Высокая производительность импеданса на основе платформы для испарения определение скорости
17 октября 2016 г.
Эта статья представляет собой устройство импеданса на основе для обнаружения скорости испарения растворов. Он предлагает явные преимущества по сравнению с традиционным подходом потери веса: быстрый отклик, обнаружение высокой чувствительности, небольшое требование образца, многократные измерения образца, и простой демонтаж для очистки и повторного использования целей.
Общая цель данного эксперимента заключается в измерении скорости испарения растворов с помощью системы на основе импеданса. Этот метод позволяет ответить на ключевые вопросы в области аналитической химии, такие как определение увлажняющей способности косметических средств. Основными преимуществами данной методики являются более быстрый отклик детектирования, малый объем образца, высокая чувствительность, возможность одновременной обработки нескольких образцов, а также простота разборки для очистки и повторного использования.
Данный метод позволяет получить представление о процессе испарения. Его также можно применять в других областях, таких как биомолекулярная диссекция и изучение клеточного поведения. Идея этого метода возникла у нас, когда мы столкнулись с тем, что стандартный способ проведения этих измерений оказался слишком трудоемким.
Чтобы начать сборку модуля экспериментального чипа, с помощью стеклореза вырежьте из стеклянной подложки с покрытием из оксида индия-олова заготовку подходящего размера. Обработайте стекло с ITO в ультразвуковой ванне с ацетоном, а затем в деионизированной воде по 15 минут в каждом случае.
Затем высушите стекло с ITO сухим воздухом. Нанесите пять миллилитров жидкого позитивного фоторезиста на стекло с ITO и центрифугируйте стекло в течение 30 секунд. Выдержите стекло при температуре 90 °C в течение пяти минут.
Затем накройте стекло пленочной фотомаской и подвергните его воздействию ультрафиолетового света с длиной волны 436 нм и мощностью 14 мВт в течение 3,1 секунд. Дайте стеклу остыть до комнатной температуры. После этого проявите стекло в растворе проявителя в течение 30 секунд.
Нагревайте экспонированное стекло на нагревательном столике при 120 °C в течение 10 минут. Дайте стеклу остыть до 80 °C. Поместите стекло в травильный раствор при 80 °C на три минуты.
Затем поместите стекло в ацетон на одну минуту, чтобы удалить остатки фоторезиста. С помощью стеклореза обрежьте излишки стекла с ITO вокруг чипа. Далее подвергните 8-луночный силиконовый массив и чип с ITO ультразвуковой очистке в моющем средстве, деионизированной воде, 95% этаноле и снова в деионизированной воде по 15 минут в каждой среде.
Высушите матрицу и чип потоком сухого воздуха. Осторожно поместите чистую сухую силиконовую матрицу на поверхность ITO-чипа таким образом, чтобы все электродные контакты на чипе находились внутри лунок силиконовой матрицы. В завершение прижмите силиконовую матрицу к ITO-чипу для формирования экспериментального модуля чипа.
Для начала подготовки к эксперименту подключите синхронный усилитель к компьютеру. Затем подключите схему релейного переключателя к синхронному усилителю. Вставьте модуль экспериментального чипа в разъем схемы релейного переключателя.
В программном обеспечении установите частоту сигнала, номера лунок с образцами, цикл выполнения и имя файла. Затем приготовьте растворы гиалуроновой кислоты различных концентраций в водопроводной воде объемом 4 мл. Перенесите по 2,5 мл каждого раствора в небольшой флакон.
Для начала эксперимента перенесите по 0,5 milliliters каждого образца в лунку модуля экспериментального чипа. Затем взвесьте каждый флакон с образцом на прецизионных весах и запишите значения массы. В программном обеспечении запустите сбор данных о сопротивлении и фазе сигнала.
Регистрируйте массу флаконов через регулярные промежутки времени на протяжении всего эксперимента по испарению. Продолжайте сбор данных до тех пор, пока скорость испарения не сможет быть точно определена по изменению массы флаконов с образцами. Скорость испарения растворов гиалуроновой кислоты относительно воды может быть рассчитана на основе данных импеданса после одного часа сбора данных.
Метод взвешивания потребовал сбора данных в течение половины дня для определения скорости испарения. Данные импеданса после нормализации и пересчета в скорость потери массы показали, что скорость испарения раствора гиалуроновой кислоты с концентрацией 0,05% (вес/объем) на 12% ниже по сравнению с водой. Традиционный метод взвешивания продемонстрировал ту же тенденцию снижения относительной скорости испарения.
Однако чувствительность прецизионных весов была ниже, чем у импедансного детектора. После освоения этот метод может быть выполнен за один час при условии его правильного проведения. Разработка данной методики открыла исследователям в области биомедицины путь к совершенствованию детектирования биомедикаментов и изучению клеточного поведения с использованием стабильного микрочипа.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании представлена система на основе импеданса для измерения скорости испарения растворов, обеспечивающая более быстрое детектирование и требующая меньших объемов образцов по сравнению с традиционными методами. Эта методика может расширить понимание процессов в различных областях, включая аналитическую химию и биомолекулярные исследования.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Аналитическая химия
- Биомолекулярные исследования
- Процессы испарения
Теоретические основы
- Традиционные методы измерения скорости испарения могут требовать значительных временных затрат.
- Системы на основе импеданса обладают преимуществами в чувствительности и управлении образцами.
