Summary
Este artigo apresenta um aparelho baseado em impedância para detecção de taxa de evaporação de soluções. Ele oferece vantagens claras sobre uma abordagem de perda de peso convencional: uma resposta rápida, detecção de alta sensibilidade, uma pequena exigência de exemplo, várias medidas de amostras, e de fácil desmontagem para fins de limpeza e reutilização.
Abstract
Este artigo descreve o método de uma nova plataforma baseada na impedância para a detecção da taxa de evaporação. O ácido hialurônico composto modelo foi empregado aqui para fins de demonstração. Vários testes evaporação sobre o composto modelo como um humectante com diferentes concentrações em soluções foram realizados para fins de comparação. Uma abordagem convencional a perda de peso é conhecida como a técnica mais simples, mas demorado, de medição para a detecção de velocidade de evaporação. No entanto, uma clara desvantagem é que é necessário um grande volume de amostra e vários testes de amostra não pode ser realizado ao mesmo tempo. Pela primeira vez na literatura, um chip de detecção da impedância eléctrica é aplicada com sucesso a uma investigação evaporação em tempo real em um compartilhamento de tempo, maneira contínua e automática. Além disso, tão pouco como 0,5 mL de amostras de teste é necessário nesse aparelho, com base em impedância, e uma grande variação de impedância é demonstrada pelas várias soluti diluídoons. O sistema de alta sensibilidade e de detecção de impedância fast-resposta proposta é encontrado para superar uma abordagem de perda de peso convencional em termos de detecção taxa de evaporação.
Introduction
A evaporação é um tipo de vaporização de líquido e ocorre ao longo da interface gás-líquido de um corpo de água colectiva. As moléculas de água perto da superfície tornam-se capazes de escapar do líquido devido a colisão de moléculas de água. A taxa de evaporação é um factor chave importante durante o processo de evaporação. Geralmente, um equilíbrio ou volumétrico tubo de 3/1 é amplamente utilizado para detectar a evaporação de soluções. No entanto, é necessário um longo período de tempo para medir a taxa de evaporação, devido à limitação de precisão de um equilíbrio ou um tubo volumétrico. Por esta razão, um instrumento sensível e de alta sensibilidade deve ser desenvolvido para sondar os detalhes do processo de evaporação.
Espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) é um rápido-resposta, meios experimentais sensíveis e eficazes em termos de detecção de impedância in-situ para caracterização do sistema eletroquímico 4. Portanto, EIS pode ser aplicado em várias fields, tais como estudos recentes sobre o comportamento celular 5, sensoriamento bioanalíticos 6-7, electrólise 8, polímeros condutores 9 e extração eletroquímica 10. Embora os sistemas de EIE com sucesso tinha sido aplicada em uma ampla variedade de disciplinas, existem um número extremamente pequeno de publicações sobre a sua aplicação para a pesquisa de evaporação.
Ácido hialurónico, um polissacárido de elevado peso molecular com um forte potencial de ligação de água, é um humidificante conhecido para aplicações cosméticas. Uma molécula de ácido hialurônico pode ligar até 500 moléculas de água 11 e chegar a 1.000 vezes o seu volume original de 12. Um extremamente pequena quantidade de ácido hialurônico pode possuir função hidratante 13-14. Devido à alta retenção de umidade, ácido hialurônico tornou-se um componente importante dos produtos umectantes cosméticos com alto valor comercial em todo o mundo 15.
Tseu estudo apresenta o método de um aparelho baseado em impedância romance com detecção de alta velocidade, exigência de amostra de volume pequeno, e múltiplas medições de amostra 16-19. É apresentado com um foco na comparação de taxa de evaporação relativa entre as soluções de uma maneira como para validar a superioridade do mecanismo de detecção inovador através de uma maneira convencional de pesagem.
