Une plate-forme pour la détection Taux d'évaporation à base d'impédance haute performance
17 octobre 2016
Cet article présente un appareil à base d'impédance pour la détection de taux d'évaporation des solutions. Il offre des avantages évidents par rapport à une approche de perte de poids conventionnelle: une réponse rapide, la détection à haute sensibilité, une petite exigence de l'échantillon, les mesures d'échantillons multiples, et un démontage facile pour le nettoyage et la réutilisation.
L’objectif global de cette expérience est de mesurer les taux d’évaporation des solutions, à l’aide d’un système basé sur l’impédance. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans les domaines de la chimie analytique tels que l’hydratation compétitive des cosmétiques. Les principaux avantages de cette technique sont une réponse de détection plus rapide, une petite taille d’échantillon, des sensibilités élevées, la gestion de plusieurs échantillons et un démontage facile pour le nettoyage et la réutilisation.
Cette méthode peut donner un aperçu du processus d’évaporation. Il peut également être appliqué à d’autres lacets tels que la dissection biomoléculaire et le comportement cellulaire. Nous avons d’abord eu l’idée de la méthode lorsque nous avons constaté que la nature chronophage de la méthode standard de ces systèmes de mesure était problématique.
Pour commencer à construire le module de puce expérimental, utilisez un coupe-verre pour couper un substrat de verre recouvert d’oxyde d’indium et d’étain aux dimensions appropriées. Soniquez le verre ITO dans de l’acétone. Et puis dans de l’eau déminéralisée pendant 15 minutes chacun.
Séchez ensuite le verre ITO à l’air sec. Appliquez cinq millilitres de liquide photosensible positif sur le verre ITO et appliquez une couche de rotation sur le verre pendant 30 secondes. Gardez le verre à 90 degrés Celsius pendant cinq minutes.
Couvrez ensuite le verre avec un masque photo en film et exposez le verre à 14 milliwatts de lumière ultraviolette de 436 nanomètres pendant 3,1 secondes. Laissez le verre refroidir à température ambiante. Ensuite, développez le verre dans une solution de révélateur pendant 30 secondes.
Chauffez le verre développé sur une plaque chauffante à 120 degrés Celsius pendant 10 minutes. Laissez le verre refroidir à 80 degrés Celsius. Placez le verre dans la solution de gravure à 80 degrés pendant trois minutes.
Placez ensuite le verre dans de l’acétone pendant une minute pour éliminer le matériau photosensible résiduel. À l’aide d’un coupe-verre, coupez l’excédent de verre ITO de la puce. Ensuite, sonicez un réseau de silicone à 8 puits et l’ITO injecte à nouveau du détergent, de l’eau déminéralisée, de l’éthanol à 95 % et de l’eau déonisée pendant 15 minutes chacun.
Séchez le réseau et la puce à l’air sec. Placez soigneusement le réseau de silicone propre et sec sur la surface de la puce ITO de sorte que les doigts de l’électrode sur la puce soient tous à l’intérieur des puits du réseau de silicone. Enfin, appuyez sur le réseau de silicone sur la puce ITO pour former le module de puce expérimental.
Pour commencer la préparation de l’expérience, connectez un amplificateur à verrouillage à un ordinateur. Connectez ensuite un circuit de relais de commutation à l’amplificateur de verrouillage. Insérez le module de puce expérimental dans la prise du circuit de relais de commutation.
Dans le logiciel, définissez la fréquence du signal, les numéros de puits d’échantillonnage, le cycle d’exécution et le nom du fichier. Préparez ensuite des solutions de 4 millilitres de concentrations variables d’acide hyaluronique dans l’eau du robinet. Transférez 2,5 millilitres de chaque solution dans un petit flacon.
Pour commencer l’expérience, pour chaque échantillon, transférez 0,5 millilitre dans un puits du module de puce expérimental. Pesez ensuite chaque flacon d’échantillon à l’aide d’une balance de précision et notez les poids. Dans le logiciel, commencez à collecter les données de résistance et de phase du signal.
Noter le poids des flacons à intervalles réguliers tout au long de l’expérience d’évaporation. Continuez à recueillir des données jusqu’à ce que le taux d’évaporation puisse être déterminé avec précision par la variation de poids des flacons d’échantillons. Le taux d’évaporation des solutions d’acide hyaluronique par rapport à l’eau a pu être calculé à partir des données d’impédance après une heure de collecte de données.
La méthode de pesage nécessitait une demi-journée de collecte de données pour déterminer le taux d’évaporation. Les données d’impédance, lorsqu’elles sont normalisées et converties en taux de perte de poids, indiquent que le taux d’évaporation de la solution de 0,05 % d’acide hyaluronique est inférieur de 12 % à celui de l’eau. La méthode de pesage conventionnelle a montré la même tendance à la diminution du taux d’évaporation relatif.
Mais la sensibilité de la balance de précision était inférieure à celle du détecteur d’impédance. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en une heure si elle est exécutée correctement. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la biomédecine pour améliorer la détection des biomédicaments et le comportement cellulaire à l’aide d’une micropuce constante.
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Aperçu
Cette étude présente un système fondé sur l'impédance pour mesurer les taux d'évaporation de solutions, offrant une détection plus rapide et nécessitant des échantillons de taille plus réduite par rapport aux méthodes traditionnelles. Cette technique peut améliorer la compréhension dans divers domaines, notamment la chimie analytique et les études biomoléculaires.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Chimie analytique
- Études biomoléculaires
- Procédés d'évaporation
Contexte
- Les méthodes traditionnelles de mesure des taux d'évaporation peuvent être longues.
- Les systèmes basés sur l'impédance offrent des avantages en termes de sensibilité et de gestion des échantillons.
