Summary
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.
Abstract
В данной статье описывается метод новой платформы на основе импеданса для обнаружения скорости испарения. Модель соединения гиалуроновой кислоты использовали здесь для демонстрационных целей. Были проведены несколько тестов упаривания на модели соединения в качестве увлажнителя с различными концентрациями в растворах для целей сравнения. Традиционный подход потеря веса известен как самый простой, но много времени, методика измерений для определения скорости испарения. Тем не менее, явный недостаток состоит в том, что большой объем образца требуется и множественные образцы тестов не могут быть проведены одновременно. Впервые в литературе, электрический чип Чувствительный импеданса успешно применяется к исследованию испарения в режиме реального времени в режиме разделения времени, непрерывным и автоматическим способом. К тому же, всего лишь 0,5 мл испытуемых образцов необходим в этом устройстве импеданса на основе, и большое изменение импеданса проявляется среди различных разбавленным Solutiдополнения. Предложенная система высокой чувствительности и датчиков импеданса быстрого отклика оказывается опережать обычный потеря веса подход с точки зрения обнаружения скорости испарения.
Introduction
Испарение представляет собой тип испарении жидкости и происходит вдоль границы раздела газ-жидкость коллективного водоеме. Молекулы воды вблизи поверхности становятся способными вырваться из жидкости в результате столкновения молекул воды. Скорость испарения является важным ключевым фактором в процессе испарения. Как правило, этот баланс или объемная труба 1-3 широко используемый для обнаружения выпаривание растворов. Тем не менее, он занимает много времени, чтобы измерить скорость испарения из-за точности ограничение баланса или объемной трубки. По этой причине прибор реагирует и высокой чувствительности должны быть разработаны, чтобы исследовать в детали процесса испарения.
Электрохимический импеданс - спектроскопии (EIS) является быстрый ответ, чувствительные и эффективные экспериментальные средства с точки зрения обнаружения импеданса в месте для электрохимической характеризации системы 4. Поэтому EIS могут быть применены в различных тьфуLDS, таких , как недавние исследования на клеточном поведении 5, биоаналитической зондирования 6-7, электролиза 8, 9 проводящих полимеров и электрохимической экстракции 10. Даже если системы EIS была успешно применена в самых разных дисциплинах, существуют чрезвычайно малое количество публикаций о его применении к исследованию испарения.
Гиалуроновая кислота, высокомолекулярным полисахаридом с сильным связывающего воду потенциалом, является хорошо известным Увлажнитель для косметических применений. Одна молекула гиалуроновой кислоты может связать до 500 молекул воды 11 и достигают 1000 раз свой первоначальный объем 12. Чрезвычайно небольшое количество гиалуроновой кислоты может обладать функцией увлажнения 13-14. Из - за высокой удержания влаги, гиалуроновая кислота стала важным компонентом косметических увлажняющими продукции с высокой коммерческой ценностью во всем мире 15.
Tего исследование представляет метод устройства романа импеданса на основе характеризующуюся высокой скорости обнаружения, небольшое требование к объему образца, а также несколько измерений образцов 16-19. Она представлена с акцентом на относительном сравнении скорости испарения между растворами как способ подтвердить превосходство инновационного механизма обнаружения по сравнению с обычным весом способом.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Модуль Экспериментальный чип
- Изготовить оксид индия и олова (ITO) электрод чип фотолитографии и химических процессов влажного травления
- Получить ITO подложку (370 мм х 480 мм х 0,5 мм (Д х Ш х В)) с 2,600 толщиной слоя ITO на коммерческой основе (см список материалов). Нарезать подложку ITO до размеров 90 мм х 90 мм х 0,5 мм с стеклорез для электродного процесса структуризации ITO в 4 дюйма выравнивателя.
- С помощью ультразвуковой очиститель для очистки ITO стекла с ацетоном, а затем деионизированной водой, в течение 15 минут каждый. Протрите стекло ITO с чистым сухим воздухом.
- Разлить по 5 мл раствора позитивного фоторезиста на поверхность стекла ITO.
- С помощью устройства для нанесения покрытий отжима при 500g в течение 30 с, чтобы получить однородный слой фоторезиста. Затем выпекать на плитке при температуре 90 ° С в течение 5 мин, чтобы отогнать излишки растворителя в фоторезиста.
- Выставляют стекло ITO до 14 мВт ультрафиолетового света при 436 нм 3,1 с тhrough пленки фотошаблона с проектируемой рисунком (см список материалов).
- Погрузите образец в растворе развития 60 мл при 23 ° С в течение 30 секунд, чтобы развить узорчатые маршруты. Затем выпекать на плитке при 120 ° С в течение 10 мин, чтобы затвердеть фоторезиста и улучшить адгезию фоторезиста.
- Погрузить образец в течение 3 мин в 60 мл травильный раствор, при температуре 80 ° C, чтобы протравить незащищенный ITO слой.
- Погрузить образец в течение 1 мин в 60 мл ацетона, чтобы удалить фоторезиста на поверхности стекла ITO.
