具有可见‑紫外、荧光和拉曼光谱测量的热功率测量装置

摘要

本发明涉及一种具有可见‑紫外、荧光和拉曼光谱测量的热功率测量装置，其特征在于，该测量装置包括热测量系统、全光谱测量系统和数据采集与控制系统，热测量系统用于进行测量滴定过程中释放的滴定热；全光谱测量系统包括可见‑紫外激发系统、荧光激发系统、拉曼激发系统、透镜系统、光栅和多通道光谱仪。本发明将可见‑紫外、荧光和拉曼光谱三种光谱与热测量集成优化，三种光谱共用一个光谱仪和部分光学通道，有效简化了光谱系统，降低了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热功率测量装置，特别是一种具有可见-紫外、荧光和拉曼光谱测量的热功率测量装置，涉及生物大分子及分子自组装等分子间弱相互作用及其他溶液反应体系的研究与应用技术领域。

背景技术

热功率测量装置(即量热计)广泛应用于物理、化学、生物等科学领域以及石油开采、石油化工、二次电池等技术领域。其中，等温滴定量热计尤其适用于生物体系及分子间弱相互作用研究。由于该类体系的复杂性，一般会辅以可见-紫外、荧光和拉曼光谱等测量以获得物质结构信息。等温滴定量热可以多点连续滴定，具有浓度扫描的特点。而目前上述光谱等用于物质结构研究的仪器在设计上并不具备这种扫描功能，只能逐点分别测试。所以，面对复杂多变的量热曲线以及无法连续测量的有限光谱结果，常常使人无法确定不同量热曲线变化区间对应的结构和相态。特别是对于生物大分子和分子自组装体系而言，相互作用、结构和相态的转化具有很强的动力学依赖性，温度甚至搅拌方式、搅拌速度和时间等微小差异就可能导致不同的结构。这就使得分别进行滴定量热与光谱测量常常难以得到相互作用与物质结构间的严格对应关系。迄今为止，国内外尚无仪器能够实现热信号与多种光谱的联合测量。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种不仅能够同步测量热功率与多种光谱，而且能够保证热测量与多种光谱测量皆可正常工作且把相互影响降到最低的具有可见-紫外、荧光和拉曼光谱测量的热功率测量装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有可见-紫外、荧光和拉曼光谱测量的热功率测量装置，其特征在于，该测量装置包括热测量系统、全光谱测量系统和数据采集与控制系统，所述热测量系统用于测量滴定过程中释放的滴定热；所述全光谱测量系统包括可见-紫外激发系统、荧光激发系统、拉曼激发系统、透镜系统、光栅和多通道光谱仪；所述可见-紫外激发系统包括可见-紫外激发光源、第一Y形分叉光纤和可见-紫外光纤衰减器；所述荧光激发系统包括荧光激发光源、第二Y形分叉光纤和荧光光纤衰减器；所述拉曼激发系统包括拉曼激发光源、第三Y形分叉光纤和拉曼光纤衰减器；所述透镜系统包括可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜、荧光信号入射端光纤耦合透镜、拉曼探头和可见-紫外与荧光共用的信号收集端光纤耦合透镜；所述可见-紫外激发光源发出的光经所述第一Y型分叉光纤分别发送到两所述可见-紫外光纤衰减器，经第一所述可见-紫外光纤衰减器出射的光经第一可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜聚焦于样品反应池中心，经所述样品反应池出射的光经第一可见-紫外与荧光信号共用的信号收集端光纤耦合透镜依次发射到所述光栅和多通道光谱仪；同理，经第二可见-紫外光纤衰减器出射的光经第二可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜聚焦于所述参比反应池中心，经所述参比反应池出射的光经第二可见-紫外与荧光共用信号收集端光纤耦合透镜依次发射到所述光栅和多通道光谱仪；所述荧光激发光源发出的光经所述第二Y型分叉光纤分别发送到两所述荧光光纤衰减器，经第一所述荧光光纤衰减器出射的光经第一荧光信号入射端光纤耦合透镜聚焦于所述样品反应池中心，所述样品反应池中溶液产生的荧光信号经第一可见-紫外与荧光共用信号收集端光纤耦合透镜依次发射到所述光栅和多通道光谱仪；同理，经第二所述荧光光纤衰减器出射的光经第二荧光信号入射端光纤耦合透镜聚焦于所述参比反应池中心，所述参比反应池中溶液产生的荧光信号经第二可见-紫外与荧光信号收集端光纤耦合透镜依次发射到所述光栅和多通道光谱仪；所述拉曼激发光源发出的光经所述第三Y型分叉光纤分别发送到两所述拉曼光纤衰减器，经第一拉曼光纤衰减器出射的光经第一拉曼探头聚焦于样品反应池中心，所述样品反应池中溶液产生的拉曼信号返回所述第一拉曼探头并依次发射到所述光栅和多通道光谱仪；同理，经第二拉曼光纤衰减器出射的光经第二拉曼探头聚焦于所述参比反应池中心，所述参比反应池中溶液产生的拉曼信号返回所述第二拉曼探头并依次发射到所述光栅和多通道光谱仪；所述数据采集与控制系统控制通过电动平移台控制所述可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜、荧光信号入射端光纤耦合透镜和可见-紫外与荧光共用的信号收集端光纤耦合透镜及拉曼探头的光学焦点都在样品反应池或参比反应池轴心且重合在一个点上。

