Summary
本文提出了蒸发率检测解决方案的基于阻抗的设备。它提供了明显的优势比传统的减肥方法：快速响应，高灵敏度的检测，一个小样本的要求，多样品测量，并便于拆卸清洗和再利用的目的。
Abstract
本文描述了用于在检测到的蒸发速率的新颖的基于阻抗的平台的方法。该模型复合透明质酸这里用于演示的目的。以具有各种浓度的溶液的湿润剂的模型化合物的多个蒸发试验为比较目的进行的。常规的减肥方法被称为蒸发率检测的最简单的，但费时，测量技术。然而，一个明显的缺点是，大量的样品需要和多个样本测试不能在同一时间进行。在文献首次电阻抗传感芯片被成功地应用到在时间共享，连续和自动地实时蒸发调查。而且，试验样品的少0.5毫升需要在此基于阻抗的装置，和一个大的阻抗变化显示各稀soluti之间附件。所提出的高灵敏度和快速响应阻抗传感系统发现超越蒸发率检测方面的传统的减肥方法。
Introduction
蒸发是一种液体汽化并沿水集体体的气 - 液界面发生。表面附近的水分子，由于水分子的碰撞成为能够从液体中逸出。蒸发速度蒸发的过程中，一个重要的关键因素。一般地，平衡或体积管1-3被广泛使用的，以检测溶液的蒸发。然而，它需要很长的时间来测量的蒸发速率由于平衡或体积管的精度的限制。出于这个原因，一个响应和高灵敏度的仪器必须开发探入蒸发过程的细节。
电化学阻抗谱（EIS）是一个快速响应，在原位阻抗检测电化学系统表征4方面敏感和有效的实验手段。因此，交流阻抗可以以各种呸施加LDS， 如最近对细胞行为5项研究，生物分析检测6-7，电解8，导电聚合物9和电化学提取10。尽管EIS系统已成功应用于多种学科的应用，存在其应用蒸发研究的一个非常小的数字出版物。
透明质酸，高分子量的多糖具有较强的水结合的潜力，是用于化妆品应用公知的保湿剂。一个透明质酸分子可绑定多达500个水分子11和达到1000倍原来体积12。透明质酸的极少量可具有保湿功能13-14。由于高的保湿性，透明质酸已经成为化妆品的保湿剂的产品与世界各地的15个高的商业价值的重要组成部分。
ŧ他的研究提出了基于阻抗新颖装置具有高速检测，小体积的样品的要求，和多个样品测量16-19的方法。它是为重点的解决方案，以此来验证比传统的称重方式创新的检测机制的优越性之间的相对蒸发速率比较。
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Protocol
1.实验芯片模块
- 制造的氧化铟锡（ITO）通过光刻和化学湿法蚀刻工艺电极片
- 商业获取ITO基板（370毫米×480毫米×0.5毫米（长x宽x高））与2,600 ITO层（见材料清单）。切片ITO基板以90mm的×90毫米×0.5毫米的玻璃切割器用于在4英寸对准ITO电极图案化工艺的尺寸。
- 使用超声波清洗机清洗ITO玻璃用丙酮，然后用去离子水，每次15分钟。擦干ITO玻璃清洁干燥空气。
- 分配溶于5ml阳性光致抗蚀剂溶液涂布在ITO玻璃的表面上。
- 使用旋涂机，在500×g离心30秒，以产生均匀的光致抗蚀剂层。在90℃在热板上，然后烘烤5分钟以在光致抗蚀剂除去多余的溶剂。
- 露出ITO玻璃对紫外线的14毫瓦为3.1秒吨436纳米hrough与设计的图案的膜的光掩模（参见材料清单）。
- 沉浸在60ml发展溶液样品在23℃下30秒，以开发图案化的路线。在120℃在热板上，然后烘烤10分钟以硬化光致抗蚀剂和提高光致抗蚀剂粘附性。
- 浸入样品3分钟在60毫升在80℃蚀刻溶液来蚀刻未受保护的ITO层。
- 浸入样品1分钟在60毫升丙酮中以在ITO玻璃的表面除去光致抗蚀剂。
- 切片ITO玻璃成62毫米×35毫米为实验ITO电极芯片（ 图1）用玻璃切割器的尺寸。
