Methodenartikel

Een High Performance impedantie-gebaseerd platform voor het Verdampingssnelheid Detection

DOI:

10.3791/54575

⸱

17 oktober 2016

 ,  ,  ,  , 
1Department of Safety, Health and Environmental Engineering, Hungkuang University, 2Institute of Materials Engineering, National Taiwan Ocean University, 3Instrument Technology Research Center, National Applied Research Laboratories, 4Department of Chemical Engineering, National United University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit document presenteert een impedantie gebaseerde apparaat voor verdamping detectie van oplossingen. Het biedt duidelijke voordelen ten opzichte van een conventionele gewichtsverlies aanpak: een snelle reactie, zeer gevoelige detectie, een kleine steekproef vereiste, meerdere sample metingen, en gemakkelijk te demonteren voor het reinigen en hergebruiken doeleinden.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit document beschrijft de werkwijze voor een nieuwe impedantie gebaseerde platform voor het detecteren van de verdampingssnelheid. Het model verbinding hyaluronzuur werd hier gebruikt voor demonstratiedoeleinden. Meerdere verdamping tests van de modelverbinding als bevochtigingsmiddel met verschillende concentraties in oplossing werden uitgevoerd ter vergelijking. Een conventionele gewichtsverlies benadering staat bekend als de meest eenvoudige, maar tijdrovende, meettechniek voor verdampingssnelheid detectie. Nog een duidelijk nadeel is dat een grote hoeveelheid monster vereist en meerdere steekproeven kunnen niet tegelijkertijd worden uitgevoerd. Voor het eerst in de literatuur, wordt een elektrisch impedantiedetectie chip met succes toegepast op een real-time verdamping onderzoek een timesharing, continue en automatische wijze. Bovendien, slechts 0,5 ml testmonsters vereist in deze impedantie gebaseerde inrichting en een grote impedantie variatie blijkt over verschillende verdunde Solutions. De voorgestelde hoge gevoeligheid en een snelle respons impedantie-sensing-systeem blijkt een conventionele gewichtsverlies aanpak in termen van verdamping detectie overtreffen.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Verdamping is een soort vloeistof verdamping en komt langs de gas-vloeistof grensvlak van een collectieve waterlichaam. De watermoleculen in de buurt van het oppervlak te worden in staat om te ontsnappen uit de vloeistof als gevolg van een botsing van watermoleculen. De verdampingssnelheid is een belangrijke sleutelfactor bij het verdampingsproces. In het algemeen, een evenwicht of volumetrische buis 1-3 wordt veel gebruikt om de verdamping van oplossingen detecteren. Het duurt echter lang om de verdampingssnelheid te meten vanwege de nauwkeurigheid beperking van evenwicht of volumetrische buis. Daarom moet reagerende en zeer gevoelige instrument ontwikkeld sonde in de details van het verdampingsproces.

Elektrochemische impedantie spectroscopie (EIS) is een snelle-reactie, gevoelige en effectieve experimentele middelen op het gebied van in-situ impedantie detectie voor elektrochemisch systeem karakterisering 4. Daarom kan EIS worden toegepast in diverse fields, zoals recente studies op cellulair gedrag 5, bioanalytische sensing 6-7, elektrolyse 8, geleidende polymeren 9 en elektrochemische extractie 10. Hoewel EIS systemen met succes in vele verschillende disciplines toegepast, bestaat er een zeer gering aantal publicaties over de toepassing verdamping onderzoek.

Hyaluronzuur, een hoogmoleculaire polysacharide met sterke waterbindende potentieel, is een bekend bevochtigingsmiddel voor cosmetische toepassingen. Een hyaluronzuur molecuul kan binden tot 500 watermoleculen 11 en bereikt 1.000 keer het oorspronkelijke volume 12. Een uiterst kleine hoeveelheid hyaluronzuur kan hydraterende functie 13-14 bezitten. Door de hoge vochtretentie, hyaluronzuur is een belangrijk bestanddeel van cosmetische bevochtigingsmiddel producten met een hoge handelswaarde wereldwijd 15 geworden.

