專利名稱：樣品的質(zhì)量分析方法和裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一陣列樣品質(zhì)量特性的同時(shí)測(cè)量。更具體地，本發(fā)明涉及在微克至克范圍內(nèi)、以及在更高或更低的范圍內(nèi)測(cè)定一陣列樣品的質(zhì)量。
實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的重力測(cè)量已經(jīng)受到相對(duì)笨重的設(shè)備和低效率的測(cè)量速度的阻礙。需要更有效的監(jiān)控并記錄大量材料的質(zhì)量的方法，以評(píng)測(cè)候選物性能和/或篩選和選擇用于進(jìn)一步開發(fā)的最佳候選物。
用于催化劑和吸附劑之類用途的材料的最優(yōu)化通常要求盡可能快速地表征大量此類材料樣品。這種表征的分析技術(shù)必須又快又精確，以處理大量與最優(yōu)化有關(guān)的數(shù)據(jù)。并行而不是連續(xù)測(cè)量有利于快速生成用于這種表征的數(shù)據(jù)。這些測(cè)量特別可用于測(cè)定例如表面積和孔徑之類的表面性能，它們?cè)诙喾N應(yīng)用中是潛在性能的指征。
過去十年來，微切削加工技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。硅微切削加工特別能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械元件和傳感元件的完全集成，為成本有效地生產(chǎn)小型轉(zhuǎn)換器提供了將傳感器陣列制造成單個(gè)集成單元的可能。
專利公開US 2002/0028456 A1公開了一種排列在基材上以測(cè)量沉積在該基材上的樣品的各種材料特性的傳感器陣列。樣品可以以溶液方式或通過氣相淀積沉積在傳感器上。能夠測(cè)量的性能包括溫度、熱容、熱導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性、介電常數(shù)、粘度、密度、彈性、電容和磁性能。
WO 00/20850描述了用于氣態(tài)或蒸氣態(tài)分析物的重量法化學(xué)測(cè)量的多傳感器裝置，其包括基材和多個(gè)由壓電元件制成的傳感器，壓電元件在基材上通過厚膜技術(shù)獲得。傳感器涂有用于吸收分析物的敏感涂層。
US 5,983,711公開了溫控重量法濕度分析儀，其包括連接到稱重裝置上的樣品容器、溫度傳感器和響應(yīng)該溫度傳感器輸出信號(hào)的加熱器及控制器。但是，該專利沒有公開稱重裝置陣列。
WO 03/071241公開了用于微量稱重的彈簧秤，其包括通過周圍框架中的至少三個(gè)撓性彈簧懸掛的裝載平臺(tái)，具有用于測(cè)量撓性彈簧一側(cè)上的應(yīng)變的橋接應(yīng)變儀。但并未提出稱重裝置陣列。
US 4,566,326提出了自動(dòng)吸附和解吸分析儀，其使用帶有相聯(lián)的閥、控制器和傳感器的多個(gè)樣品槽對(duì)多個(gè)粉末樣品進(jìn)行測(cè)量。該分析儀可以在多個(gè)樣品上幾乎同時(shí)測(cè)量表面積、總孔體積、微孔體積、平均孔半徑、和孔徑大小和表面積分布。這種分析儀代表了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的已知技術(shù)。
但是，該技術(shù)沒有提出對(duì)獨(dú)立樣品容器中所含的一陣列樣品進(jìn)行質(zhì)量分析的裝置或方法。
發(fā)明概要本發(fā)明提供了對(duì)一陣列獨(dú)立的樣品容器中所含的一陣列樣品的每一個(gè)進(jìn)行質(zhì)量分析的裝置和方法，放置這些樣品容器使其與多個(gè)傳感器相互作用，所述傳感器提供包括該樣品陣列的質(zhì)量數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)。通過這種分析，本發(fā)明能夠快速測(cè)定與樣品質(zhì)量有關(guān)的各種樣品特性。還加快了其它樣品陣列的后續(xù)分析。
在更具體的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了對(duì)一陣列樣品的每一個(gè)進(jìn)行質(zhì)量分析的裝置，其包括一陣列不同的容納樣品的樣品容器，放置這些容器使其與多個(gè)微量天平相互作用，所述傳感器提供包括該樣品陣列的質(zhì)量數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)。
