Review of MEMS differential scanning calorimetry for biomolecular study

Abstract

Differential scanning calorimetry (DSC) is one of the few techniques that allow direct determination of enthalpy values for binding reactions and conformational transitions in biomolecules. It provides the thermodynamics information of the biomolecules which consists of Gibbs free energy, enthalpy and entropy in a straightforward manner that enables deep understanding of the structure function relationship in biomolecules such as the folding/unfolding of protein and DNA, and ligand bindings. This review provides an up to date overview of the applications of DSC in biomolecular study such as the bovine serum albumin denaturation study, the relationship between the melting point of lysozyme and the scanning rate. We also introduce the recent advances of the development of micro-electro-mechanic-system (MEMS) based DSCs.

Keywords

differential scanning calorimetry / biomolecule / MEMS / thermodynamic

References

[1] Watson E S, O’Neill M J. US Patent 3263484, 1966-08-02

[2] Turi Edith. Thermal Characterization of Polymeric Materials. Morristown: Elsevier, 2012

[3] Wunderlich B, Jin Y, Boller A. Mathematical description of differential scanning calorimetry based on periodic temperature modulation. Thermochimica Acta, 1994, 238: 277–293

[4] Coleman N J, Craig D Q M. Modulated temperature differential scanning calorimetry: A novel approach to pharmaceutical thermal analysis. International Journal of Pharmaceutics, 1996, 135(1–2): 13–29

[5] Simon S L. Temperature-modulated differential scanning calorimetry: Theory and application. Thermochimica Acta, 2001, 374(1): 55–71

[6] Chaires J B. Calorimetry and thermodynamics in drug design. Annual Review of Biophysics, 2008, 37(1): 135–151

[7] Leng F, Priebe W, Chaires J B. Ultratight DNA binding of a new bisintercalating anthracycline antibiotic. Biochemistry, 1998, 37(7): 1743–1753

[8] Bruylants G, Wouters J, Michaux C. Differential scanning calorimetry in life science: Thermodynamics, stability, molecular recognition and application in drug design. Current Medicinal Chemistry, 2005, 12(17): 2011–2020

[9] Gill P, Moghadam T T, Ranjbar B. Differential scanning calorimetry techniques: Applications in biology and nanoscience. Journal of Biomolecular Techniques, 2010, 21(4): 167–193

[10] Lavoisier A L, Laplace P S, Guerlac H. Memoir on heat. Journal of the History of Biology, 1983, 16(3): 444–445

[11] Collins K D. Charge density-dependent strength of hydration and biological structure. Biophysical Journal, 1997, 72(1): 65–76

[12] Ahrer K, Buchacher A, Iberer G,  Thermodynamic stability and formation of aggregates of human immunoglobulin G characterised by differential scanning calorimetry and dynamic light scattering. Journal of Biochemical and Biophysical Methods, 2006, 66(1–3): 73–86

[13] Chaires J B.Energetics of anthracycline—DNA interactions. In: Demeunynck M, Bailly C, Wilson W D, eds. Small Molecule DNA and RNA Binders: From Synthesis to Nucleic Acid Complexes. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2004, 461–481

[14] Malvern. Retrieved from https://www.copybook.com/media/pharmaceutical/profiles/canadian-orthopaedic-association/migrated/images/Microcal-VP-Capillary-DSC-System-2a.jpg

[15] Malvern. Retrieved from http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2014%2F11%2FDiscovery-DSC.jpg

[16] Torres F E, Recht M I, Coyle J E,  Higher throughput calorimetry: Opportunities, approaches and challenges. Current Opinion in Structural Biology, 2010, 20(5): 598–605

[17] Chancellor E B, Wikswo J P, Baudenbacher F,  Heat conduction calorimeter for massively parallel high throughput measurements with picoliter sample volumes. Applied Physics Letters, 2004, 85(12): 2408–2410

[18] Recht M I, De Bruyker D, Bell A G,  Enthalpy array analysis of enzymatic and binding reactions. Analytical Biochemistry, 2008, 377(1): 33–39

[19] Higuera-Guisset, J, Rodriguez-Viejo J, Chacon M,  Calorimetry of microbial growth using a thermopile based microreactor. Thermochimica Acta, 2005, 427(1–2): 187–191 

[20] Wang L, Zhao Y, Ng E,  A MEMS differential calorimeter for biomolecular characterization. In: Proceedings of IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). IEEE, 2005, 814–817

[21] Cerdeiriña C A, Mıguez J A, Carballo E,  Highly precise determination of the heat capacity of liquids by DSC: Calibration and measurement. Thermochimica Acta, 2000, 347(1–2): 37–44

[22] McGregor C, Saunders M H, Buckton G,  The use of high-speed differential scanning calorimetry (Hyper-DSC^TM) to study the thermal properties of carbamazepine polymorphs. Thermochimica Acta, 2004, 417(2): 231–237

