Review of MEMS differential scanning calorimetry for biomolecular study

Shifeng YU, Shuyu WANG, Ming LU, Lei ZUO

PDF(520 KB)
PDF(520 KB)
Front. Mech. Eng. ›› 2017, Vol. 12 ›› Issue (4) : 526-538. DOI: 10.1007/s11465-017-0451-0
REVIEW ARTICLE

Review of MEMS differential scanning calorimetry for biomolecular study

Author information +
History +

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

Cite this article

Download citation ▾
Shifeng YU, Shuyu WANG, Ming LU, Lei ZUO. Review of MEMS differential scanning calorimetry for biomolecular study. Front. Mech. Eng., 2017, 12(4): 526‒538 https://doi.org/10.1007/s11465-017-0451-0

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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[5]
Simon S L. Temperature-modulated differential scanning calorimetry: Theory and application. Thermochimica Acta, 2001, 374(1): 55–71
CrossRef Google scholar
[6]
Chaires J B. Calorimetry and thermodynamics in drug design. Annual Review of Biophysics, 2008, 37(1): 135–151
CrossRef Google scholar
[7]
Leng F, Priebe W, Chaires J B. Ultratight DNA binding of a new bisintercalating anthracycline antibiotic. Biochemistry, 1998, 37(7): 1743–1753
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[22]
McGregor C, Saunders M H, Buckton G,  The use of high-speed differential scanning calorimetry (Hyper-DSCTM) to study the thermal properties of carbamazepine polymorphs. Thermochimica Acta, 2004, 417(2): 231–237
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[28]
Ren J, Jenkins T C, Chaires J B. Energetics of DNA intercalation reactions. Biochemistry, 2000, 39(29): 8439–8447
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[32]
Richardson M J. Quantitative aspects of differential scanning calorimetry. Thermochimica Acta, 1997, 300(1–2): 15–28
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[39]
Keller S, Vargas C, Zhao H,  High-precision isothermal titration calorimetry with automated peak-shape analysis. Analytical Chemistry, 2012, 84(11): 5066–5073
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[44]
Zhang Y, Tadigadapa S. Calorimetric biosensors with integrated microfluidic channels. Biosensors and Bioelectronics, 2004, 19(12): 1733–1743
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[55]
Lee W, LeeJ, KohJ. Development and applications of chip calorimeters as novel biosensors. Nanobiosensors in Disease Diagnosis, 2012, 1: 17–29
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[57]
Lerchner J, Wolf A, Wolf G,  A new micro-fluid chip calorimeter for biochemical applications. Thermochimica Acta, 2006, 445(2): 144–150
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[61]
Jia Y, Wang B, Zhang Z,  A polymer-based MEMS differential scanning calorimeter. Sensors and Actuators A: Physical, 2015, 231: 1–7
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[65]
Wang B, Lin Q. Temperature-modulated differential scanning calorimetry in a MEMS device. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 180: 60–65
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[69]
Wang S, Yu S, Siedler M S,  Micro-differential scanning calorimeter for liquid biological samples. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(10): 105005
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar

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
AI Summary AI Mindmap
PDF(520 KB)

Accesses

Citations

Detail

Sections
Recommended

/