Summary
Dieser Beitrag stellt eine impedanzbasierte Vorrichtung zur Verdampfungsrate Erkennung von Lösungen. Es bietet klare Vorteile gegenüber einem herkömmlichen Gewichtsverlust Ansatz: eine schnelle Reaktion, hochempfindlichen Erkennung, eine kleine Probe Anforderung, mehrere Probenmessungen und einfache Demontage zur Reinigung und Wiederverwendung Zwecke.
Abstract
Dieses Papier beschreibt die Methode eines neuartigen impedanzbasierten Plattform zur Erfassung der Verdampfungsrate. Die Modellverbindung Hyaluronsäure wurde hier zu Demonstrationszwecken verwendet. Mehrere Eindampfversuchen an der Modellverbindung als Feuchthaltemittel mit verschiedenen Konzentrationen in Lösungen wurden zu Vergleichszwecken durchgeführt. Eine herkömmliche Gewichtsverlust Ansatz wird als die einfachste, aber zeitaufwendig, Messtechnik für die Verdampfungsrate Erkennung bekannt. Noch ein deutlicher Nachteil ist, dass ein großes Volumen an Probe erforderlich ist, und mehrere Proben Tests können nicht zur gleichen Zeit durchgeführt werden. Zum ersten Mal in der Literatur, ein elektrisches Impedanzerfassungschip ist mit einem Echtzeit-Verdampfungs Untersuchung in einem Time-Sharing, kontinuierliche und automatische Weise erfolgreich angewendet. Außerdem ist, wie nur 0,5 ml der Testproben wird in dieser impedanzbasierten Vorrichtung erforderlich, und eine große Impedanzänderung wird unter verschiedenen verdünnten soluti demonstriertons. Die vorgeschlagene hochempfindliche und schnelle Reaktion Impedanz-Messsystem ist ein herkömmliches Gewichtsverlust Ansatz in Bezug auf die Verdampfungsrate Erkennung zu übertreffen gefunden.
Introduction
Verdampfung ist eine Art von Flüssigkeitsverdampfung und tritt entlang der Gas-Flüssig-Grenzfläche eines kollektiven Körper von Wasser. Die Wassermoleküle in der Nähe der Oberfläche der Flüssigkeit entweichen zu Kollision von Wassermolekülen aufgrund der Lage sind. Die Verdampfungsrate ist ein wichtiger Schlüsselfaktor während des Prozesses der Verdampfung. Im Allgemeinen wird ein Gleichgewicht oder volumetrische Rohr 1-3 weithin verwendet , um die Verdampfung von Lösungen zu detektieren. Jedoch dauert es eine lange Zeit, um die Verdampfungsgeschwindigkeit aufgrund der Präzision Begrenzung einer Waage oder einem volumetrischen Rohr zu messen. Aus diesem Grund muss eine reaktionsschnelle und hochempfindliches Gerät entwickelt werden, in den Details des Verdampfungsprozesses zu untersuchen.
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein schnell ansprechender, sensible und effektive experimentelle Mittel im Hinblick auf die in-situ Impedanzerfassung für die elektrochemische Charakterisierung System 4. Daher kann in verschiedenen EIS fie angewendetlds, wie neuere Studien über Zellverhalten 5, bioanalytischen Sensor 6-7, Elektrolyse 8, leitende Polymere 9 und elektrochemische Extraktion 10. Obwohl EIS-Systeme erfolgreich in einer Vielzahl von Disziplinen angewendet worden war, gibt es eine sehr kleine Anzahl von Veröffentlichungen über ihre Anwendung auf Verdampfungs Forschung.
