Artykuł metodologiczny

Wysokowydajna platforma oparta na impedancji do wykrywania szybkości parowania

DOI:

10.3791/54575

⸱

17 października 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ten artykuł przedstawia oparte na impedancji urządzenie do wykrywania szybkości parowania roztworów. Oferuje wyraźne zalety w porównaniu z konwencjonalnym podejściem do odchudzania: szybka reakcja, wykrywanie o wysokiej czułości, wymóg małej próbki, wielokrotne pomiary próbek i łatwy demontaż w celu czyszczenia i ponownego użycia.

Streszczenie

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

Ten artykuł opisuje metodę nowatorskiej platformy opartej na impedancji do wykrywania szybkości parowania. Do celów demonstracyjnych wykorzystano tu modelowy związek chemiczny – kwas hialuronowy. W celach porównawczych przeprowadzono wielokrotne testy parowania na związku modelowym jako humektencie o różnych stężeniach w roztworach. Konwencjonalne podejście do odchudzania jest znane jako najprostsza, ale czasochłonna technika pomiarowa do wykrywania szybkości parowania. Jednak wyraźną wadą jest to, że wymagana jest duża objętość próbki i nie można przeprowadzić wielu testów próbek w tym samym czasie. Po raz pierwszy w literaturze układ wykrywający impedancję elektryczną został z powodzeniem zastosowany do badania parowania w czasie rzeczywistym w sposób ciągły i automatyczny. Co więcej, w tym aparacie opartym na impedancji wymagane jest zaledwie 0,5 ml próbek testowych, a duża różnica impedancji jest wykazywana wśród różnych rozcieńczonych roztworów. Stwierdzono, że proponowany system wykrywania impedancji o wysokiej czułości i szybkiej reakcji przewyższa konwencjonalne podejście do utraty wagi pod względem wykrywania szybkości parowania.

Wprowadzenie

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

Parowanie jest rodzajem parowania cieczy i występuje wzdłuż granicy faz gaz-ciecz zbiorowego zbiornika wodnego. Cząsteczki wody w pobliżu powierzchni stają się zdolne do ucieczki z cieczy w wyniku zderzenia cząsteczek wody. Szybkość parowania jest ważnym kluczowym czynnikiem podczas procesu parowania. Ogólnie rzecz biorąc, rurka wagowa lub wolumetryczna1-3 jest szeroko stosowana do wykrywania parowania roztworów. Jednak pomiar szybkości parowania zajmuje dużo czasu ze względu na ograniczenie precyzji wagi lub rurki objętościowej. Z tego powodu należy opracować czuły i bardzo czuły przyrząd, który będzie badał szczegóły procesu parowania.

Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS) jest szybko reagującym, czułym i skutecznym eksperymentalnym sposobem wykrywania impedancji in-situ do charakterystyki systemów elektrochemicznych4. Dlatego EIS może być stosowany w różnych dziedzinach, takich jak ostatnie badania nad zachowaniem komórek5, detekcja bioanalityczna6-7, elektroliza8, polimery przewodzące9 i ekstrakcja elektrochemiczna10. Mimo że systemy EIS są z powodzeniem stosowane w wielu różnych dyscyplinach, istnieje bardzo niewielka liczba publikacji na temat ich zastosowania w badaniach nad parowaniem.

Kwas hialuronowy, polisacharyd o wysokiej masie cząsteczkowej o silnym potencjale wiązania wody, jest dobrze znanym humektantem do zastosowań kosmetycznych. Jedna cząsteczka kwasu hialuronowego może związać do 500 cząsteczek wody11 i osiągnąć 1000 razy większą objętość niż pierwotna12. Bardzo mała ilość kwasu hialuronowego może pełnić funkcję nawilżającą13-14. Ze względu na wysoką retencję wilgoci kwas hialuronowy stał się ważnym składnikiem kosmetycznych produktów humektantowych o wysokiej wartości handlowej na całym świecie15.

To badanie przedstawia metodę nowatorskiego urządzenia opartego na impedancji, charakteryzującego się szybką detekcją, wymaganiem małej objętości próbki i wielokrotnymi pomiarami próbek16-19. Przedstawiono go z naciskiem na porównanie względnej szybkości parowania między roztworami w celu potwierdzenia wyższości innowacyjnego mechanizmu wykrywania nad konwencjonalnym sposobem ważenia.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Eksperymentalny moduł chipowy

