Summary
Denne artikel præsenterer en impedans-baserede apparater til fordampning sats detektion af løsninger. Det giver klare fordele i forhold til en konventionel vægttab tilgang: en hurtig respons, høj følsomhed afsløring, en lille krav prøve, flere prøve-målinger, og let adskillelse for rengøring og genbrug formål.
Abstract
Dette papir beskriver fremgangsmåden ifølge en hidtil ukendt impedans-baseret platform til påvisning af fordampningshastigheden. Modellen sammensatte hyaluronsyre blev ansat her til demonstration. Flere fordampning tests på modellen forbindelse som et fugtighedsbevarende middel med forskellige koncentrationer i opløsninger blev udført til sammenligning. En konventionel vægttab tilgang er kendt som den mest ligetil, men tidskrævende, måling teknik til fordampningshastigheden detektion. Men en klar ulempe er, at en stor mængde prøve er påkrævet, og multiple sample test kan ikke udføres på samme tid. For første gang i litteraturen, er en elektrisk impedans sensing chip anvendt med succes til en real-time fordampning undersøgelse i en tid deling, kontinuerlig og automatisk måde. Endvidere så lidt som 0,5 ml af prøver er påkrævet i denne impedans-baserede apparater, og en stor impedans variation påvises blandt forskellige fortyndet solutions. Den foreslåede høj følsomhed og hurtig respons impedans sensorsystem findes at outperforme en konventionel vægttab tilgang i form af fordampning sats afsløring.
Introduction
Fordampning er en type af væskefordampningssystem og forekommer langs gas-væske-grænsefladen af en kollektiv vandmasse. Vandmolekylerne nær overfladen bliver i stand til at undslippe fra væsken på grund af kollision af vandmolekyler. Fordampningshastigheden er en vigtig nøglefaktor under processen med fordampning. Generelt er en balance eller en volumetrisk rør 1-3 er udbredt til påvisning af fordampning af løsninger. Men det tager lang tid at måle fordampningshastigheden som følge af den præcision begrænsning af en balance eller en volumetrisk rør. Derfor skal en responsiv og høj følsomhed instrument udvikles til sonde i detaljer med fordampningsprocessen.
Elektrokemisk impedans spektroskopi (EIS) er en hurtig-respons, følsomme og effektive eksperimentelle midler i form af in-situ impedans detektion til elektrokemisk system, karakterisering 4. Derfor kan EIS anvendes i forskellige fieLDS, såsom de seneste undersøgelser på cellulær adfærd 5, bioanalytisk sensing 6-7, elektrolyse 8, ledende polymerer 9 og elektrokemiske udvinding 10. Selvom EIS-systemer med succes var blevet anvendt i en lang række forskellige discipliner, der findes et meget lille antal publikationer om dens anvendelse til fordampning forskning.
Hyaluronsyre, et polysaccharid med høj molekylvægt med stærk vand-bindende potentiale, er en velkendt fugtighedsbevarende middel til kosmetiske anvendelser. En hyaluronsyre molekyle kan binde op til 500 vandmolekyler 11 og nå 1.000 gange dens oprindelige volumen 12. En ekstremt lille mængde af hyaluronsyre kan besidde fugtgivende funktion 13-14. På grund af den høje tilbageholdelse fugtighed er hyaluronsyre blevet en vigtig bestanddel af kosmetiske fugtighedsbevarende produkter med høj kommerciel værdi verdensplan 15.
Thans undersøgelse præsenteres metoden til en ny impedans-baserede apparater med høj hastighed afsløring, små krav prøvevolumen, og flere prøve målinger 16-19. Den præsenteres med fokus på den relative fordampning sats sammenligning blandt løsninger som en måde at validere overlegenhed innovative afsløring mekanisme over en konventionel vejer måde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Eksperimentel Chip Module
- Fabrikere indiumtinoxid (ITO) elektrode chip ved fotolitografi og kemiske våde ætseprocesser
- Få en ITO substrat (370 mm x 480 mm x 0,5 mm (L x B x H)) med en 2600 Å ITO lag kommercielt (se Materialer List). Skær ITO-substrat til dimensionerne af 90 mm x 90 mm x 0,5 mm med et glas cutter for ITO elektroden mønsterdannelsesprocessen i en 4 tommer aligner.
- Brug en ultralyds renere at rengøre ITO glas med acetone og derefter med deioniseret vand, i 15 min hver. Tør ITO glas med ren tør luft.
- Dispensér 5 ml positiv fotoresist opløsning på overfladen af ITO glas.
