Summary
Dit document presenteert een impedantie gebaseerde apparaat voor verdamping detectie van oplossingen. Het biedt duidelijke voordelen ten opzichte van een conventionele gewichtsverlies aanpak: een snelle reactie, zeer gevoelige detectie, een kleine steekproef vereiste, meerdere sample metingen, en gemakkelijk te demonteren voor het reinigen en hergebruiken doeleinden.
Abstract
Dit document beschrijft de werkwijze voor een nieuwe impedantie gebaseerde platform voor het detecteren van de verdampingssnelheid. Het model verbinding hyaluronzuur werd hier gebruikt voor demonstratiedoeleinden. Meerdere verdamping tests van de modelverbinding als bevochtigingsmiddel met verschillende concentraties in oplossing werden uitgevoerd ter vergelijking. Een conventionele gewichtsverlies benadering staat bekend als de meest eenvoudige, maar tijdrovende, meettechniek voor verdampingssnelheid detectie. Nog een duidelijk nadeel is dat een grote hoeveelheid monster vereist en meerdere steekproeven kunnen niet tegelijkertijd worden uitgevoerd. Voor het eerst in de literatuur, wordt een elektrisch impedantiedetectie chip met succes toegepast op een real-time verdamping onderzoek een timesharing, continue en automatische wijze. Bovendien, slechts 0,5 ml testmonsters vereist in deze impedantie gebaseerde inrichting en een grote impedantie variatie blijkt over verschillende verdunde Solutions. De voorgestelde hoge gevoeligheid en een snelle respons impedantie-sensing-systeem blijkt een conventionele gewichtsverlies aanpak in termen van verdamping detectie overtreffen.
Introduction
Verdamping is een soort vloeistof verdamping en komt langs de gas-vloeistof grensvlak van een collectieve waterlichaam. De watermoleculen in de buurt van het oppervlak te worden in staat om te ontsnappen uit de vloeistof als gevolg van een botsing van watermoleculen. De verdampingssnelheid is een belangrijke sleutelfactor bij het verdampingsproces. In het algemeen, een evenwicht of volumetrische buis 1-3 wordt veel gebruikt om de verdamping van oplossingen detecteren. Het duurt echter lang om de verdampingssnelheid te meten vanwege de nauwkeurigheid beperking van evenwicht of volumetrische buis. Daarom moet reagerende en zeer gevoelige instrument ontwikkeld sonde in de details van het verdampingsproces.
Elektrochemische impedantie spectroscopie (EIS) is een snelle-reactie, gevoelige en effectieve experimentele middelen op het gebied van in-situ impedantie detectie voor elektrochemisch systeem karakterisering 4. Daarom kan EIS worden toegepast in diverse fields, zoals recente studies op cellulair gedrag 5, bioanalytische sensing 6-7, elektrolyse 8, geleidende polymeren 9 en elektrochemische extractie 10. Hoewel EIS systemen met succes in vele verschillende disciplines toegepast, bestaat er een zeer gering aantal publicaties over de toepassing verdamping onderzoek.
Hyaluronzuur, een hoogmoleculaire polysacharide met sterke waterbindende potentieel, is een bekend bevochtigingsmiddel voor cosmetische toepassingen. Een hyaluronzuur molecuul kan binden tot 500 watermoleculen 11 en bereikt 1.000 keer het oorspronkelijke volume 12. Een uiterst kleine hoeveelheid hyaluronzuur kan hydraterende functie 13-14 bezitten. Door de hoge vochtretentie, hyaluronzuur is een belangrijk bestanddeel van cosmetische bevochtigingsmiddel producten met een hoge handelswaarde wereldwijd 15 geworden.
Tzijn studie presenteert de methode van een nieuwe impedantie-gebaseerde apparaten met hoge snelheid detectie, klein volume monster eis, en meerdere sample metingen 16-19. Het wordt aangeboden met een focus op de relatieve verdampingssnelheid vergelijking tussen oplossingen als een manier om de superioriteit van de innovatieve detectie mechanisme opzichte van een conventionele wegen wijze te valideren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Experimentele Chip Module
- Fabriceren de indium tin oxide (ITO) elektrode chip door fotolithografie en chemische nat etsen processen
- Het verkrijgen van een ITO-substraat (370 mm x 480 mm x 0,5 mm (L x B x H)) met een 2600 Å ITO-laag in de handel (zie Materials List). Snijd de ITO substraat om de afmetingen van 90 mm x 90 mm x 0,5 mm met een glazen mes van de ITO elektrode patroonvormende proces op een 4 inch aligner.