Tzijn studie presenteert de methode van een nieuwe impedantie-gebaseerde apparaten met hoge snelheid detectie, klein volume monster eis, en meerdere sample metingen 16-19. Het wordt aangeboden met een focus op de relatieve verdampingssnelheid vergelijking tussen oplossingen als een manier om de superioriteit van de innovatieve detectie mechanisme opzichte van een conventionele wegen wijze te valideren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Experimentele Chip Module

  1. Fabriceren de indium tin oxide (ITO) elektrode chip door fotolithografie en chemische nat etsen processen
    1. Het verkrijgen van een ITO-substraat (370 mm x 480 mm x 0,5 mm (L x B x H)) met een 2600 Å ITO-laag in de handel (zie Materials List). Snijd de ITO substraat om de afmetingen van 90 mm x 90 mm x 0,5 mm met een glazen mes van de ITO elektrode patroonvormende proces op een 4 inch aligner.
    2. Gebruik ultrasone reinigingsapparaten de ITO glas met aceton gereinigd en vervolgens met gedeïoniseerd water, gedurende 15 minuten elk. Droog de ITO glas met schone, droge lucht.
    3. Verdeel 5 ml positieve fotoresist oplossing op het oppervlak van de ITO glas.
    4. Gebruik spinbekleder bij 500 xg gedurende 30 seconden om een ​​gelijkmatige fotolaklaag produceren. bak daarna op een verwarmingsplaat bij 90 ° C gedurende 5 minuten om het overtollige oplosmiddel drijven in de fotoresist.
    5. Expose de ITO glas tot 14 mW van ultraviolet licht bij 436 nm voor 3,1 sec through een film fotomasker met de ontworpen patroon (zie Materials List).
    6. Dompel het monster in 60 ml ontwikkeloplossing bij 23 ° C gedurende 30 seconden om de patroon te stippelen. bak daarna op een verwarmingsplaat bij 120 ° C gedurende 10 minuten om de fotoresist verharden en verbeteren fotoresist hechting.
    7. Dompel het monster gedurende 3 minuten in 60 ml etsen oplossing bij 80 ° C om de onbeschermde ITO-laag te etsen.
    8. Dompel het monster gedurende 1 minuut in 60 ml aceton om fotoresist te verwijderen op het oppervlak van de ITO glas.
    9. Snijd de ITO glas in de afmetingen van 62 mm x 35 mm voor de experimentele ITO elektrode chip (figuur 1) met een glazen mes.

figure-protocol-1
Figuur 1:. ITO elektrode chip De vervaardigde ITO-chip met 8 paren van elektroden patroon routes getoond. Er zijn 15 elektroden het meten van 2 mm x 8 mm aan de zijkant, en de centrale twee routes delen dezelfde elektrode. De afstand tussen elk paar elektrode vingers in een test goed is 7 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. De bouw van de experimentele chip module
    1. Reinig de commerciële 8 putjes silicone matrix met een ultrasoon reiniger zoals getoond in figuur 2 met detergent, daarna gedeïoniseerd water, vervolgens 95% ethanol en daarna gedeïoniseerd water, gedurende 15 minuten elk.
    2. Droog de 8-goed siliconen matrix door het blazen van schone, droge lucht.
    3. Op de 8 putjes silicone matrix in de ITO chip om de experimentele chip module (figuur 3) te vormen. Strak binden de siliconen array en ITO chip.

54575fig2.jpg "/>
Figuur 2:. Silicone goed scala De commerciële 8-well siliconen array kan 8 geteste monsters tegelijk te houden. De grootte van elke put is 11 mm x 8 mm x 8,5 mm (L x B x H). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-2
Figuur 3:. Experimentele chip module De ITO elektrode chip is verbonden met de 8-well silicone array om de experimentele chip module te vormen. De hechting tussen de silicone matrix en de ITO chip sterk. Daarom is de silicone array en de ITO-chip kan aan elkaar te binden voor gebruik zonder klevende substantie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Impedantiemeting

  1. Sluit de personal computer, invangversterker en schakelrelais aan de impedantie uitlezing module zoals getoond in figuur 4.

figure-protocol-3
Figuur 4:. Schema van de impedantie gebaseerde inrichting De invangversterker, schakelrelais, en personal computer omvatten de impedantie uitlezing module. De commerciële fasegevoelige invangversterker wordt gebruikt om de elektrische signalen en extract. De zelfgemaakte schakelrelais circuit verbinden van verschillende ITO chips wordt gebruikt om aan te geven welke goed en welke ITO chip te testen. Een totaal van 6 chips kan worden aangesloten op de schakelrelais specificeren 48 monsters in een timesharing manier. De real-time in-fase signaal weerstand en de faseverschuiving van de geteste oplossing continu worden opgenomen op een personal computer voor de gehele Verdampingssnelheidion proces. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. Zet de experimentele chip module in het stopcontact van de schakelrelais.
  2. Invoerparameters in het computerprogramma. Voer de signaalfrequentie (1 kHz), het gespecificeerde nummer en (0-7), de uitvoeringscyclus (100) en de bestandsnaam (HA).

