Wysokowydajna platforma oparta na impedancji do wykrywania szybkości parowania
17 października 2016
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.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest zmierzenie szybkości parowania roztworów przy użyciu systemu opartego na impedancji. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinach chemii analitycznej, takich jak nawilżanie, konkurencja kosmetyków. Główną zaletą tej techniki jest szybsza reakcja na wykrycie, mały rozmiar próbki, wysoka czułość, zarządzanie wieloma próbkami oraz łatwy demontaż w celu oczyszczenia i ponownego użycia.
Ta metoda może zapewnić wgląd w proces parowania. Może być również stosowany do innych sznurowadeł, takich jak rozwarstwienie biomolekularne i zachowanie komórek. Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy stwierdziliśmy, że czasochłonność standardowego systemu pomiarowego jest kłopotliwa.
Aby rozpocząć budowę eksperymentalnego modułu chipowego, użyj noża do szkła, aby przyciąć szklane podłoże pokryte tlenkiem indu i cyny do odpowiednich wymiarów. Sonikować szkło ITO w acetonie. A następnie w wodzie dejonizowanej przez 15 minut każdy.
Następnie osusz szkło ITO suchym powietrzem. Nałóż pięć mililitrów dodatniego płynu fotorezystu na szkło ITO i wiruj szkło przez 30 sekund. Trzymaj szklankę w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez pięć minut.
Następnie przykryj szkło filmową maską fotograficzną i wystaw szkło na działanie 14 miliwatów 436-nanometrowego światła ultrafioletowego przez 3,1 sekundy. Pozwól szklance ostygnąć do temperatury pokojowej. Następnie rozwijaj szkło w roztworze deweloperskim przez 30 sekund.
Podgrzej wywołane szkło na płycie grzejnej w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez 10 minut. Pozwól szklance ostygnąć do 80 stopni Celsjusza. Umieść szklankę w roztworze trawiącym w temperaturze 80 stopni na trzy minuty.
Następnie umieść szkło w acetonie na jedną minutę, aby usunąć resztki materiału fotorezystu. Za pomocą noża do szkła odetnij nadmiar szkła ITO z chipa. Następnie poddaj sonikację 8-dołkowej matrycy silikonowej i chipa ITO w detergencie, wodzie dejonizowanej, 95% etanolu i wodzie odonizowanej ponownie przez 15 minut każdy.
Osuszyć matrycę i rozdrobnić suchym powietrzem. Ostrożnie umieść czystą, suchą matrycę silikonową na powierzchni chipa ITO, tak aby palce elektrod na chipie znajdowały się w dołkach matrycy silikonowej. Na koniec dociśnij silikonową matrycę do chipa ITO, aby utworzyć eksperymentalny moduł chipa.
Aby rozpocząć przygotowania do eksperymentu, podłącz wzmacniacz typu lock-in do komputera. Następnie podłącz obwód przekaźnika przełącznika do wzmacniacza lock-in. Włóż eksperymentalny moduł chipowy do gniazda obwodu przekaźnika przełącznika.
W oprogramowaniu ustaw częstotliwość sygnału, numery studzienek próbki, cykl wykonania i nazwę pliku. Następnie przygotuj 4-mililitrowe roztwory kwasu hialuronowego o różnym stężeniu w wodzie z kranu. Przenieść 2,5 mililitra każdego roztworu do małej fiolki.
Aby rozpocząć eksperyment, dla każdej próbki przenieś 0,5 mililitra do studzienki eksperymentalnego modułu chipowego. Następnie zważ każdą fiolkę z próbką za pomocą wagi precyzyjnej i zapisz masę. W oprogramowaniu rozpocznij zbieranie danych o rezystancji i fazie sygnału.
Zapisywać masę fiolek w regularnych odstępach czasu podczas całego doświadczenia z parowaniem. Kontynuuj zbieranie danych do momentu, gdy szybkość parowania będzie można dokładnie określić na podstawie zmiany masy fiolek z próbkami. Szybkość parowania roztworów kwasu hialuronowego w stosunku do wody można było obliczyć na podstawie danych o impedancji po godzinie zbierania danych.
