Summary
מאמר זה מציג מנגנון מבוסס-עכבה לגילוי שיעור האידוי של פתרונות. הוא מציע יתרונות ברורים על פני גישת הרזיה קונבנציונלית: תגובה מהירה, איתור רגישות גבוהה, דרישת מדגם קטנה, מדידות מדגם מרובות, ופירוק קל למטרות ניקוי והשימוש חוזרים.
Abstract
מאמר זה מתאר את שיטת פלטפורמת עכבה מבוססת רומן לצורך זיהוי של שיעור האידוי. החומצה ההיאלורונית מודל המתחם הועסקה כאן למטרות הדגמה. בדיקות אידוי מרובות על מתחם המודל בתור humectant עם ריכוזים שונים בפתרונות נערכו לצרכי השוואה. גישת הרזיה קונבנציונלית ידועה בתור הטכניקה ביותר הפשוטה, אבל זמן רב, מדידה לגילוי שיעור אידוי. עם זאת, חסרון ברור הוא כי נפח גדול של מדגם נדרש ובדיקות מדגם מרובות לא יכולות להתנהל באותו הזמן. בפעם הראשונה בספרות, שבב חישת עכבה חשמלי מוחל בהצלחת חקירת אידוי בזמן אמת שיתוף זמן, באופן רציף ואוטומטי. יתר על כן, קטן כמו 0.5 מיליליטר של דגימות בדיקה נדרש במנגנון עכבה מבוססת זה, וגרסת עכבה גדולה מודגמת בין soluti השונה לדלללפיירפוקס. חישת עכבת הרגישות גבוהה המוצעת ומהירה-תגובת המערכת נמצאת להכות גישת הרזיה קונבנציונלית במונחים של שיעור איתור אידוי.
Introduction
אידוי הוא סוג של אידוי הנוזל מתרחש לאורך הממשק הנוזלי גז של גוף קולקטיבי של מים. מולקולות המים הסמוכים לפני השטח להיות מסוגלות להימלט מן הנוזל בשל התנגשות של מולקולות מים. שיעור האידוי הוא גורם מפתח חשוב בתהליך של אידוי. באופן כללי, צינור איזון או נפח 1-3 הוא בשימוש נרחב כדי לאתר את ההתאדות של פתרונות. עם זאת, זה לוקח הרבה זמן למדוד את קצב האידוי בשל מגבלת הדיוק של איזון או צינור נפח. מסיבה זו, מכשיר קשוב רגישות הגבוהה יש לפתח לפשפש הפרטים של תהליך האידוי.
ספקטרוסקופיה העכבה אלקטרוכימיות (EIS) היא תגובה מהירה, אמצעי ניסיוני רגיש ויעיל מבחינת זיהוי עכבת in-situ לאפיון מערכת אלקטרו 4. לכן, EIS ניתן ליישם אוף שוניםLDS, כמו מחקרים שנעשו לאחרונה על התנהגות הסלולר 5, חישה bioanalytical 6-7, אלקטרוליזה 8, פולימרים מוליכים 9, ו -10 החילוץ אלקטרוכימיים. למרות מערכות EIS כבר מיושמות בהצלחה במגוון רחב של תחומים, קיימים מספר קטן מאוד של פרסומים על יישומו מחקר אידוי.
חומצה היאלורונית, רב-סוכר משקל מולקולרי גבוה עם פוטנציאל מים מחייבים חזק, הוא humectant ידוע עבור יישומים קוסמטיים. מולקולת חומצה היאלורונית אפשר לקשור עד 500 מולקולות מים 11 ולהגיע 1,000 פעמים נפח המקורי 12. סכום קטן מאוד של חומצה היאלורונית יכול להחזיק פונקצית לחות 13-14. בשל שמירת לחות הגבוהה, חומצה היאלורונית הפכה מרכיב חשוב של מוצרי humectant קוסמטיים בעלי ערך מסחרי גבוה ברחבי העולם 15.
Tבמחקרו מציג את השיטה של מנגנון מבוסס עכבת רומן שמציע זיהוי מהירות גבוה, דרישת מדגם נפח קטנה, ומדידות מדגם מרובות 16-19. זה מוצג עם דגש על השוואת התעריפים של אידוי ביחס בין פתרונות כדרך לאמת את עליונותו של מנגנון זיהוי החדשני מעל באופן במשקל קונבנציונלי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ניסיוני צ'יפ מודול
- לפברק תחמוצת אינדיום בדיל (איטו) אלקטרודה שבב ידי photolithography ותהליכים תחריט רטוב כימיים
- קבל מצע איטו (370 מ"מ x 480 מ"מ x 0.5 מ"מ (H x W x L)) בשכבת 2,600 Å איטו מסחרי (ראה רשימת חומרים). פורסים את המצע איטו לממדים של 90 מ"מ x 90 מ"מ x 0.5 מ"מ עם חתכי זכוכית לתהליך דפוסים האלקטרודה איטו בתוך aligner 4 אינץ '.
