Een High Performance impedantie-gebaseerd platform voor het Verdampingssnelheid Detection
17 oktober 2016
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.
Het algemene doel van dit experiment is het meten van de verdampingssnelheden van oplossingen met behulp van een impedantiegebaseerd systeem. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in de analytische chemie, zoals het bepalen van het bevochtigingsvermogen van cosmetica. De belangrijkste voordelen van deze techniek zijn een snellere detectierespons, een klein monstervolume, hoge gevoeligheid, het beheer van meerdere monsters en een eenvoudige demontage voor reiniging en hergebruik.
Deze methode kan inzicht bieden in het verdampingsproces. Het kan ook worden toegepast op andere gebieden, zoals biomoleculaire dissectie en cellulair gedrag. We kregen het eerste idee voor deze methode toen we merkten dat het tijdrovende karakter van de standaardmanier waarop deze metingen worden uitgevoerd problematisch was.
Om te beginnen met het bouwen van de experimentele chipmodule, gebruikt u een glasnijper om een met indiumtinoxide gecoat glassubstraat op de juiste afmetingen te snijden. Sonicate het ITO-glas in aceton en vervolgens in gedeïoniseerd water, telkens gedurende 15 minuten.
Droog vervolgens het ITO-glas met droge lucht. Breng vijf milliliters positieve fotoresistvloeistof aan op het ITO-glas en spin-coat het glas gedurende 30 seconden. Houd het glas vijf minuten lang op 90 graden Celsius.
Dek het glas vervolgens af met een fotomasker en stel het glas 3,1 seconden lang bloot aan 14 milliwatt ultraviolet licht van 436 nanometer. Laat het glas afkoelen tot kamertemperatuur. Ontwikkel het glas daarna gedurende 30 seconden in een ontwikkelaarsoplossing.
Verwarm het ontwikkelde glas op een warmteplaat bij 120 °C gedurende 10 minuten. Laat het glas afkoelen tot 80 °C. Plaats het glas gedurende drie minuten in de etsoplossing bij 80 °C.
Plaats het glas vervolgens gedurende één minuut in aceton om resterend fotolakmateriaal te verwijderen. Trim met een glasnijper het overtollige ITO-glas van de chip. Sonicate daarna een silicone array met 8 putjes en de ITO-chip in detergent, gedeïoniseerd water, 95% ethanol en opnieuw in gedeïoniseerd water gedurende telkens 15 minuten.
Droog de array en de chip met droge lucht. Plaats de schone, droge siliconen array voorzichtig op het oppervlak van de ITO-chip, zodat de elektrodevingers op de chip zich allemaal binnen de putjes van de siliconen array bevinden. Druk tot slot de siliconen array op de ITO-chip om de experimentele chipmodule te vormen.
Om de voorbereidingen voor het experiment te starten, sluit u een lock-in versterker aan op een computer. Sluit vervolgens een schakelrelaiscircuit aan op de lock-in versterker. Plaats de experimentele chipmodule in de socket van het schakelrelaiscircuit.
Stel in de software de signaalfrequentie, de putnummers van de monsters, de uitvoeringscyclus en de bestandsnaam in. Bereid vervolgens oplossingen van 4 milliliter met verschillende concentraties hyaluronzuur in kraanwater. Breng 2,5 milliliter van elke oplossing over naar een klein flaconnetje.
Om het experiment te starten, brengt u voor elk monster 0,5 milliliters over naar een well van de experimentele chipmodule. Weeg vervolgens elk monsterflesje met een precisieбаlans en noteer de gewichten. Start in de software met het verzamelen van gegevens over de weerstand en de signaalfase.
Registreer het gewicht van de vials met regelmatige tijdsintervallen gedurende het verdampingsexperiment. Ga door met het verzamelen van gegevens totdat de verdampingssnelheid nauwkeurig kan worden bepaald aan de hand van de gewichtsverandering van de monster-vials. De verdampingssnelheid van hyaluronzuuroplossingen ten opzichte van water kon worden berekend uit de impedantiegegevens na een uur gegevensverzameling.
