Summary
Bu makale çözümleri buharlaşma oranı tespiti için bir empedans tabanlı cihazı sunar. Bu geleneksel bir kilo kaybı yaklaşımı üzerinde net avantajlar sunmaktadır: hızlı yanıt, yüksek hassasiyetli algılama, küçük bir örnek gereksinimi, çoklu numune ölçümleri, temizlik ve yeniden amaçlı kolay sökme.
Abstract
Bu çalışma, buharlaşma oranının saptanması için yeni bir empedans tabanlı platformun bir yöntem açıklanır. Model bileşik hyaluronik asit gösteri amaçlı burada istihdam edildi. Çözeltilerin çeşitli konsantrasyonları ile nemlendirici gibi model bileşiği birden çok buharlaşma testleri karşılaştırma amacıyla yürütülmüştür. Geleneksel kilo kaybı yaklaşım buharlaşma oranı tespiti için en basit, ancak zaman alıcı, ölçüm tekniği olarak bilinir. Bununla birlikte, açık bir dezavantaj numunenin büyük miktarda gereklidir ve birden fazla örnek testleri aynı anda yapılan edilemez olmasıdır. literatürde ilk kez, bir elektrik empedans algılama çipi başarılı bir zaman paylaşımı, sürekli ve otomatik bir şekilde, gerçek zamanlı bir buharlaştırma inceleme uygulanır. Ayrıca, az test numuneleri 0.5 ml olarak empedans tabanlı cihaz gereklidir, ve büyük bir empedans değişimi, çeşitli seyreltilmiş soluti arasında gösterilmiştirons. Önerilen yüksek hassasiyetli ve hızlı tepki empedans algılama sistemi buharlaşma oranı tespiti açısından geleneksel bir kilo kaybı yaklaşımını daha iyi performans bulunmuştur.
Introduction
Buharlaştırma, sıvı buharlaşmasının türüdür ve sudan oluşan bir topluluğun bir gaz-sıvı arayüz boyunca meydana gelir. yüzeye yakın su molekülleri nedeniyle su moleküllerinin çarpışması sıvının kaçan yeteneğine sahip olmak. buharlaşma oranı buharlaşma sürecinde önemli bir önemli bir faktördür. Genellikle, bir denge ya da hacimsel tüp 1-3 çözümleri buharlaşmasını tespit etmek için yaygın kullanılmaktadır. Ancak, bunun nedeni bir denge ya da hacimsel tüp hassas sınırlamasına buharlaşma oranını ölçmek için uzun bir zaman alır. Bu nedenle, bir duyarlı ve yüksek hassasiyetli enstrüman buharlaşma sürecinin detaya araştırmak için geliştirilmesi gerekmektedir.
Elektrokimyasal empedans Spektroskopisi (EIS), hızlı tepki, elektrokimyasal sistem karakterizasyonu 4 yerinde empedans saptanması açısından hassas ve etkili bir deney yöntemidir. Bu nedenle, EIS çeşitli bes uygulanabilirlds, Böyle bir son hücresel davranış 5 ile ilgili çalışmaların, biyoanalitik algılama 6-7, elektroliz 8, iletken polimerlerin 9 ve elektrokimyasal çıkarma 10 olarak. ÇBS sistemleri başarıyla disiplinlerden geniş bir yelpazede uygulanan olmuştu olsa da, buharlaşma araştırma yaptığı başvuruda yayınları son derece az sayıda de mevcuttur.
Hyaluronik asit, mutlaka su-bağlayıcı potansiyeli olan yüksek molekül ağırlıklı bir polisakarit, kozmetik uygulamalar için iyi bilinen bir nemlendiricidir. Bir hyaluronik asit molekülü 500 su molekülleri 11 kadar bağlamak ve 1000 kat orijinal hacminin 12 ulaşabilir. Hyaluronik asit son derece küçük bir miktar nemlendirici fonksiyonu 13-14 sahip olabilir. Nedeniyle yüksek nem tutma, hyaluronik asit, dünya çapında 15 yüksek ticari değeri olan kozmetik nemlendirici ürünleri önemli bir bileşeni haline gelmiştir.