在再具體的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了對(duì)一陣列樣品的每一個(gè)進(jìn)行質(zhì)量分析的裝置，其包括一陣列不同的容納樣品的樣品容器，放置這些容器使其與多個(gè)彈簧秤相互作用，所述傳感器提供包括該樣品陣列的質(zhì)量數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)。
在另一具體實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了對(duì)一陣列樣品的每一個(gè)進(jìn)行質(zhì)量分析的裝置，其包括一陣列容納樣品的籃筐，放置這些籃筐使其與多個(gè)微量天平相互作用，所述傳感器提供包括該樣品陣列的質(zhì)量數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)。
在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了如下對(duì)一陣列樣品進(jìn)行質(zhì)量分析的方法將該樣品陣列置于一陣列獨(dú)立的樣品容器中，放置樣品容器使其與提供包括該樣品陣列的質(zhì)量數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)的多個(gè)傳感器相互作用，并根據(jù)輸出信號(hào)測(cè)定各個(gè)樣品的質(zhì)量。
在更具體的另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了如下對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行質(zhì)量分析的方法將樣品置于一陣列獨(dú)立的樣品容器中，放置樣品容器使其與提供包括該樣品陣列的質(zhì)量數(shù)據(jù)的第一輸出信號(hào)的多個(gè)傳感器相互作用，然后將該樣品陣列置于改變的環(huán)境條件中，然后測(cè)量來自該樣品陣列的第二輸出信號(hào)，并通過比較在環(huán)境條件改變之前和之后來自該樣品陣列的輸出信號(hào)確定各個(gè)樣品的一個(gè)或多個(gè)性質(zhì)。
附圖
的簡(jiǎn)要說明圖I顯示了本發(fā)明裝置較廣泛的實(shí)施方案，該裝置包括六個(gè)樣品托盤的小陣列，它們與相同數(shù)量的多個(gè)傳感器相互作用。
圖II顯示了在陣列單元中包含彈簧秤的實(shí)施方案中的本發(fā)明裝置。
圖III顯示了可用于質(zhì)量分析的橋接電路的例子。
圖IV是與基底部件相聯(lián)的彈簧秤的截面?zhèn)纫晥D。
圖V顯示了在陣列單元中包含懸掛筐的實(shí)施方案中的本發(fā)明裝置。
圖VI-A和VI-B顯示了微量天平作為懸臂的另一裝配方式。
發(fā)明詳述總體而言，本發(fā)明提供了對(duì)一陣列獨(dú)立的樣品容器中所含的一陣列樣品的每一個(gè)進(jìn)行質(zhì)量分析的裝置和方法，放置這些樣品容器使其與多個(gè)傳感器相互作用，所述傳感器提供包括該樣品陣列的質(zhì)量數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)。盡管該方法和相關(guān)裝置的基本要素以單數(shù)形式描述，但要理解的是，各種基本要素或整個(gè)裝置的兩個(gè)或多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)的組合也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
樣品和樣品容器“陣列”包括至少4個(gè)、更通常6個(gè)或更多、通常至少8個(gè)、，任選48個(gè)或更多樣品和容器。在該陣列中包含這些數(shù)的一定倍數(shù)，例如按照類似于微滴定盤的行列形式排列的24、96、392或1264，這也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，樣品容器在空間上分離，以使該陣列的各個(gè)成員可分開編址。傳感器的“多個(gè)”在如上對(duì)“陣列”所述相同的數(shù)值范圍內(nèi)，且優(yōu)選地，傳感器數(shù)量與樣品和樣品容器的數(shù)量相同。與使用并行或連續(xù)分析的已知技術(shù)相對(duì)地考慮本發(fā)明，根據(jù)已知技術(shù)進(jìn)行分析所需的設(shè)備較為昂貴和/或時(shí)間較多。