- Нарезать стекло ITO в размеры 62 мм х 35 мм для экспериментального ITO электродов чипа (рисунок 1) с стеклорез.
Рисунок 1:. ITO электрод чип Сфабрикованный чип ITO с 8 парами электродов с рисунком маршрутов показан. Есть 15 электродов измерения 2 мм х 8 мм на боковой кромке, а центральные два маршрута одни и те же электрод. Расстояние между каждой парой электродов пальцев в тестовой скважины составляет 7 мм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
- Построить экспериментальный модуль чипа
- Почистите коммерческие 8-луночного силиконовую массив с ультразвуковом очистителе , как показано на рисунке 2 , с моющим средством, а затем деионизированной водой, затем 95% -ным этанолом, а затем деионизированной водой в течение 15 минут каждый.
- Сушат 8-луночного массив силикона, выдóвая чистый сухой воздух.
- Нажмите 8-луночного массив силикона в чип ITO для того , чтобы сформировать экспериментальный модуль чипа (Рисунок 3). Плотно связать массив силикона и чип ITO.
54575fig2.jpg "/>
Рис . 2: Силикон массив хорошо коммерческий массив силиконовые 8-хорошо может держать 8 испытанных образцов одновременно. Размер каждой скважины составляет 11 мм х 8 мм х 8,5 мм (Д х Ш х В ). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рис . 3: Экспериментальный модуль чип Электрод чип ITO крепится с помощью силиконового массива 8-а , чтобы сформировать экспериментальный модуль чипа. Адгезия между матрицей силикона и чипом ITO сильна. Таким образом, массив силикона и чип ITO могут связываться друг с другом для использования без каких - либо клейким веществом. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
2. Сопротивление Измерение
- Подключите персональный компьютер, синхронным усилителем, и переключатель реле для формирования модуля импеданса считывания , как показано на рисунке 4.
Рисунок 4:. Схема аппарата импеданса на основе синхронному усилителю, переключатель реле и персонального компьютера включают в себя модуль импеданса считывания. Усилитель блокировки на коммерческих фазочувствительные используется для отправки и извлечения электрические сигналы. Самодельный схема переключателя реле подключения различных ITO чипов используется для указания, которые хорошо и какой чип ITO для тестирования. В общей сложности 6 микросхем могут быть подключены к коммутатору, реле с указанием 48 образцов в режиме разделения времени способом. В режиме реального времени в синфазный сопротивление и фазовый сдвиг сигнала тестируемого раствора непрерывно регистрировали на персональном компьютере для всей evaporatионный процесс. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
- Поместите экспериментальный модуль чип в гнездо реле переключателя.
- Входные параметры в компьютерной программе. Входная частота сигнала (1 кГц), числа, указанного хорошо (0-7), цикл выполнения (100), а также имя файла (HA).
3. Испарение Эксперименты
- Подготовьте четыре 2,5 мл растворов гиалуроновой кислоты при 0, 0,05, 0,5 и 1% вес / об в воде. Поместите каждый раствор 2,5 мл образца в пробирку для измерения 14,75 мм х 45 мм х 8 мм (внешний диаметр х высота х ID).
- Для каждого раствора, добавляют раствор 0,5 мл образца в одной лунке модуля микросхемы ITO.
- Взвешивают и записывают начальный вес каждого флакона с помощью электронного баланса машины.
- Выполнить компьютерную программу для автоматического измерения и регистрации в режиме реального времени в синфазный сопротивление, а сигнал рHase сдвиг указанных скважин на чипе ITO.
- Начало экспериментов испарения одновременно в том же месте, как методом взвешивания и метод импеданса.
- Взвешивают и записывают вес каждого флакона с помощью электронных весов машины в назначенное моменты времени.
- Анализ собранных данных в методе взвешивания и импеданса метода. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Во время процесса выпаривания, проводящие ионы в растворе испытуемого сосредоточивались с уменьшением объема раствора, и полное сопротивление этого раствора снизилась. Были измерены скорости потери веса и снижения импеданса в прогрессе испарения для каждого испытуемого раствора. Для сравнения, данные в скоростях потери веса и снижению импеданса были нормализованы к воде , а затем нанесены вместе на рисунке 5. Как показано на рисунке 5, потеря веса демонстрирует ту же тенденцию, что и полное сопротивление, и показывает , что относительная скорость испарения для испарения воды уменьшается с концентрацией гиалуроновой кислоты. Тем не менее, большое количество вариаций обнаруживается в предлагаемом подходе на основе импеданса, чем в обычном способе взвешивания для испарения экзаменов. Нормированные данные только имели 0,06 падение от 0% до 1% гиалуроновой кислоты вмешательства концентрации в взвешивающего подходе, в то время какогромная капля 0,84 был найден в устройстве импеданса на основе. Простое линейное уравнение используется связать нормированные показатели потери веса и снижения импеданса.