- Gebruik ultrasone reinigingsapparaten de ITO glas met aceton gereinigd en vervolgens met gedeïoniseerd water, gedurende 15 minuten elk. Droog de ITO glas met schone, droge lucht.
- Verdeel 5 ml positieve fotoresist oplossing op het oppervlak van de ITO glas.
- Gebruik spinbekleder bij 500 xg gedurende 30 seconden om een gelijkmatige fotolaklaag produceren. bak daarna op een verwarmingsplaat bij 90 ° C gedurende 5 minuten om het overtollige oplosmiddel drijven in de fotoresist.
- Expose de ITO glas tot 14 mW van ultraviolet licht bij 436 nm voor 3,1 sec through een film fotomasker met de ontworpen patroon (zie Materials List).
- Dompel het monster in 60 ml ontwikkeloplossing bij 23 ° C gedurende 30 seconden om de patroon te stippelen. bak daarna op een verwarmingsplaat bij 120 ° C gedurende 10 minuten om de fotoresist verharden en verbeteren fotoresist hechting.
- Dompel het monster gedurende 3 minuten in 60 ml etsen oplossing bij 80 ° C om de onbeschermde ITO-laag te etsen.
- Dompel het monster gedurende 1 minuut in 60 ml aceton om fotoresist te verwijderen op het oppervlak van de ITO glas.
- Snijd de ITO glas in de afmetingen van 62 mm x 35 mm voor de experimentele ITO elektrode chip (figuur 1) met een glazen mes.
Figuur 1:. ITO elektrode chip De vervaardigde ITO-chip met 8 paren van elektroden patroon routes getoond. Er zijn 15 elektroden het meten van 2 mm x 8 mm aan de zijkant, en de centrale twee routes delen dezelfde elektrode. De afstand tussen elk paar elektrode vingers in een test goed is 7 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
- De bouw van de experimentele chip module
- Reinig de commerciële 8 putjes silicone matrix met een ultrasoon reiniger zoals getoond in figuur 2 met detergent, daarna gedeïoniseerd water, vervolgens 95% ethanol en daarna gedeïoniseerd water, gedurende 15 minuten elk.
- Droog de 8-goed siliconen matrix door het blazen van schone, droge lucht.
- Op de 8 putjes silicone matrix in de ITO chip om de experimentele chip module (figuur 3) te vormen. Strak binden de siliconen array en ITO chip.
54575fig2.jpg "/>
Figuur 2:. Silicone goed scala De commerciële 8-well siliconen array kan 8 geteste monsters tegelijk te houden. De grootte van elke put is 11 mm x 8 mm x 8,5 mm (L x B x H). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3:. Experimentele chip module De ITO elektrode chip is verbonden met de 8-well silicone array om de experimentele chip module te vormen. De hechting tussen de silicone matrix en de ITO chip sterk. Daarom is de silicone array en de ITO-chip kan aan elkaar te binden voor gebruik zonder klevende substantie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Impedantiemeting
- Sluit de personal computer, invangversterker en schakelrelais aan de impedantie uitlezing module zoals getoond in figuur 4.
Figuur 4:. Schema van de impedantie gebaseerde inrichting De invangversterker, schakelrelais, en personal computer omvatten de impedantie uitlezing module. De commerciële fasegevoelige invangversterker wordt gebruikt om de elektrische signalen en extract. De zelfgemaakte schakelrelais circuit verbinden van verschillende ITO chips wordt gebruikt om aan te geven welke goed en welke ITO chip te testen. Een totaal van 6 chips kan worden aangesloten op de schakelrelais specificeren 48 monsters in een timesharing manier. De real-time in-fase signaal weerstand en de faseverschuiving van de geteste oplossing continu worden opgenomen op een personal computer voor de gehele Verdampingssnelheidion proces. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
- Zet de experimentele chip module in het stopcontact van de schakelrelais.