“樣品”是指需要進(jìn)行質(zhì)量分析的基材。這些基材通常是固體，但不必限定為固體材料，例如可以是液體、凝膠、漿液等。液體應(yīng)用的可行例子是在離子液體、監(jiān)測(cè)液體中的氣體溶度等方面。固體樣品的可行例子包括但不限于陶瓷、分子篩、其它無機(jī)化合物、復(fù)合材料、金屬和金屬合金、金屬互化物、碳、離子固體、分子固體、共價(jià)網(wǎng)絡(luò)固體、有機(jī)金屬材料、有機(jī)聚合物和它們的組合。表面性質(zhì)對(duì)其而言重要的物質(zhì)是優(yōu)選的，尤其優(yōu)選的物質(zhì)包括金屬氧化物、分子篩和催化劑。
樣品形式對(duì)于本發(fā)明的定義而言并不關(guān)鍵。如果是固體材料，則樣品可以是單個(gè)固體整料，或作為粒子、膜、板、盤、珠、球、桿狀、線或任何適合進(jìn)行分析的形式。優(yōu)選地，固體樣品是微粒形式，尤其優(yōu)選的是樣品的細(xì)粉形式。在細(xì)粉中，平均粒度通常為0.01微米至1000微米，更通常為0.1微米至100微米。
本發(fā)明包括一陣列的樣品容器，其中為各個(gè)待分析樣品提供樣品容器或容器。樣品容器可以是可容納樣品并可移至和移離下文定義的傳感器的任何設(shè)備。優(yōu)選地，樣品容器或容器提供了朝上的凹面，其容納樣品而沒有顯著溢出危險(xiǎn)。合適的構(gòu)造包括但不限于盤、杯、碟、板、凹入處和凹坑?；蛘撸瑯悠啡萜骺梢园ɑ@筐，其被鉤子、繩圈、環(huán)、夾子、扣鈞或其它緊固件支承在傳感器上。將樣品置于樣品容器中以移至和移離傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括*避免傳感器由于與樣品直接接觸而污染，和
*能夠通過多組樣品容器在樣品裝卸和樣品容器清潔的同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。
不會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響的任何材料均適合用于樣品容器。優(yōu)選地，樣品容器的與樣品接觸的表面在分析方法的所有條件下均對(duì)樣品穩(wěn)定和惰性。對(duì)于樣品容器，陶瓷和金屬材料之一或這兩種尤為優(yōu)選。
任選地，通過樣品容器提供該分析的輸入物。例如，但非限制性地，樣品容器可以包含導(dǎo)熱材料，通過該材料為樣品提供熱量或測(cè)量樣品溫度?；蛘撸梢酝ㄟ^樣品容器將電能傳遞到樣品上。通過物理或化學(xué)作用將樣品容器用有助于分析的材料涂布或分層，這也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，樣品本身可以通過物理或化學(xué)結(jié)合、蒸發(fā)等涂布到樣品容器表面上。
在樣品陣列的分析之后，可以將每一個(gè)已分析過的樣品從各樣品容器上卸載，然后在該樣品容器陣列中裝入新的一陣列樣品。優(yōu)選地，在進(jìn)行分析的同時(shí)已經(jīng)在附加樣品容器中制備一個(gè)或多個(gè)附加的樣品陣列，從而可以在將被分析的樣品從各樣品容器上卸載的同時(shí)，安放該附加的樣品陣列使其與多個(gè)傳感器相互作用。該樣品容器陣列最好包含在可以朝包含傳感器的裝置下降的托盤中，以使樣品容器在傳感器上放置就位。由此，樣品的制備和卸載不會(huì)延緩樣品分析，并更有效地利用包含傳感器的裝置。
圖I顯示了六個(gè)獨(dú)立樣品容器的陣列1，放置這些樣品容器使其與提供包括該樣品陣列的質(zhì)量數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)的六個(gè)傳感器相互作用。對(duì)于六個(gè)樣品容器和彈簧秤的各個(gè)單元，傳感器均包含如下所述的容納在框架2中的彈簧秤19。如上所述，“陣列”或“多個(gè)”包含至少4組并優(yōu)選更大數(shù)量的這樣的單元。