- השתמש במנקה קולית לניקוי זכוכית איטו עם אצטון ולאחר מכן עם מים ללא יונים, במשך 15 דקות כל אחד. יבש את משטח הזכוכית איטו עם אוויר נקי ויבש.
- לוותר 5 מ"ל של תמיסת photoresist חיובי על פני השטח של הזכוכית איטו.
- השתמש coater ספין על XG 500 במשך 30 שניות כדי לייצר שכבת photoresist אחידה. ואז לאפות על פלטה חמה על 90 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות כדי ומגרשי ממס עודף photoresist.
- לחשוף את זכוכית איטו ל -14 mW של אור אולטרה סגול ב 436 ננומטר ב -3.1 שניות through photomask סרט עם דפוס תוכנן (ראה רשימת חומרים).
- לטבול את המדגם בתמיסה פיתוח 60 מ"ל ב 23 מעלות צלזיוס למשך 30 שניות כדי לפתח את נתיבי בדוגמת. ואז לאפות על פלטה חמה ב 120 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות כדי להקשות את photoresist ולשפר הידבקות photoresist.
- לטבול את המדגם עבור 3 דקות 60 מיליליטר תחריט פתרון על 80 מעלות צלזיוס כדי לחרוט את שכבת איטו לא המוגנת.
- לטבול את המדגם עבור 1 דקות ב 60 מ"ל אצטון כדי להסיר photoresist על פני הזכוכית איטו.
- פורסים את זכוכית איטו לתוך המימדים של 62 מ"מ x 35 מ"מ עבור שבב אלקטרודה איטו הניסוי (איור 1) עם חתכי זכוכית.
איור 1:. שבב אלקטרודה איטו מפוברק שבב איטו עם 8 זוגות של נתיבי האלקטרודה בדוגמת מוצג. ישנם 15 אלקטרודות מדידת 2 מ"מ x 8 מ"מ בקצה בצד, ואת שני המסלולים המרכזיים חולקים את אותה אלקטרודה. המרחק בין כל זוג אצבעות אלקטרודה בתוך באר מבחן הוא 7 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
- לבנות מודול שבב הניסוי
- נקה את מערך סיליקון 8-היטב המסחרי שואב קולי כפי שמוצג באיור 2 עם חומרי ניקוי, מים ללא יונים אז, אז 95% אתנול, ומי deionized מכן, במשך 15 דקות כל אחד.
- יבש את המערך סיליקון 8-היטב על ידי נושבת באוויר נקי ויבש.
- לחצו על מערך סיליקון 8-היטב לתוך שבב איטו כדי ליצור מודול שבב הניסוי (איור 3). בחוזקה לאגד את מערך סיליקון שבב איטו.
54575fig2.jpg "/>
איור 2:. מערך היטב סיליקון מערך סיליקון 8-היטב המסחרי יכול להחזיק 8 בדגימות שנבדקו בו זמנית. גודלו של כל אחד גם הוא 11 מ"מ x 8 מ"מ x 8.5 מ"מ (H x W x L). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3:. מודול שבב ניסיוני שבב האלקטרודה איטו מצורף עם מערך סיליקון 8-גם כדי ליצור את מודול שבב הניסוי. ההדבקה בין מערך סיליקון שבב איטו היא חזקה. לכן, מערך סיליקון שבב איטו יכול להתחבר יחדיו לשימוש ללא כל חומר דביק. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
2. מדידת עכבה
- חבר את המגבר למחשב, נעילה אישי, מתג הממסר כדי ליצור את מודול ההודעה עכב כפי שמוצג באיור 4.
איור 4:. סכמטי של המנגנון מבוסס עכבת המנעול-מגבר, מתג ממסר, ומחשב אישי המרכיב את מודול הודעת עכבה. המגבר המסחרי רגיש שלב הנעילה משמש לשליחה ולחלץ את האותות החשמליים. מעגל ממסר מתג תוצרת בית חיבור שבבי איטו שונה משמש כדי לציין אילו היטב ואשר שבב איטו להיבדק. סך של 6 שבבים ניתן לחבר את ממסר מתג ציון 48 דגימות באופן שיתוף זמן. הריאל-זמן-שלב ההתנגדות ואת פאזה אות של הפתרון נבדק נרשמות באופן רציף במחשב אישי עבור evaporat כולותהליך היון. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
- מכניסים את מודול שבב הניסוי לשקע של ממסר מתג.
