ходе одного эксперимента получить температурные зависимости парциальной теплоемкости нескольких типов биополимеров, например, ферментов, липидов, белков, полинуклеиновых кислот или их смесей в разных концентрациях и провести анализ их характеристик, в том числе их тепловой стабильности.
Выбор материалов и конструктивных решений измерительных кювет позволяет проводить анализ веществ в форме сильно разбавленных растворов многоканальном режиме с высокой чувствительностью и хорошими динамическими характеристиками. Это сокращает время и повышает энергоэффективность при проведении серий экспериментов с разными составами биополимеров для сравнительного анализа их свойств в одинаковых условиях проведения эксперимента. Высокая чувствительность дифференциальных калориметров позволяет исследовать растворы белков, ферментов и других биологических объектов.
Источники информации
1. Привалов П.Л., Плотников В.В. Адиабатический дифференциальный микрокалориметр. Авт. Свид. СССР №328776, (1974.07.05).
2. Monaselidze J., Nemsadze G. Differential scanning microcalorimeter device for detecting disease and monitoring therapeutic efficacy. Патент США №US 11215573 (2016-01-14).
3. Сенин А.А. Рекламный проспект дифференциальный сканирующий микрокалориметр "СКАЛ-1" (https://docs.yandex.ru/docs/view?url=ya-mail%3A%2F%2F179018085187998966%2F1.2&name=Scal.doc&uid=139740266&nosw=1).