合適的傳感器包括可以測(cè)量質(zhì)量變化并支承樣品容器的任何類型的傳感器。傳感器材料包括金屬、硅、其它半導(dǎo)體材料、玻璃、碳、聚合物、膜和類似物中的一種或多種，其中硅之類的半導(dǎo)體材料特別優(yōu)選。本發(fā)明的優(yōu)選傳感器包括微量天平，特別是如國(guó)際公開WO 03/071241中所述的彈簧秤，該公開完全經(jīng)此引用并入本文。優(yōu)選的彈簧秤19包含通過至少三個(gè)撓性彈簧懸掛在周圍框架中的裝載平臺(tái)，具有用于測(cè)量撓性彈簧一側(cè)上應(yīng)變的橋接應(yīng)變儀。
圖II示意性顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的上視圖。在該例子中，彈簧秤19具有正方形，在其中心具有裝載平臺(tái)1，裝載平臺(tái)1上放置如圖I中所示的樣品容器。通過撓性桿(flexural beams)或撓性彈簧3將裝載平臺(tái)1懸掛在框架2中，這些桿/彈簧在所示例子中沿裝載平臺(tái)的各側(cè)邊排列，且已經(jīng)蝕刻或機(jī)械加工出狹縫5和6以提供撓性桿，從而使狹縫在撓性桿3外具有一個(gè)狹縫部分5，并在下一撓性桿3內(nèi)具有連續(xù)部分6。在這種構(gòu)造中，撓性桿3變得相對(duì)較長(zhǎng)和順從，即，裝載平臺(tái)1可以產(chǎn)生深擺動(dòng)。各撓性桿3位于框架2和裝載平臺(tái)1之間的間隙中，該間隙是由狹縫部分5和6界定的。每一撓性桿3具有與裝載平臺(tái)1的接點(diǎn)7，其正對(duì)著相鄰撓性桿與框架2的接點(diǎn)8。使用傳感器記錄裝載平臺(tái)1上的載荷，標(biāo)記4代表用于此用途的應(yīng)變儀。當(dāng)將樣品容器置于裝載平臺(tái)1上時(shí)，該平臺(tái)向遠(yuǎn)離觀察者的方向下沉，且撓性桿3彎曲并呈現(xiàn)與淺S類似的形狀。然后裝載平臺(tái)將沿著與裝載平臺(tái)面垂直的軸略微旋轉(zhuǎn)，因?yàn)闂U3的長(zhǎng)度基本保持恒定。
當(dāng)在平臺(tái)上裝載時(shí)，由于撓性桿3的上述S形狀，在與框架2和裝載平臺(tái)1相交的區(qū)域(即在接點(diǎn)7和8處)發(fā)現(xiàn)桿中最強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力。因此，例如，如圖II所示安裝應(yīng)變儀4是有利的。或者，應(yīng)變儀可以安裝在與裝載平臺(tái)的交叉點(diǎn)而非與框架的交叉點(diǎn)上，但是這需要較長(zhǎng)的來自應(yīng)變儀并通往信號(hào)處理設(shè)備的引線。在如圖II所示安裝應(yīng)變儀4的方式中，所有四個(gè)應(yīng)變儀均以相同方向安裝以優(yōu)化惠斯登電橋中傳感器的連接。或者，傳感器/應(yīng)變儀可以以不同方向安裝；例如在改變橋接的情況下，將其中兩個(gè)相對(duì)于另外兩個(gè)旋轉(zhuǎn)90°。
應(yīng)變儀4可以通過沉積和圖案形成、或通過膠接現(xiàn)成的電阻器作為分離的傳感器安裝在所述交叉點(diǎn)(接點(diǎn)8或7)的頂部?；蛘?，壓電電阻器形式的應(yīng)變儀可以制造成有利的硅結(jié)構(gòu)整體中的一部分，或作為表面元件以任何合適的方式安裝。
在本發(fā)明的有利實(shí)施方案中，將裝載平臺(tái)、撓性彈簧和框架成形為半導(dǎo)體材料的一種微切削加工或蝕刻的部件；該材料最好是硅。安裝在撓性彈簧與框架或裝載平臺(tái)之間的交叉點(diǎn)的應(yīng)變儀(優(yōu)選壓電電阻器)可以整合在該固體材料部件中。因此，主要用于制造彈簧秤的半導(dǎo)體材料也可用于制造用于檢測(cè)載荷的傳感器元件。
圖III顯示了可用于通過本發(fā)明的秤提供質(zhì)量分析的橋接電路。所示橋接電路是適用于圖II的情況的惠斯登電橋，其中每一應(yīng)變儀4以相同方向安裝。應(yīng)變儀4是電阻器形式，并且惠斯登電橋橋接電路通過電源(電池)11和測(cè)量?jī)x器12完成。這是標(biāo)準(zhǔn)類型的電路，但也可以與具有其它應(yīng)變儀構(gòu)造的其它實(shí)施方案結(jié)合使用其它橋接電路變體。
在范圍廣泛的實(shí)施方案中，本發(fā)明的彈簧秤不限于單個(gè)部件或由半導(dǎo)體材料制成。此外，可以使用多種幾何形狀，只要通過至少三個(gè)將裝載平臺(tái)與周圍框架相連的撓性彈簧懸掛中心裝載平臺(tái)即可。