TOnun çalışma yüksek hız algılama, küçük hacimli numune gereksinimi ve çoklu numune ölçümleri 16-19 özelliğine yeni bir empedans tabanlı aparatın yöntem sunuyor. Bu geleneksel tartı şekilde üzerinde yenilikçi algılama mekanizmasının üstünlüğü doğrulamak için bir yol olarak çözümler arasında göreceli buharlaşma oranı karşılaştırma odaklanarak sunulmuştur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Deneysel çip modülü
- Indiyum kalay oksit (İTO) fotolitografi ve kimyasal ıslak aşındırma işlemleri ile elektrod bir yonga
- ticari bir 2.600 Å İTO tabakası ile bir İTO substratı (370 mm x 480 mm x 0,5 mm (U x G x Y)) elde (Malzeme Listesi). 4 inçlik hizalama içinde İTO elektrot desenlendirme işlemi için bir cam kesici x 90 mm x 0,5 mm 90 mm boyutlarına İTO substratı dilimleyin.
- Her biri 15 dakika için deiyonize su ile daha sonra aseton ile İTO cam temizlemek için bir ultrason temizleyici kullanın. temiz ve kuru hava ile İTO cam kurulayın.
- İTO cam yüzeyi üzerine pozitif fotorezist çözeltisi 5 ml koyun.
- homojen bir fotodirenç tabakası üretilmesi için 30 saniye boyunca 500 xg'de santrifüj kaplama cihazı kullanın. 5 dakika fotorezist aşırı çözücüyü çıkarmak için daha sonra 90 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde pişirilir.
- 3.1 sn t 436 nm'de ultraviyole ışık 14 mW İTO cam Açığatasarlanmış deseni ile film photomask hrough (Malzeme Listesi).
- desenli yolları geliştirmek için 30 saniye boyunca 23 ° C'de 60 mi geliştirme çözeltisi içinde örnek bırakın. 10 dk ışığa sertleşmesine ve fotorezist yapışmasını geliştirmek için daha sonra 120 ° C'de bir ocak pişirin.
- Korunmasız İTO katmanı etch 80 ° C'da, çözelti 60 ml gravür 3 dakika için numune bırakın.
- İTO cam yüzeyi üzerinde ışığa çıkarmak için 60 ml aseton içinde 1 dakika için örnek bırakın.
- Bir cam kesici ile deneysel İTO elektrot çip x 35 mm 62 mm (Şekil 1) boyutlara İTO cam dilimleyin.
Şekil 1:. İTO elektrot çip gösterilen elektrot desenli yollarının 8 çift ile İTO çip fabrikasyon. 15 elektrotlar bulunmaktadır yan kenarında 2 mm x 8 mm ölçüsünde ve merkezi iki yolları aynı elektrot paylaşıyoruz. Bir test kuyudaki elektrot parmakları her çifti arasındaki mesafe 7 mm. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
- Deneysel çip modülü Construct
- 15 dakika her biri için, deterjan, daha sonra iyonu giderilmiş su, daha sonra% 95 etanol ve deiyonize su ile, Şekil 2'de gösterildiği gibi, bir ultrasonik temizleyici ticari 8 oyuklu silikon dizi temizleyin.
- temiz, kuru hava üfleyerek 8-iyi silikon dizi kurutun.
- Deneysel çip modülü (Şekil 3) oluşturmak amacıyla İTO yonga içine 8-iyi silikon dizisi basın. Sıkıca silikon dizi ve İTO çip bağlamak.
54575fig2.jpg "/>
Şekil 2:. Silikon kuyu dizisi ticari 8-iyi silikon dizisi aynı anda 8 test örnekleri tutabilir. Her kuyunun boyutu x 8 mm x 8.5 mm (U x G x Y) 11 mm dir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 3:. Deneysel çip modülü İTO elektrot çip deneysel yonga modülü oluşturmak için 8-iyi silikon dizisi ile takılır. Silikon dizisi ve İTO çip arasındaki yapışma güçlüdür. Bu nedenle, silikon dizisi ve herhangi bir yapıştırıcı madde olarak kullanılmak için bir araya bağ olabilir İTO yongası. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
2. Empedans Ölçümü
- Şekil 4'te gösterildiği gibi empedans okuma modülü oluşturmak için kişisel bilgisayar, kilit-amplifikatör ve anahtar rölesini bağlayın.
Şekil 4:. Empedans tabanlı aparatın şematik kilit-amplifikatör, anahtar röle ve kişisel bilgisayar empedans okuma modülü içermektedir. Ticari Faz duyarlı kilit-amplifikatör elektrik sinyalleri göndermek ve ayıklamak için kullanılır. Çeşitli İTO cips bağlayan ev yapımı anahtar röle devresi test edilecek iyi olan ve hangi İTO çip belirtmek için kullanılır. 6 fiş toplam bir zaman paylaşımı şekilde 48 örnekleri belirterek anahtarı röle bağlanabilir. dirençli ve test edilen çözeltinin sinyali faz kayması bütün evaporat için kişisel bir bilgisayarda sürekli olarak kaydedilir faz-içi gerçek zamanlıiyon süreç. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
- Anahtar rölesinin sokete deneysel çip modülü koyun.