[23] Price D M, Reading M, Hammiche A,  Micro-thermal analysis: Scanning thermal microscopy and localised thermal analysis. International Journal of Pharmaceutics, 1999, 192(1): 85–96

[24] Torres F E, Kuhn P, De Bruyker D,  Enthalpy arrays. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2004, 101(26): 9517–9522

[25] Recht M I, Torres F E, De Bruyker D,  Measurement of enzyme kinetics and inhibitor constants using enthalpy arrays. Analytical Biochemistry, 2009, 388(2): 204–212

[26] Liu Y S, Ugaz V M, Rogers W J,  Development of an advanced nanocalorimetry system for material characterization. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2005, 18(3): 139–144

[27] Connelly P R. Acquisition and use of calorimetric data for prediction of the thermodynamics of ligand-binding and folding reactions of proteins. Current Opinion in Biotechnology, 1994, 5(4): 381–388

[28] Ren J, Jenkins T C, Chaires J B. Energetics of DNA intercalation reactions. Biochemistry, 2000, 39(29): 8439–8447

[29] Kang F, Singh J. Conformational stability of a model protein (bovine serum albumin) during primary emulsification process of PLGA microspheres synthesis. International Journal of Pharmaceutics, 2003, 260(1): 149–156 

[30] Matthyssens G E, Simons G, Kanarek L. Study of the thermal-denaturation mechanism of hen egg-white lysozyme through proteolytic degradation. European Journal of Biochemistry, 1972, 26(4): 449–454

[31] Clas S D, Dalton C R, Hancock B C. Differential scanning calorimetry: Applications in drug development. Pharmaceutical Science & Technology Today, 1999, 2(8): 311–320

[32] Richardson M J. Quantitative aspects of differential scanning calorimetry. Thermochimica Acta, 1997, 300(1–2): 15–28

[33] Sarge S M, Hemminger W, Gmelin E,  Metrologically based procedures for the temperature, heat and heat flow rate calibration of DSC. Journal of Thermal Analysis, 1997, 49(2): 1125–1134

[34] Vermeer A W P, Norde W. The thermal stability of immunoglobulin: Unfolding and aggregation of a multi-domain protein. Biophysical Journal, 2000, 78(1): 394–404

[35] Steinmann W, Walter S, Beckers M,  Thermal analysis of phase transitions and crystallization in polymeric fibers. In: Elkordy A A, ed. Applications of Calorimetry in a Wide Context—Differential Scanning Calorimetry, Isothermal Titration Calorimetry and Microcalorimetry. Rijeka: INTECH Open Access Publisher, 2013

[36] San-Miguel A, Lu H. Microfluidics as a tool for C. elegans research. WormBook: The Online Review of C. Elegans Biology, 2005, 1–19

[37] Zhuravlev E, Schick C. Fast scanning power compensated differential scanning nano-calorimeter: 1. The device. Thermochimica Acta, 2010, 505(1–2): 1–13

[38] Johannessen E A, Weaver J M R, Bourova L,  Micromachined nanocalorimetric sensor for ultra-low-volume cell-based assays. Analytical Chemistry, 2002, 74(9): 2190–2197

[39] Keller S, Vargas C, Zhao H,  High-precision isothermal titration calorimetry with automated peak-shape analysis. Analytical Chemistry, 2012, 84(11): 5066–5073

[40] Gourishankar A, Shukla S, Ganesh K N,  Isothermal titration calorimetry studies on the binding of DNA bases and PNA base monomers to gold nanoparticles. Journal of the American Chemical Society, 2004, 126(41): 13186–13187

[41] Johannessen E A, Weaver J M R, Cobbold P H,  A suspended membrane nanocalorimeter for ultralow volume bioanalysis. IEEE Transactions on Nanobioscience, 2002, 1(1): 29–36

[42] Olson E A, Yu Efremov M, Kwan A T,  Scanning calorimeter for nanoliter-scale liquid samples. Applied Physics Letters, 2000, 77(17): 2671–2673

[43] Sarro P M, van Herwaarden A W, van der Vlist W. A silicon-silicon nitride membrane fabrication process for smart thermal sensors. Sensors and Actuators A: Physical, 1994, 42(1–3): 666–671

[44] Zhang Y, Tadigadapa S. Calorimetric biosensors with integrated microfluidic channels. Biosensors and Bioelectronics, 2004, 19(12): 1733–1743

[45] Dijkstra M, de Boer  M J, Berenschot J W,  Miniaturized flow sensor with planar integrated sensor structures on semicircular surface channels. In: Proceedings of IEEE 20th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). IEEE, 2007, 123–126