Metoda ważenia wymagała pół dnia zbierania danych w celu określenia szybkości parowania. Dane dotyczące impedancji, znormalizowane i przeliczone na tempo utraty masy, wykazały, że szybkość parowania roztworu kwasu hialuronowego o zawartości 0,05 % wagowo-objętościowych jest o 12% niższa w stosunku do wody. Konwencjonalna metoda ważenia wykazywała tę samą tendencję zmniejszania względnej szybkości parowania.
Ale czułość wagi precyzyjnej była mniejsza niż detektora impedancji. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu godziny, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Po opracowaniu, technika ta utorowała drogę naukowcom w dziedzinie biomedycyny do poprawy wykrywania bioleków i zachowania komórek przy użyciu stałego mikroprocesora.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsza praca przedstawia system oparty na impedancji do pomiaru szybkości parowania roztworów, który zapewnia szybszą detekcję i wymaga mniejszej objętości próbek w porównaniu z metodami tradycyjnymi. Technika ta może poszerzyć wiedzę w różnych dziedzinach, w tym w chemii analitycznej oraz badaniach biomolekularnych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Chemia analityczna
- Badania biomolekularne
- Procesy parowania
Wstęp
- Tradycyjne metody pomiaru szybkości parowania mogą być czasochłonne.
- Systemy oparte na impedancji oferują zalety w zakresie czułości i zarządzania próbkami.
- Zrozumienie procesów parowania jest kluczowe dla zastosowań w kosmetyce i biologii.
- Niniejsza metoda umożliwia pomiary wielu próbek oraz łatwe czyszczenie.
Cel badania
- Opracowanie szybszej i bardziej wydajnej metody pomiaru szybkości parowania.
- Umożliwienie lepszego zrozumienia procesu parowania różnych roztworów.
- Ułatwienie badań w pokrewnych dziedzinach, takich jak sekcjonowanie biomolekularne.
Zastosowane metody
- System detekcji oparty na impedancji do pomiaru szybkości parowania.
- Porównanie z konwencjonalnymi metodami utraty masy.
- Ocena czułości i czasu odpowiedzi.
- Ocena wymagań dotyczących wielkości próbki oraz procedur czyszczenia.
Główne wyniki
- System oparty na impedancji wykazał szybszą odpowiedź w porównaniu z metodami tradycyjnymi.
- Wysoką czułość osiągnięto przy minimalnych ilościach próbek.
- Możliwy był jednoczesny pomiar wielu próbek.
- System był łatwy do rozmontowania w celu czyszczenia i ponownego użycia.
Wnioski
- Metoda oparta na impedancji stanowi znaczną poprawę w stosunku do konwencjonalnych technik.
- Podejście to można zastosować w różnych dziedzinach nauki poza badaniami nad odparowywaniem.
- Przyszłe badania mogą zgłębić możliwości jego zastosowania w analizie zachowań biomolekularnych i komórkowych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ta platforma oparta na impedancji umożliwia szybkie i wysokoczułe wykrywanie szybkości parowania przy minimalnych objętościach próbek, rozwiązując kluczowy problem w badaniach nad stabilnością formulacji. Dzięki zapewnieniu pomiarów w czasie rzeczywistym i w trybie multipleksowym, system wspiera szybsze podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań w początkowej fazie screeningu substancji pomocniczych oraz ocenie skuteczności nawilżaczy. Metoda ta ogranicza zużycie zasobów i przyspiesza prekliniczną ocenę ryzyka związanego z agentami higroskopijnymi w formulacjach do stosowania miejscowego i iniekcyjnego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia ilościowe porównanie skuteczności humektantów w różnych stężeniach, co wspiera zrozumienie mechanizmów zatrzymywania wilgoci w stabilizacji preparatów biologicznych.