图1：ITO电极芯片的带8中的电极图案的路由的示出制造的ITO芯片。有15个电极尺寸为2mm×8 mm，在侧边缘，并且中央两条路由共享相同的电极。在测试以及每对电极指之间的距离为7毫米。 请点击此处查看该图的放大版本。
- 构建实验芯片模块
- 清洗用超声波清洁器商用8孔硅氧烷阵列， 如图2用洗涤剂，然后用去离子水洗涤，然后95％的乙醇，然后用去离子水，每次15分钟。
- 干燥吹入清洁干燥空气在8孔硅阵列。
- 按以形成实验芯片模块（ 图3）在8孔硅氧烷数组在ITO芯片。紧紧硅阵列和ITO芯片绑定。
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图2： 硅以及阵列商用8孔硅阵列可同时容纳8测试样品。每个孔的大小为11mm×8毫米×8.5毫米（长x宽x高）。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3：实验芯片模块的ITO电极芯片附着有8孔硅阵列以形成实验芯片模块。硅阵列和ITO芯片之间的粘合性强。因此，在硅阵列和ITO芯片可以用于粘合在一起，没有任何粘合物质。 请点击此处查看该图的放大版本。
2.阻抗测量
- 连接个人计算机，锁定放大器，和开关继电器以形成阻抗读出模块， 如图4。
图4：在基于阻抗的装置的原理图锁相放大器，开关继电器，和个人计算机构成的阻抗读出模块。商用相位敏感锁定放大器被用来发送和提取电信号。连接各种ITO芯片的自制开关继电器电路用于指定哪个井和ITO芯片进行测试。总共6芯片可以连接到开关继电器以时间共享的方式，指定48个样本。相电阻和测试溶液的信号相移被连续记录在个人计算机上对整个evaporat实时离子的过程。 请点击此处查看该图的放大版本。
- 把实验芯片模块插入开关继电器的插座。
- 输入参数中的计算机程序。输入信号频率（1千赫），指定的井号（0-7），则执行周期（100），和文件名（HA）。
3.蒸发实验
- 在水中于0，0.05，0.5和w / v的％制备四种2.5毫升透明质酸溶液。发生在一个小瓶测量14.75毫米×45毫米×8毫米（OD x高x ID），每一块有2.5 ml样品液。
- 对于每种溶液，加入0.5 ml样品溶液，以在ITO芯片模块的单井。
- 称重并通过电子天平机记录每个小瓶的初始重量。
- 执行该计算机程序，以自动测量和记录实时同相电阻和信号p在ITO芯片上指定井HASE转变。
- 在由称重方法和阻抗方法都在同一个地方同时开始蒸发实验。
- 称重并通过电子天平机在预定的时间点记录各小瓶的重量。
- 在称重法和阻抗法分析收集的数据。19
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Representative Results
在蒸发过程中，在测试溶液中的导电离子成为浓的减少溶液体积，以及该溶液的阻抗降低。测定重量损失，并在每个测试溶液的蒸发进展阻抗降低的速率。为了比较的目的，在体重损失和阻抗降低的速率的数据标准化为水，然后在图5中绘制在一起。如在图5中所示，重量损失表明了相同的倾向的阻抗，并表明，该相对蒸发速率到水蒸发与透明质酸浓度降低。然而，大量的变异的比为蒸发检查常规称重法所提出的基于阻抗的方法被发现。归一化的数据只有在称量方法0.06下降为0％至1％的透明质酸浓度的干预，而一0.84一滴巨大的基于阻抗的设备被发现。简单的线性方程用于涉及体重减轻和阻抗减少的归一化速率。
Y = 0.0852X + 0.9166，R 2 = 0.97