Hyaluronsäure, ein hochmolekulares Polysaccharid mit starken wasserbindenden Potential, ist ein bekanntes Feuchthaltemittel für kosmetische Anwendungen. Ein Hyaluronsäure-Molekül kann bis zu 500 Wassermoleküle 11 binden und erreichen 1000 - fache seines ursprünglichen Volumens 12. Eine äußerst geringe Menge an Hyaluronsäure können feuchtigkeitsspendende Funktion 13-14 besitzen. Aufgrund der hohen Feuchtigkeitsretention hat Hyaluronsäure eine wichtige Komponente der kosmetischen Befeuchtungsmittel Produkte mit hohem kommerziellen Wert weltweit 15 geworden.
Tseine Studie stellt die Methode eines neuartigen impedanzbasierten Gerät mit hoher Geschwindigkeit Erkennung, 16-19 kleines Volumen Probenbedarf und mehrere Probenmessungen. Es ist mit einem Fokus auf die relative Verdampfungsgeschwindigkeit Vergleich zwischen Lösungen als einer Weise präsentiert, die Überlegenheit des innovativen Erkennungsmechanismus gegenüber einer herkömmlichen Wiege Weise zu validieren.
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Protocol
1. Experimental-Chip-Modul
- Fabrizieren das Indium - Zinn - Oxid (ITO) Elektrodenchip durch Photolithographie und chemischen Nassätzverfahren
- Erhalten ITO-Substrat (370 mm x 480 mm x 0,5 mm (L x B x H)) mit einer 2600 Å ITO-Schicht im Handel (siehe Materialliste). Scheibe das ITO-Substrat mit den Abmessungen von 90 mm x 90 mm x 0,5 mm mit einem Glasschneider für die ITO-Elektrode Strukturierungsprozess in einem 4-Zoll-Aligner.
- Verwenden Sie ein Ultraschall-Reiniger, um das ITO-Glas mit Aceton zu reinigen und anschließend mit VE-Wasser, jeweils 15 Minuten. Trocknen Sie das ITO-Glas mit sauberer, trockener Luft.
- Dispense 5 ml positive Photoresistlösung auf die Oberfläche des ITO-Glas.
- Verwenden Sie Spin Coater bei 500 × g für 30 Sekunden eine einheitliche Photoresist-Schicht zu erzeugen. Backen auf einer Heizplatte bei 90 ° C für 5 min überschüssiges Lösungsmittel in dem Photoresist auszutreiben.
- Belichten der ITO-Glas bis 14 mW von ultraviolettem Licht bei 436 nm für 3,1 sec turch einen Film Photomaske mit dem entworfenen Muster (siehe Materialliste).
- Tauchen Sie die Probe in 60 ml Entwicklungslösung bei 23 ° C für 30 Sekunden die gemusterten Routen zu entwickeln. Backen auf einer Heizplatte bei 120 ° C für 10 min den Photoresist auszuhärten, und Photoresisthaftung verbessern.
- Eintauchen der Probe für 3 min in 60 ml Ätzlösung bei 80 ° C das ungeschützte ITO-Schicht zu ätzen.
- Eintauchen der Probe für 1 min in 60 ml Aceton zu entfernen Photoresist auf der Oberfläche des Glas-ITO.
- Schneiden Sie die ITO - Glas in den Abmessungen von 62 mm x 35 mm für die experimentelle ITO - Elektrode Chip (Abbildung 1) mit einem Glasschneider.
Abb . 1: ITO - Elektrode Chip Der hergestellte ITO - Chip mit 8 Paaren von Elektrodengemusterten Routen dargestellt ist. Es gibt 15 Elektroden Abmessungen 2 mm x 8 mm an der Seitenkante, und die zentralen zwei Routen derselben Elektrode teilen. Der Abstand zwischen jedem Paar von Elektrodenfingern in einem Test gut ist 7 mm. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
- Konstruieren Sie die experimentellen Chip - Modul
- Reinigen Sie den kommerziellen 8-Well - Silikon - Array mit einem Ultraschallreiniger wie in Abbildung 2 mit Reinigungsmittel gezeigt, dann entsalztes Wasser, dann 95% Ethanol und dann entsalztes Wasser, jeweils 15 Minuten.
