Summary
Dette notatet presenterer en impedans-basert apparat for fordampingen påvisning av løsninger. Det gir klare fordeler i forhold til en konvensjonell vekttap tilnærming: en rask respons, høy følsomhet deteksjon, en liten prøve kravet, flere eksempler på målinger, og enkel demontering for rengjøring og gjenbruk formål.
Abstract
Dette dokumentet beskriver en fremgangsmåte for en ny impedans-basert plattform for påvisning av fordampningshastigheten. Modellen sammensatte hyaluronsyre ble ansatt her for demonstrasjonsformål. Flere fordampning tester på modellen forbindelsen som et fuktemiddel med forskjellige konsentrasjoner i oppløsninger ble utført for sammenligningsformål. En konvensjonell vekttap metode er kjent som den enkleste, men tidkrevende, måleteknikken for fordampningshastighet deteksjon. Likevel, er en klar ulempe at et stort volum av prøven er nødvendig, og flere stikkprøver ikke kan gjennomføres på samme tid. For første gang i litteraturen, er en elektrisk impedans følerbrikke med hell anvendt på en sanntids fordampning undersøkelse i en tidsdeling, kontinuerlig og automatisk måte. Dessuten, så lite som 0,5 ml av testprøvene er nødvendig i denne impedans basert apparat, og en stor impedans variasjon påvises blandt forskjellige fortynnet solutions. Den foreslåtte høy følsomhet og rask respons impedans sensing system er funnet å utkonkurrere en konvensjonell vekttap tilnærming i form av fordampning avlesningen.
Introduction
Fordampning er en type væske fordampning og opptrer langs den gass-væske-grensesnittet til et felles legeme av vann. Vannmolekylene i nærheten av overflaten blir i stand til å unnslippe fra væsken som følge av kollisjon av vannmolekyler. Fordampningshastigheten er en viktig avgjørende faktor under prosessen med inndampning. Generelt er en balanse eller volumetrisk rør 1-3 er mye brukt for å detektere fordampning av løsninger. Det tar imidlertid lang tid for å måle fordampningshastigheten på grunn av den presisjon begrensning av en balanse eller en volumetrisk rør. Av denne grunn må en rask og høy følsomhet instrument bli utviklet for å sondere inn i detaljene i fordampningsprosessen.
Elektrokjemisk impedans spektroskopi (EIS) er en rask respons, sensitive og effektive eksperimentelle midler i form av in-situ impedans deteksjon for elektrokjemisk system karakterisering 4. Derfor kan EIS brukes i ulike fyLDS, slik som nyere studier om mobilatferd 5, bioanalytical sensing 6-7, elektrolyse 8, ledende polymerer 9 og elektrokjemisk utvinning 10. Selv om EIS systemer hadde med hell vært anvendt i en rekke disipliner, eksisterer det et svært lite antall publikasjoner i sin anvendelse til fordampning forskning.
Hyaluronsyre, et høymolekylært polysakkarid med sterkt vannbindende potensial, er et kjent fuktemiddel for kosmetiske anvendelser. En hyaluronsyre molekyl kan binde opptil 500 vannmolekyler 11 og nå 1000 ganger sin opprinnelige volum 12. En ekstremt liten mengde av hyaluronsyre kan ha fuktende funksjon 13-14. På grunn av høy fuktighet oppbevaring, har hyaluronsyre blitt en viktig del av kosmetiske fuktighetsbevarende produkter med høy kommersiell verdi på verdensbasis 15.
Tsin studie presenterer metoden av en roman impedans-basert apparat med høy hastighet gjenkjenning, lite volum prøve kravet, og flere eksempler på målinger 16-19. Det er presentert med fokus på den relative fordampingen sammenligning mellom løsninger som en måte å validere overlegenhet av den innovative onspåvisningsmekanisme over en vanlig veiing måte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Experimental Chip Module
- Dikte indium tinn oksid (ITO) elektrode chip ved fotolitografi og kjemiske våte etseprosesser
- Skaff en ITO substrat (370 mm x 480 mm x 0,5 mm (L x B x H)) med en 2600 Å ITO lag kommersielt (Se Materials List). Skjær ITO substratet til dimensjonene 90 mm x 90 mm x 0,5 mm med en glass kutter for ITO elektrode mønstringsprosess i en 4 tommers aligner.
