一种基于高性能阻抗的蒸发速率检测平台

摘要

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。

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。

方案

1. 实验芯片模块

1. 通过光刻和化学湿法刻蚀工艺制备氧化铟锡（ITO）电极芯片
   1. 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。
   2. 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。
   3. 在ITO玻璃表面滴加5 ml正性光刻胶溶液。
   4. 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。
   5. 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。
   6. 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。
   7. 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。
   8. 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。
   9. 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....

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.......

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

材料

本文使用的材料清单

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