- פרמטרים קלט בתוכנת המחשב. קלט תדר האות (1 kHz), מספר גם שצוין (0-7), מחזור ביצוע (100), ואת שם הקובץ (HA).
3. ניסויי אידוי
- הכן ארבעה פתרונות חומצה היאלורונית 2.5 מ"ל ב 0, 0.05, 0.5 ו -1 w / v% במים. מניח כל פתרון 2.5 מיליליטר מדגם בבקבוקון המדיד 14.75 מ"מ x 45 מ"מ x 8 מ"מ (OD x ג x ID).
- עבור כל פתרון, להוסיף פתרון 0.5 מ"ל מדגם באר אחת של מודול שבב איטו.
- לשקול ולהקליט את המשקל ההתחלתי של כל בקבוקון ידי מכונת משקל האלקטרונית.
- הפעל את תוכנת מחשב כדי למדוד באופן אוטומטי ולהקליט את בזמן אמת ההתנגדות פאזיים ואת האות pמשמרת hase בארות שצוינו על שבב איטו.
- התחל ניסויי האידוי זמנית באותו המקום על ידי שתי שיטת שקילת שיטת עכבה.
- לשקול ולהקליט את המשקל של כל בקבוקון ידי מכונת האיזון האלקטרונית בנקודות זמן מתוכננות.
- ניתוח נתונים שנאספו שיטת שיטת עכבה במשקל. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
במהלך תהליך האידוי, יוני מוליך הפתרון נבדק הפכו מרוכזים עם נפח פתרון והפוחת, ואת העכבה של פתרון זה ירד. שיעורי ירידה במשקל וירידה עכבה בהתקדמות אידוי עבור כל פתרון נבדק נמדדו. לשם השוואה, את הנתונים בשיעורי ירידה במשקל וירידה עכבה היו מנורמל מים ולאחר מכן קשרו יחד באיור 5. כמו באיור 5, אובדן משקל מדגים את אותה נטייה כמו עכבה, ומראה כי שיעור האידוי יחסית אידוי המים פוחתת עם ריכוז חומצה היאלורונית. עם זאת, כמות גדולה של וריאציה נמצאת גישת העכבה מבוססת המוצע מאשר בשיטה במשקל הקונבנציונלית לבחינות האידוי. הנתונים המנורמלים היו רק התערבות ריכוז 0.06 נפילה בין 0% ל -1% חומצה היאלורונית בגישה במשקל, בעודירידה עצומה של 0.84 נמצאה במנגנון המבוסס עכבה. משוואה ליניארית פשוטה משמשת להתייחס שיעורי המנורמל של ירידה במשקל וירידת עכבה.
Y = 0.0852X + 0.9166, R 2 = 0.97
כאשר X ו- Y מייצגים את שיעורי המנורמל של ירידת עכבה וירידה במשקל, בהתאמה. שיעור ירידה במשקל, כלומר, קצב האידוי של עניין, בתמיסת חומצה היאלורונית ניתן למצוא בהתאמה בדרך של הנתונים נמדדים ירידת העכבה. ביישומים מעשיים, נתוני העכבה הנמדדות ניתן להמיר במהירות לתוך ההרזיה של פתרון חומצה היאלורונית ידי משוואה ליניארית זו.
איור 5:. קצב אידוי יחסית למי פתרונות חומצה היאלורונית בריכוזים שונים שיעור האידוי ביחס WAter מוגדר שיעור האידוי של פתרון מנורמל על ידי מים. שיעור האידוי ביחס למים נגד ריכוז חומצה היאלורונית ידי בדיקות של איזון שבב עכבה מוצג יחד להשוואה. יש שינוי גדול הבדיקה של שבב עכבה לעומת הבדיקה של איזון. בר השגיאה הוא סטיית ההתקן בשלושה ניסויים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
השלב הקריטי למדידת אידוי זיהוי עכבה מבוססת זה הוא הכנת הפתרונים שנבדקו. מי Deionized לא ניתן להשתמש בשל העכבה העצומה שלה. במקום זאת, מי ברז המכילים יונים מוליכים שימש להכנת פתרונות חומצה היאלורונית לניסויים. עם זאת, המאפיינים החשמליים של מים ברז לא היו קבועים לשימוש. לכן, נורמליזציה, כגון שיעור האידוי ביחס למים במחקר זה, אומצה כמדד חלופי אידוי. המגבלה של שיטה זו היא כי פתרונות נבדקים חייבים להיות יונים מוליכים לאפיון אלקטרוכימיים.