  1. Wytwarzanie układu elektrody tlenku indu i cyny (ITO) za pomocą fotolitografii i chemicznych procesów trawienia na mokro
    1. Podłoże ITO (370 mm x 480 mm x 0,5 mm (dł. x szer. x wys.)) z warstwą 2,600 A ITO można uzyskać komercyjnie (patrz lista materiałów). Pokrój podłoże ITO do wymiarów 90 mm x 90 mm x 0,5 mm za pomocą noża do szkła do procesu modelowania elektrod ITO w 4-calowym alignerze.
    2. Za pomocą myjki ultradźwiękowej wyczyść szybę ITO acetonem, a następnie wodą dejonizowaną, przez 15 minut każde. Osusz szybę ITO czystym, suchym powietrzem.
    3. Dozować 5 ml dodatniego roztworu fotorezystu na powierzchnię szkła ITO.
    4. Użyj powlekarki wirowej o gramaturze 500 x g przez 30 sekund, aby uzyskać jednolitą warstwę fotorezystu. Następnie piecz na płycie grzejnej w temperaturze 90 °C przez 5 minut, aby usunąć nadmiar rozpuszczalnika z fotorezystu.
    5. Wystaw szkło ITO na działanie światła ultrafioletowego o mocy 14 mW i długości fali 436 nm przez 3.1 sekundy przez fotomaskę filmową z zaprojektowanym wzorem (patrz lista materiałów).
    6. Zanurzyć próbkę w 60 ml roztworu do wywoływania o temperaturze 23 °C na 30 sekund w celu opracowania wzorów tras. Następnie piecz na płycie grzejnej w temperaturze 120 °C przez 10 minut, aby utwardzić fotorezystor i poprawić przyczepność fotorezystu.
    7. Zanurzyć próbkę na 3 minuty w 60 ml roztworu do trawienia w temperaturze 80 °C w celu wytrawienia niezabezpieczonej warstwy ITO.
    8. Zanurzyć próbkę na 1 minutę w 60 ml acetonu w celu usunięcia fotorezystu z powierzchni szkła ITO.
    9. Pokrój szkło ITO na wymiary 62 mm x 35 mm dla eksperymentalnego chipa elektrody ITO (rysunek 1) za pomocą noża do szkła.

figure-protocol-1
Ilustracja 1: Układ elektrody ITO. Pokazano wyprodukowany chip ITO z 8 parami tras o wzorze elektrod. Na bocznej krawędzi znajduje się 15 elektrod o wymiarach 2 mm x 8 mm, a dwie środkowe trasy korzystają z tej samej elektrody. Odległość między każdą parą palców elektrod w studzience testowej wynosi 7 mm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Zbuduj eksperymentalny moduł chipowy
    1. Wyczyść komercyjną 8-dołkową matrycę silikonową za pomocą myjki ultradźwiękowej, jak pokazano na rysunku 2, detergentem, następnie wodą dejonizowaną, następnie 95% etanolem, a następnie wodą dejonizowaną, przez 15 minut każda.
    2. Osusz 8-dołkowy zestaw silikonowy, wydmuchując czyste, suche powietrze.
    3. Wciśnij 8-dołkową matrycę silikonową do chipa ITO, aby utworzyć eksperymentalny moduł chipa (ilustracja 3). Mocno zwiąż silikonową matrycę i chip ITO.

figure-protocol-2
Rysunek 2: Układ studzienek silikonowych. Komercyjna 8-dołkowa matryca silikonowa może pomieścić jednocześnie 8 testowanych próbek. Wymiary każdej studzienki to 11 mm x 8 mm x 8,5 mm (dł. x szer. x wys.). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-3
Rysunek 3: Eksperymentalny moduł chipowy. Chip elektrody ITO jest połączony z 8-dołkowym układem silikonowym, tworząc eksperymentalny moduł chipowy. Przyczepność między matrycą silikonową a chipem ITO jest silna. Dlatego matryca silikonowa i chip ITO mogą łączyć się ze sobą w celu użycia bez żadnej substancji klejącej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Pomiar impedancji

  1. Podłącz komputer osobisty, wzmacniacz blokujący i przekaźnik przełącznika, aby utworzyć moduł odczytu impedancji, jak pokazano na rysunku 4.

figure-protocol-4
Rysunek 4: Schemat aparatury opartej na impedancji. Wzmacniacz lock-in, przekaźnik przełączający i komputer osobisty składają się na moduł odczytu impedancji. Komercyjny wzmacniacz typu lock-in czuły na fazę służy do wysyłania i wyodrębniania sygnałów elektrycznych. Domowy obwód przekaźnika przełącznika łączący różne chipy ITO służy do określenia, która studnia i który chip ITO ma być testowany. Do przekaźnika przełącznika można podłączyć łącznie 6 chipów, określając 48 próbek w sposób podziału czasu. Rezystancja w fazie w czasie rzeczywistym i przesunięcie fazowe sygnału badanego roztworu są rejestrowane w sposób ciągły na komputerze osobistym przez cały proces parowania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Umieść eksperymentalny moduł chipowy w gnieździe przekaźnika przełącznika.
  2. Wprowadź parametry w programie komputerowym. Wprowadź częstotliwość sygnału (1 kHz), określony numer studni (0-7), cykl wykonania (100) i nazwę pliku (HA).