- Понимание процессов испарения имеет решающее значение для применения в косметологии и биологии.
- Данный метод позволяет проводить измерения нескольких образцов и обеспечивает простоту очистки.
Цель исследования
- Разработать более быстрый и эффективный метод измерения скорости испарения.
- Получить представление о процессе испарения различных растворов.
- Способствовать проведению исследований в смежных областях, таких как биомолекулярная диссекция.
Используемые методы
- Система детектирования на основе импеданса для измерения скорости испарения.
- Сравнение с традиционными методами измерения потери массы.
- Оценка чувствительности и времени отклика.
- Анализ требований к размеру образца и процедур очистки.
Основные результаты
- Система на основе импеданса продемонстрировала более высокую скорость отклика по сравнению с традиционными методами.
- Высокая чувствительность была достигнута при минимальных объемах образцов.
- Возможен был одновременный анализ нескольких образцов.
- Систему было легко разобрать для очистки и повторного использования.
Выводы
- Метод, основанный на измерении импеданса, представляет собой значительное улучшение по сравнению с традиционными методами.
- Данный подход может быть применен в различных областях науки, помимо исследований испарения.
- В будущих исследованиях можно изучить возможности его применения для анализа поведения биомолекул и клеток.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Данная платформа на основе импедансного метода обеспечивает быстрое и высокочувствительное определение скорости испарения при минимальных объемах образцов, что позволяет устранить основное препятствие в исследованиях стабильности рецептур. Благодаря мультиплексным измерениям в режиме реального времени система способствует ускоренному принятию решений о целесообразности дальнейшего использования компонентов на ранних этапах скрининга вспомогательных веществ и оценки эффективности увлажняющих средств. Такой подход снижает расход ресурсов и ускоряет предварительную оценку рисков при использовании гигроскопических агентов в средствах для наружного и инъекционного применения.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проводить количественное сравнение эффективности увлажняющих агентов при различных концентрациях для более глубокого понимания механизмов удержания влаги при стабилизации биопрепаратов.
- Практическая ценность: требует всего 0,5 mL на образец, что позволяет параллельно тестировать несколько вариантов состава без избыточного расхода материалов.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: обеспечивает регистрацию сдвигов импеданса в режиме реального времени, коррелирующих с кинетикой испарения, что позволяет осуществлять безмаркерный непрерывный мониторинг стабильности раствора.
- Практическая ценность: облегчает автоматизированное измерение нескольких образцов с разделением по времени, что повышает пропускную способность при проведении скрининга гигроскопичности.
- Научная ценность: демонстрирует высокую чувствительность к разбавленным растворам гиалуроновой кислоты, что позволяет обнаруживать незначительные изменения активности воды, вызванные составом рецептуры.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Предоставляет данные о скорости испарения, которые могут быть использованы в прогностических моделях проницаемости кожи и кинетики высвобождения лекарственных средств при местном применении.
- Практическая ценность: Конструкция на базе чипа позволяет легко разбирать, очищать и повторно использовать устройство, что упрощает проведение лонгитюдных исследований при итеративной разработке рецептур.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
Данный метод подходит для рабочих процессов на ранних стадиях разработки, где быстрая оценка свойств вспомогательных веществ позволяет выбрать оптимальный состав формуляции до перехода к более масштабным исследованиям стабильности или проницаемости.
- Открытия в биологии: обеспечивает проверку гипотез о том, как гигроскопичные вспомогательные вещества влияют на удержание воды в микросреде, что имеет значение для стабильности белков.
- Скрининг: позволяет проводить стандартизированные и воспроизводимые измерения скорости испарения в различных условиях с минимальной вариабельностью, зависящей от оператора.
- Аналитика: генерирует количественные данные о скорости, полученные на основе импеданса, что позволяет проводить прямое сравнение различных вариантов состава.
- Трансляционные исследования: дает понимание механизмов динамики потери воды, которая коррелирует с гидратацией кожи и эффективностью местного введения.
- Корпоративное повторное использование: многоразовая чип-платформа может быть развернута в нескольких проектах по изучению функциональности вспомогательных веществ, что сокращает необходимость в избыточной разработке методов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает точность прогнозирования при выборе вспомогательных веществ за счет получения чувствительных данных об испарении в режиме реального времени.
- Практическая ценность: Сокращает время анализа с половины дня до одного часа и минимизирует расход образцов.
- Стратегическая ценность: Ускоряет циклы скрининга рецептур, обеспечивая более быструю итерацию и снижение риска нестабильности на поздних этапах разработки.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритезацию гигроскопических агентов на основе данных количественных профилей испарения.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области микрофабрикации, химии поверхности и эксплуатации синхронного усилителя для подготовки чипа и сбора сигналов.
- Зависимость от доступа к оборудованию для УФ-литографии, растворам для травления и условиям чистой комнаты для обеспечения воспроизводимого формирования электродов.
- Необходимость в стандартизированных СОП по выравниванию силиконовых лунок и работе с жидкостями для обеспечения согласованности измерений в разных сериях опытов.
- Адаптация к вязким составам или составам с содержанием твердых частиц может потребовать оптимизации загрузки образца и конструкции камеры.
- Практическое ограничение: в данной демонстрации используются разбавленные водные растворы; применимость к сложным биологическим матрицам требует эмпирической проверки.