- Bruke en ultralydrenser for å rengjøre Ito glass med aceton og deretter med avionisert vann, i 15 minutter hver. Tørk av ITO glass med ren tørr luft.
- Dispensere 5 ml positiv fotoresist oppløsning på overflaten av ITO glass.
- Bruk spinnbeleggeren ved 500 xg i 30 sekunder for å frembringe et ensartet lag fotoresist. Deretter bake på en varmeplate ved 90 ° C i 5 minutter for å avdrive overskudd av løsningsmiddel i fotoresisten.
- Expose ITO glass til 14 mW av ultrafiolett lys ved 436 nm for 3,1 sek through en film fotomaske med designet mønster (Se Materials List).
- Dyppe prøven i 60 ml utvikling oppløsning ved 23 ° C i 30 sek for å utvikle de mønstrede ruter. Deretter bake på en varmeplate ved 120 ° C i 10 minutter for å herde den fotoresist og forbedre fotoresist adhesjon.
- Dyppe prøven i 3 min i 60 ml etsende oppløsning ved 80 ° C for å etse det ubeskyttede ITO lag.
- Dyppe prøven i 1 minutt i 60 ml aceton for å fjerne fotoresisten på overflaten av ITO glass.
- Skjær Ito glass inn i dimensjonene 62 mm x 35 mm for den eksperimentelle ITO elektroden brikke (figur 1) med et glass cutter.
Figur 1:. ITO elektrode chip Den fabrikkert ITO brikke med 8 par elektrode-mønstrede ruter er vist. Det er 15 elektroder måler 2 mm x 8 mm i siden, og de sentrale to rutene har samme elektrode. Avstanden mellom hvert par av elektrode fingrene i en testbrønn er 7 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Konstruer eksperimentelle chip modul
- Rens det kommersielle 8-brønns silikon matrise med en ultralydrenser som vist i figur 2 med vaskemiddel, deretter avionisert vann, deretter 95% etanol, og deretter avionisert vann, i 15 minutter hver.
- Tørk 8-brønnen silikon matrise ved å blåse ren tørr luft.
- Trykk på 8-brønns silikon matrise inn i ITO brikken for å danne den eksperimentelle chip-komponent (figur 3). Tett binde silikon matrise og ITO chip.
54575fig2.jpg "/>
Figur 2:. Silikon godt utvalg kommersielle 8-brønn silikon matrisen kan holde 8 testede prøver samtidig. Størrelsen på hver brønn er 11 mm x 8 mm x 8,5 mm (L x B x H). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Fig. 3: Eksperimentell chip-komponent for ITO elektrode brikken er festet med den 8-vel silikon matrise for å danne den eksperimentelle chip-komponent. Adhesjonen mellom silikon matrisen og det ITO-brikken er sterk. Derfor silikon matrise og ITO chip kan binde sammen for bruk uten klebemiddel. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
2. Impedans Måling
- Koble den personlige datamaskinen, lock-in-forsterker, og bryter relé for å danne impedans avlesningsmodulen som vist i figur 4.
Fig. 4: Skjematisk av impedans-baserte anordning for lock-in-forsterker, bryter relé, og personlig datamaskin består av impedansen avlesningsmodulen. Den kommersielle fase-følsomme lock-forsterker brukes til å sende og hente ut de elektriske signalene. Den hjemmelagde bryteren relé krets koble ulike ITO chips brukes til å angi hvilke godt og som ITO chip som skal testes. Totalt 6 brikker kan kobles til bryteren relé som spesifiserer 48 prøver i en tidsdelings måte. Den sanntids i-fase motstand og signalet faseforskyvningen av de testede løsning blir registrert kontinuerlig på en personlig datamaskin for hele evaporation prosess. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Sett den eksperimentelle chip modulen inn i kontakten på bryteren stafetten.