3. Verdamping Experimenten

  1. Neem vier 2,5 ml hyaluronzuur oplossingen op 0, 0,05, 0,5 en 1 w / v% in water. Plaats elke 2,5 ml monsteroplossing in een flacon meet 14,75 mm x 45 mm x 8 mm (OD x H x ID).
  2. Voor elke oplossing, voeg 0,5 ml monsteroplossing aan een enkel putje van de ITO chip module.
  3. Weeg en het aanvankelijke gewicht van elk flesje opnemen door de elektronische weegschaal machine.
  4. Voer het computerprogramma automatisch meten en registreren van de real-time in-fase weerstand en het signaal phase verschuiving van bepaalde putten op het ITO-chip.
  5. Start de verdamping experimenten gelijktijdig op dezelfde plaats door zowel de weegmethode en impedantiemethode.
  6. Te wegen en het gewicht van elk flesje opnemen door de elektronische weegschaal machine op vaste tijdstippen.
  7. Analyseer verzamelde gegevens in de weegmethode en impedantie methode. 19

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tijdens het verdampingsproces de geleidende ionen in de geteste oplossing werd geconcentreerd met afnemende volume van de oplossing, en de impedantie van deze oplossing af. De snelheden van gewichtsverlies en impedantie afname van de verdamping vooruitgang van elke geteste oplossing gemeten. Ter vergelijking, de gegevens van de tarieven van gewichtsverlies en impedantie afname werden genormaliseerd tegen water en vervolgens uitgezet samen in figuur 5. Zoals weergegeven in figuur 5, het ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De kritische stap voor de verdamping meting deze impedantie gebaseerde detectie is de bereiding van de geteste oplossingen. Gedeïoniseerd water kan niet worden gebruikt vanwege de grote impedantie. In plaats daarvan, leidingwater met geleidende ionen werd gebruikt om hyaluronzuur oplossingen voor experimenten te bereiden. De elektrische eigenschappen van leidingwater niet constant gebruikt. Daarom normalisatie, zoals de relatieve verdampingssnelheid van water in deze studie, werd als alternat...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd gesponsord door het ministerie van Wetenschap en Technologie, Taiwan, onder toekenning nummers MOST-104-2221 E-241-001-my3 en MOST 105-2627-B-005-002.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
95% ethanolEcho Chemical Co., Ltd., Miaoli, Taiwan484000001103C-00EC
AcetoneAvantor Performance Materials Inc., Center Valley, PA, USAJTB-9005-68
Development solutionKemitek Industrial Crop., Hsinchu, Taiwan12F01031KTD-1
Etching solutioneSolv Technology Co., Taipei, TaiwanEG-462
Hyaluronic acidShandong Freda Biopharm Co., Ltd., Jinan, China1010212Molecuulgewicht 980k, Cosmetic Grade
Photoresist solutionAZ Electronic Materials Taiwan Co., Ltd., Hsinchu, Taiwan65101M19AZ6112
8-well silicone arrayGreiner bio-one Inc., Frickenhausen, Baden-Württemberg, GermanyFlexiPERM
ITO glassGemTech Optoelectronics Co., Taoyuan, Taiwan
VialSigma-Aldrich Co. LLC., St. Louis, MO, USA854190
Film photomaskTaiwan Mesh Co., Ltd, Taoyuan, Taiwan
Lock-in amplifierStanford Research Systems, Inc., Palo Alto, CA, USASR830
Switch relayInstrument Technology Research Center, National Applied Research Laboratories, Hsinchu, Taiwan
Electronic balance machineRadwag Inc., Radom, PolandAS 60/220/C/2