- Brug spin-coater ved 500 x g i 30 sek for at fremstille en ensartet fotoresist lag. Derefter bages på en varmeplade ved 90 ° C i 5 min for at uddrive overskydende opløsningsmiddel i fotoresist.
- Expose ITO glas til 14 mW af ultraviolet lys ved 436 nm for 3,1 sek through en film fotomaske med designet mønster (se Materialer List).
- Fordybe prøven i 60 ml udvikling opløsning ved 23 ° C i 30 sekunder til at udvikle de mønstrede ruter. Derefter bages på en varmeplade ved 120 ° C i 10 minutter for at hærde fotoresisten og forbedre fotoresist vedhæftning.
- Fordybe prøven i 3 minutter i 60 ml ætsning opløsning ved 80 ° C for at ætse den ubeskyttede ITO lag.
- Fordyb prøven i 1 min i 60 ml acetone til at fjerne fotoresist på overfladen af ITO glas.
- Skær ITO glas i dimensionerne 62 mm x 35 mm for den eksperimentelle ITO elektroden chip (figur 1) med et glas cutter.
Figur 1:. ITO elektroden chip Den fabrikerede ITO chip med 8 par elektrode-mønstrede ruter vises. Der er 15 elektroder måler 2 mm x 8 mm i siden, og det centrale to ruter deler samme elektrode. Afstanden mellem hvert par af elektrode fingre i en test godt, er 7 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Konstruer den eksperimentelle chip modul
- Rengør kommercielle 8 brønde silikone array med en ultralydsrenser som vist i figur 2 med detergent og derefter deioniseret vand, derefter 95% ethanol, og derefter deioniseret vand, i 15 minutter hver.
- Tør 8-brønds silikone-array ved at blæse ren tør luft.
- Tryk på 8 brønde silikone array i ITO chip for at danne den eksperimentelle chip modul (figur 3). Stramt binder silikone array og ITO chip.
54575fig2.jpg "/>
Figur 2:. Silikone godt vifte Den kommercielle 8-brønd silikone array kan holde 8 testede prøver samtidigt. Størrelsen af hver brønd er 11 mm x 8 mm x 8,5 mm (L x B x H). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3:. Eksperimentel chip modul ITO elektroden chip er fastgjort med 8 brønde silikone matrix til dannelse af den eksperimentelle chip modul. Vedhæftningen mellem silicone array og ITO chip er stærk. Derfor er silikone array og ITO chippen kan obligation sammen til brug uden nogen klæbende substans. Klik her for at se en større version af dette tal.
2. Impedansmåling
- Forbind den personlige computer, lock-in forstærker, og skifte relæ til dannelse impedans udlæsning modulet som vist i figur 4.
Figur 4:. Skematisk af impedans-baserede apparater Låsen forstærker, switch relæ, og personlig computer omfatter impedans udlæsning modulet. Den kommercielle fasefølsom lock-in forstærker bruges til at sende og udtrække de elektriske signaler. Den hjemmelavede skifte relæ ledning, der forbinder forskellige ITO chips bruges til at angive, hvilke godt og som ITO chip, der skal testes. I alt 6 chips kan forbindes til switch relæ specificerer 48 prøver i en deling tid måde. Real-time i-fase resistens og signalet faseforskydning af den testede opløsning registreres kontinuerligt på en personlig computer for hele evaporation-processen. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Sæt den eksperimentelle chip modulet ind i stikket på kontakten relæ.
- Input parametre i computerprogrammet. Input signalet frekvens (1 kHz), den angivne brønd nummer (0-7), udførelse cyklus (100), og filnavnet (HA).
3. Fordampning Eksperimenter
- Forbered fire 2,5 ml hyaluronsyreopløsninger ved 0, 0,05, 0,5 og 1 vægt / volumen% i vand. Placer hver 2,5 ml prøveopløsning i hætteglas måler 14,75 mm x 45 mm x 8 mm (OD x H x ID).
- For hver løsning, tilsættes 0,5 ml prøveopløsning til en enkelt brønd af ITO chip modul.
- Afvej og registrer den oprindelige vægt af hvert hætteglas af den elektroniske balance maskine.
- Udfør computerprogram til automatisk måling og registrering real-time i-fase resistens og signalet phase skift af specificerede brønde på ITO chip.
- Start fordampningen eksperimenter samtidigt på samme sted af både vejning fremgangsmåde og impedans metode.
- Vej og registrere vægten af hvert hætteglas af den elektroniske balance maskine på planlagte tidspunkter.