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Protocol
1. Experimental Module Chip
- Fabricar o óxido de índio-estanho (ITO) chip de eletrodo por fotolitografia e processos de corrosão molhadas químicos
- Obter um substrato de ITO (370 mm x 480 mm x 0,5 mm (L x W x H)) com uma camada de 2.600 Å ITO comercialmente (Veja Lista de Materiais). Cortar o substrato de ITO com as dimensões de 90 mm x 90 milímetros x 0,5 mm, com um cortador de vidro para o processo de padronização do eléctrodo ITO em um alinhador de 4 polegadas.
- Use um limpador ultra-sônico para limpar o vidro ITO com acetona e depois com água deionizada, por 15 minutos cada. Seque o vidro ITO com ar limpo e seco.
- Pipetar 5 ml de solução de foto-resistente positiva sobre a superfície do vidro ITO.
- Use revestidor de rotação a 500 xg durante 30 segundos para produzir uma camada foto-resistente uniforme. Então assar numa placa de aquecimento a 90 ° C durante 5 min para retirar o excesso de solvente no fotorresistente.
- Expor o vidro ITO a 14 mW de luz ultravioleta em 436 nm por 3,1 seg through um photomask filme com o padrão projetado (Veja Lista de Materiais).
- Imergir a amostra de solução de desenvolvimento de 60 ml a 23 ° C durante 30 seg para desenvolver as rotas modelado. Então assar numa placa de aquecimento a 120 ° C durante 10 minutos para endurecer o fotorresistente e melhorar a adesão fotorresistente.
- Imergir a amostra durante 3 minutos em 60 ml de solução de gravação a 80 ° C para gravar a camada de ITO desprotegido.
- Imergir a amostra durante 1 min em 60 ml de acetona para remover o material fotosensitivo sobre a superfície do vidro ITO.
- Cortar o vidro ITO para as dimensões de 62 mm x 35 mm para o chip eletrodo ITO experimental (Figura 1) com um cortador de vidro.
Figura 1:. Chip de eletrodo ITO O fabricada chip de ITO com 8 pares de rotas modelado eletrodos é mostrado. Há 15 eletrodos medindo 2 mm x 8 milímetros no bordo lateral, e as centrais de duas vias partilhar o mesmo eléctrodo. A distância entre cada par de dedos de eletrodos em um poço de teste é de 7 mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Construir o módulo de chip experimental
- Limpar a matriz de silicone de 8 poços comercial com um produto de limpeza de ultra-sons, como mostrado na Figura 2, com detergente, seguida de água desionizada, em seguida, 95% de etanol, e água desionizada, em seguida, durante 15 minutos cada.
- Secar a matriz de silicone de 8 poços soprando ar limpo e seco.
- Pressionar a matriz de silicone de 8 poços para o chip de ITO, a fim de formar o módulo de chip experimental (Figura 3). Firmemente ligar a matriz de silicone e chip ITO.
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Figura 2:. Matriz bem Silicone A matriz comercial de silicone de 8 poços pode armazenar 8 amostras testadas simultaneamente. O tamanho de cada poço é de 11 mm x 8 mm x 8,5 mm (L x W x H). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3:. Módulo de chip Experimental O chip eléctrodo ITO está ligado com a matriz de silicone de 8 poços para formar o módulo de chip experimental. A aderência entre a matriz de silicone e o chip de ITO é forte. Portanto, a matriz de silicone e o chip de ITO podem se ligar para uso sem qualquer substância adesiva. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Medição 2. Impedância
- Ligue o computador pessoal, amplificador lock-in, e interruptor de relê, para formar o módulo de leitura da impedância como mostrado na Figura 4.
Figura 4:. Esquemático do aparelho com base em impedância O amplificador lock-in, relé de interruptor, e o computador pessoal compreendem o módulo de leitura de impedância. O amplificador de bloqueio sensível à fase em comercial é utilizado para enviar e extrair os sinais eléctricos. O circuito interruptor do relé caseiro conectar vários chips de ITO é usado para especificar quais bem e qual chip ITO a ser testado. Um total de 6 chips podem ser ligados ao interruptor de relê especificando 48 amostras de um modo de partilha de tempo. O tempo real em-fase de resistência e o deslocamento de fase do sinal da solução testada são registadas continuamente num computador pessoal para toda a evaporatprocesso de ion. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Coloque o módulo de chip experimental no soquete do relé de switch.