[46] Yin J, Yu S, Wang S,  Design and fabrication of flexible differential scanning nanocalorimeter. In: Proceedings of ASME 2014 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. New York: American Society of Mechanical Engineers, 2014, V004T09A002

[47] Lei L, Chen X, Yu S,  Design and fabrication of a differential scanning nanocalorimeter. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2016, 27(2): 025006

[48] Lee W, Fon W, Axelrod B W,  High-sensitivity microfluidic calorimeters for biological and chemical applications. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(36): 15225–15230

[49] Liu J, Huang Q, Shang J,  Micromachining of Pyrex7740 glass and their applications to wafer-level hermetic packaging of MEMS devices. In: IEEE 23rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). IEEE, 2010, 496–499

[50] Blake A J, Pearce T M, Rao N S,  Multilayer PDMS microfluidic chamber for controlling brain slice microenvironment. Lab on a Chip, 2007, 7(7): 842–849

[51] Wang L, Lei L, Ni X F,  Patterning bio-molecules for cell attachment at single cell levels in PDMS microfluidic chips. Microelectronic Engineering, 2009, 86(4–6): 1462–1464

[52] Johnston I D, McCluskey D K, Tan C K L,  Mechanical characterization of bulk Sylgard 184 for microfluidics and microengineering. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2014, 24(3): 035017

[53] Li X, Wu N, Rojanasakul Y,  Selective stamp bonding of PDMS microfluidic devices to polymer substrates for biological applications. Sensors and Actuators A: Physical, 2013, 193: 186–192

[55] Lee W, LeeJ, KohJ. Development and applications of chip calorimeters as novel biosensors. Nanobiosensors in Disease Diagnosis, 2012, 1: 17–29

[56] Baier V, F�disch R, Ihring A,  Highly sensitive thermopile heat power sensor for micro-fluid calorimetry of biochemical processes. Sensors and Actuators A: Physical, 2005, 123–124: 354–359

[57] Lerchner J, Wolf A, Wolf G,  A new micro-fluid chip calorimeter for biochemical applications. Thermochimica Acta, 2006, 445(2): 144–150

[58] Huynh T P, Zhang Y, Yehuda C. Fabrication and characterization of a multichannel 3D thermopile for chip calorimeter applications. Sensors (Basel), 2015, 15(2): 3351–3361

[59] Han Y H, Kim K T, Shin H J,  Enhanced characteristics of an uncooled microbolometer using vanadium-tungsten oxide as a thermometric material. Applied Physics Letters, 2005, 86(25): 254101

[60] Wang B, Lai J, Li H,  Nanostructured vanadium oxide thin film with high TCR at room temperature for microbolometer. Infrared Physics & Technology, 2013, 57: 8–13

[61] Jia Y, Wang B, Zhang Z,  A polymer-based MEMS differential scanning calorimeter. Sensors and Actuators A: Physical, 2015, 231: 1–7

[62] Yu S, Wang S, Lu M,  A novel micro heater integrated on flexible polyimide substrate with fast response and uniform temperature distribution. In: Proceedings of ASME 2015 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. New York: American Society of Mechanical Engineers, 2015, V004T09A023

[63] Lee S M, Dyer D C, Gardner J W. Design and optimisation of a high-temperature silicon micro-hotplate for nanoporous palladium pellistors. Microelectronics Journal, 2003, 34(2): 115–126

[64] Carreto-Vazquez V H, Liu Y S, Bukur D B,  Chip-scale calorimeters: Potential uses in chemical engineering. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2011, 24(1): 34–42

[65] Wang B, Lin Q. Temperature-modulated differential scanning calorimetry in a MEMS device. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 180: 60–65

[66] Ford J L, Mann T E. Fast-scan DSC and its role in pharmaceutical physical form characterisation and selection. Advanced Drug Delivery Reviews, 2012, 64(5): 422–430

[67] Koh J, Lee W, Shin J H. High-sensitivity chip calorimeter platform for sub-nano watt thermal measurement. Sensors and Actuators A: Physical, 2016, 241: 60–65

[68] Davaji B, Jeong Bak H, Chang W J,  A novel on-chip three-dimensional micromachined calorimeter with fully enclosed and suspended thin-film chamber for thermal characterization of liquid samples. Biomicrofluidics, 2014, 8(3): 034101

[69] Wang S, Yu S, Siedler M S,  Micro-differential scanning calorimeter for liquid biological samples. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(10): 105005

[70] Saito M, Nakabeppu O. Flow type bio-chemical calorimeter with micro differential thermopile sensor. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2015, 15(4): 2917–2922

Acknowledgments

The authors thank the funding support from NSF (IDBR #1530508) and Abbvie Inc. The authors also thank Dr. Fernando Camino for the discussion.

Open Access

This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license, and indicate if changes were made.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 The Author(s) 2017. This article is published with open access at link.springer.com and journal.hep.com.cn