液体生物样品微差示扫描量热仪

动力学过程在物理转化(如玻璃化转变)和高分子转化(如蛋白质变性)中起着关键作用。了解外部影响对转化过程的影响可以提供有价值的见解。这种理解的第一步是实时准确地检测反应。量热法是一种广泛应用于研究物质或生物系统的动力学过程和热力学性质的技术。在几种不同的量热法操作模式中，差示扫描量热法(dSC)是一种广为人知的动态量热法。它连续施加一个温度斜坡，并测量材料的热容变化(包括液体和固体形式)。

在过去的几十年里，微/纳米加工技术使得量热计更小、更快、更精确。因此，传统的台式仪器被小型化为微电子机械传感器系统，有些可以集成微流体系统。这些小型化的量热计通常被称为微/纳米量热计或芯片量热计。通常情况下，它们是基于硅/氮化硅或聚合物制成的薄膜。这些芯片热量计能够测量由于附加值显著减少而具有非常小的热量质量的样品，并且可以测量从高级热绝缘得到的纳焦耳级别的能量。我们已经看到了芯片量热仪在研究薄膜、聚合物、细胞、蛋白质、蛋白质等方面的应用。

生物系统中的这种研究对于制药工业可能是非常关键的，因为药物发现过程中的几个关键步骤与量热计有关。目前，常规扫描量热仪的长测量时间通常需要数年才能完成数千种化合物，所需蛋白质样品的液体体积非常大(500μl-2ml)。芯片量热计可能是一个潜在的解决方案，因为它使用非常少量的蛋白质样品，并且可以很容易地提供并行操作以实现高通量。然而，与微型等温滴定量热计(ITC)相比，用于研究生物系统的芯片量热计(例如 DSC)在学术界仍然非常稀少，这是由于开发它们的技术困难。

近年来出现了几种不同的液体样品微型差示扫描量热仪结构。Olson和 Youssef用液体样品研究了扫描量热计，但是他们的用途仅限于测量由于蒸发而产生的相变潜热。本文报道了一种可以解决上述问题的液体生物样品微型差示扫描量热仪的制作和操作。我们展示了如何利用微尺度制造技术制作柔性量热计，并将其与 PDMS 微流控腔(1μl)集成。由于氧化钒热敏电阻具有高度的温度敏感性，而且聚酰亚胺薄膜具有优异的热绝缘，这种装置已被证明对热事件非常敏感。这使得该传感器能够以低成本和一次性的方式用于蛋白质相互作用的检测。这种技术可以很容易地扩大到阵列格式，以应用于高通量药物发现。

图1微型 DSC 示意图，显示整体结构

图2微型差示扫描量热器设计的横断面观察

图3 (a)制造的微型 DSC 装置; (b)从硅片剥离的柔性衬底; (c)加热器的光学显微镜图像; 和(d)热敏电阻金属痕迹。

图1和图2分别显示了微热量计的3D示意图和横截面图。该装置由两部分组成：PDMS微流体室和柔性量热计传感器。它们是单独制造的，后来结合在一起形成了整个装置。有两个相同的微流体室：一个用于蛋白质液体样品，另一个用于参考缓冲液样品。该室的体积为1μl（高度200μm，半径1.25 mm），并被气隙包围，以减少封闭室的热质量并增加隔热效果。我们将液体PDMS浇铸到由SU8 100光刻胶制成的主图案上，然后通过软烘焙将其固化。最后，我们为腔室的入口和出口钻了小孔。微流体室可以用于防止液体蒸发并提供明确的液体体积。

柔性量热计传感器使用聚酰亚胺衬底（7μm），集成热敏电阻和微型加热器进行传感和校准。ANSYS仿真用于辅助微型加热器的图案设计：对每个圆形加热器的宽度进行微调，以在加热时达到最大的温度均匀性。Au迹线（宽度和间隙为10μm）是金属化特征，用于热敏电阻层的电互连。这种设计相当于多个电阻器的并联，可以显著降低热敏电阻的电阻。

我们在硅片上旋涂PI 2611（HD微系统）聚酰亚胺，并将其从室温倾斜退火至350 °C使其具有化学惰性。固化的聚合物层与硅片的附着力非常低，但足以在制造过程中将它们结合在一起，从而可以实现它们的容易分离（图3（b））。我们依次制造了Au微加热器（图3（c））、聚酰亚胺介电层、溅射氧化钒热敏电阻、热敏电阻的Au迹线（图3的（d））和聚酰亚胺防潮层。通过DC溅射沉积100nm氧化钒层，并且通过电子束蒸发沉积Au迹线。为了提高柔性传感器和微流体室的结合强度，在从硅衬底上剥离之前，将旋涂一层用甲苯稀释的PDMS薄层。在20mTorr下氧等离子体处理30s后，微流体室和柔性传感器将结合在一起。图3（a）显示了接合后制造的器件。

1.Shuyu Wang, Shifeng Yu, Michael S. Siedler, Peter M. Ihnat, Dana I. Filoti, Ming Lu, Lei Zuo; Micro-differential scanning calorimeter for liquid biological samples. Rev. Sci. Instrum. 1 October 2016; 87 (10): 105005. https://doi.org/10.1063/1.4965443.

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