- bilgisayar programında girdi parametreleri. Giriş sinyali frekansı (1 kHz), belirtilen kuyu sayısı (0-7), yürütme döngüsü (100), ve dosya (HA).
3. Buharlaşma Deneyleri
- su içinde, 0, 0.05, 0.5 ve 1 w / v% dört 2.5 mi hyaluronik asit solüsyonu hazırlayın. 14.75 mm x 45 mm x 8 mm (OD x Y x ID) ölçülerinde bir flakon her 2.5 ml örnek çözümü yerleştirin.
- Her çözüm için İTO çip modülü tek bir kuyu için 0.5 ml örnek çözüm ekleyin.
- Tartın ve Elektronik terazi makine tarafından her şişeye başlangıç ağırlığı kaydedin.
- otomatik olarak ölçmek ve faz-içi direnç gerçek zamanlı kayıt bilgisayar programı ve sinyal p yürütmekİTO çip üzerinde belirtilen kuyuların hase kayması.
- tartı yöntem ve empedans yöntemiyle hem aynı yerde aynı anda buharlaşma deneyleri başlayın.
- Tartılır ve planlanan zaman noktalarında elektronik denge makinesi tarafından her flakon ağırlığı kaydedin.
- Tartım yöntemi ve empedans yöntemi toplanan verileri analiz edin. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Buharlaşma işlemi sırasında test edilen çözelti içinde iletken iyonları azaltılması çözeltisi hacmi ile konsantre hale geldi ve bu çözeltinin empedansı azalmıştır. kilo kaybı ve her test çözeltisi için buharlaşma devam empedans azalma oranları ölçülmüştür. Karşılaştırma amaçlı olarak, ağırlık kaybı ve empedans azalma oranları veri su normalize edildi ve daha sonra, Şekil 5'in birlikte çizilmiştir. Şekil 5'te gösterildiği gibi, kilo kaybı empedansı ile aynı eğilimi gösterir ve gösterir nispi bir buharlaşma oranı su buharlaşma hiyalüronik asit konsantrasyonu azalır. Bununla birlikte, değişkenlik, büyük miktarda buharlaşma incelemelerde geleneksel tartım yöntemde daha önerilen empedans tabanlı yaklaşım bulunmaktadır. normalize veriler yalnızca bir süre, tartı yaklaşımda bir 0.06 düşüş 1 ila% 0 dan% hyaluronik asit konsantrasyonu müdahale vardı0.84 muazzam damla empedans tabanlı aparat bulundu. Basit lineer denklem kilo kaybı ve empedans azalma normalize oranları ilişkilendirmek için kullanılır.
Y = 0.0852X + 0,9166, R2 = 0.97
X ve Y sırasıyla empedans azalma ve kilo kaybı, normalize oranları temsil eder. Hyaluronik asit çözeltisi içinde ağırlık kaybı, örneğin, ilgi konusu buharlaşma oranı, hızı uygun oranda empedansı azalma ölçülen verilerin bir şekilde bulunabilir. Pratik uygulamalarda, direnç ölçümleri verileri hızlı bir şekilde bu doğrusal denklem ile hiyalüronik asit çözeltisi ağırlık kaybı dönüştürülebilir.
Şekil 5:. Farklı konsantrasyonlarda hyaluronik asit çözeltilerinin su Bağıl buharlaşma oranları göreceli buharlaşma oranı wa içinter su ile normalleştirilmiş bir çözeltisinin buharlaştırılması oranı olarak tanımlanır. denge ve empedans çipin testlerle hyaluronik asit konsantrasyonuna karşı suya göre buharlaşma oranı karşılaştırma için bir araya gösterilmiştir. denge testleri karşılaştırıldığında empedans çip test daha büyük bir değişiklik yoktur. Hata çubuğu üç deneylerde standart sapmadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu empedans tabanlı algılama buharlaşma ölçümü için kritik bir adım test çözeltilerin hazırlanmasıdır. Deiyonize su muazzam empedans nedeniyle kullanılamaz. Bunun yerine, iletken iyonları içeren musluk suyu deneyleri için hyaluronik asit solüsyonu hazırlamak için kullanıldı. Ancak, musluk suyunun elektriksel özellikleri kullanmak için sabit değildi. Bu nedenle, bu çalışmada su nispi bir buharlaşma hızına olarak normalleştirme, buharlaştırma için alternatif bir indeks olarak kabul edilmiştir. Bu tekniğin bir sınırlama Test solüsyonları elektrokimyasal karakterizasyon için iletken iyonları sahip olmasıdır.