ממש לאחרונה, שבב עכבה מבוסס גרפן הוצע השינוי של טכניקה זו 20. עם מאפיינים אלקטרוניים ו אופטו חריגים, גרפן השיג תשומת לב רבה כתחליף איטו עבור Appl אלקטרודה או מנצח שוניםications. האצבע דמוית מבוסס גרפן שבב אלקטרודה הודגם בהצלחה לבחינת האיתנות של מוצרים אמולסיה ידי ספקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימיים.
המחקר גילה כי פתרון חומצה היאלורונית 0.05% יכול להפחית את שיעור האידוי ביחס למים ב -12%, כפי שהיא נמדדת על ידי העכבה. לכן, יישום מקומי של קרם חומצה 0.1% היאלורונית יכול להוביל לשיפור משמעותי הידרציה העור 21. המשקל המולקולרי של חומצה היאלורונית ממלא תפקיד חשוב ביישומים שלה. לדוגמא, חומצה היאלורונית עם משקל מולקולרי גבוה יכולה להיות השפעה משככת כאבים טובים יותר 22. היישום של חומצה היאלורונית נמוך משקל מולקולרי, חלה הפחתה משמעותית של עומק הקמטים בשל היכולות חדירה טובה יותר 21. בעתיד, את ההשפעות של המשקל המולקולרי על קיבולת הלחות של חומצה היאלורונית ניתן ללמוד בו זמנית על פלטפורמה המבוססת עכבה זה עם multiple מדידות מדגם לצרכי השוואה. סך של 6 שבבים ניתן לחבר את ממסר מתג תוצרת בית ציון הבאר להיבדק עבור מבחן בזמן אמת על 48 דגימות באופן שיתוף זמן.
למרות גישת שינוי משקולות הרגילה עומדת בתור פשוט הדרך הפשוטה ביותר למדוד את קיבולת הלחות של פתרון, הוא גישה רבה-זמן להתבוננות שינוי משקל מספיק כדי לקבוע שיעור אידוי מדויק. לדוגמא, זה לקח בערך חצי יום כדי לזהות את קצב האידוי הרצוי של פתרון חומצה היאלורונית בשל גבול הגילוי של איזון דיוק עם שגיאת ניסיוני סבירה במחקר זה. עם זאת, הנכס החשמלי של פתרון הוא רגיש יותר משקל. שינוי תכונות חשמליות ניתן לאתר מוקדם יותר הרזיה בתהליך האידוי. במחקר זה, חל שינוי בשער עכבה חשמלית של פתרון חומצה היאלורונית בסוף של observa שעה אחתתקופה של אידוי tion נקבעה מספיק. לכן, מנגנון זיהוי העכבה המבוססת הציג נמצא להכות שיטה במשקל הקונבנציונלית במונחים של רגישות גילוי וזמן תגובה.
מקביל למכשיר 23 הפרסום ומסחר הקודם להערכת אובדן מים דרך עור, נכס החשמל ניתן לטפל כמדד המשקף את שיעור האידוי. עם זאת, מנגנון זיהוי מבוסס עכבה הציג זה מראה בא יתרונות על פני לשעבר: (i) דרישת נפח דגימה קטנה, (ii) זיהוי במקביל, (iii) פירוק קל לניקוי ושימוש חוזר, וכן (iv) מספר יישומים כגון ביו זיהוי מולקולרי, התנהגות הסלולר, ואת שלב ניתוק 16-19. הרגישות הגבוהה המוצעת ומהירה תגובת מנגנון עכבה מבוססת מקבלת תוקף כמועמד מעולה לטפל בדיקות אידוי ביחס גישת הרזיה קונבנציונלית. בעתיד,הצעה זו מנגנון עכבה מבוססת גם ניתן להחילו בכל נכס מהותי של חומר או תהליך מסוים שיכול להשפיע על המוליכות של מערכת אלקטרוכימיים 24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים אין לי מה לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו מומנה על ידי משרד המדע והטכנולוגיה, טייוואן, תחת מספרי מענק MOST 104-2221-E-241-001-MY3 ורוב 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. Electrochemical impedance spectroscopy. Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 207-229 (2010).
- 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).
