Summary
Detta dokument presenterar en impedans-baserad apparat för avdunstningshastigheten detektering av lösningar. Det ger tydliga fördelar jämfört med en konventionell viktminskning metod: en snabb respons, hög detektionskänslighet, ett litet urval krav, mätningar flera prov, och enkel demontering för rengöring och återanvändning ändamål.
Abstract
Detta papper beskrivs metoden för en roman impedans-baserad plattform för påvisande av avdunstningshastigheten. Modellen Föreningen hyaluronsyra användes här för demonstrationssyfte. Multipla avdunstnings tester på modellen föreningen som ett fuktighetsbevarande medel med olika koncentrationer i lösningar genomfördes för jämförelseändamål. En konventionell viktminskning tillvägagångssätt är känd som den mest okomplicerade, men tidskrävande, mätningsteknik för detektion avdunstningshastighet. Ändå är en klar nackdel att en stor volym prov krävs och flera stickprov kan inte utföras samtidigt. För första gången i litteraturen, är en elektrisk impedans sensorchip med framgång tillämpas på en realtids avdunstning undersökning i en tid delning, kontinuerligt och automatiskt sätt. Dessutom så lite som 0,5 ml av testprov krävs i denna impedans-baserade apparater, och en stor impedans variation visas bland olika utspädd solutions. Den föreslagna högkänslig och snabb respons impedans kännande system visar att överträffa en konventionell viktminskning tillvägagångssätt när det gäller att upptäcka avdunstningshastighet.
Introduction
Avdunstning är en typ av vätska förångning och förekommer längs gas-vätskegränssnittet en kollektiv kropp av vatten. Vattenmolekylerna nära ytan blir i stånd att fly från vätskan på grund av kollision av vattenmolekyler. Avdunstningshastigheten är en viktig nyckelfaktor under processen för indunstning. I allmänhet, en balans eller volumetrisk röret 1-3 är allmänt använd för att detektera indunstning av lösningar. Det tar dock lång tid att mäta avdunstningshastigheten på grund av den precision begränsning av en balans eller volume rör. Av denna anledning måste en responsiv och högkänsliga instrument utvecklas för att sondera in på detaljerna i förångningsprocessen.
Elektro impedans spektroskopi (EIS) är en snabb respons, känsliga och effektiva experimentella metoder när det gäller in-situ impedans upptäckt för elektrokemiskt system karakterisering 4. Därför kan EIS appliceras i olika fields, såsom nya studier på cellulär beteende 5, bioanalytisk avkänning 6-7, elektrolys 8, ledande polymerer 9 och elektroutvinning 10. Även om EIS system hade framgångsrikt använts i en mängd olika discipliner, det finns ett extremt litet antal publikationer om tillämpningen av avdunstning forskning.
Hyaluronsyra, en högmolekylär polysackarid med stark vattenbindande potential, är ett välkänt fuktighetsbevarande medel för kosmetiska tillämpningar. En hyaluronsyra molekyl kan binda upp till 500 vattenmolekyler 11 och nå 1000 gånger sin ursprungliga volym 12. En extremt liten mängd hyaluronsyra kan ha fuktgivande funktion 13-14. På grund av den höga fuktbevarande, har hyaluronsyra blivit en viktig del av kosmetiska fuktbevarande produkter med högt kommersiellt värde över hela världen 15.
Thans studie presenterar metoden av en ny impedans baserad apparat med hög hastighet upptäckt, liten volym provkrav, och flera provmätningar 16-19. Den presenteras med fokus på jämförelsen relativa förångningshastigheten bland lösningar som ett sätt att validera överlägsenhet innovativa mekanism upptäckt jämfört med en konventionell vägnings sätt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Experimentell Chip Module
- Fabricera indiumtennoxid (ITO) elektrod chip genom fotolitografi och kemiska våta etsningsprocesser
- Skaffa en ITO-substrat (370 mm x 480 mm x 0,5 mm (L x B x H)) med en 2600 Å ITO skikt kommersiellt (se Materials List). Skiva ITO-substrat till dimensionerna hos 90 mm x 90 mm x 0,5 mm med en glasskärare för ITO-elektrod mönstringsprocessen i en 4 tums aligner.
- Använd en ultraljudsrengörare att rengöra ITO glas med aceton och därefter med avjoniserat vatten, under 15 minuter vardera. Torka ITO glas med ren och torr luft.
- Dispensera 5 ml positiv fotoresist-lösning på ytan av ITO glas.
- Använda spinnbeläggare vid 500 xg under 30 sek för att producera ett likformigt fotoresistskikt. Sedan baka på en värmeplatta vid 90 ° C under 5 minuter för att driva av överskott av lösningsmedel i fotoresisten.
- Exponera ITO glas till 14 mW av ultraviolett ljus vid 436 nm för 3,1 sek through en film fotomask med utformade mönster (se Materials List).
- Sänka ned provet i 60 ml framkallningslösning vid 23 ° C under 30 sekunder för att utveckla de mönstrade linjer. Sedan baka på en värmeplatta vid 120 ° C under 10 min för att härda fotoresisten och förbättra fotoresist vidhäftning.
