[发明专利]基于MEMS的量热计及其制造和使用

说明书

对相关申请的交叉引用

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。

关于联邦政府资助研究的申明

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

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。

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。

一些当前可用的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。

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。

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。

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

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℃并且热分解温度可以大于250℃。在示例性实施例中，膜片材料可以是聚酰亚胺。

在微型设备的一些实施例中，热电传感器包括具有大于80μV/℃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n-型和p-型碲化铋、以及n-型和p-型碲化锑。在一种示例性实施例中，热电材料是锑-铋(Sb-Bi)。

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。

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。