- Invoerparameters in het computerprogramma. Voer de signaalfrequentie (1 kHz), het gespecificeerde nummer en (0-7), de uitvoeringscyclus (100) en de bestandsnaam (HA).
3. Verdamping Experimenten
- Neem vier 2,5 ml hyaluronzuur oplossingen op 0, 0,05, 0,5 en 1 w / v% in water. Plaats elke 2,5 ml monsteroplossing in een flacon meet 14,75 mm x 45 mm x 8 mm (OD x H x ID).
- Voor elke oplossing, voeg 0,5 ml monsteroplossing aan een enkel putje van de ITO chip module.
- Weeg en het aanvankelijke gewicht van elk flesje opnemen door de elektronische weegschaal machine.
- Voer het computerprogramma automatisch meten en registreren van de real-time in-fase weerstand en het signaal phase verschuiving van bepaalde putten op het ITO-chip.
- Start de verdamping experimenten gelijktijdig op dezelfde plaats door zowel de weegmethode en impedantiemethode.
- Te wegen en het gewicht van elk flesje opnemen door de elektronische weegschaal machine op vaste tijdstippen.
- Analyseer verzamelde gegevens in de weegmethode en impedantie methode. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tijdens het verdampingsproces de geleidende ionen in de geteste oplossing werd geconcentreerd met afnemende volume van de oplossing, en de impedantie van deze oplossing af. De snelheden van gewichtsverlies en impedantie afname van de verdamping vooruitgang van elke geteste oplossing gemeten. Ter vergelijking, de gegevens van de tarieven van gewichtsverlies en impedantie afname werden genormaliseerd tegen water en vervolgens uitgezet samen in figuur 5. Zoals weergegeven in figuur 5, het gewichtsverlies toont dezelfde trend als impedantie, en laat zien dat de relatieve verdampingssnelheid om verdamping vermindert de concentratie hyaluronzuur. Er is echter een grote mate van variatie in de voorgestelde impedantie gebaseerde benadering dan de conventionele weegmethode voor de verdamping onderzoeken. De genormaliseerde gegevens had slechts 0,06 val van 0% tot 1% hyaluronzuur concentratie interventie in de wegen benadering, terwijl eengeweldige daling van 0,84 werd gevonden in de impedantie gebaseerde inrichting. De eenvoudige lineaire vergelijking wordt gebruikt om de genormaliseerde snelheden van gewichtsverlies en impedantie afname betrekking hebben.
Y = 0.0852X + 0,9166, R2 = 0,97
waarin X en Y geven de genormaliseerde tarieven impedantie afname en gewichtsverlies, respectievelijk. De snelheid van gewichtsverlies, dat wil zeggen, de verdamping rente, in hyaluronzuur oplossing gevonden kan worden dienovereenkomstig door middel van de gemeten data in de impedantie afname. In praktische toepassingen kan de gemeten impedantie gegevens snel worden omgezet in het gewichtsverlies van hyaluronzuur oplossing van deze lineaire vergelijking.
Figuur 5:. Relatieve verdamping van water van hyaluronzuur oplossingen bij verschillende concentraties De relatieve verdamping tarief water is gedefinieerd als de verdamping van een oplossing genormaliseerd door water. De relatieve verdampingssnelheid om water tegen hyaluronzuur concentratie door tests van de balans en impedantie chip worden samen getoond ter vergelijking. Er is een grotere verandering in de testen van impedantie chip vergeleken proeven op evenwicht. De fout bar is de standaarddeviatie van drie experimenten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De kritische stap voor de verdamping meting deze impedantie gebaseerde detectie is de bereiding van de geteste oplossingen. Gedeïoniseerd water kan niet worden gebruikt vanwege de grote impedantie. In plaats daarvan, leidingwater met geleidende ionen werd gebruikt om hyaluronzuur oplossingen voor experimenten te bereiden. De elektrische eigenschappen van leidingwater niet constant gebruikt. Daarom normalisatie, zoals de relatieve verdampingssnelheid van water in deze studie, werd als alternatieve index voor de verdamping vastgesteld. De beperking van deze techniek is dat geteste oplossingen geleidende ionen elektrochemische karakterisering moet hebben.