- Trocknen Sie die 8-Well-Silikon-Array durch saubere, trockene Luft bläst.
- Drücken Sie die 8-Well - Silikon - Array in der ITO - Chip, um den experimentellen Chip - Modul (Abbildung 3) zu bilden. Dicht binden, um die Silikon-Array und ITO-Chip.
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Abbildung 2:. Silikon gut Array Die kommerzielle 8-Well - Silikon - Array kann 8 getesteten Proben gleichzeitig zu halten. Die Größe jedes gut 11 mm x 8 mm x 8,5 mm (L x B x H). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3:. Experimental - Chip - Modul Die ITO - Elektrode Chip wird mit dem 8-Well - Silikon - Array angebracht , um den experimentellen Chip - Modul zu bilden. Die Haftung zwischen der Silikon-Array und dem ITO-Chip ist stark. Daher kann die Silikon - Array und die ITO - Chip zusammen ohne Klebstoff für die Verwendung zu verbinden. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
2. Impedanzmessung
- Verbinden des Personalcomputers, Lock-in - Verstärker und Schaltrelais des Impedanzauslesemodul zu bilden , wie in Abbildung 4 dargestellt.
Abb . 4: Schematische Darstellung des impedanzbasierten Vorrichtung , die die Lock-in - Verstärker, Schaltrelais und Personal - Computer umfassen , die Impedanz Auslesemodul. Die kommerzielle phasenempfindlichen Lock-in-Verstärker wird verwendet, um die elektrischen Signale zu senden und zu extrahieren. Die selbst gemachte Schaltrelais Schaltung verschiedene ITO-Chips verbinden verwendet, welche gut und welche ITO-Chip angeben getestet werden. Insgesamt 6 Chips können an den Schaltrelais Spezifizieren 48 Proben in einem Time-Sharing-Weise verbunden werden. Die Echtzeit-in-Phasenwiderstand und die Signalphasenverschiebung der getesteten Lösung kontinuierlich auf einem Personal-Computer für die gesamte evaporat aufgezeichnet werdenIonen - Prozess. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
- Setzen Sie den experimentellen Chip-Modul in die Fassung des Schaltrelais.
- Eingabeparameter in dem Computerprogramm. Geben Sie die Signalfrequenz (1 kHz), die angegebene gut Nummer (0-7), der Ausführungszyklus (100), und der Dateiname (HA).
3. Verdampfungsversuche
- Bereiten vier 2,5 ml Hyaluronsäure-Lösungen bei 0, 0,05, 0,5 und 1 w / v% in Wasser. Platzieren Sie jede 2,5 ml Probenlösung in einem Fläschchen Mess 14,75 mm x 45 mm x 8 mm (Außendurchmesser x H x ID).
- Für jede Lösung, mit 0,5 ml Probenlösung zu einer einzigen Vertiefung der ITO-Chip-Modul.
- Wiegen und das Anfangsgewicht jedes Fläschchen durch die elektronische Waage Maschine aufzuzeichnen.
- Ausführen des Computerprogramms automatisch zu messen und die Echtzeit-in-Phasenwiderstand aufzuzeichnen und das Signal phase Verschiebung bestimmter Brunnen auf dem ITO-Chip.
- Starten Sie die Verdampfungsversuche gleichzeitig an der gleichen Stelle sowohl von der Wiegeverfahren und Impedanz-Methode.
- Wiegen und notieren das Gewicht jedes Fläschchen durch die elektronische Waage Maschine zu festgelegten Zeitpunkten.