- Inngangsparametre i dataprogrammet. Inngangssignalfrekvensen (1 kHz), er angitt vel tall (0-7), utførelsen syklus (100), og filnavnet (HA).
3. avdampingsforsøk
- Fremstille fire 2,5 ml hyaluronsyre-oppløsninger ved 0, 0,05, 0,5 og 1 vekt / volum% i vann. Sted hver 2,5 ml prøveoppløsning i et hetteglass som måler 14,75 mm x 45 mm x 8 mm (OD x H x ID).
- For hver løsning, tilsett 0,5 ml prøveoppløsning til en enkelt brønn av ITO chip-komponent.
- Vei og registrere den opprinnelige vekt av hvert hetteglass av den elektroniske balansen maskinen.
- Utføre dataprogrammet til automatisk å måle og registrere real-time i-fase-motstanden, og signalet phase skift av angitte brønner på ITO chip.
- Start fordampning eksperimenter samtidig på samme sted ved både veiemetoden og impedans-metoden.
- Vei og ta vekten av hvert hetteglass med elektronisk balanse maskin på fastsatte tidspunkter.
- Analyser innsamlede data i veiemetoden og impedans-metoden. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I løpet av fordampningen, de ledende ioner i den testede oppløsning ble konsentrert med avtagende volum oppløsning, og impedansen av denne oppløsning ble redusert. Satsene for vekttap og impedans reduksjon i fordampningen fremgang for hver testet løsningen ble målt. For sammenligningsformål dataene i satsene for vekttap og impedansen reduseres ble normalisert til vann og deretter plottet sammen på figur 5. Som illustrert i figur 5, viser det vekttap den samme tendensen som impedans, og viser at den relative fordampningshastigheten til vann fordampning avtar med hyaluronsyre konsentrasjon. Det er imidlertid en stor mengde av variasjonen i den foreslåtte impedans tilnærming enn i den konvensjonelle veiemetoden for fordampning undersøkelser. Den normaliserte data bare hadde en 0,06 fall fra 0% til 1% hyaluronsyre konsentrasjon inngrep i veie tilnærming, mens enenorm dråpe på 0,84 ble funnet i impedans-baserte apparat. Den enkle lineære ligningen brukes til å relatere de normaliserte priser av vekttap og impedans nedgang.
Y = 0.0852X + 0,9166, R 2 = 0,97
hvor X og Y representerer den normaliserte forekomst av impedans reduksjon og vekt-tap, respektivt. Hastigheten av vekttap, dvs. fordampningshastigheten av interesse, i hyaluronsyre løsning kan finnes tilsvarende ved hjelp av de målte data i den impedans reduseres. Ved praktiske anvendelser, kan de målte impedans dataene bli raskt omdannet til vekttapet av hyaluronsyre løsning av denne lineær ligning.
Figur 5:. Relative fordampingshastigheter til vann av hyaluronsyre løsninger på ulike konsentrasjoner Den relative fordampingen til WAter er definert som fordampingen av en løsning normalisert med vann. Den relative fordampingen til vann mot hyaluronsyre konsentrasjon av tester av balanse og impedans chip vises sammen for sammenligning. Det er en større endring i testing av impedansen brikke sammen testingen av saldoen. Feilen bar er standardavviket i tre eksperimenter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det kritiske trinnet for fordamping måling i denne impedans-baserte deteksjons er fremstillingen av de testede løsninger. Deionisert vann kan ikke brukes på grunn av sin enorme impedans. I stedet, ble springvann inneholdende elektrisk ledende ioner anvendes for fremstilling av hyaluronsyre-løsninger for eksperimenter. Men de elektriske egenskapene til ledningsvann var ikke konstant for bruk. Derfor normalisering, slik som den relative fordampningshastigheten til vannet i denne studien ble tatt i bruk som et alternativ indeks for fordampning. Begrensningen med denne teknikken er at testede løsninger må ha ledende ioner for elektrokjemiske karakterisering.