另一實(shí)施方案是在框架中的圓形開口內(nèi)的基本圓形的裝載平臺(tái)。曲線形的撓性桿或彈簧分別連接到裝載平臺(tái)和框架上。通常，接點(diǎn)彼此正對(duì)，但是它們可以在裝載平臺(tái)和框架之間的間隙中重疊，或甚至越過/沿著彼此盤旋。如前所述的應(yīng)變儀位于撓性桿與框架或平臺(tái)的接點(diǎn)處，即位于在稱重操作中表面應(yīng)力最強(qiáng)的點(diǎn)。
另一可行的構(gòu)造包括三角形裝載平臺(tái)和在裝載平臺(tái)和框架之間的三個(gè)撓性桿。位于例如三個(gè)接點(diǎn)的應(yīng)變儀可以以改變的橋接方式連接。因此，多種幾何形狀均滿足本發(fā)明的要求。
帶有四個(gè)撓性彈簧的構(gòu)造是優(yōu)選的，至少有三個(gè)原因1.在標(biāo)準(zhǔn)類型的惠斯登電橋中，正好包括四個(gè)電阻器。
2.為了具有穩(wěn)定的裝載平臺(tái)，不應(yīng)該使用過多的桿。
3.對(duì)于用硅制成的微型秤，要注意硅(100)片具有四折對(duì)稱，這要求壓電電阻器沿著
或
方向放置。
圖IV示意性顯示了穿過包含平臺(tái)1的彈簧秤19的中心部分的橫截面，在該平臺(tái)上已經(jīng)根據(jù)本發(fā)明的圖I實(shí)施方案放置了樣品容器。包含平臺(tái)的中心區(qū)域相對(duì)于框架2變薄，框架2可以較厚。顯示出了撓性桿3，其中從側(cè)視圖中可以看見兩個(gè)桿，并且它們呈現(xiàn)S形。
圖IV中所示的實(shí)施方案還顯示了任選的基底部件24，其可以由玻璃制成，并通過陽極結(jié)合連接到框架2上。通過使基底部件24延伸進(jìn)入裝載平臺(tái)1的下方，其形成了裝載平臺(tái)1的下擺限度，作為撓性彈簧3的安全功能。如圖所示，基底部件24還可以帶有中心開口25以進(jìn)行檢查和清潔。在該秤上方，可以提供任選的頂蓋26作為保護(hù)用的終點(diǎn)擋板和裝載平臺(tái)1的可能的上擺限度。任選地，在頂蓋中有中心開口27，以使待稱重的對(duì)象可以向下放到裝載平臺(tái)上?？梢詾槌鲎詰?yīng)變儀的信號(hào)引線提供接觸部件。頂蓋可以是玻璃并固定到基底部件24上。
如圖V所示，另一實(shí)施方案使用傳感器19’和位于微量天平上的吊籃形式的樣品容器。支架包含微量天平陣列，在該圖中顯示了一個(gè)微量天平的一部分。通過連接到微量天平上的環(huán)圈29和從環(huán)圈29到籃筐樣品容器18’的線30將吊籃形式的樣品容器18’從微量天平上懸掛下來。在這一實(shí)施方案中，吊籃樣品容器、與微量天平的連接裝置、以及用于連接連接裝置和吊籃樣品容器的裝置可以是本領(lǐng)域已知的任何裝置，其可以容納樣品并在質(zhì)量分析條件下保持穩(wěn)定。
盡管質(zhì)量分析優(yōu)選使用應(yīng)變儀、特別是如上所述在惠斯登電橋中的壓電電阻器進(jìn)行，但使用其它檢測(cè)微量天平偏轉(zhuǎn)的方法也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。這些方法包括但不限于使用光檢測(cè)器或磁檢測(cè)器。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用光檢測(cè)器測(cè)定來自各個(gè)微量天平的偏轉(zhuǎn)信號(hào)。
在另一實(shí)施方案中，傳感器19”是包含懸臂的微量天平；在圖VI和VII中顯示了兩個(gè)例子。在圖VI-A和VI-B中，懸臂31包含用于懸掛樣品容器18’(其優(yōu)選為吊籃)的環(huán)結(jié)構(gòu)32。通過任何合適的方式、優(yōu)選通過線30’將吊籃連接到懸臂31的環(huán)結(jié)構(gòu)32的環(huán)上。懸臂的橋33包括壓電電阻器形式的應(yīng)變儀4，以對(duì)樣品容器18’中放置的樣品進(jìn)行質(zhì)量分析。
在圖VII-A和VII-B中，傳感器19是包括用于懸掛樣品容器18’(其優(yōu)選為吊籃)的吊索結(jié)構(gòu)32’。通過任何合適的方式、優(yōu)選通過線材30”將吊籃樣品容器18’連接到懸臂31’的吊索構(gòu)造32的吊索上。懸臂31’的橋33’包括壓電電阻器形式的應(yīng)變儀4’，以對(duì)樣品容器18’中放置的樣品進(jìn)行質(zhì)量分析。