- Analysieren gesammelter Daten in der Wiegeverfahren und Impedanz - Methode. 19
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Representative Results
Während des Verdampfungsprozesses, die leitenden Ionen in der getesteten Lösung wurde eingeengt, mit dem abnehmenden Volumen der Lösung, und die Impedanz dieser Lösung verringert. Die Rate der Gewichtsverlust und Impedanz Abnahme der Verdunstung Fortschritt für jede getestete Lösung wurden gemessen. Zu Vergleichszwecken wurden die Daten in den Sätzen von Gewichtsverlust und Impedanz Abnahme an Wasser normalisiert und dann aufgetragen zusammen in Figur 5 dar . Wie in 5 dargestellt, der Gewichtsverlust die gleiche Tendenz wie Impedanz zeigt , und zeigt , daß die relative Verdampfungsgeschwindigkeit zur Wasserverdampfung nimmt mit der Konzentration Hyaluronsäure. Jedoch wird eine große Menge an Variation in der vorgeschlagenen impedanzbasierten Ansatz gefunden als bei der herkömmlichen Wiegeverfahren für die Verdampfung Untersuchungen. Die normalisierten Daten hatte nur einen 0,06 fall von 0% bis 1% Hyaluronsäure-Konzentration Eingreifen in die Wiege Ansatz, während einenorme Rückgang von 0,84 wurde in der impedanzbasierten Gerät gefunden. Die einfache lineare Gleichung wird verwendet, um die normalisierte Raten von Gewichtsverlust und Impedanz Abnahme zu beziehen.
Y = 0.0852X + 0,9166, R 2 = 0,97
wobei X und Y stellen die normierten Raten von Impedanzabnahme und Gewichtsverlust, respectively. Die Rate der Gewichtsverlust, dh die Verdampfungsrate von Interesse kann in Hyaluronsäure-Lösung entsprechend anhand der gemessenen Daten in der Impedanzabnahme zu finden. In praktischen Anwendungen können die gemessenen Impedanzdaten schnell in den Gewichtsverlust von Hyaluronsäurelösung durch diese lineare Gleichung umgewandelt werden.
Abb . 5: Relative Verdunstungsraten zu Wasser von Hyaluronsäure - Lösungen in unterschiedlichen Konzentrationen Die relative Verdampfungsrate zu water ist als die Verdampfungsrate einer Lösung, die durch Wasser normalisiert. Die relative Verdampfungsgeschwindigkeit zu Wasser gegen Hyaluronsäure-Konzentration durch Tests der Balance und der Impedanz-Chip sind zum Vergleich gezeigt zusammen. Es gibt eine größere Änderung in der Prüfung von Impedanz Chip wie die Prüfung der Balance verglichen. Die Fehlerbalken ist die Standardabweichung in drei Experimenten. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Discussion
Der entscheidende Schritt für die Verdampfung Messung in diesem impedanzbasierten Detektion ist die Herstellung der getesteten Lösungen. Entionisiertes Wasser kann aufgrund seiner enormen Impedanz verwendet werden. Stattdessen Leitungswasser leitfähige Ionen enthielt, wurde verwendet, um Hyaluronsäure-Lösungen für Experimente vorzubereiten. Jedoch waren die elektrischen Eigenschaften des Leitungswassers nicht konstant für den Einsatz. Daher Normalisierung, wie beispielsweise die relative Verdampfungsgeschwindigkeit von Wasser in dieser Studie wurde als Alternative Index für die Verdampfung angenommen. Die Einschränkung dieser Technik ist, dass getesteten Lösungen leitfähige Ionen für die elektrochemische Charakterisierung aufweisen.
In jüngster Zeit ein graphenbasierten Impedanz Chip wurde für die Modifikation dieser Technik 20 vorgeschlagen. Mit außergewöhnlichen elektronischen und optoelektronischen Eigenschaften hat Graphen beträchtliche Aufmerksamkeit als Alternative zu ITO für verschiedene Elektroden oder Leiter appl erreichtikationen. Die Graphen-fingerartigen Elektrodenchip wurde bei der Prüfung der Stabilität der Emulsionsprodukten durch elektrochemische Impedanzspektroskopie erfolgreich unter Beweis gestellt.