- Analysere indsamlede data i vejningen metode og impedans metode. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Under fordampningsprocessen, de ledende ioner i den testede opløsningen blev koncentreret med den faldende opløsningens rumfang og impedansen af denne opløsning faldt. Satserne for vægttab og impedans fald i forløbet for hver testet løsning fordampning blev målt. Til sammenligningsformål dataene i satserne for vægttab og impedans fald blev normaliseret til vand og derefter afbildet sammen i figur 5. Som illustreret i figur 5, vægttab viser samme tendens som impedans, og viser, at den relative fordampningshastighed til vandfordampning falder med hyaluronsyre koncentration. Men en stor mængde variation findes i den foreslåede impedans tilgang end i den konventionelle vejning metode til fordampningen undersøgelser. Den normaliserede data havde kun en 0,06 fald fra 0% til 1% hyaluronsyre koncentration intervention i vejningen tilgang, mens enenorm dråbe 0,84 blev fundet i impedans-baserede apparater. Den enkle lineære ligning anvendes til at relatere de normaliserede satser for vægttab og impedans falde.
Y = 0.0852X + 0,9166, R2 = 0,97
hvor X og Y repræsenterer de normaliserede satser impedans fald og vægttab, henholdsvis. Hastigheden af vægttab, dvs. fordampningen rente, i hyaluronsyre opløsning kan findes tilsvarende ved hjælp af de målte data i impedansen falder. I praktiske anvendelser, kan de målte impedans data hurtigt kan omdannes til vægttabet af hyaluronsyre opløsning ved denne lineære ligning.
Figur 5:. Relative fordampning satser på vand af hyaluronsyre løsninger ved forskellige koncentrationer Den relative fordampning sats på water er defineret som fordampningshastigheden af en opløsning normaliseret ved vand. Den relative fordampning sats på vand mod hyaluronsyre koncentration ved test af balance og impedans chip er vist sammen til sammenligning. Der er en større ændring i afprøvning af impedans chip sammenlignet afprøvning af balance. Fejlen bar er standardafvigelsen i tre eksperimenter. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det kritiske skridt for fordampning måling i denne impedans-baseret detektion er forberedelsen af de testede løsninger. Deioniseret vand kan ikke anvendes på grund af dens enorme impedans. I stedet blev ledningsvand indeholdende ledende ioner anvendes til fremstilling af hyaluronsyreopløsninger til eksperimenter. Imidlertid er de elektriske egenskaber af ledningsvand var ikke konstant til brug. Derfor normalisering, såsom den relative fordampningshastighed til vand i denne undersøgelse, blev vedtaget som alternativ indeks for fordampning. Begrænsningen af denne teknik er, at testede løsninger skal have ledende ioner til elektrokemisk karakterisering.
For ganske nylig, har en graphene-baserede impedans chip blevet foreslået til ændring af denne teknik 20. Med særlige elektroniske og optoelektroniske egenskaber, har graphene opnået betydelig opmærksomhed som et alternativ til ITO til forskellige elektrode eller dirigent applaf tekniske data. Det graphene-baserede finger-lignende elektrode chip blev succesfuldt demonstreret i at undersøge stabiliteten af emulsion produkter ved elektrokemisk impedans spektroskopi.
Denne undersøgelse viste, at en 0,05% hyaluronsyre opløsning kan reducere den relative fordampningshastighed til vand med 12% som målt ved impedans. Derfor kan topisk påføring af 0,1% hyaluronsyre creme føre til en betydelig forbedring af hudens hydratisering 21. Molekylvægten af hyaluronsyre spiller en vigtig rolle i dens anvendelser. For eksempel kunne hyaluronsyre med en højere molekylvægt har bedre analgetiske virkninger 22. Anvendelsen af lav-molekylær-vægt hyaluronsyre havde en betydelig reduktion af rynke dybde som følge af bedre penetration evner 21. I fremtiden kan virkningerne af molekylvægten på fugtgivende evne hyaluronsyre studeres samtidigt på denne impedans-baseret platform med multiple prøve målinger til sammenligning. I alt 6 chips kan forbindes til hjemmelavede switch relæ angivelse brønden skal testes for en tidstro test på 48 prøver i en deling tid måde.