De weegmethode vereiste een halve dag aan gegevensverzameling om de verdampingssnelheid te bepalen. De impedantiegegevens, wanneer genormaliseerd en omgezet naar het gewichtsverlies per tijdseenheid, gaven aan dat de verdampingssnelheid van de oplossing van 0,05 gewichtsprocent hyaluronic acid 12% lager is in vergelijking met water. De conventionele weegmethode vertoonde dezelfde trend van een verlaagde relatieve verdampingssnelheid.
De gevoeligheid van de precisiebalans was echter lager dan die van de impedantiedetector. Zodra de methode onder de knie is, kan deze techniek in een uur worden uitgevoerd mits dit correct gebeurt. Na de ontwikkeling heeft deze techniek de weg vrijgemaakt voor onderzoekers in het veld van de biomedicus om de detectie van biomedicatie en het cellulaire gedrag te verbeteren met behulp van een constante microchip.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie introduceert een op impedantie gebaseerd systeem voor het meten van verdampingssnelheden van oplossingen, wat een snellere detectie mogelijk maakt en kleinere monstergroottes vereist in vergelijking met traditionele methoden. Deze techniek kan het begrip in verschillende vakgebieden verbeteren, waaronder de analytische chemie en biomoleculaire studies.
Belangrijkste onderdelen van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Analytische chemie
- Biomoleculaire studies
- Verdampingsprocessen
Achtergrond
- Traditionele methoden voor het meten van verdampingssnelheden kunnen tijdrovend zijn.
- Impedantiegebaseerde systemen bieden voordelen op het gebied van gevoeligheid en monsterbeheer.
- Inzicht in verdamping is cruciaal voor toepassingen in de cosmetica en biologie.
- Deze methode maakt metingen van meerdere monsters en eenvoudige reiniging mogelijk.
Doel van de studie
- Om een snellere en efficiëntere methode te ontwikkelen voor het meten van verdampingssnelheden.
- Om inzicht te verschaffen in het verdampingsproces van diverse oplossingen.
- Om onderzoek in aanverwante vakgebieden, zoals biomoleculaire dissectie, te faciliteren.
Gebruikte methoden
- Impedantiegebaseerd detectiesysteem voor het meten van verdampingssnelheden.
- Vergelijking met conventionele methoden voor gewichtsverlies.
- Evaluatie van de gevoeligheid en de responstijd.
- Beoordeling van de vereisten voor monstergrootte en reinigingsprocedures.
Belangrijkste resultaten
- Het impedantiegebaseerde systeem vertoonde een snellere respons in vergelijking met traditionele methoden.
- Er werd een hoge gevoeligheid bereikt met minimale monsterhoeveelheden.
- Meerdere monsters konden gelijktijdig worden gemeten.
- Het systeem was eenvoudig te demonteren voor reiniging en hergebruik.
Conclusies
- De impedantiegebaseerde methode is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van conventionele technieken.
- Deze benadering kan worden toegepast op diverse wetenschappelijke gebieden buiten verdampingsstudies.
- Toekomstig onderzoek kan de toepassingen ervan in biomoleculaire en cellulaire processen verkennen.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Dit op impedantie gebaseerde platform maakt snelle detectie van de verdampingssnelheid met een hoge gevoeligheid en minimale monstervolumes mogelijk, waarmee een belangrijke knelpunt in stabiliteitsstudies van formuleringen wordt aangepakt. Door real-time, gemultiplexte metingen te leveren, ondersteunt het snellere go/no-go-beslissingen bij vroege screening van excipiënten en het beoordelen van de effectiviteit van moisturizers. De aanpak vermindert het verbruik van middelen en versnelt het preklinische risicobeheer van hygroscopische stoffen in topische en injecteerbare formuleringen.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt een kwantitatieve vergelijking van de effectiviteit van bevochtigingsmiddelen bij verschillende concentraties mogelijk om het mechanistische begrip van vochtretentie bij de stabilisatie van biologische geneesmiddelen te ondersteunen.