- Sänka ned provet i 3 minuter i 60 ml etsningslösning vid 80 ° C för att etsa den oskyddade ITO-skikt.
- Doppa provet under 1 minut i 60 ml aceton för att avlägsna fotoresist på ytan av ITO glas.
- Skiva ITO glaset i dimensionerna 62 mm x 35 mm för den experimentella ITO-elektrodchip (Figur 1) och med en glas fräs.
Figur 1:. ITO-elektrod chip Den tillverkade ITO chip med 8 par elektrodmönstrade linjer visas. Det finns 15 elektroder mäter 2 mm x 8 mm vid sidokant, och den centrala två vägar samma elektrod. Avståndet mellan varje par av elektrodfingrar i en testbrunn är 7 mm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Konstruera den experimentella chipsmodulen
- Rengöra kommersiella 8-brunnars silikon array med en ultraljudsrengöringsmedel såsom visas i fig 2 med tvättmedel, därefter avjoniserat vatten, sedan 95% etanol, och därefter avjoniserat vatten, under 15 min vardera.
- Torka åtta brunnar silikon array genom att blåsa ren och torr luft.
- Tryck på 8 brunnar silikon array i ITO-chip för att bilda den experimentella chipsmodulen (Figur 3). Tätt binder silikon array och ITO-chip.
54575fig2.jpg "/>
Figur 2:. Silikon väl array Den kommersiella åtta brunnar silikon array rymmer 8 testade prover samtidigt. Storleken på varje brunn är 11 mm x 8 mm x 8,5 mm (L x B x H). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3:. Experimentell chipsmodul ITO-elektrod chip fästs med åtta brunnar silikon array för att bilda den experimentella chipsmodulen. Vidhäftningen mellan silikon array och ITO-chip är stark. Därför silikongruppen och ITO-chip kan binda ihop för användning utan lim. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
2. Impedansmätning
- Ansluta den personliga datorn, lock-in-förstärkare, och omkopplingsrelä för att bilda impedans avläsningsmodulen som visas i figur 4.
Figur 4:. Skiss över impedansen baserade apparat Låset förstärkaren, switch relä, och persondator omfattar impedansen avläsning modulen. Den kommersiella faskänsliga lock-in-förstärkare används för att skicka och extrahera de elektriska signalerna. Hemlagad omkopplingsrelä förbindelse som förbinder olika ITO chips används för att ange vilka väl och som ITO chip som skall testas. Totalt 6 chips kan vara ansluten till omkopplingsrelä som specificerar 48 sampel i en delningstiden sätt. Realtids i-fas-resistens och signalen fasförskjutning av den testade lösningen registreras kontinuerligt på en persondator för hela evaporation process. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Sätt den experimentella chipsmodulen i uttaget av omkopplingsrelä.
- Inparametrar i datorprogrammet. Ingångssignalfrekvensen (1 kHz), det angivna brunnsnummer (0-7), varvid exekveringscykel (100), och filnamnet (HA).
3. Evaporation Experiment
- Förbereda fyra 2,5 ml hyaluronsyralösningar vid 0, 0,05, 0,5 och 1 vikt / volym% i vatten. Placera varje 2,5 ml provlösning i en injektionsflaska som mäter 14,75 mm x 45 mm x 8 mm (OD x H x ID).
- För varje lösning, tillsätt 0,5 ml provlösning till en enda brunn av ITO chipsmodulen.
- Väg och registrera den initiala vikten av varje ampull genom den elektroniska vågen maskinen.
- Exekvera datorprogrammet för att automatiskt mäta och registrera i realtid i-fas-resistens och signalen phase förskjutning av specificerade brunnar på ITO-chip.
- Starta avdunstning experiment samtidigt på samma plats både vägningsmetoden och impedans metod.
- Väga och notera vikten av varje ampull genom den elektroniska vågen maskinen vid schemalagda tidpunkterna.
- Analysera insamlade data i vägningsmetoden och impedans metod. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Under indunstningsprocessen, de konduktiva jonerna i den testade lösningen blev koncentrerad med minskande lösningsvolymen, och impedansen hos denna lösning minskas. Frekvensen av viktminskning och impedans minskning av avdunstning framsteg för varje testad lösning mättes. För jämförelseändamål, data i hastigheterna av viktminskning och impedans minskning normaliserades till vatten och sedan plottas tillsammans i figur 5. Såsom illustreras i figur 5, visar viktförlusten samma tendens som impedans, och visar att den relativa förångningshastigheten till vattenavdunstning minskar med hyaluronsyrakoncentrationen. Emellertid är en stor mängd av variation som finns i den föreslagna impedansen baserat tillvägagångssätt än i det konventionella vägningsmetod för avdunstnings undersökningar. Den normaliserade uppgifter hade bara en hyaluronsyra koncentration ingripande i vägnings strategi 0,06 falla från 0% till 1%, medan enenorm droppe 0,84 konstaterades i impedansen-baserad apparat. Den enkla linjära ekvation används för att relatera de normaliserade andelen viktminskning och impedans minskning.