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Francis, G. W., Bui, Y. T. H. Changes in the composition of aromatherapeutic Citrus oils during evaporation. Evid.-based Complement Altern. Med. 2015 (421695), 1-6 (2015).
  2. Ochiai, N., et al. Extension of a dynamic headspace multi-volatile method to milliliter injection volumes with full sample evaporation: application to green tea. J. Chromatogr. A. 1421, 103-113 (2015).
  3. Zribi, W., Aragues, R., Medina, E., Faci, J. M. Efficiency of inorganic and organic mulching materials for soil evaporation control. Soil Tillage Res. 148, 40-45 (2015).
  4. Chang, B. Y., Park, S. M. Electrochemical impedance spectroscopy. Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 207-229 (2010).
  5. Brooks, E. K., Tobias, M. E., Yang, S., Bone, L. B., Ehrensberger, M. T. Influence of MC3T3-E1 preosteoblast culture on the corrosion of a T6-treated AZ91 alloy. J. Biomed. Mater. Res. Part B. 104 (2), 253-262 (2016).
  6. Tabrizi, M. A., Shamsipur, S., Farzin, L. A high sensitive electrochemical aptasensor for the determination of VEGF165 in serum of lung cancer patient. Biosens. Bioelectron. 74, 764-769 (2015).
  7. Tran, T. B., Nguyen, P. D., Baek, C., Min, J. Electrical dual-sensing method for real-time quantitative monitoring of cell-secreted MMP-9 and cellular morphology during migration process. Biosens. Bioelectron. 77, 631-637 (2016).
  8. Kruger, A. J., Krieg, H. M., van der Merwe, J., Bessarabov, D. Evaluation of MEA manufacturing parameters using EIS for SO2 electrolysis. Int. J. Hydrog. Energy. 39 (32), 18173-18181 (2014).
  9. Guler, Z., Sarac, A. S. Electrochemical impedance and spectroscopy study of the EDC/NHS activation of the carboxyl groups on poly(ε-caprolactone)/poly(m-anthranilic acid) nanofibers. Express Polym. Lett. 10 (2), 96-110 (2016).
  10. Xi, X., Si, G., Nie, Z., Ma, L. Electrochemical behavior of tungsten ions from WC scrap dissolution in a chloride melt. Electrochim. Acta. 184, 233-238 (2015).
  11. Olejnik, A., Goscianska, J., Zielinska, A., Nowak, I. Stability determination of the formulations containing hyaluronic acid. Int. J. Cosmetic Sci. 37, 401-407 (2015).
  12. Marcellin, E., Steen, J. A., Nielsen, L. K. Insight into hyaluronic acid molecular weight control. Appl. Microbiol. Biotechnol. 98, 6947-6956 (2014).
  13. Laurent, T. C., Laurent, U. B. G., Fraser, J. R. E. The structure and function of hyaluronan: An overview. Immunol. Cell Biol. 74 (2), A1-A7 (1996).
  14. Papakonstantinou, E., Roth, M., Karakiulakis, G. Hyaluronic acid: A key molecule in skin aging. Derm.-Endocrinol. 4 (3), 253-258 (2012).
  15. Sze, J. H., Brownlie, J. C., Love, C. A. Biotechnological production of hyaluronic acid: A mini review. 3 Biotech. 6, 67(2016).
  16. Lin, C. Y., et al. Real-time detection of β1 integrin expression on MG-63 cells using electrochemical impedance spectroscopy. Biosens. Bioelectron. 28 (1), 221-226 (2011).
  17. Hsiao, S. Y., et al. Chemical-free and reusable cellular analysis: Electrochemical impedance spectroscopy with a transparent ITO culture chip. Int. J. Technol. Hum. Interact. 8 (3), 1-9 (2012).
  18. Lin, Y. S., et al. A real-time impedance-sensing chip for the detection of emulsion phase separation. Electrophoresis. 34 (12), 1743-1748 (2013).
  19. Lin, Y. S., Chen, C. Y. A novel evaporation detection system using an impedance sensing chip. Analyst. 139 (22), 5781-5784 (2014).
  20. Tseng, S. F., et al. Graphene-based chips fabricated by ultraviolet laser patterning for anelectrochemical impedance spectroscopy. Sens. Actuator B-Chem. 226, 342-348 (2016).
  21. Pavicic, T., et al. Efficacy of cream-based novel formulations of hyaluronic acid of different molecular weights in anti-wrinkle treatment. J. Drugs Dermatol. 10 (9), 990-1000 (2011).
  22. Gotoh, S., et al. Effects of the molecular weight of hyaluronic acid and its action mechanisms on experimental joint pain in rats. Ann. Rheum. Dis. 52 (11), 817-822 (1993).
  23. Saettone, M. F., Nannipieri, E., Cervetto, L., Eschini, N., Carelli, V. Electrical impedance changes and water content in O/W emulsions during evaporation. Int. J. Cosmetic Sci. 2 (2), 63-75 (1980).
  24. Fernandez-Sanchez, C., McNeil, C. J., Rawson, K. Electrochemical impedance spectroscopy studies of polymer degradation: application to biosensor development. Trac-Trends Anal. Chem. 24 (1), 37-48 (2005).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Hyaluronic Acid SolutionsElectrical Impedance SensingWeight Loss ApproachITO Glass SubstrateLock in AmplifierSilicone Array ModulePrecision Balance MeasurementReal time Data Collection

Gerelateerde artikelen