3. Eksperymenty z parowaniem

  1. Przygotuj cztery 2,5 ml roztworów kwasu hialuronowego o stężeniach 0, 0,05, 0,5 i 1 w/v% w wodzie. Umieścić każde 2,5 ml roztworu próbki w fiolce o wymiarach 14,75 mm x 45 mm x 8 mm (średnica zewnętrzna x wys. x średnica wewnętrzna).
  2. Do każdego roztworu dodać 0,5 ml roztworu próbki do pojedynczego dołka modułu chipowego ITO.
  3. Zważyć i zapisać początkową masę każdej fiolki za pomocą wagi elektronicznej.
  4. Uruchom program komputerowy, aby automatycznie mierzyć i rejestrować rezystancję w fazie w czasie rzeczywistym oraz przesunięcie fazowe sygnału określonych studni na chipie ITO.
  5. Rozpocznij eksperymenty z parowaniem jednocześnie w tym samym miejscu, zarówno metodą ważenia, jak i metodą impedancyjną.
  6. Zważyć i zapisać masę każdej fiolki za pomocą wagi elektronicznej w wyznaczonych punktach czasowych.
  7. Analizuj zebrane dane w metodzie ważenia i metodzie impedancji. Rozdział 19

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Podczas procesu parowania, jony przewodzące w badanym roztworze zostały skoncentrowane wraz ze zmniejszającą się objętością roztworu, a impedancja tego roztworu zmniejszyła się. Mierzono tempo utraty masy i spadku impedancji postępu parowania dla każdego badanego roztworu. Dla celów porównawczych dane dotyczące tempa utraty masy ciała i spadku impedancji znormalizowano do wody, a następnie wykreślono razem na rysunku 5. Jak pokazano na rysunku 5, utrata masy ciała wykazuje taką samą tend...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Krytycznym etapem pomiaru parowania w tej detekcji opartej na impedancji jest przygotowanie testowanych roztworów. Woda dejonizowana nie może być używana ze względu na jej ogromną impedancję. Zamiast tego woda z kranu zawierająca jony przewodzące została użyta do przygotowania roztworów kwasu hialuronowego do eksperymentów. Jednak właściwości elektryczne wody z kranu nie były stałe dla użytku. Dlatego normalizacja, taka jak względna szybkość parowania do wody w tym badaniu, została przyjęta j...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Ta praca była sponsorowana przez Ministerstwo Nauki i Technologii Tajwanu, w ramach grantów o numerach MOST 104-2221-E-241-001-MY3 i MOST 105-2627-B-005-002.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
95% etanolEcho Chemical Co., Ltd., Miaoli, Tajwan484000001103C-00EC
AcetonAvantor Performance Materials Inc., Center Valley, PA, USAJTB-9005-68
Rozwiązanie rozwojoweKemitek Industrial Crop., Hsinchu, Tajwan12F01031KTD-1
Roztwór do trawieniaeSolv Technology Co., Tajpej, TajwanEG-462
Kwas hialuronowyShandong Freda Biopharm Co., Ltd., Jinan, Chiny1010212Masa cząsteczkowa 980k,
roztwór fotorezystuAZ Electronic Materials Taiwan Co., Ltd., Hsinchu, Tajwan65101M19AZ6112
8-dołkowa matryca silikonowaGreiner bio-one Inc., Frickenhausen, Badenia-Wü rttembergia, NiemcySzkło FlexiPERM
ITOGemTech Optoelectronics Co., Taoyuan, Tajwan
VialSigma-Aldrich Co. LLC., St. Louis, MO, USA854190
Filmowa maska fotograficznaTaiwan Mesh Co., Ltd, Taoyuan, Tajwan
Wzmacniacz blokującyStanford Research Systems, Inc., Palo Alto, CA, USASR830
CentrumBadawcze Technologii Przyrządów, Narodowe Laboratoria Badań Stosowanych, Hsinchu, Tajwan
Elektroniczna maszyna do balansowaniaRadwag S.A., Radom, PolskaAS 60/220/C/2
klasy kosmetycznej

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Impedance based PlatformEvaporation Rate DetectionHyaluronic Acid SolutionsElectrical Impedance SensingWeight Loss ApproachITO Glass SubstrateLock in AmplifierSilicone Array ModulePrecision Balance MeasurementReal time Data Collection

Powiązane artykuły