通過讀取板讀取來自微量天平的信號(hào)并用微型計(jì)算機(jī)處理。可以使用溫度信號(hào)補(bǔ)償傳感器的溫度依賴性。溫度信號(hào)可以由獨(dú)立的電阻器或二極管提供，或可以監(jiān)測(cè)總橋路電阻。
在將樣品加熱或冷卻的測(cè)量中，連接處的熱電勢(shì)會(huì)影響測(cè)量。這可以通過周期性地關(guān)閉電源11并從測(cè)量中扣除輸出量來補(bǔ)償。還可以使用復(fù)合交流(AC)激發(fā)(compound alternating current excitation)和鎖定(lock-in)測(cè)量。
計(jì)算機(jī)配有合適的軟件，用于設(shè)計(jì)試驗(yàn)、控制環(huán)境并獲取和分析數(shù)據(jù)以測(cè)定樣品特性。
優(yōu)選地，在受控環(huán)境中進(jìn)行質(zhì)量分析。在將樣品和樣品容器置于一個(gè)或多個(gè)合適的可密封室(其將樣品容器與未受控環(huán)境條件隔離)中時(shí)，可以控制環(huán)境。要控制的環(huán)境條件包括但不限于壓力、溫度和流體組成，例如但不限于樣品和樣品容器周圍的氣體。合適的壓力包括10-10托至300巴，優(yōu)選10-6托至150巴；溫度通常為-200至1000℃，更通常小于500℃?？梢允褂帽绢I(lǐng)域已知的任何合適的加熱或冷卻設(shè)備控制溫度。
為了將樣品稱重并進(jìn)行下述試驗(yàn)，可以改變受控環(huán)境中的流體介質(zhì)的組成。在是流體介質(zhì)的情況下，合適的氣體包括但不限于氮；一氧化碳；二氧化碳；氨；SF6；氬氣、氦氣或其它惰性氣體以及丁烷、戊烷或其它烴類中的一種或多種。
通常，隨時(shí)間改變環(huán)境條件以如下所述測(cè)定樣品特性。改變可以包括溫度的顯著改變、壓力改變和組成環(huán)境的改變中的一種或多種。例如，可以通過下列步驟測(cè)定一種或多種特性首先測(cè)量來自樣品陣列的輸出信號(hào)，然后改變?cè)摌悠逢嚵械沫h(huán)境條件，然后測(cè)量來自樣品陣列的第二輸出信號(hào)，并通過比較第一和第二輸出信號(hào)測(cè)定各樣品的一種或多種特性?？梢栽谑茉嚇悠飞贤ㄟ^下列次序重復(fù)這些步驟然后將受試樣品陣列暴露在進(jìn)一步改變的環(huán)境條件中，然后測(cè)量來自樣品陣列的進(jìn)一步輸出信號(hào)，并通過比較來自進(jìn)一步試驗(yàn)的輸出信號(hào)確定各樣品的一種或多種特性?？梢栽诃h(huán)境條件變化之前和之后比較微量天平陣列的偏轉(zhuǎn)信號(hào)。優(yōu)選地，對(duì)于多個(gè)彈簧秤的每一個(gè)，使用已知的傳感器曲線實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
也可以通過記錄負(fù)載天平的特征頻率并根據(jù)公式 (其中k是彈簧剛度，且m是有效質(zhì)量)將其聯(lián)系起來，由此測(cè)量質(zhì)量?？梢酝ㄟ^整個(gè)陣列的外部激發(fā)引發(fā)振動(dòng)，然后監(jiān)測(cè)各天平的自由振蕩。當(dāng)在轉(zhuǎn)換器輸出上疊加大的偏移(例如通過熱電效應(yīng))時(shí)，該方法可用于校準(zhǔn)或測(cè)量。
用途除了樣品稱重外，本發(fā)明的微量天平還可以具有一種或多種不同的用途。例如，監(jiān)測(cè)由環(huán)境變化引起的或隨時(shí)間引起的樣品重量變化，可以尤其產(chǎn)生表面積、孔徑大小和體積、酸度/堿度和金屬官能方面的數(shù)據(jù)?？梢员O(jiān)測(cè)由樣品的質(zhì)量變化引起的環(huán)境變化，且微量天平可用于反應(yīng)性測(cè)試。
微量天平陣列本身可用于將樣品陣列的樣品稱重?？梢允褂眠@種功能作為另一操作(例如表征分析、反應(yīng)性試驗(yàn)或合成)的準(zhǔn)備步驟。此外，重量變化本身可以單獨(dú)作為涉及使一組樣品暴露在特定條件組下的分析(例如用于反應(yīng)性試驗(yàn)的焦炭沉積、高壓下的氫吸收)的關(guān)鍵部分。其它可行的用途包括但不限于來自物理吸附的探針分子的等溫線●表面積使用朗繆爾方程(單層吸附)或BET(Brunauer，Emmett和Teller)方程(多層吸附)或任何其它合適的測(cè)定或計(jì)算方法由等溫線數(shù)據(jù)推算出表面積。通常，使用氮作為被吸附物。
