量热与热分析（八）：微量热仪

微量热仪（Microcalorimeter）是一类具有超高灵敏度的热量检测仪器，其核心功能是精确测量物质在物理、化学反应过程中所释放或吸收的微小的热量（通常可达微瓦级，μW）。该技术基于热力学第一定律，通过高灵敏度的温度传感器和精密热流传感器，实时捕捉微小的热量变化。当样品池中发生任何伴随热量变化的进程时，仪器通过传感器能够精确测定样品的热量变化。

主要的测量模式包括：

• 热流式：普遍的测量方式。通过高灵敏度的热电堆传感器测量样品与参比物之间的温度差。该温差与过程中的热流率成正比。仪器通过测量这个温差来计算热功率。

  
  

• 功率补偿式：在样品和参比物下方分别设有独立的加热器和温度传感器。当样品发生反应产生温差时，系统会自动调节对样品池的加热功率，以抵消这个温差，使其与参比池温度始终保持一致。所补偿的功率即等于样品吸收或释放的热功率。

根据不同的操作模式和应用特点，微量热仪通常包含但不限于以下几类：

1.等温微量热仪

等温微量热仪是一种通常用于在恒定温度下，长时间、高精度测量物质所产生或吸收微小热量的仪器，同样是基于热流原理。该仪器对温控精度要求很高，主要用于微生物代谢、水泥水化过程以及药物稳定性等研究。

图1 中科热仪MIC-90型多通道等温微量热仪

中科热仪MIC-90型多通道等温微量热仪，正是以水泥水化热、微生物生长、含能材料稳定性评价等应用为目标设计并制造的一种高通量精密量热解决方案。根据实验需求可选择3通道或8通道两种量热模块，量热模块中每个样品及参比通道下均布置有高灵敏度平面传感器，同时恒温温度稳定性能达到±0.002℃，满足多种类型的应用。

2．等温滴定微量热仪

等温滴定量热法（Isothermal Titration Calorimetry，ITC）是近年来发展起来的一种研究生物热力学与生物动力学的重要方法。等温滴定微量热仪也成为了定量研究分子间相互作用的关键工具。它通过微量滴定技术，直接测量一个分子注入另一个分子溶液中所吸收或释放的热量，主要应用于药物研发、表面化学与胶体化学等领域。

3．三维微量热仪（卡尔维式微量热仪）

三维微量热仪是一种以高精度三维热电堆为传感器的热流型微量热仪。其量热系统由加热炉、三维量热传感器及样品池等部分组成。三维量热传感器基于热电堆量热原理，也称卡尔维原理，即由热电偶构成的笼状三维空间阵列包围在样品所在空间，从而可以完整地捕获样品在各个方向吸收或放出的热量。

图2 中科热仪DMC-300型双模式三维微量热仪

中科热仪DMC系列双模式三维微量热仪正是以三维热电堆为传感器的热流型微量热仪，兼具恒温及温度扫描工作模式，可以准确反映源自样品本身物化性质或与环境相互作用产生的热效应，在各种应用场景下提供很高的测试精度及准确度。

图3 中科热仪DMC-196型低温双模式三维微量热仪

除上述所提到的，微量热仪还包括高灵敏度的DSC（检测限达纳瓦级）。其他类型的量热仪，如ARC，氧弹量热仪，大部分反应量热仪以及大多数常规DSC，热流检测限通常在mW甚至W级，而相比之下微量热仪的热流检测限能达到微瓦级别。

微量热仪凭借其优异的灵敏度与高精度，有效突破了传统量热技术的局限，广泛应用于材料科学、生物医药、化工生产等众多领域。不仅为前沿科学研究提供微观尺度的热力学信息，更在新能源电池热稳定性测试、化工过程安全评估等工业生产场景中，通过精准捕捉反应热变化，为工艺参数优化与风险防控筑牢数据根基。

1.水泥水化热研究

水泥水化热指水泥水化过程中放出的热量，水化热热力学及动力学特征，即放热量的大小及放热时间对水泥的应用有重要影响。根据GB/T 12959-2008《水泥水化热测定方法》，等温传导量热法是水泥水化热测定的基准法，其测定精准度最高。

下图是使用MIC-90多通道等温微量热仪对水泥水化过程的实时监测数据，基于多通道设计，一次实验可平行测试多组是样品。

图4 不同水泥样品的水化过程量热曲线

2.天然气水合物研究

天然气水合物（Gas Hydrate），即可燃冰，是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰的笼型结晶化合物。天然气水合物分布于深海或陆域冻土中，其燃烧后仅生成少量的二氧化碳和水，污染远小于煤、石油等，且储量巨大。

DMC-196双模式三维微量热仪与高压控制器组合系统具备低温-高压操作模式，可以模拟气体水合物的形成条件，提供改变温度-压力等外部热动力学参数，结合调节样品组分等内源因素，系统研究水合物的生成与分解机理，在水合物开采、水合物生成及其预防、流动保障等领域提供可靠的理论依据及工程参数。

3．吸附与催化研究

气体吸附过程中的重要热力学信息——吸附热，通常需要通过理论计算得到。由于计算过程存在各种近似模型修饰，导致计算得到的吸附热可信度通常存疑。因此，吸附热的直接测量在催化研究中就显得很有必要，而双模式三维微量热仪DMC系列正是此类研究的最为有力的工具。