基于mems的量热计及其制造和使用

基于mems的量热计及其制造和使用
【专利说明】基于MEMS的量热计及其制造和使用
[0001] 对相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年6月5日提交的美国临时申请No. 61/831,472、于2013年 12月13日提交的No. 61/915, 995和于2014年6月4日提交的No. 62/007, 806的优先权。 这些申请中的每个申请的公开内容都通过引用被完整地并入本文，用于所有目的。
[0003] 关于联邦政府资助研究的申明
[0004] 本发明是在政府支持下根据由美国国家科学基金会给予的DBI-0650020和 CBET-0854030做出的。政府具有对本发明的某些权利。
【背景技术】
[0005] 差分扫描量热法（DSC)是测量在样本的温度变化时在热活动过程中产生或需要 的热量的热分析技术。当被应用到生化系统时，DSC可以提供无标记的方法来确定广泛的 各种生物分子相互作用和形态转变的热力学性质。但是，DSC仪器会是繁琐的并且需要大 量的样本消耗，这阻碍了DSC对生物分子表征的广泛应用。
[0006] 微机电系统（MEMS)是在非常小的机械设备中组合电气和机械部件的小型集成设 备或系统。MEMS技术基于可以实现小型化、多样性和微电子的制造技术。
[0007] -些当前可用的MEMS量热计提供了固相或气相或基于液滴的检测。但是，在良好 定义的环境中，用当前可用的MEMS热量计会难以正确地处理液体样品。
[0008] 流通式和连续流MEMS量热计将微流体腔室或通道集成为生物反应器。这些设备 可以提供受控的流体环境，并且可以允许与用于生化热力学研究的其它微流体功能或热感 测构造的轻松集成。但是，这些设备仍然会需要大量的样本，同时受到由于连续流导致的显 著对流热泄漏的限制。
[0009] 此外，由于缺乏集成的加热元件和温度感测，校准现有的MEMSDSC设备可能很复 杂。温度调制量热法（AC量热法）涉及在小时间周期温度变化下的量热测量。这种温度调 制会允许生物分子的热弛豫，并且因此AC量热法能够检测准平衡条件下的生物分子相互 作用，并且允许生化反应信号以调制频率在宽带背景噪声下被提取。但是，这些芯片会包括 薄固态膜和操作参数，这些不适合在液相下的生物分子表征。
[0010] 等温滴定量热法（ITC)可以根据摩尔反应物比测量生化反应产生或所需的热量， 并且已被用于诸如药物发现和生物治疗开发的应用中。但是，常规的ITC仪器可能具有复 杂的结构设计、慢的热响应以及大量的样本和试剂消耗。

【发明内容】

[0011] 根据所公开主题的一个方面，提供了一种微型设备。该微型设备包括第一热隔离 微腔室、第二热隔离微腔室和薄膜基板。第一微腔室和第二微腔室可以分别是样本腔室和 参考腔室。样本腔室和参考腔室可以在容积和构造上相同并且被并排布置，每一个都被支 撑在薄膜基板上。薄膜基板可以包括位于样本腔室和参考腔室中的每一个的下方并且被配 置为测量样本腔室和参考腔室之间的温度差的热电传感器。薄膜基板也可以包括由具有高 于期望测量的温度范围的玻璃化转变温度和热分解温度的材料制成的聚合物膜片。例如， 根据某些实施例，材料的玻璃化转变温度可以大于150°C并且热分解温度可以大于250°C。 在示例性实施例中，膜片材料可以是聚酰亚胺。
[0012] 在微型设备的一些实施例中，热电传感器包括具有大于80μV/°C的热电灵敏度的 热电偶。在其它实施例中，热电传感器被配置为包括异质材料的多个细长段的薄层热电堆， 其中异质材料的相邻段在相对端处被接合在一起，从而形成热电偶接头。例如，异质热电材 料可以包括η-型和P-型碲化铋、以及η-型和P-型碲化锑。在一种示例性实施例中，热电 材料是铺-祕（Sb_Bi)。
[0013]用于薄膜基板的聚合物膜片的材料可以具有足够用于结构完整性的抗拉强度和 杨氏模量。例如，在某些实施例中，材料可以具有大于55MPa的抗拉强度和高于500MPa的 杨氏模量。例如，聚合物膜片可以由诸如但不限于聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚酯和聚四氟乙 烯的材料制成。在一种实施例中，聚合物膜片由聚酰亚胺制成。
[0014] 在某些实施例中，微型设备的薄膜基板还可以包括第一微加热器和第一温度传感 器，其中每个都在第一热隔离微腔室下方对齐；以及第二微加热器和第二温度传感器，其中 每个都在第二热隔离微腔室下方对齐。在此类实施例中，热电传感器的热电偶接头可以位 于第一热隔离微腔室和第二热隔离微腔室中的每一个的中心附近，并且分别与第一温度传 感器和第二温度传感器垂直地对齐。微加热器和温度传感器可以是沉积金属/合金的薄层 或在薄膜基板中浸渍的金属/合金的形式。微加热器可以被构图成为微腔室提供均匀的加 热。