进一步地，所述热测量系统包括恒温系统、量热池、热标定系统和自动滴定系统；所述恒温系统包括恒温浴和热沉，所述恒温浴中放置所述热沉，所述热沉内放置所述量热池，所述量热池包括材料和尺寸完全相同的样品池和参比池，所述样品池和参比池均包括导热件、温差热电堆和反应池，样品反应池和参比反应池皆由石英玻璃管制作并分别固定于所述导热件中心，所述导热件通过所述温差热电堆与所述热沉接触，所述温差热电堆的输出端反接；所述热标定系统包括程控直流电源和固定于所述导热件内的热电阻，所述程控直流电源连接所述热电阻。

进一步地，所述数据采集与控制系统包括计算机、纳伏计、数据采集卡或带扫描卡的数字多用表、量热模块、全光谱模块和量热-多光谱联用模块，所述计算机用于控制可见-紫外激发系统、荧光激发系统和拉曼激发系统的光源以及各电动平移台工作，并监控和记录热信号和光谱信号；所述纳伏计采集所述温差热电堆产生的热流信号；所述数据采集卡或带扫描卡的数字多用表采集所述恒温浴温度及程控直流电源的电流和电压信号；所述量热模块用于所述热测量系统的标定和热功率测量；所述全光谱模块用于测量可见-紫外光谱、荧光光谱和拉曼光谱；所述量热-多光谱联用模块按三种光谱的激发光产热量从大到小决定三种光谱的测量顺序，测量过程由所述计算机控制自动完成，并在测量光谱的同时驱动所述程控直流电源根据不同光谱激发光产生的不同热信号输出不同电流到所述温差热电堆为样品反应池和参比反应池在线降温，在光谱测量结束后再利用比例-积分-微分控制模块继续施加电流主动冷却所述样品反应池和参比反应池使其与所述热沉快速达到热平衡。

进一步地，所述导热件采用高热导系数的铝合金或铜制作并氧化成黑色，所述可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜、荧光信号入射端光纤耦合透镜、拉曼探头、可见-紫外与荧光共用的信号收集端光纤耦合透镜均固定在所述导热件上且呈十字形分布，所述可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜和可见-紫外与荧光共用的信号收集端光纤耦合透镜呈0度分布，所述荧光信号入射端光纤耦合透镜和可见-紫外与荧光共用的信号收集端光纤耦合透镜呈90度分布。

进一步地，该测量装置还包括恒温恒湿间，所述热测量系统、全光谱测量系统和数据采集与控制系统放置于控温在20至25℃，控温精度±0.5℃，相对湿度在(45～70)％RH的所述恒温恒湿间内。

进一步地，所述恒温浴要求控温在15至60℃间，控温精度±0.0001℃，所述恒温浴是水浴或油浴。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将可见-紫外、荧光和拉曼光谱三种光谱与热测量集成优化，三种光谱共用一个光谱仪和部分光学通道，有效简化了光谱系统，降低了成本。2、本发明将光通路置于反应池外，操作更加简便快捷。3、本发明采用样品池和参比池同时进行双子池热测量和双路光谱测量，对消光谱测量中光吸收产生的热信号对热测量的影响，有效提高了测量效率。4、本发明通过光谱测量顺序的选择使其对热测量影响降到最低，比单光谱-热测量联用要节约很多时间。5、本发明通过珀耳帖效应主动降温进一步降低光测量对热测量的影响，加快热平衡，也提高了整体测量效率。6、本发明既可同时测量热功率和可见-紫外光谱、荧光光谱和拉曼光谱，也可单独测量热功率和任何一种或几种光谱。