其中X和Y分别表示阻抗减少和体重减轻，的归一化速率。体重减轻， 即，感兴趣的蒸发速度，在透明质酸溶液的速率可以相应地通过在阻抗减小而测得的数据的方式被发现。在实际应用中，所测量的阻抗数据可以快速通过该线性方程转换成的透明质酸溶液的重量损失。
图5：相对蒸发速率的不同浓度的透明质酸溶液的水的相对蒸发速率西澳之三是指由水标准化的溶液的蒸发速率。相对蒸发速率来对透明质酸浓度水通过平衡和阻抗芯片的试验一起示进行比较。相比平衡的测试中有阻抗芯片的测试的较大改变。错误酒吧在三个实验的标准差。 请点击此处查看该图的放大版本。
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Discussion
蒸发测量在这个基于阻抗的检测关键步骤是测试的解决方案的制备。去离子水不能由于其巨大的阻抗被使用。相反，使用含有导电离子的自来水制备用于实验透明质酸溶液。但是，自来水的电性能不是使用恒定的。因此，归一化，如相对蒸发速率，以水在这项研究中，获得通过作为蒸发的替代指标。该技术的限制是，测试的解决方案必须有电化学表征导电离子。
最近，一个基于石墨烯的阻抗芯片已经提出了这种技术20的修改。具有卓越的电子和光电特性，石墨烯已经达到相当大的注意，以替代ITO关于各种电极或导体申请ications。基于石墨烯的指状电极芯片成功地证明通过电化学阻抗谱研究的乳液产品的稳定性。
这项研究表明，0.05％的透明质酸溶液可以由阻抗测量的相对蒸发速率降低12％水。因此，0.1％的透明质酸乳膏局部应用可导致皮肤水化21显著改善。透明质酸的分子量起着其应用的重要的作用。例如，透明质酸与较高分子量可以有更好的镇痛作用22。低分子量的透明质酸的应用有皱纹深度的显著减少由于更好的渗透能力21。在将来，对透明质酸的保湿能力的分子量的影响，可同时与MULTIP此基于阻抗的平台上的研究乐样品测量进行比较。总共6芯片可以连接到自制开关继电器指定用于在时间共享的方式在48个样本的实时测试要测试的井。
虽然传统的重量变化的办法表示作为一个简单的，并测量溶液的保湿能力的最简单的方法，它是用于观察足够的重量变化来确定准确的蒸发速率的费时的方法。例如，花半天左右检测的透明质酸溶液所需的蒸发速率，由于在此研究中以合理的实验误差精密天平的检测极限。然而，溶液的电性能比重量更敏感。在电性能的变化可以早于在蒸发过程体重减轻来检测。在这项研究中，在一个小时的天文台的端部的变化率中的透明质酸溶液电阻抗蒸发化时期的足够决心。因此，所提出的基于阻抗的检测装置被发现优于常规称重法在检测灵敏度和响应时间方面。
对应于先前的出版物23和商用设备的经皮水损失的评估，电特性可以被视为作为指标来反映蒸发速度。然而，该提出基于阻抗的检测装置示出了以下超过前者的优点：（ⅰ）一个小样本体积的要求，（ⅱ）平行检测，（ⅲ）容易拆卸进行清洗和再利用，以及（iv）多个应用如生物分子检测，细胞行为，并且相分离16-19。所提出的高灵敏度和快速响应的基于阻抗的设备被确认为卓越的候选人来处理相对于传统的减肥方法蒸发测试。在将来，这种基于阻抗提案装置也可能在一个材料或特定过程可能影响电化学系统24的导电性的任何固有性质被应用。
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Disclosures
作者什么都没有透露。
Acknowledgments
这项工作得到了科技部，台湾教育部科技部105-2627-B-005-002主办，在授予数量MOST 104-2221-E-241-001-MY3和。
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).