[0015] 在一些实施例中，微型设备的腔室通过环绕的壁来界定，该壁由诸如SU-8、聚对二 甲苯、聚碳酸酯、聚醚醚酮（PEEK)或聚二甲基硅氧烷（PDMS)的聚合物制成。微型设备的薄 膜基板可以包括顶层，顶层由环绕壁的聚合物和制成聚合物膜片的材料的混合物制成。 [0016] 在一些实施例中，微型设备还包括第一引入通道和第二引入通道。第一引入通道 和第二引入通道中的每一个都可以被配置成为流经引入通道的溶液提供被动混沌混合。例 如，第一引入通道和/或第二引入通道可以包括具有蛇形形状的部分，并且还可以包括足 以在流经第一引入通道或第二引入通道的溶液中产生湍流的内部脊。
[0017] 根据所公开主题的另一个方面，提供了一种确定分析物的热性质的方法。包含分 析物的样本材料在样本腔室中被提供，并且没有包含该分析物的参考材料在参考腔室中被 提供。封装微型设备的热外罩按预定的温度扫描速率被加热。分析物的热性质可以基于在 样本腔室和参考腔室之间测得的温度差来确定。
[0018] 在该方法的一些实施例中，可以在热隔离外罩的加热期间提供加热功率上的时间 周期变化。提供加热功率上的时间周期变化可以将微型设备的微加热器用于时间调制的加 热来执行。加热的时间调制可以由波形发生器来控制。
[0019] 根据所公开主题的另一个方面，公开了确定在至少两种物质之间的反应中涉及的 热量的方法。包含第一物质和第二物质的混合物的样本溶液在样本腔室中被提供，参考溶 液在参考腔室中被提供。封装微型设备的热外罩被维持在恒定温度。在给定温度下第一物 质和第二物质之间的反应中涉及的热量可以基于在样本腔室和参考腔室之间测得的温度 差来确定。
[0020] 第一物质和第二物质之间的反应可以是化学反应或者物理结合系统，例如配体蛋 白结合。热外罩温度可以被改变，使得反应中涉及的热量可以在不同的温度下被确定。同 样，这两种物质之间的浓度比也可以被改变，使得反应化学计量可以通过在不同浓度比下 测得的热量来确定。样本溶液和/或参考溶液可以通过如上所述可以提供被动混合的引入 通道被供给到各个腔室中。
[0021] 在示例性实施例中，用于生物分子相互作用的表征的基于微机电系统的量热计设 备包括第一微混合器、第二微混合器、热隔离反应腔室、热隔离参考腔室和热电传感器。热 隔离反应腔室与第一微混合器流体接触。热隔离参考腔室与第二微混合器流体接触。热电 传感器被配置为测量与反应腔室和参考腔室相关联的至少一个温度度量。
[0022] 第一微混合器和第二微混合器可以是被动混纯微混合器。例如，第一微混合器和 第二微混合器可以由在其顶上具有人字形脊的蛇形通道形成。该设备还可以包括与第一微 混合器流体接触的第一入口和第二入口以及与第二微混合器流体接触的第三入口和第四 入口。
[0023] 反应腔室和参考腔室可以是诸如聚二甲基硅氧烷微腔室的聚合物微腔室。反应腔 室和参考腔室可以是蛇形腔室。反应腔室和参考腔室可以被放置在充当用于反应腔室和参 考腔室的基座的诸如聚酰亚胺膜片的膜片上。
[0024] 根据所公开主题的示例性实施例，热电传感器可以是热电堆。热电堆可以是例如 锑-铋热电堆。第一热电堆接头可以位于反应腔室的第一侧，而第二热电堆可以位于参考 腔室的第一侧。
[0025] 反应腔室和参考腔室可以被空气腔体环绕。根据所公开主题的示例性实施例，空 气腔体可以包括蛇形通道。该设备还可以包括用于反应腔室和参考腔室的温度传感器和加 热器。
[0026] 根据所公开主题的示例性实施例，该至少一个温度度量可以是反应腔室和参考腔 室之间的差分温度。在其它实施例中，该至少一个温度度量可以是反应腔室的温度和参考 腔室的温度。
[0027] 所公开主题还提供了用于第一溶液和第二溶液之间的生物分子相互作用的表征 的基于微机电系统的方法。在一个例子中，方法包括混合第一溶液和第二溶液以形成反应 溶液、混合第一溶液和缓冲溶液以形成参考溶液、以及测量包含反应溶液的反应腔室和包 含参考溶液的参考腔室之间的差分温度。该差分温度可以利用热电传感器来测量，该热电 传感器诸如在基于微机电系统的设备上的热电堆。
[0028] 根据所公开主题的示例性实施例，可以使用基于微机电系统的设备上的微混合器 (例如，被动混沌微混合器）来混合第一溶液和第二溶液。