●孔體積使用Kelvin方程，將被吸附物的量表示成相應(yīng)的孔體積。
●孔徑分布通常，將吸附等溫線以及Kelvin方程以各種方式合并，以估算作為分壓函數(shù)的被吸附物膜厚。使用這些方程估算樣品的孔徑分布。
●吸附能力對(duì)于給定條件組(蒸氣壓和溫度)，測(cè)量被吸附的探針分子的量。該值可用于評(píng)測(cè)或比較材料。典型例子是選擇性吸附和氣體儲(chǔ)存應(yīng)用。同樣有關(guān)的是使用一組具有各種動(dòng)力直徑的探針分子的單種吸附劑的吸附能力。這與McBain測(cè)量類似并有助于將材料的孔徑大小分級(jí)。
●吸附動(dòng)力(擴(kuò)散)通過測(cè)量探針氣體的吸收速率，可以估算吸附劑/被吸附物體系的擴(kuò)散常數(shù)。當(dāng)在溫度范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)，該方法可用于測(cè)定擴(kuò)散的活化能。
●吸附熱在數(shù)個(gè)溫度的測(cè)量吸附能夠計(jì)算給定樣品和被吸附物的吸附熱。
來自化學(xué)吸附的探針分子的等溫線●酸度可以使用被樣品吸附的探針堿的量估算樣品的酸位點(diǎn)的數(shù)。通過在數(shù)個(gè)溫度進(jìn)行吸附測(cè)量、或通過測(cè)量解吸的堿的量(其為溫度的函數(shù))，可以估測(cè)樣品的酸強(qiáng)度分布。
探針分子的例子NH3、CO、吡啶、三甲基膦○酸位點(diǎn)的數(shù)○酸位點(diǎn)的強(qiáng)度●堿度與酸度類似地，但是使用表征堿度的探針分子。
探針分子的例子乙烯、丙烯、1-丁烯○堿性位點(diǎn)的數(shù)○堿性位點(diǎn)的強(qiáng)度●金屬官能通過選擇合適的探針分子，可以表征樣品上負(fù)載的金屬。如果樣品上負(fù)載的金屬量未知，可以使用被含有金屬官能的材料吸附的探針分子的量測(cè)定暴露的金屬原子的量。如果金屬負(fù)載量已知，該相同信息可用于測(cè)定百分之幾的金屬可用于催化反應(yīng)。這種類型的信息對(duì)于表征作為浸漬條件的函數(shù)的金屬分散性、二次處理(例如水熱)、和碳沉積引起的失活是非常有用的。
由于樣品上金屬的氧化還原而產(chǎn)生的樣品質(zhì)量變化也可用于表征金屬含量、分散性和活性。
○CO吸收○H2S吸收○H2/O2氧化還原/吸收大氣取樣可以將一組材料置于微量天平陣列中，并暴露在工藝流或來自周圍環(huán)境的氣體下，以表征工藝流或氣體。一個(gè)例子是選擇涵蓋一定孔徑范圍的一組多孔材料。每種獨(dú)特材料僅吸附特定尺寸范圍的分子。通過同時(shí)比較每一樣品的吸收量，可以表征氣流。
類似地，也可以使用含有已知改變吸附性質(zhì)的特定陽離子的材料表征氣流。
反應(yīng)脈沖實(shí)驗(yàn)●焦化可以使反應(yīng)劑流在一組樣品上脈動(dòng)，并可以測(cè)量對(duì)于給定脈沖的沉積碳量。這為一組樣品提供了關(guān)于反應(yīng)性和失活速率的數(shù)據(jù)。
●氧化還原使一組樣品暴露在氧化和/或還原環(huán)境中，同時(shí)測(cè)量重量變化，這產(chǎn)生關(guān)于氧化還原活性和能力的信息。這與上述金屬試驗(yàn)類似。
●聚合可以通過使聚合催化劑或引發(fā)劑暴露在可低聚或可聚合氣體中來評(píng)估關(guān)于這些材料的活性和動(dòng)力的信息。
組合技術(shù)用于就地分析一組樣品的性質(zhì)的兩種或多種技術(shù)的組合是本發(fā)明的特別有價(jià)值的特征。
●IR溫度記錄+微量天平測(cè)量微量天平測(cè)量可以與IR溫度記錄測(cè)量結(jié)合。在這種實(shí)驗(yàn)中，在樣品陣列中加入堿(或酸)。在暴露過程中，微量天平監(jiān)測(cè)重量變化，IR相機(jī)監(jiān)測(cè)熱變化和吸附熱。兩種技術(shù)的同時(shí)使用提供了比單獨(dú)使用每種技術(shù)多得多的信息。來自兩種測(cè)量的信息可以合并以測(cè)定材料中酸(或堿)位點(diǎn)的數(shù)和強(qiáng)度。