附图说明

图1是本发明具有可见-紫外、荧光和拉曼光谱测量功能的热功率测量装置的结构示意图；

图2是本发明中可见-紫外、荧光和拉曼光谱测量系统结构示意图；

图3是本发明测量实施例中十二烷基硫酸钠(SDS)滴入牛血清蛋白(BSA)的反应过程中的热和可见-紫外、荧光和拉曼光谱测量结果。其中，图(a)是反应过程中的热测量结果，图(b)是样品底液(图中0号曲线)及每次反应后的可见-紫外光谱测量结果，图(c)是样品底液(图中0号曲线)及每次反应后的荧光光谱测量结果，图(d)是样品底液(图中0号曲线)及每次反应后的拉曼光谱测量结果。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1、图2所示，本发明提供的具有可见-紫外、荧光和拉曼光谱测量的热功率测量装置，包括热测量系统1、全光谱测量系统2、数据采集与控制系统3及恒温恒湿间4。其中，热测量系统1是等温滴定式量热计(但不限于滴定式)，包括恒温浴11、热沉111、量热池12、热标定系统13及配合使用的量热模块34。恒温浴11中放置热沉111以进一步提高温度稳定性，热沉111内放置量热池12。量热池12包括材料及尺寸完全相同的样品池12A和参比池12B，样品池12A和参比池12B均包括导热件121、温差热电堆122和反应池123。样品反应池123A和参比反应池123B皆由石英玻璃管制作并分别固定于导热件121A和121B中心，两池中皆盛放相同组分和质量的待用反应底液。导热件121由高热导系数的铝合金或铜等材料制作并将表面氧化成黑色以消除杂散光。热功率测量通过温差热电堆122利用赛贝克(Seebeck)效应来实现，温差热电堆122可利用商用半导体热电模块组装而成，可根据热测量具体要求选择不同型号。在热测量中，温差热电堆122的输出端反接(如两堆122A和122B的正端接正端，负端接输出；或两堆的负端接负端，正端接输出)以对消环境及光致热信号的影响。热标定系统13包括程控直流电源131和固定于导热件121内的热电阻132，程控直流电源131输出不同的恒电流(或恒功率)到热电阻132上，温差热电堆122会相应输出不同幅度的电压信号，由此获得热测量系统的仪器常数—即热功率与输出电压信号间的比值，以及热信号响应的弛豫时间。

全光谱测量系统2包括可见-紫外激发系统21、荧光激发系统22、拉曼激发系统23、透镜系统24、光栅25和多通道光谱仪26。其中，可见-紫外激发系统21包括可见-紫外激发光源211(例如氘卤素灯)、Y形分叉光纤212、可见-紫外光纤衰减器213和光纤214；荧光激发系统22包括荧光激发光源221(单色光，也可通过氙灯加单色仪或滤波片得到)、Y形分叉光纤222、荧光光纤衰减器223和光纤224；拉曼激发系统23包括拉曼激发光源231(激光)、Y形分叉光纤232、拉曼光纤衰减器233和光纤234；透镜系统24包括可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜241、荧光信号入射端光纤耦合透镜242、拉曼探头243、可见-紫外与荧光共用的信号收集端光纤耦合透镜244。可见-紫外光纤衰减器213、荧光光纤衰减器223和拉曼光纤衰减器233、可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜241、荧光信号入射端光纤耦合透镜242、拉曼探头243和可见-紫外与荧光共用的信号收集端光纤耦合透镜244均设置有完全相同的两套，分别用在样品池(表示为后缀A)和参比池(表示为后缀B)上。可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜241、荧光信号入射端光纤耦合透镜242、拉曼探头243、可见-紫外与荧光共用的信号收集端光纤耦合透镜244均固定在导热件121上且呈十字形分布，其中，可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜241和可见-紫外与荧光共用的信号收集端光纤耦合透镜244呈0度分布，荧光信号入射端光纤耦合透镜242和可见-紫外与荧光共用的信号收集端光纤耦合透镜244呈90度分布；可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜241、荧光信号入射端光纤耦合透镜242和可见-紫外与荧光共用的信号收集端光纤耦合透镜244及拉曼探头243的光学焦点都在相应反应池123轴心且重合在一个点上以获取最大的光学测量效率。

可见-紫外激发光源211发出的光经Y型分叉光纤212分别发送到可见-紫外光纤衰减器213A和213B，经可见-紫外光纤衰减器213A出射的光经光纤214A经可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜241A聚焦于样品反应池123A中心，经样品反应池123A出射的光经可见-紫外与荧光信号共用的信号收集端光纤耦合透镜244A依次发射到光栅25和多通道光谱仪26；同理，经可见-紫外光纤衰减器213B出射的光经光纤214B，再经可见-紫外信号入射端光纤耦合透镜241B聚焦于参比反应池123B中心，经参比反应池123B出射的光经可见-紫外与荧光共用信号收集端光纤耦合透镜244B依次发射到光栅25和多通道光谱仪26。