Diese Studie ergab, dass eine 0,05% Hyaluronsäure-Lösung, die relative Verdampfungsgeschwindigkeit von Wasser um 12% reduziert werden kann, wie durch die Impedanz gemessen. Daher kann Hyaluronsäure topische Anwendung von 0,1% Creme zu einer deutlichen Verbesserung der Hautfeuchtigkeit führt 21. Das Molekulargewicht von Hyaluronsäure spielt eine wichtige Rolle in ihrer Anwendungen. So könnte beispielsweise Hyaluronsäure mit einem höheren Molekulargewicht bessere analgetische Wirkung 22. Die Anwendung von niedermolekularen Hyaluronsäure hatte eine signifikante Reduktion der Faltentiefe durch bessere Penetration Fähigkeiten 21. In der Zukunft können die Wirkungen des Molekulargewichts auf das Feuchthaltevermögen von Hyaluronsäure untersucht werden, um gleichzeitig auf dieser impedanzbasierten Plattform mit multiple Probenmessungen für Vergleichszwecke. Insgesamt 6 Chips können an den hausgemachten Schaltrelais verbunden werden, um die auch die Angabe für einen Echtzeit-Test auf 48 Proben in einem Time-Sharing-Weise getestet werden.
Obwohl der herkömmliche Ansatz Gewichtsänderung als eine einfache steht und der einfachste Weg, um die Feuchthaltevermögen einer Lösung zu messen, ist es eine zeitaufwendige Ansatz für genügend Gewichtsveränderung beobachtet eine genaue Verdampfungsrate zu bestimmen. Zum Beispiel dauerte es etwa einen halben Tag die gewünschte Verdampfungsrate von Hyaluronsäure-Lösung zur Erkennung aufgrund der Nachweisgrenze von einer Präzisionswaage mit angemessenen experimentellen Fehler in dieser Studie. Jedoch ist die elektrische Eigenschaft einer Lösung empfindlicher als Gewicht. Die Veränderung der elektrischen Eigenschaften kann früher als Gewichtsverlust in den Verdampfungsprozess detektiert werden. In dieser Studie wurde die Änderungsrate in der elektrischen Impedanz der Hyaluronsäure-Lösung am Ende einer einstündigen BeobZeitraums der Verdunstung wurde ausreichend bestimmt. Daher wird die präsentierte impedanzbasierten Erfassungsvorrichtung des herkömmlichen Wiegeverfahren in Bezug auf die Detektionsempfindlichkeit und die Reaktionszeit zu übertreffen gefunden.
Auf die frühere Veröffentlichung 23 und kommerzielle Vorrichtung zur Beurteilung von transdermalen Wasserverlust entspricht , kann die elektrische Eigenschaft als Index werden behandelt , um die Verdampfungsrate zu reflektieren. Dies jedoch präsentiert impedanzbasierten Detektionsvorrichtung zeigt folgende Vorteile gegenüber dem früheren: (i) ein kleines Probenvolumenbedarf, (ii) parallele Detektion, (iii) eine einfache Demontage zur Reinigung und Wiederverwendung, und (iv) mehrere Anwendungen wie Bio molekulare Erkennung, Zellverhalten und Phasentrennung 16-19. Die vorgeschlagene hochempfindliche und schnelle Reaktion impedanzbasierte Gerät ist als überlegen Kandidaten validiert Eindampfversuchen relativ zu einem herkömmlichen Gewichtsverlust Ansatz behandeln. In der Zukunft,Dieser Vorschlag impedanzbasierten Vorrichtung kann möglicherweise auch in jeder intrinsische Eigenschaft eines Materials oder ein spezielles Verfahren angewandt werden, die die Leitfähigkeit eines elektrochemischen Systems 24 beeinflussen könnten.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde durch das Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan, unter Gewährung Nummern 104-2221-E-241-001-MY3 und MOST 105-2627-B-005-002 MOST gefördert.
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
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