Zeer recent heeft een grafeen gebaseerde impedantie chip voorgesteld voor de wijziging van deze techniek 20. Met bijzondere elektronische en optische eigenschappen, heeft veel aandacht grafeen verkregen als alternatief voor ITO diverse elektroden en derde applnicatieorganisatie. Het grafeen gebaseerde elektrode chip vinger-achtige werd met succes aangetoond in onderzoeken van de stabiliteit van de emulsie producten door elektrochemische impedantie spectroscopie.
Deze studie toonde dat een 0,05% oplossing van hyaluronzuur de relatieve verdampingssnelheid kan verminderen water met 12% zoals gemeten met de impedantie. Daarom kan topisch aanbrengen van 0,1% hyaluronzuur crème leiden tot een significante verbetering in de huid hydratatie 21. Het molecuulgewicht van hyaluronzuur speelt een belangrijke rol in zijn toepassingen. Zo kan hyaluronzuur met hoger molecuulgewicht betere pijnstillende werking 22 hebben. De toepassing van laag molecuulgewicht hyaluronzuur een significante vermindering van de rimpeldiepte door betere penetratie capaciteiten 21. In de toekomst kunnen de effecten van het molecuulgewicht van de hydraterende vermogen van hyaluronzuur gelijktijdig worden bestudeerd deze impedantie gebaseerde platform met multiple monstermetingen voor vergelijkingsdoeleinden. Een totaal van 6 chips kan worden aangesloten op de zelfgemaakte schakelrelais vermelding van de put te testen voor een real time test aangaande 48 monsters in een timesharing manier.
Hoewel de conventionele gewichtsverandering methode staat een eenvoudige en de meest eenvoudige manier om het hydraterende vermogen van een oplossing te meten, is een tijdrovende benadering ter observering genoeg gewichtsverandering om een nauwkeurige verdampingssnelheid bepalen. Zo duurde het ongeveer een halve dag om de gewenste verdampingssnelheid van hyaluronzuur oplossing detecteren vanwege de detectielimiet van een precisieweegschaal met redelijke experimentele fout in deze studie. De elektrische eigenschap van een oplossing is gevoeliger dan gewicht. De verandering in elektrische eigenschappen kunnen sneller worden gedetecteerd dan gewichtsverlies bij het verdampingsproces. In deze studie, de veranderingssnelheid in elektrische impedantie van hyaluronzuur oplossing aan het einde van een uur observatie periode van verdamping werd voldoende bepaald. Derhalve wordt voorgesteld de impedantie gebaseerde detectieapparaat gevonden dat de conventionele weegmethode overtreffen qua detectiegevoeligheid en reactietijd.
Overeenkomt met de vorige publicatie 23 en commerciële apparaat voor de beoordeling van transdermale waterverlies, kan de elektrische eigendom worden behandeld als een index om de verdamping te geven. Echter gepresenteerd impedantie gebaseerde detectieapparaat toont volgende voordelen ten opzichte van de vroegere: (i) een kleine vereiste monstervolume, (ii) parallelle detectie, (iii) gemakkelijk te demonteren voor het schoonmaken en hergebruik, en (iv) meerdere toepassingen zoals bio moleculaire detectie, celgedrag en fasescheiding 16-19. De voorgestelde zeer gevoelige en snelle response impedantie gebaseerde inrichting wordt gevalideerd als een betere kandidaat om verdamping testen ten opzichte van een conventionele gewichtsverlies die aanpak. In de toekomst,Dit voorstel impedantie-gebaseerde apparaten kan mogelijk ook worden toegepast in een intrinsieke eigenschap van een materiaal of een specifiek proces die van invloed kunnen de geleidbaarheid van een elektrochemisch systeem 24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd gesponsord door het ministerie van Wetenschap en Technologie, Taiwan, onder toekenning nummers MOST-104-2221 E-241-001-my3 en 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.
- 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).