荧光激发光源22发出的光经Y型分叉光纤222分别发送到荧光光纤衰减器223A和223B，经荧光光纤衰减器223A出射的光经光纤224A再经荧光信号入射端光纤耦合透镜242A聚焦于样品反应池123A中心，样品反应池123A中溶液产生的荧光信号经可见-紫外与荧光共用信号收集端光纤耦合透镜244A依次发射到光栅25和多通道光谱仪26；同理，经荧光光纤衰减器223B出射的光经光纤224B再经荧光信号入射端光纤耦合透镜242B聚焦于参比反应池123B中心，参比反应池123B中溶液产生的荧光信号经可见-紫外与荧光信号收集端光纤耦合透镜244B依次发射到光栅25和多通道光谱仪26。

拉曼激发光源231发出的光经Y型分叉光纤232A分别发送到拉曼光纤衰减器233A和233B，经拉曼光纤衰减器233A出射的光经拉曼探头243A聚焦于样品反应池123A中心，样品反应池123A中溶液产生的拉曼信号返回拉曼探头243A并依次发射到光栅25和多通道光谱仪26；同理，经拉曼光纤衰减器233B出射的光经拉曼探头243B聚焦于参比反应池123B中心，参比反应池123B中溶液产生的拉曼信号返回拉曼探头243B并依次发射到光栅25和多通道光谱仪26。

综上，三种光谱进入多通道光谱仪26，多通道光谱仪26针对不同的光谱选择不同的光栅25和不同的物理测量通道。所有光谱都同时利用样品反应池123A与参比池123B实现双光路测量。本发明的每种光谱都通过两路衰减器使两路光信号强度一致，即调节光信号相对强度使热信号对消到极小值，以尽可能消除光测量对热测量的影响。

数据采集与控制系统3包括计算机31、纳伏计32、数据采集卡或带扫描卡的数字多用表33、量热模块34、全光谱模块35和量热-多光谱联用模块36。其中，计算机31用于控制可见-紫外激发系统21、荧光激发系统22和拉曼激发系统23的光源工作，并监控和记录热信号和光谱信号；纳伏计32采集温差热电堆122产生的热流信号；数据采集卡或带扫描卡的数字多用表33采集恒温浴温度及程控直流电源的电流和电压信号；量热模块34用于热测量系统的标定和热功率测量；全光谱模块35用于测量可见-紫外光谱、荧光光谱和拉曼光谱；量热-多光谱联用模块36按三种光谱的激发光产热量(光致热功率的时间积分)从大到小决定三种光谱的测量顺序(一般是先拉曼，再荧光，后可见-紫外)，测量过程由计算机控制自动完成，测量时间也尽量缩短，并在测量光谱的同时驱动程控直流电源131根据不同光谱激发光产生的不同热信号输出不同电流到温差热电堆122为样品反应池123A和参比反应池123B在线降温，在光谱测量结束后再利用比例-积分-微分(PID)控制模块继续施加电流主动冷却样品反应池123A和参比反应池123B使其与所述热沉快速达到热平衡，尽快消除光谱测量对热测量的影响。

在一个优选的实施例中，恒温恒湿间4要求控温在20至25℃，控温精度±0.5℃，相对湿度(45～70)％RH。

在一个优选的实施例中，恒温浴11要求控温在15至60℃间，控温精度±0.0001℃，恒温浴11可以是水浴或油浴。

下面以十二烷基硫酸钠(SDS)和牛血清蛋白(BSA)的滴定反应过程的可见-紫外、荧光和拉曼光谱和热功率测量为实施例说明本发明的具有可见-紫外、荧光和拉曼光谱测量的热功率测量装置的应用。

在滴定反应前首先测量0.6毫升的50mg/ml的BSA水溶液体系的可见-紫外，荧光和拉曼光谱(即图3(b)、(c)、(d)中序号为0的曲线)，然后每次滴入10微升0.2M的SDS，测量滴定热，每次滴定热测量结束后测量一次可见-紫外光谱、荧光光谱和拉曼光谱，然后交替进行热测量与光谱测量。共33次滴定结果和34次可见-紫外和荧光光谱结果分别如图3(a)、(b)和(c)所示，前16次拉曼光谱测量结果见图(d)，由图可见本发明装置可同时测得该体系的热信号和光谱信号，某些特征光谱信号确实在滴定过程中发生了变化。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。