Y = 0.0852X + 0,9166, R 2 = 0,97
где X и Y представляют собой нормированные темпы снижения сопротивления и потери веса, соответственно. Скорость потери веса, то есть скорость испарения интерес, в растворе гиалуроновой кислоты можно найти соответственно путем измеренных данных в снижении импеданса. В практических применениях, измеренные данные импеданса могут быть быстро преобразованы в потере веса раствора гиалуроновой кислоты с помощью этого линейного уравнения.
Рис . 5: Относительная скорость испарения воды до растворов на основе гиалуроновой кислоты при различных концентрациях Относительная скорость испарения с ватер определяется как скорость испарения раствора, нормированную водой. Относительную скорость испарения воды в зависимости от концентрации гиалуроновой кислоты путем испытаний баланса и чип импеданса показаны вместе для сравнения. Существует большее изменение в тестировании чипа импеданса по сравнению тестирование баланса. Строка ошибки стандартное отклонение в трех экспериментах. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Важным шагом для измерения испарения в этом обнаружения импеданса на основе является подготовка испытуемых растворов. Деионизированная вода не может быть использована из-за его огромного импеданса. Вместо того, чтобы, водопроводная вода, содержащая проводящие ионы, используют для получения растворов гиалуроновой кислоты для экспериментов. Тем не менее, электрические свойства водопроводной воды не было постоянным для использования. Таким образом, нормализация, такие как относительная скорость испарения к воде в данном исследовании, был принят в качестве альтернативного показателя для испарения. Ограничение этого метода состоит в том, что тестируемые растворы должны иметь проводящие ионы для электрохимической характеристики.
Совсем недавно, чип импеданса на основе графена был предложен для модификации этого метода 20. С исключительными электронными и оптоэлектронные свойства, графен достигший значительное внимание в качестве альтернативы ITO для различного электрода или проводника Applications. На основе графена пальцев, как электрод чип был успешно продемонстрирована при изучении стабильности эмульсии продуктов путем электрохимической импедансной спектроскопии.
Это исследование показало, что 0,05% -ного раствора гиалуроновой кислоты, может уменьшить относительную скорость испарения воды на 12%, как измерено с помощью полного сопротивления. Таким образом, местное применение 0,1% крем гиалуроновой кислоты может привести к значительному улучшению гидратации кожи 21. Молекулярная масса гиалуроновой кислоты играет важную роль в ее приложениях. Например, гиалуроновая кислота с более высокой молекулярной массой может иметь более обезболивающее действие 22. Применение низкой молекулярной массы гиалуроновой кислоты было значительное уменьшение глубины морщин за счет лучшей способности проникновения 21. В будущем, эффекты от молекулярной массы на увлажняющей способности гиалуроновой кислоты может быть исследована одновременно на этом импеданса на основе платформы с MULTIPРезультаты измерений ле для целей сравнения. В общей сложности 6 микросхем может быть соединен с домашним релейный переключатель с указанием хорошо, чтобы быть проверены для испытания в режиме реального времени по 48 образцов в режиме разделения времени способом.
Хотя традиционный подход изменение веса стоит как простой и самый простой способ измерить емкость увлажняющим раствора, это отнимает много времени подход для наблюдения изменения веса достаточно, чтобы определить точную скорость испарения. Например, она занимает около половины дня, чтобы обнаружить нужную скорость испарения раствора гиалуроновой кислоты, из-за предела обнаружения точного баланса с достаточной экспериментальной погрешности в данном исследовании. Тем не менее, электрическое свойство решения является более чувствительным, чем вес. Изменение электрических свойств могут быть обнаружены раньше, чем потери веса в процессе испарения. В этом исследовании скорости изменения электрического сопротивления раствора гиалуроновой кислоты в конце одного часа observaПериод ние испарения была достаточно определена. Таким образом, представленный устройство обнаружения импеданса на основе найден опережать обычный метод взвешивания с точки зрения чувствительности обнаружения и времени отклика.
В соответствии с предыдущей публикации 23 и коммерческого устройства для оценки потерь воды трансдермальный, электрическое свойство можно рассматривать как показатель , чтобы отразить скорость испарения. Тем не менее, это представлено устройство для определения импеданса на основе показывает следующие преимущества по сравнению с прежними: (I) небольшое требование объема образца, (б) параллельное обнаружение, (III) простой демонтаж для очистки и повторного использования, и (IV) несколько приложений, таких как био молекулярного обнаружения, клеточного поведения, и разделение фаз 16-19. Предлагаемая высокочувствительный и устройство импеданса на основе быстрого ответа подтверждено в качестве превосходного кандидата для обработки тестов испарения по сравнению с обычным подходом по снижению веса. В будущем,Это предложение полного сопротивления на основе аппарат может также потенциально быть применены в любой внутреннее свойство материала или конкретного процесса , которые могли бы повлиять на проводимость электрохимической системы 24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была организована Министерством науки и техники, Тайвань, под номерами грантов НАИБОЛЕЕ 104-2221-E-241-001-MY3 и МОСТ 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).