Çok yakın bir zamanda, bir grafin dayalı empedans çip bu tekniğin 20 modifikasyonu için önerilmiştir. olağanüstü elektronik ve optoelektronik özellikleri ile, grafen çeşitli elektrot veya iletken İçi için İTO alternatif olarak büyük ilgi ulaşmıştırications. grafen tabanlı parmak şeklinde elektrot çip başarıyla elektrokimyasal empedans spektroskopi ile emülsiyon ürünlerinin stabilitesini incelerken gösterilmiştir.
Bu çalışma, empedans ile ölçülen% 0.05 hyaluronik asit çözeltisi% 12 su nispi bir buharlaşma hızına azaltabileceğini göstermiştir. Bu nedenle,% 0.1 hialüronik asit krem topik uygulama deri hidrasyonu 21 önemli bir iyileşmeye yol açabilir. hiyaluronik asit molekül ağırlığı uygulamaları önemli bir rol oynar. Örneğin, daha yüksek bir moleküler ağırlığa sahip hiyalüronik asit daha analjezik etkileri 22 olabilir. Düşük molekül ağırlıklı hyalüronik aside ait uygulamaya bağlı olarak daha iyi bir penetrasyon yetenekleri 21 kırışıklık derinliğinde önemli bir azalma görülmüştür. Gelecekte, hiyalüronik asit nemlendirici kapasitesine molekül ağırlığı etkisi multip Bu empedans bazlı platforma göre eş zamanlı olarak incelenebilirkarşılaştırma amacıyla le örnek ölçümleri. 6 yongaları toplam bir zaman bölüşüm usulü ile 48 numune üzerinde gerçek zaman test için test edilecek olan kuyu belirten yapımı anahtar rölesi bağlanabilir.
Geleneksel ağırlık değişimi yaklaşımı basit ve bir çözümün nemlendirici kapasitesini ölçmek için en basit yol olarak duruyor olsa da, doğru bir buharlaşma oranını belirlemek için yeterli ağırlık değişimi gözlemlemek için zaman alıcı bir yaklaşımdır. Örneğin, bunun nedeni bu çalışmada uygun deneysel hata sahip olan bir hassas denge algılama limitine hyaluronik asit solüsyonunun arzu edilen buharlaşma oranı tespit etmek için yaklaşık yarım gün sürdü. Bununla birlikte, bir çözelti elektriksel özelliği ağırlıkça daha duyarlıdır. Elektrik özelliklerindeki değişiklik buharlaştırma işleminde ağırlık kaybı daha erken tespit edilebilir. Bu çalışmada, bir saatlik Observa sonunda hialüronik asit çözeltisinin elektrik empedans değişim hızı olarakbuharlaşma tion süresi yeterli belirlenmiştir. Bu nedenle, sunulan empedans tabanlı algılama cihazı algılama hassasiyeti ve tepki süresi açısından alışılmış tartım yöntemi daha iyi performans bulunmuştur.
Transdermal su kaybının değerlendirilmesi için önceki yayın 23 ve ticari cihaza gelen elektrik mülkiyet buharlaşma oranını yansıtacak bir göstergesi olarak kabul edilebilir. Bununla birlikte, bu sunulan empedans tabanlı algılama cihazı, eski üzerinde avantaj aşağıdakileri gösterir: (i) küçük bir numune hacmi gereksinimi, (ii), paralel tespiti, (iii) temizleme ve yeniden kullanım için kolayca demonte, ve (iv) bu tür biyolojik olarak birden fazla uygulama moleküler tespiti, hücresel davranış ve faz ayrılması 16-19. Önerilen yüksek hassasiyetli ve hızlı tepki empedans tabanlı cihaz geleneksel kilo kaybı yaklaşımına göreli buharlaşma testleri işlemek için üstün bir aday olarak doğrulanmıştır. Gelecekte,Bu öneri empedans tabanlı Cihaz aynı zamanda potansiyel olarak bir malzeme ya da bir elektro-kimyasal sistem 24 iletkenliğini etkileyebileceği belirli bir işlemin bir içsel özelliği uygulanabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.
Acknowledgments
Bu çalışma hibe numaraları EN 104-2221-e-241-001-My3 altında, Bilim ve Teknoloji, Tayvan Bakanlığı tarafından desteklenen ve EN 105-2627-B-005-002 oldu.
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).