Meget nylig har en graphene basert impedans chip blitt foreslått for modifikasjon av denne teknikk 20. Med eksepsjonell elektroniske og optiske egenskaper, har graphene oppnådd stor oppmerksomhet som et alternativ til ITO for ulike elektrode eller dirigent Applications. Den graphene-baserte finger-lignende elektrode chip ble demonstrert i å undersøke stabiliteten av emulsjon produkter med elektrokjemisk impedans spektroskopi.
Denne studien viste at en 0,05% hyaluronsyre oppløsning kan redusere den relative fordampningshastigheten for vann med 12% målt ved impedans. Derfor kan lokal påføring av 0,1% hyaluronsyre krem føre til en betydelig forbedring av hudens fuktighet 21. Molekylvekten til hyaluronsyre spiller en viktig rolle i dets anvendelser. For eksempel kan hyaluronsyre med en høyere molekylvekt har bedre smertestillende effekter 22. Anvendelsen av lav molekylvekt hyaluronsyre hadde en betydelig reduksjon av rynkedybden på grunn av bedre penetrasjon evner 21. I fremtiden, kan effektene av molekylvekten på den fuktighetskapasiteten av hyaluronsyre studeres samtidig på denne impedans-basert plattform med multiple prøve målinger for sammenligningsformål. Totalt 6 brikker kan være koblet til hjemmelaget bryterrelé spesifiserer brønnen som skal testes for en sanntids-test på 48 sampler i en tidsdelings måte.
Selv om konvensjonelle vektendring tilnærming står som en enkel, og den enkleste måten for å måle fuktighetskapasiteten til en løsning, er det en tidkrevende metode for å observere nok vektendring for å bestemme en nøyaktig fordampningshastighet. For eksempel, det tok omtrent en halv dag for å detektere den ønskede fordampningshastigheten av hyaluronsyre løsning på grunn av deteksjonsgrensen på en presisjonsvekt med rimelig eksperimentelle feil i denne studien. Imidlertid er elektrisk egenskap av en løsning er mer følsom enn vekten. Endringen i elektriske egenskaper kan bli oppdaget raskere enn vekttap i fordampningsprosessen. I denne studien ble den endringshastighet i elektrisk impedans av hyaluronsyre oppløsning ved slutten av en times iakttagelserperioden av fordampning ble tilstrekkelig bestemt. Derfor er presentert impedans-baserte deteksjonsapparat funnet å utkonkurrere den konvensjonelle veiemetoden når det gjelder følsomhet og responstid.
Tilsvarende til forrige publisering 23 og kommersiell enhet for vurdering av depot vanntap, kan den elektriske eiendommen bli behandlet som en indeks for å reflektere fordampingen. Imidlertid viser dette ga impedans-baserte deteksjonsapparat følgende fordeler i forhold til tidligere: (i) et lite prøvevolum krav, (ii) parallell deteksjon, (iii) lett demontering for rengjøring og gjenbruk, og (iv) flere applikasjoner slik som bio molekylær deteksjon, cellular atferd, og faseseparasjon 16-19. Den foreslåtte høy følsomhet og rask respons impedans-basert apparat er validert som en overlegen kandidat til å håndtere fordampning tester i forhold til en konvensjonell vekttap tilnærming. I fremtiden,Dette forslaget impedans-baserte anordning kan også potensielt anvendes i en hvilken som helst iboende egenskap ved et materiale eller en spesifikk prosess som kan påvirke ledningsevnen i et elektrokjemisk system 24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble sponset av departementet for vitenskap og teknologi, Taiwan under tilskuddsordninger tall MEST 104-2221-E-241-001-My3 og MOST 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).