○酸度○堿度○反應(yīng)性●溫度+微量天平測(cè)量監(jiān)測(cè)作為溫度的函數(shù)的重量變化，該體系可以用作combi-tga(熱解重量分析)?？梢员O(jiān)測(cè)例如作為溫度的函數(shù)的水解吸之類的現(xiàn)象、沸石的模板氧化(在溫度變化過程中通入空氣)、用于再生研究的碳燃燒動(dòng)力。
●XRD+微量天平測(cè)量。
微量天平測(cè)量可以與combi-xrd(x-射線衍射)測(cè)量結(jié)合。在該體系中，可以使一組樣品暴露在探針氣體中，這可以測(cè)量作為被吸附探針氣體量的函數(shù)的結(jié)構(gòu)信息。一些應(yīng)用例子可以是○水對(duì)單位孔度(unit cell size)的影響○給定烴對(duì)單位孔度的影響○碳(焦炭)對(duì)單位孔度的影響(就地焦炭燃燒)上述描述和例子在不限制本發(fā)明范圍的情況下舉例說明本發(fā)明。有經(jīng)驗(yàn)的操作者容易理解如何針對(duì)本發(fā)明的其它實(shí)施方案外推本公開的參數(shù)。本發(fā)明僅受本文所列的權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.對(duì)一陣列樣品中的每一個(gè)進(jìn)行質(zhì)量分析的裝置，其包括一陣列獨(dú)立的容納樣品的樣品容器(18，18’)，放置這些容器使其與多個(gè)傳感器(19，19’，19”，19)相互作用，所述傳感器提供包括該樣品陣列的質(zhì)量數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中所述多個(gè)傳感器(19，19’，19”，19)包括微量天平陣列。
3.權(quán)利要求2的裝置，其中微量天平陣列包括彈簧秤陣列(19)。
4.權(quán)利要求3的裝置，其中彈簧秤陣列(19)與通過微切削加工單塊材料制成的框架(2)是整體的。
5.權(quán)利要求3的裝置，其中各個(gè)彈簧秤(19)包含用一個(gè)或多個(gè)撓性彈簧(3)懸掛的裝載平臺(tái)(1)，各個(gè)彈簧秤(19)安裝有用于測(cè)量所述一個(gè)或多個(gè)撓性彈簧(3)的每一個(gè)的一側(cè)上應(yīng)變的橋接應(yīng)變儀(4)。
6.權(quán)利要求5的裝置，其中各個(gè)所述應(yīng)變儀(4)是壓電電阻器。
7.權(quán)利要求2-6任一項(xiàng)的裝置，其中放置樣品容器陣列(18，18’)使其與微量天平陣列接觸。
8.權(quán)利要求2-6任一項(xiàng)的裝置，其中樣品容器陣列(18’)包含懸掛在微量天平陣列上的籃筐陣列。
9.權(quán)利要求2-6任一項(xiàng)的裝置，進(jìn)一步包括用于以編碼的頻率檢測(cè)偏差信號(hào)的復(fù)合交流信號(hào)發(fā)生器和帶有鎖定放大器的濾波器(11，12)。
10.使用權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的裝置的方法，包括下列步驟(a)將一陣列樣品置于一陣列獨(dú)立的樣品容器(18，18’)中；(b)放置這些獨(dú)立的樣品容器(18，18，)使其與多個(gè)傳感器(19，19’，19”，19)相互作用，所述傳感器提供包括該樣品陣列的質(zhì)量數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)；和(c)根據(jù)輸出信號(hào)確定各個(gè)樣品的質(zhì)量。
全文摘要
本發(fā)明包括對(duì)獨(dú)立樣品容器(18，18')中所含的一陣列樣品中的每一個(gè)進(jìn)行質(zhì)量分析的裝置和方法。樣品容器(18，18')置于或懸掛在多個(gè)傳感器(19，19'，19"，19" ')上，這些傳感器優(yōu)選包括微量天平陣列，微量天平陣列提供包括該樣品陣列的質(zhì)量數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)G01N33/00GK1980739SQ200580022251
公開日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月1日
發(fā)明者R·文德爾博, D·E·阿克波力亞, A·卡爾松, I－R·喬安森, I·M·達(dá)爾, B·G·菲斯曼, R·布洛姆, D·T·王, M·古里克森, M·普拉森 申請(qǐng)人:環(huán)球油品公司