- parâmetros de entrada no programa de computador. Entrada a frequência do sinal (1 kHz), o número bem especificado (0-7), o ciclo de execução (100), e o nome do arquivo (HA).
3. Experiências de evaporação
- Preparar quatro soluções de 2,5 ml de ácido hialurónico, a 0, 0,05, 0,5 e 1 w / v% de água. Coloque cada solução 2,5 ml de amostra em um frasco de medição 14,75 mm x 45 mm x 8 mm (OD x H x ID).
- Para cada solução, adicionar uma solução de 0,5 ml de amostra para um único poço do módulo de chip de ITO.
- Pesar e registrar o peso inicial de cada frasco pela máquina balança eletrônica.
- Execute o programa de computador para medir e registrar o tempo real da resistência em fase automaticamente eo sinal de pmudança hase de poços especificados no chip ITO.
- Iniciar as experiências de evaporação simultaneamente no mesmo local, tanto o método de pesagem e método de impedância.
- Pesar e registrar o peso de cada frasco pela máquina balança eletrônica em pontos de tempo programados.
- Analisar os dados coletados no método método e impedância de pesagem. 19
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Representative Results
Durante o processo de evaporação, os iões condutores na solução testada tornou-se concentrado com o volume da solução a diminuir, e a impedância de esta solução diminuída. As taxas de perda de peso e a diminuição da impedância no progresso evaporação para cada solução teste foram medidos. Para fins de comparação, os dados das taxas de perda de peso e a diminuição da impedância foram normalizados para a água e, em seguida representada graficamente em conjunto na Figura 5. Tal como ilustrado na Figura 5, a perda de peso demonstra a mesma tendência como impedância, e mostra que a taxa de evaporação relativa à evaporação da água diminui com a concentração de ácido hialurónico. No entanto, uma grande quantidade de variação é encontrada na abordagem baseada impedância proposto que no método convencional de pesagem para os exames de evaporação. Os dados normalizados só tinha uma intervenção concentração de ácido hialurónico 0,06 queda de 0% a 1% na abordagem de pesagem, enquanto que umenorme gota de 0,84 foi encontrado no aparelho com base em impedância. A equação linear simples é usado para relacionar as taxas normalizadas de perda de peso e diminuição da impedância.
Y = 0,9166 + 0.0852X, R 2 = 0,97
em que X e Y representam as taxas de redução normalizadas de impedância e perda de peso, respectivamente. A taxa de perda de peso, ou seja, a taxa de evaporação de interesse, em solução de ácido hialurónico podem ser encontrados, correspondentemente, através dos dados medidos na diminuição da impedância. Em aplicações práticas, os dados de impedância medida pode ser rapidamente convertido na perda de peso de uma solução de ácido hialurónico por esta equação linear.
Figura 5:. Taxas de evaporação relativa à água das soluções de ácido hialurónico em diferentes concentrações A taxa de evaporação relativa de waTER é definida como a taxa de evaporação de uma solução normalizada pela água. A taxa de evaporação relativa à água contra a concentração do ácido hialurônico por testes de equilíbrio e chip de impedância são apresentados em conjunto para comparação. Há uma alteração maior na análise de impedância de chip em relação a testes de equilíbrio. A barra de erro é o desvio padrão de três experiências. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
O passo crítico para a medição evaporação nesta detecção baseada em impedância é a preparação das soluções testadas. água desionizada não pode ser usado devido à sua enorme impedância. Em vez disso, a água da torneira que contém iões condutores foi utilizado para preparar soluções de ácido hialurónico para experiências. No entanto, as propriedades eléctricas de água da torneira não foi constante para uso. Portanto, normalização, tais como a taxa de evaporação relativa à água no presente estudo, foi adoptado como um índice alternativo para a evaporação. A limitação dessa técnica é que as soluções testadas devem ter íons condutores para caracterização eletroquímica.