Selvom den konventionelle vægtændring tilgang står som en enkel og mest ligefremme måde at måle fugtgivende kapacitet af en opløsning, er det en tidskrævende fremgangsmåde til iagttagelse nok vægtændring at bestemme en nøjagtig fordampningshastighed. For eksempel det tog omkring en halv dag til at detektere den ønskede fordampningshastigheden af hyaluronsyre opløsning grund detektionsgrænsen på en præcisionsvægt med rimelig eksperimentelle fejl i denne undersøgelse. Men den elektrisk egenskab af en opløsning er mere følsom end vægt. Ændringen i elektriske egenskaber kan detekteres hurtigere end vægttab i fordampningsprocessen. I denne undersøgelse ændringen sats i elektrisk impedans af hyaluronsyre opløsning ved slutningen af en times obser-rioden af fordampning var tilstrækkeligt bestemt. Derfor præsenteres detektionsapparatet impedans-baserede sig at overgå den konventionelle vejning fremgangsmåde med hensyn til påvisning følsomhed og reaktionstid.
Svarende til den tidligere publikation 23 og kommerciel indretning til vurdering af transdermal vandtab, kan den elektrisk egenskab behandles som et indeks for at afspejle fordampningshastigheden. Men dette fremlagt detekteringsapparatur impedans-baserede viser følgende fordele i forhold til tidligere: (i) en lille krav prøvevolumen, (ii) parallel påvisning, (iii) nem demontering for rengøring og genbrug, og (iv) multiple applikationer såsom bio molekylær påvisning, cellulære adfærd, og faseadskillelse 16-19. Den foreslåede høj følsomhed og hurtig respons impedans-baserede apparater er valideret som en overlegen kandidat til at håndtere fordampning tests i forhold til en konventionel vægttab tilgang. I fremtiden,dette forslag impedans-baserede apparater kan også potentielt anvendes i enhver iboende egenskab af et materiale eller en bestemt proces, der kan påvirke ledningsevne et elektrokemisk system, 24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev sponsoreret af Ministeriet for Videnskab og Teknologi, Taiwan, under tilskud numre MEST 104-2221-E-241-001-My3 og MEST 105-2627-B-005-002.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 95% ethanol | Echo Chemical Co., Ltd., Miaoli, Taiwan | 484000001103C-00EC | |
| Acetone | Avantor Performance Materials Inc., Center Valley, PA, USA | JTB-9005-68 | |
| Development solution | Kemitek Industrial Crop., Hsinchu, Taiwan | 12F01031 | KTD-1 |
| Etching solution | eSolv Technology Co., Taipei, Taiwan | EG-462 | |
| Hyaluronic acid | Shandong Freda Biopharm Co., Ltd., Jinan, China | 1010212 | Molecular weight 980k, Cosmetic Grade |
| Photoresist solution | AZ Electronic Materials Taiwan Co., Ltd., Hsinchu, Taiwan | 65101M19 | AZ6112 |
| 8-well silicone array | Greiner bio-one Inc., Frickenhausen, Baden-Württemberg, Germany | FlexiPERM | |
| ITO glass | GemTech Optoelectronics Co., Taoyuan, Taiwan | ||
| Vial | Sigma-Aldrich Co. LLC., St. Louis, MO, USA | 854190 | |
| Film photomask | Taiwan Mesh Co., Ltd, Taoyuan, Taiwan | ||
| Lock-in amplifier | Stanford Research Systems, Inc., Palo Alto, CA, USA | SR830 | |
| Switch relay | Instrument Technology Research Center, National Applied Research Laboratories, Hsinchu, Taiwan | ||
| Electronic balance machine | Radwag Inc., Radom, Poland | AS 60/220/C/2 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Chang, B. Y., Park, S. M.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Olejnik, A., Goscianska, J., Zielinska, A., Nowak, I. Stability determination of the formulations containing hyaluronic acid. Int. J. Cosmetic Sci. 37, 401-407 (2015).
- Marcellin, E., Steen, J. A., Nielsen, L. K. Insight into hyaluronic acid molecular weight control. Appl. Microbiol. Biotechnol. 98, 6947-6956 (2014).
- 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).
- Papakonstantinou, E., Roth, M., Karakiulakis, G. Hyaluronic acid: A key molecule in skin aging. Derm.-Endocrinol. 4 (3), 253-258 (2012).
- Sze, J. H., Brownlie, J. C., Love, C. A. Biotechnological production of hyaluronic acid: A mini review. 3 Biotech. 6, 67 (2016).
- 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).
- 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).
- Lin, Y. S., et al. A real-time impedance-sensing chip for the detection of emulsion phase separation. Electrophoresis. 34 (12), 1743-1748 (2013).
- Lin, Y. S., Chen, C. Y. A novel evaporation detection system using an impedance sensing chip. Analyst. 139 (22), 5781-5784 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
