本文介绍了一种基于阻抗的溶液蒸发速率检测装置。该装置相较于传统的失重法具有明显优势：响应速度快、检测灵敏度高、样品需求量小、可进行多样品测量，并且易于拆卸以进行清洁和重复使用。
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本文内容
摘要
摘要
本文介绍了一种基于阻抗的新型平台用于检测蒸发速率的方法。以透明质酸作为模型化合物进行演示。为便于比较，对作为保湿剂的模型化合物在不同浓度溶液中的多次蒸发测试进行了研究。传统的失重法被认为是检测蒸发速率最直接但耗时的测量技术。然而，其明显缺点是需要大量样品，且无法同时进行多个样品测试。据文献报道，本研究首次成功将一种电学阻抗传感芯片应用于实时蒸发过程的检测，实现了分时、连续且自动化的监测。此外，该基于阻抗的装置仅需0.5 ml的测试样品，且在不同稀释溶液之间表现出显著的阻抗变化。所提出的高灵敏度、快速响应的阻抗传感系统在蒸发速率检测方面优于传统的失重法。
引言
蒸发是一种液体汽化现象，发生在水体的气-液界面处。由于水分子之间的碰撞，靠近表面的水分子获得足够的能量从而脱离液体相。蒸发速率是蒸发过程中一个关键的重要因素。通常，天平或量筒1-3被广泛用于检测溶液的蒸发情况。然而，由于天平或量筒的精度有限，测量蒸发速率往往需要较长时间。因此，必须开发一种响应迅速且高灵敏度的仪器，以深入探究蒸发过程的细节。
电化学阻抗谱（EIS）是一种响应迅速、灵敏且有效的实验方法 原位 电化学系统表征的阻抗检测4因此，EIS 可应用于多个领域， 例如近期关于细胞行为的研究5生物分析传感6-7电解8导电聚合物9以及电化学提取10尽管电化学阻抗谱（EIS）系统已成功应用于多种学科领域，但将其应用于蒸发研究的文献却极为少见。
透明质酸是一种具有强效结合水能力的高分子量多糖，是化妆品应用中广为人知的保湿剂。一个透明质酸分子最多可结合500个水分子11，体积可膨胀至原始体积的1000倍12。极微量的透明质酸即具备保湿功能13-14。由于其出色的保湿性能，透明质酸已成为全球具有高商业价值的化妆品保湿产品中的重要成分15。
本研究介绍了一种基于阻抗的新型装置方法，具有检测速度快、样品用量少以及可进行多样品测量等优点16-19。本文重点通过比较不同溶液的相对蒸发速率，验证该创新检测机制相较于传统称重方法的优越性。
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方案
1. 实验芯片模块
- 通过光刻和化学湿法刻蚀工艺制备氧化铟锡（ITO）电极芯片
- 商业采购带有2,600 Å厚ITO层的ITO基板（370 mm × 480 mm × 0.5 mm（长×宽×高））（参见材料列表）。使用玻璃切割刀将ITO基板切割成90 mm × 90 mm × 0.5 mm的尺寸，用于在4英寸对准器中进行ITO电极图形化处理。
- 使用超声波清洗机分别用丙酮和去离子水各清洗ITO玻璃15分钟。用洁净干燥的空气吹干ITO玻璃。
- 在ITO玻璃表面滴加5 ml正性光刻胶溶液。
- 使用匀胶机以500 × g转速旋转30秒，形成均匀的光刻胶层。然后在热板上90 °C加热5分钟，以去除光刻胶中多余的溶剂。
- 将ITO玻璃通过设计好的掩膜版（参见材料列表），在436 nm波长下暴露于14 mW的紫外光照射3.1秒。
- 将样品浸入60 ml显影液中，在23 °C下显影30秒，以形成图形化线路。随后在热板上120 °C加热10分钟，使光刻胶硬化并增强其附着力。
- 将样品浸入60 ml刻蚀液中，在80 °C下刻蚀3分钟，以去除未被保护的ITO层。
- 将样品浸入60 ml丙酮中1分钟，以去除ITO玻璃表面的光刻胶。
- 使用玻璃切割刀将ITO玻璃切割为62 mm × 35 mm的尺寸，作为实验用ITO电极芯片（图1）。
图1： ITO电极芯片。 图中所示为制备的ITO芯片，带有8对电极图案化通道。芯片侧边边缘共有15个尺寸为2 mm x 8 mm的电极，中央两条通道共用同一电极。每个测试孔中每对电极指之间的距离为7 mm。 请点击此处查看该图的放大版本。
- 构建实验芯片模块
- 使用超声波清洗器依次用洗涤剂、去离子水、95%乙醇和去离子水清洗商用8孔硅胶阵列，如图2所示，每种液体各清洗15分钟。
- 通过吹入洁净干燥的空气将8孔硅胶阵列干燥。
- 将8孔硅胶阵列压入ITO芯片中，以形成实验芯片模块（图3）。确保硅胶阵列与ITO芯片紧密贴合。
图 2: 硅胶微孔阵列。 商用8孔硅胶阵列可同时容纳8个待测样本。每个孔的尺寸为11 mm × 8 mm × 8.5 mm（长 × 宽 × 高）。请点击此处查看该图的放大版本。
图3：实验芯片模块。 ITO电极芯片与8孔硅胶阵列连接，构成实验芯片模块。硅胶阵列与ITO芯片之间的粘附性很强，因此二者可在无需任何粘合剂的情况下牢固结合并直接使用。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 阻抗测量
- 将个人计算机、锁相放大器和开关继电器连接，构成如图4所示的阻抗读出模块。
图4：基于阻抗测量装置的示意图。 锁相放大器、继电器开关和计算机共同组成阻抗读出模块。商用的相敏锁相放大器用于发送和提取电信号。自制的继电器开关电路连接多个ITO芯片，用于指定需要测试的孔位及ITO芯片。最多可将6个芯片连接至继电器开关，通过时分复用方式可依次检测共48个样品。在整个蒸发过程中，待测溶液的实时同相电阻和信号相位偏移由计算机连续记录。请点击此处查看该图的放大版本。
- 将实验芯片模块插入继电器插座中。