Muito recentemente, um chip de impedância à base de grafeno tem sido proposta para a modificação desta técnica 20. Com propriedades eletrônicos e optoeletrônicos excepcionais, o grafeno tem alcançado considerável atenção como uma alternativa para ITO para vários eletrodo ou appl condutorications. O chip eletrodo finger-like-base de grafeno foi demonstrado com sucesso em examinar a estabilidade dos produtos de emulsão por espectroscopia de impedância eletroquímica.
Este estudo revelou que uma solução de ácido hialurónico 0,05% pode reduzir a taxa de evaporação relativa de água de 12% tal como medido pela impedância. Por conseguinte, a aplicação tópica de creme de ácido hialurónico a 0,1% pode conduzir a uma melhoria significativa na hidratação da pele 21. O peso molecular do ácido hialurónico desempenha um papel importante nas suas aplicações. Por exemplo, o ácido hialurónico com um peso molecular mais elevado pode ter melhores efeitos analgésicos 22. A aplicação de ácido hialurónico de peso molecular baixo tinha uma redução significativa da profundidade das rugas devido a uma melhor capacidade de penetração 21. No futuro, os efeitos do peso molecular sobre a capacidade de hidratação de ácido hialurónico pode ser estudada, simultaneamente, nesta plataforma baseada impedância com multipmedições de amostras le para fins comparativos. Um total de 6 chips podem ser ligados ao interruptor de relê caseiro especificando o bem a ser testado por um teste de tempo real em 48 amostras de um modo de partilha de tempo.
Embora a abordagem convencional mudança de peso permanece como um a maneira mais simples para medir a capacidade de hidratação de uma solução simples e, é uma abordagem demorado para observar a mudança de peso suficiente para determinar uma taxa de evaporação preciso. Por exemplo, foram necessários cerca de metade de um dia para detectar a taxa de evaporação desejada de solução de ácido hialurónico devido ao limite de detecção de uma balança de precisão com erro experimental razoável neste estudo. No entanto, a propriedade eléctrica de uma solução é mais sensível do que o peso. A alteração nas propriedades eléctricas pode ser detectada mais cedo do que a perda de peso no processo de evaporação. Neste estudo, a taxa de alteração na impedância eléctrica de uma solução de ácido hialurónico no final de um Observa uma horafoi determinado período suficientemente ção de evaporação. Portanto, o aparelho de detecção à base de impedância apresentada é encontrado para superar o método de pesagem convencional em termos de sensibilidade de detecção e o tempo de resposta.
Correspondente à publicação anterior 23 e dispositivo comercial para a avaliação de perda de água transdérmica, a propriedade elétrica pode ser tratado como um índice para refletir a taxa de evaporação. No entanto, este aparelho de detecção à base de impedância apresentada mostra seguintes vantagens sobre o anterior: (i) uma pequena requisito de volume de amostra, detecção paralelo (ii), (iii) a desmontagem fácil para a limpeza e reutilização, e (iv) aplicações múltiplas, tais como bio detecção molecular, o comportamento celular, e separação de fases 16-19. A elevada sensibilidade e aparelhos propostos baseados em impedância de resposta rápida é validado como um candidato excelente para lidar com testes de evaporação relativas a uma abordagem convencional a perda de peso. No futuro,este aparelho com base impedância proposta pode também potencialmente ser aplicados em qualquer propriedade intrínseca de um material ou de um processo específico que poderia afectar a condutividade de um sistema electroquimico 24.
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Disclosures
Os autores não têm nada para revelar.
Acknowledgments
Este trabalho foi patrocinado pelo Ministério da Ciência e Tecnologia, Taiwan, com os números de concessão bem 104-2221-E-241-001-MY3 ea maioria dos 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).