- Wartość operacyjna: Wymaga jedynie 0,5 mL na próbkę, co pozwala na równoległe testowanie wielu wariantów formulacji bez nadmiernego zużycia materiału.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Zapewnia zmiany impedancji w czasie rzeczywistym skorelowane z kinetyką odparowania, umożliwiając bezetykietowe, ciągłe monitorowanie stabilności roztworu.
- Wartość operacyjna: Umożliwia zautomatyzowany pomiar wielu próbek w systemie podziału czasu, co zwiększa przepustowość w kampaniach przesiewowych dotyczących higroskopijności.
- Wartość naukowa: Wykazuje wysoką czułość w odniesieniu do rozcieńczonych roztworów kwasu hialuronowego, wspierając wykrywanie subtelnych zmian aktywności wody indukowanych przez formulację.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Dostarcza danych o szybkości parowania, które mogą służyć do opracowania modeli prognostycznych przenikania przez skórę oraz kinetyki uwalniania leków stosowanych miejscowo.
- Wartość operacyjna: Projekt oparty na chipie umożliwia łatwy demontaż, czyszczenie i ponowne wykorzystanie, co wspiera badania podłużne w kolejnych iteracjach formulacji.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w wczesne etapy procesów badawczych, w których szybka ocena właściwości substancji pomocniczych pozwala na wybór optymalnej formulacji prowadzącej przed przystąpieniem do szeroko zakrojonych badań stabilności lub przenikalności.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wpływu substancji pomocniczych higroskopijnych na retencję wody w mikrośrodowisku, co ma istotne znaczenie dla stabilności białek.
- Przesiewanie: Umożliwia ustandaryzowane i powtarzalne pomiary szybkości parowania w wielu warunkach, przy minimalnej zmienności wynikającej z błędu operatora.
- Analityka: Generuje ilościowe wyniki szybkości oparte na pomiarach impedancji, co pozwala na bezpośrednie porównanie kandydatów na formulację.
- Badania translacyjne: Dostarcza wglądu w mechanizmy dynamiki utraty wody, co koreluje z nawodnieniem skóry i wydajnością dostarczania substancji drogą miejscową.
- Zastosowanie w przedsiębiorstwie: Wielorazowa platforma chipowa może być wykorzystywana w wielu projektach badających funkcjonalność substancji pomocniczych, co ogranicza konieczność redundantnego opracowywania metod.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Poprawia pewność prognostyczną w doborze substancji pomocniczych poprzez dostarczenie czułych danych o parowaniu w czasie rzeczywistym.
- Wartość operacyjna: Skraca czas analizy z pół dnia do jednej godziny i minimalizuje zużycie próbek.
- Wartość strategiczna: Przyspiesza cykle przesiewowe formulacji, umożliwiając szybszą iterację i zmniejszenie ryzyka niestabilności na późniejszych etapach.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację środków higroskopijnych w oparciu o dane, bazując na ilościowych profilach parowania.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu mikrofabrykacji, chemii powierzchni oraz obsługi wzmacniacza synchronicznego w celu przygotowania chipa i akwizycji sygnału.
- Metoda zależy od dostępu do narzędzi litografii UV, roztworów trawiących oraz procesów kompatybilnych z cleanroomem w celu uzyskania powtarzalnego wzoru elektrod.
- Niezbędne są ustandaryzowane procedury operacyjne (SOP) dotyczące wyrównania studzienek silikonowych i prowadzenia cieczy, aby zapewnić spójność pomiarów między poszczególnymi seriami.
- Adaptacja do formulacji lepkozytnych lub zawierających cząstki może wymagać optymalizacji sposobu wprowadzania próbek oraz konstrukcji komory.
- Ograniczenie praktyczne: obecna demonstracja wykorzystuje rozcieńczone roztwory wodne; zastosowanie w złożonych macierzach biologicznych wymaga walidacji empirycznej.