- 在计算机程序中输入参数：信号频率（1 kHz）、指定孔位编号（0–7）、执行周期（100）以及文件名（HA）。
3. 蒸发实验
- 配制四种浓度分别为 0、0.05、0.5 和 1 w/v% 的透明质酸水溶液，每种溶液各 2.5 ml。将每种 2.5 ml 的样品溶液分别置于规格为 14.75 mm × 45 mm × 8 mm（外径 × 高 × 内径）的样品瓶中。
- 对于每种溶液，取 0.5 ml 样品溶液加入 ITO 芯片模块的单个孔中。
- 使用电子天平称量并记录每个样品瓶的初始重量。
- 运行计算机程序，自动测量并记录 ITO 芯片上指定孔的实时同相电阻和信号相位偏移。
- 在同一地点同时开始通过称重法和阻抗法进行蒸发实验。
- 在预定的时间点，使用电子天平称量并记录每个样品瓶的重量。
- 对称重法和阻抗法收集的数据进行分析。19
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结果
在蒸发过程中，随着溶液体积的减小，待测溶液中的导电离子逐渐浓缩，溶液阻抗随之降低。测量了每种待测溶液在蒸发过程中质量损失速率和阻抗下降速率。为便于比较，将质量损失速率和阻抗下降速率的数据均归一化至水，并共同绘制于图5中。如图5所示，质量损失的变化趋势与阻抗变化一致，且表明相对于水的蒸发速率，其随透明质酸浓度的增加而降低。然而，在蒸发检测中，相较于传统的称重法，基于阻抗的方法表现出更大的变化幅度。在称重法中，归一化数据在透明质酸浓度从0%增至1%时仅下降0.06，而在基于阻抗的装置中则观察到高达0.84的显著下降。采用简单的线性方程来关联归一化的质量损失速率与阻抗下降速率。
Y = 0.0852X + 0.9166，R2 = 0.97
其中X和Y分别代表阻抗下降速率和重量损失的归一化值。重量损失速率， 即， 通过测得的阻抗降低数据，可相应地确定透明质酸溶液中感兴趣的蒸发速率。在实际应用中，可通过该线性方程将测得的阻抗数据快...
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讨论
在基于阻抗的检测中，蒸发测量的关键步骤是待测溶液的制备。由于去离子水的阻抗过高，不能使用。因此，实验中采用含有导电离子的自来水来配制透明质酸溶液。然而，自来水的电学性质并不恒定，无法直接用于定量比较。因此，本研究采用了归一化处理方法，例如以相对于水的蒸发速率作为蒸发的替代指标。该技术的局限性在于，待测溶液必须含有导电离子，才能进行电化学表征。
最近，已提出一种基于石墨烯的阻抗芯片，用于改进该技术20。由于具有优异的电子和光电性能，石墨烯在各类电极或导体应用中被视为氧化铟锡（ITO）的替代材料，受到广泛关注。基于石墨烯的指状电极芯片已成功应用于通过电化学阻抗谱检测乳液产品的稳定性。
本研究发现，0.05%透明质酸溶液可使水分相对蒸发速率降低12%（通过阻抗法测定）。因此，外用0.1%透明质酸乳膏可显著改善皮肤水合程度21。透明质酸的分子量在其应用中起着重要作用。例如，高分子量透明质酸可能具有更好的镇痛效果22
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由中国台湾科技部资助，项目编号为 MOST 104-2221-E-241-001-MY3 和 MOST 105-2627-B-005-002。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 95% 乙醇 | Echo Chemical Co., Ltd., Miaoli, 中国台湾 | 484000001103C-00EC | |
| 丙酮 | Avantor Performance Materials Inc., Center Valley, PA, USA | JTB-9005-68 | |
| 显影液 | Kemitek Industrial Crop., 新竹, 中国台湾 | 12F01031 | KTD-1 |
| 蚀刻液 | eSolv Technology Co., 台北, 中国台湾 | EG-462 | |
| 透明质酸 | 山东福瑞达生物制药有限公司, 济南, 中国 | 1010212 | 分子量 980k，化妆品级 |
| 光刻胶溶液 | AZ Electronic Materials Taiwan Co., Ltd., 新竹, 中国台湾 | 65101M19 | AZ6112 |
| 8孔硅胶阵列 | Greiner bio-one Inc., Frickenhausen, Baden-Württemberg, Germany | FlexiPERM | |
| ITO 玻璃 | GemTech Optoelectronics Co., 桃园, 中国台湾 | ||
| 样品瓶 | Sigma-Aldrich Co. LLC., St. Louis, MO, USA | 854190 | |
| 薄膜光掩模 | 台湾网版有限公司, 桃园, 中国台湾 | ||
| 锁相放大器 | Stanford Research Systems, Inc., Palo Alto, CA, USA | SR830 | |
| 开关继电器 | 仪器科技研究中心，国家实验研究院，新竹, 中国台湾 | ||
| 电子天平 | Radwag Inc., Radom, Poland | AS 60/220/C/2 |
参考文献
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