- Operationele waarde: Vereist slechts 0,5 mL per monster, waardoor parallelle tests van meerdere formuleringsvarianten mogelijk zijn zonder overmatig materiaalverbruik.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Levert realtime impedantieverschuivingen op die gecorreleerd zijn met verdampingskinetiek, waardoor labelvrije, continue monitoring van de stabiliteit van de oplossing mogelijk wordt.
- Operationele waarde: Faciliteert geautomatiseerde, time-sharing meting van meerdere monsters, wat de doorvoer bij screeningscampagnes voor hygroscopiteit verbetert.
- Wetenschappelijke waarde: Toont een hoge gevoeligheid voor verdunde hyaluronzuuroplossingen, wat de detectie van subtiele, door formulering veroorzaakte veranderingen in de wateractiviteit ondersteunt.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Verschaft gegevens over de verdampingssnelheid die kunnen dienen als input voor voorspellende modellen van huidpermeatie en kinetiek van topische geneesmiddelafgifte.
- Operationele waarde: Het op een chip gebaseerde ontwerp maakt eenvoudige demontage, reiniging en hergebruik mogelijk, wat longitudinale studies over verschillende formulatie-iteraties ondersteunt.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen workflows voor vroege ontdekking, waarbij een snelle beoordeling van de eigenschappen van hulpstoffen de selectie van de leidende formulering informeert, voordat men overgaat tot grootschaliger stabiliteits- of permeabiliteitsstudies.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetesten over hoe hygroscopische hulpstoffen de micro-omgevingswaterretentie beïnvloeden die relevant is voor de eiwitstabiliteit.
- Screening: Maakt gestandaardiseerde, reproduceerbare metingen van de verdampingssnelheid mogelijk over meerdere condities met minimale variabiliteit tussen operators.
- Analytics: Genereert kwantitatieve, op impedantie gebaseerde snelheidsoutputs waarmee een directe vergelijking tussen formulatiekandidaten mogelijk is.
- Translational Research: Biedt mechanisch inzicht in waterverliesdynamiek die correleert met dermale hydratatie en de prestaties van topische toediening.
- Enterprise Reuse: Het herbruikbare chipplatform kan worden ingezet in meerdere projecten die de functionaliteit van hulpstoffen onderzoeken, waardoor redundante methodeontwikkeling wordt verminderd.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt de voorspellende betrouwbaarheid bij de selectie van hulpstoffen door het leveren van gevoelige verdampingsgegevens in realtime.
- Operationele waarde: Vermindert de analysetijd van een halve dag naar één uur en minimaliseert het monsterverbruik.
- Strategische waarde: Versnelt de screeningscycli van formuleringen, waardoor snellere iteratie mogelijk is en het risico op instabiliteit in een later stadium wordt verminderd.
- Impact op portfolio: Ondersteunt de datagestuurde prioritering van hygroscopische middelen op basis van kwantitatieve verdampingsprofielen.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in microfabricage, oppervlaktechemie en het bedienen van een lock-in versterker voor de chipvoorbereiding en signaalacquisitie.
- Afhankelijk van toegang tot UV-lithografiegereedschappen, etsoplossingen en cleanroom-compatibele processing voor reproduceerbare elektrodepatronering.
- Necessiteert gestandaardiseerde SOP's voor de uitlijning van siliconen wells en vloeistofbehandeling om consistentie in de metingen over verschillende runs te garanderen.
- Aanpassing aan viskeuze of met partikels beladen formuleringen kan optimalisatie van de monsterlading en het kamerontwerp vereisen.
- Praktische beperking: De huidige demonstratie maakt gebruik van verdunde waterige oplossingen; de toepasbaarheid op complexe biologische matrices vereist empirische validatie.