[0029] 该方法还可以包括至少部分地基于差分温度计算差分功率。至少部分地基于差分 功率可以计算至少一个热力学反应参数。热力学反应参数可以是，例如平衡结合常量、化学 计量或摩尔洽变。
[0030] 反应腔室和参考腔室之间的基线温度差可以在引入反应溶液和参考溶液之前进 行测量。基线温度差然后可以从该差分温度中减去以纠正误差。该设备也可以利用芯片上 加热器进行校准。
[0031] 所公开主题还提供了用于生物分子反应的表征的基于微机电系统的量热设备。在 示例性实施例中，设备包括用于混合第一溶液和第二溶液的第一混合单元、用于混合第一 溶液和缓冲溶液的第二混合单元、与第一混合单元流体接触的热隔离反应腔室、与第二混 合单元流体接触的热隔离参考腔室、和用于测量反应腔室和参考腔室之间的差分温度的检 测单元。该设备还可以包括用于至少部分地基于差分温度来计算差分功率的计算单元，以 及用于至少部分地基于差分功率来计算至少一个热力学反应参数的计算单元。
【附图说明】
[0032]图la-lc绘出了根据本公开主题的一些实施例的微型设备的顶部示意图（la)、等 距示意图（lb)和截面示意图（lc)。
[0033] 图2a_2e绘出了用于根据所公开主题的一些实施例的微型设备的制造的过程。
[0034] 图3是示出根据所公开主题的AC差分扫描量热法的原理的示意图。
[0035] 图4a和4b是根据本公开主题的一些实施例的用于等温滴定量热法的微型设备的 示意图。
[0036] 图5是根据所公开主题的一种实施例制造的微型设备的图像：(a)PDMS壳体结构 和空气间隙；(b)固态基板；(c)嵌入在薄膜基板中的热电堆、集成微加热器和温度传感器； 和⑷热电堆接头。
[0037] 图6a是利用根据所公开主题的一些实施例的微型设备进行量热测量的测试设置 的示意图。
[0038] 图6b示出了根据所公开主题的一些实施例的、与热外罩的示意图相比较的定制 的、温度受控的热外罩的细节。
[0039] 图7是示出响应于热电堆的热接头和冷接头之间的恒定温度差来自根据所公开 主题的一些实施例的微型设备的热电堆输出电压的曲线图。
[0040] 图8是示出响应于微型设备的两个腔室之间的恒定差分功率来自根据所公开主 题的一些实施例的微型设备的稳态响应（根据热电堆输出电压）的曲线图。
[0041] 图9是示出根据所公开主题的一些实施例的微型设备的、相对于阶跃差分功率的 瞬态响应的曲线图。
[0042] 图10是示出根据所公开主题的一些实施例的微型设备的、在发生溶菌酶展开期 间的温度扫描中根据温度变化而变化的输出的曲线图。
[0043] 图11a和lib是示出如由根据所公开主题的一些实施例的微型设备测得的、在溶 菌酶展开期间根据温度的变化而变化的部分比热容量（11a)和摩尔焓变（11b)的曲线图。
[0044] 图12a和12b是示出根据所公开主题的一些实施例的微型设备的输出（10a)和在 不同温度扫描速率下的溶菌酶展开期间根据温度的变化而变化的摩尔焓变的曲线图。
[0045] 图13是示出根据所公开主题的一些实施例的、用于ACDSC测量的实验设置的示 意图。
[0046] 图14是示出根据本公开主题的一些实施例的微型设备的热电堆的响应于其热接 头和冷接头之间的恒定差分温度的输出电压的曲线图。
[0047] 图15是示出响应于在微型设备的两个腔室之间的恒定差分功率、来自根据所公 开主题的一些实施例的微型设备的稳态响应（根据热电堆输出电压）的曲线图。
[0048] 图16是示出根据所公开主题的一些实施例的微型设备的、相对于阶跃差分功率 的瞬态响应的曲线图。
[0049] 图17是示出根据所公开主题的一些实施例的微型设备的（已减去基线的）热电 堆电压的频率依赖性的曲线图，其中，样本腔室用溶菌酶（20mg/mL)填充并且参考腔室用 〇. 1M甘氨酸-盐酸缓冲液（pH2. 5)填充。
[0050] 图18a和18b是示出如在根据所公开主题的一些实施例的微型设备上测得的、在 不同溶菌酶浓度和AC调制频率下的溶菌酶展开期间根据温度的变化而变化的热电堆电压 的幅度（18a)和相位（18b)变化的曲线图。
[0051] 图19是示出如在根据所公开主题的一些实施例的微型设备上测得的、在不同溶 菌酶浓度和AC调制频率下的溶菌酶展开期间根据温度的变化而变化的溶菌酶的比热容量 的曲线图。
[0052] 图20是示出利用根据所公开主题的一些实施例的微型设备，对溶菌酶在其展开 过程中的比热容量在DC-DSC测量和AC-DSC测量之间进行比较的曲线图。
[0053] 图21是根据所公开主题的一些实施例的、用于等温滴定量热法的微型设备的某 些元件的图像。
[0054] 图22是示出根据所公开主题的一些实施例的、用于等