Y = 0.0852X + 0,9166, R2 = 0,97
där X och Y representerar de normaliserade hastigheter av impedans minskning och viktminskning, respektive. Graden av viktminskning, dvs., avdunstningshastigheten av intresse, i hyaluronsyralösningen kan hittas på motsvarande sätt med hjälp av de uppmätta data i impedansen minskar. I praktiska tillämpningar kan de uppmätta impedansdata snabbt omvandlas till viktförlusten av hyaluronsyra lösning genom denna linjära ekvation.
Figur 5:. Relativa avdunstningshastigheter till vatten av hyaluronsyra lösningar vid olika koncentrationer Den relativa avdunstningshastighet till WAter definieras som den avdunstningshastigheten av en lösning normaliserad med vatten. Den relativa avdunstningshastigheten till vatten mot hyaluronsyra koncentration av tester av balans och impedans chip visas tillsammans för jämförelse. Det finns en större förändring i testning av impedansen chip jämfört testning av balans. Felet bar är standardavvikelsen i tre experiment. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det kritiska steget för förångning mätning i denna impedans-baserad detektion är framställningen av de testade lösningarna. Avjoniserat vatten kan inte användas på grund av dess enorma impedans. I stället var kranvatten innehållande ledande joner användes för framställning av hyaluronsyra-lösningar för experiment. Emellertid de elektriska egenskaperna hos kranvatten var inte konstant för användning. Därför, normalisering, såsom den relativa förångningshastigheten för vatten i denna studie, antogs som en alternativ index för avdunstning. Begränsningen av denna teknik är att testade lösningar måste ha ledande joner för elektrokemisk karaktärisering.
Helt nyligen har en grafen-baserad impedans chip föreslagits för modifiering av denna teknik 20. Med exceptionella elektroniska och optoelektroniska egenskaper, har grafen nått stor uppmärksamhet som ett alternativ till ITO för olika elektrod eller ledare applIKATION. Grafen baserade fingerliknande elektrodchip demonstrerades framgångsrikt i att undersöka stabiliteten hos emulsions produkter från elektrokemisk impedans spektroskopi.
Denna studie visade att en 0,05% hyaluronsyralösning kan minska den relativa förångningshastigheten för vatten med 12% mätt genom impedans. Därför kan lokal applicering av 0,1% hyaluronsyra kräm leda till en betydande förbättring av hudhydratisering 21. Molekylvikten för hyaluronsyra spelar en viktig roll i dess tillämpningar. Till exempel, kan hyaluronsyra med en högre molekylvikt har bättre smärtstillande effekter 22. Tillämpningen av låg molekylvikt hyaluronsyra hade en betydande minskning av rynkor djup tack vare bättre penetration förmågor 21. I framtiden kan studeras effekterna av molekylvikten på fuktgivande kapacitet av hyaluronsyra samtidigt på denna impedans-baserad plattform med multiple provmätningar för jämförelseändamål. Totalt 6 marker kan anslutas till hemlagad omkopplingsrelä specificerar brunnen som ska testas för en realtidstest på 48 prover i en samlingsstunden sätt.
Även om det konventionella viktförändring tillvägagångssätt står som en enkel och det mest okomplicerade sättet att mäta fuktande kapaciteten hos en lösning, är det en tidskrävande metod för att observera tillräckligt viktändring för att bestämma en korrekt förångningshastighet. Till exempel, det tog ungefär en halv dag för att detektera den önskade förångningshastigheten av hyaluronsyra lösning på grund av att detektionsgränsen för en precisions balans med rimlig experimentellt fel i denna studie. Emellertid är den elektriska egenskapen hos en lösning känsligare än vikt. Förändringen i elektriska egenskaper kan detekteras tidigare än viktminskning hos förångningsprocessen. I denna studie, förändringshastigheten i elektriska impedansen hos hyaluronsyralösningen vid slutet av en timmes observaperioden för indunstning var tillräckligt bestämd. Därför är den presenterade impedans baserade detekteringsapparaten funnit att överträffa den konventionella vägningsmetod i termer av detektionskänslighet och svarstid.
Motsvarande föregående publicering 23 och kommersiella enhet för bedömning av transdermal vätskeförlust, kan den elektriska egendom betraktas som ett index för att återspegla avdunstningshastigheten. Men visar denna presenterade impedans-baserad apparat detektering följande fördelar jämfört med den tidigare: (i) en liten provvolym krav (ii) parallell detektion, (iii) enkel demontering för rengöring och återanvändning, och (iv) ett flertal applikationer såsom bio molekylär detektion, cellbeteende, och fasseparation 16-19. Den föreslagna högkänslig och snabb respons impedans-baserad apparat valideras som en överlägsen kandidat att hantera avdunstningstester i förhållande till en konventionell viktminskning strategi. I framtiden,detta förslag impedans-baserad apparat kan också potentiellt användas i någon inneboende egenskap hos ett material eller en specifik process som kan påverka ledningsförmågan hos ett elektrokemiskt system 24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
Detta arbete sponsrades av ministeriet för vetenskap och teknik, Taiwan, enligt bidragsnummer MEST 104-2221-E-241-001-My3 och MEST 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).