- La compréhension de l'évaporation est essentielle pour des applications en cosmétique et en biologie.
- Cette méthode permet la mesure de plusieurs échantillons et un nettoyage facile.
Objectif de l'étude
- Développer une méthode plus rapide et plus efficace pour mesurer les taux d'évaporation.
- Fournir des informations sur le processus d'évaporation de diverses solutions.
- Faciliter la recherche dans des domaines connexes tels que la dissection biomoléculaire.
Méthodes utilisées
- Système de détection basé sur l'impédance pour mesurer les taux d'évaporation.
- Comparaison avec les méthodes conventionnelles de perte de poids.
- Évaluation de la sensibilité et du temps de réponse.
- Évaluation des exigences en matière de taille d'échantillon et des procédures de nettoyage.
Résultats principaux
- Le système basé sur l'impédance a démontré une réponse plus rapide par rapport aux méthodes traditionnelles.
- Une sensibilité élevée a été obtenue avec des échantillons de taille minimale.
- Plusieurs échantillons pouvaient être mesurés simultanément.
- Le système était facile à démonter pour le nettoyage et la réutilisation.
Conclusions
- La méthode basée sur l'impédance constitue une amélioration importante par rapport aux techniques conventionnelles.
- Cette approche peut être appliquée à divers domaines scientifiques allant au-delà des études sur l'évaporation.
- De futures recherches pourront explorer ses applications dans les comportements biomoléculaires et cellulaires.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
Cette plateforme basée sur l'impédance permet une détection rapide et sensible du taux d'évaporation avec des volumes d'échantillon minimes, répondant ainsi à un goulot d'étranglement majeur dans les études de stabilité des formulations. En fournissant des mesures en temps réel et multiplexées, elle facilite des décisions plus rapides d'aller/arrêt lors du criblage précoce des excipients et de l'évaluation de l'efficacité des agents hydratants. L'approche réduit la consommation de ressources et accélère la détection précoce des risques liés aux agents hygroscopiques dans les formulations topiques et injectables.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmacie
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet une comparaison quantitative de l'efficacité des humectants selon différentes concentrations, afin d'approfondir la compréhension mécanistique de la rétention d'humidité dans la stabilisation des produits biologiques.
- Valeur opérationnelle : Nécessite seulement 0,5 mL par échantillon, permettant des tests parallèles de plusieurs variantes de formulation sans consommation excessive de matériau.
Développement de tests et criblage
- Valeur scientifique : Fournit des variations d'impédance en temps réel corrélées à la cinétique d'évaporation, permettant une surveillance continue et sans marquage de la stabilité des solutions.
- Valeur opérationnelle : Permet une mesure automatisée et partagée dans le temps de plusieurs échantillons, améliorant le débit dans les campagnes de criblage de l'hygroscopicité.
- Valeur scientifique : Démontre une sensibilité élevée aux solutions diluées d'acide hyaluronique, facilitant la détection de changements subtils induits par la formulation dans l'activité de l'eau.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Fournit des données sur la vitesse d'évaporation pouvant alimenter des modèles prédictifs de perméation cutanée et de cinétique de libération des médicaments topiques.
- Valeur opérationnelle : La conception basée sur une puce permet un démontage, un nettoyage et une réutilisation faciles, soutenant ainsi des études longitudinales au cours de différentes itérations de formulation.
Intégration des pipelines et des flux de travail
La méthode s'intègre aux flux de travail de la phase de découverte précoce, où l'évaluation rapide des propriétés des excipients oriente le choix de la formulation candidate avant de s'engager dans des études de stabilité ou de perméabilité à plus grande échelle.
- Biologie de la découverte : Soutient la vérification d'hypothèses sur la manière dont les excipients hygroscopiques influencent la rétention d'eau dans le microenvironnement, un facteur pertinent pour la stabilité des protéines.
- Essais de criblage : Permet des mesures normalisées et reproductibles du taux d'évaporation dans diverses conditions, avec une variabilité minimale liée à l'opérateur.
- Analytique : Génère des données quantitatives de taux dérivées de l'impédance, permettant une comparaison directe entre différents candidats à la formulation.
- Recherche translationnelle : Fournit un éclairage mécanistique sur la dynamique de perte d'eau, corrélée à l'hydratation cutanée et à l'efficacité de la délivrance topique.
- Réutilisation en entreprise : La plateforme de puces réutilisables peut être déployée dans plusieurs projets étudiant la fonctionnalité des excipients, réduisant ainsi le développement redondant de méthodes.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Améliore la confiance prédictive dans le choix des excipients en fournissant des données sensibles et en temps réel sur l'évaporation.
- Valeur opérationnelle : Réduit la durée du test de demi-journée à une heure et minimise la consommation d'échantillons.
- Valeur stratégique : Accélère les cycles de criblage des formulations, permettant une itération plus rapide et une réduction du risque d'instabilité en phase avancée.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation fondée sur des données des agents hygroscopiques selon leurs profils quantitatifs d'évaporation.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en microfabrication, en chimie de surface et en utilisation de l'amplificateur à détection synchrone pour la préparation de la puce et l'acquisition du signal.
- Dépend de l'accès à des équipements de lithographie UV, à des solutions de gravure et à des procédés compatibles salle blanche pour un façonnage reproductible des électrodes.
- Exige des protocoles opératoires standardisés (SOP) pour l'alignement des puits en silicone et la manipulation des fluides afin d'assurer une cohérence des mesures entre les essais.
- L'adaptation à des formulations visqueuses ou contenant des particules peut nécessiter une optimisation du chargement de l'échantillon et de la conception de la chambre.
- Limite pratique : la démonstration actuelle utilise des solutions aqueuses diluées ; l'applicabilité à des matrices biologiques complexes nécessite une validation empirique.
