(PhysOrg.com) -- Het gebied van biosensing heeft onlangs een onwaarschijnlijke partner gevonden in de zoektocht naar verhoogde gevoeligheid:koffieringen. De volgende keer dat u uw koffie op een tafel morst, kijk naar de plek die overblijft nadat de vloeistof is verdampt, en je zult merken dat het een donkerdere ring rond zijn omtrek heeft die een veel hogere concentratie deeltjes bevat dan het midden.

Omdat dit fenomeen van de "koffiering" bij veel vloeistoffen optreedt nadat ze zijn verdampt, wetenschappers hebben gesuggereerd dat dergelijke ringen kunnen worden gebruikt voor het onderzoeken van bloed of andere vloeistoffen op ziektemarkers met behulp van biosensing-apparaten. Maar een beter begrip van hoe deze ringen zich op micro- en nanoschaal gedragen, zou waarschijnlijk nodig zijn voor praktische bionsensoren.

"Het begrijpen van het transport van micro- en nanodeeltjes in verdampende vloeistofdruppels heeft een groot potentieel voor verschillende technologische toepassingen, inclusief zelfassemblage van nanostructuren, lithografie patronen, deeltjes coating, en biomolecuulconcentratie en scheiding, " zei Chih-Ming Ho, de Ben Rich-Lockheed Martin Professor aan de UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science en directeur van het UCLA Center for Cell Control. "Echter, voordat we biosensing-apparaten kunnen ontwikkelen om deze toepassingen uit te voeren, we moeten de definitieve grenzen van dit fenomeen kennen. Dus ons onderzoek richtte zich op fysische chemie om de laagste limieten van koffieringvorming te vinden."

Een onderzoeksgroep onder leiding van Ho, een lid van de National Academy of Engineering, heeft nu de definitieve microscopisch kleine drempel voor koffieringvorming gevonden, die kunnen worden gebruikt om normen vast te stellen voor biosensor-apparaten voor detectie van meerdere ziekten, evenals andere toepassingen. Het onderzoek verschijnt in het huidige nummer van de Journal of Physical Chemistry B en is online beschikbaar.

"Als we mensenbloed beschouwen, of speeksel, het heeft veel moleculen of deeltjes op micro- en nanoschaal die belangrijke gezondheidsinformatie bevatten, " zei Tak-Sing Wong, een van de onderzoekers en een postdoctoraal onderzoeker in de afdeling mechanische en ruimtevaarttechniek van UCLA Engineering. "Als je dit bloed of speeksel op een oppervlak legt, en dan droogt het deze deeltjes worden verzameld in een heel klein gebied in de ring. Door het zo te doen, we kunnen deze biomarkers kwantificeren door verschillende detectietechnieken, zelfs als ze heel klein zijn en in een kleine hoeveelheid in de druppeltjes."

Als water uit een druppel verdampt, deeltjes die in de vloeistof zijn gesuspendeerd, verplaatsen zich naar de randen van de druppel. Als al het water is verdampt, de deeltjes zijn geconcentreerd in een ring rond de vlek die achterblijft. Echter, als een druppel klein genoeg is, het water zal sneller verdampen dan de deeltjes bewegen. In plaats van een ring, er zal een relatief uniforme concentratie in de vlek zijn, omdat de deeltjes niet genoeg tijd hebben gehad om naar de randen te gaan terwijl ze nog in de vloeistof zijn.

"Het is de competitie tussen de tijdschaal van de verdamping van de druppel en de tijdschaal van de beweging van de deeltjes die de vorming van koffieringen dicteert, " zei Xiaoying Shen, de hoofdauteur van het artikel en een senior micro-elektronica-majoor aan de Universiteit van Peking in China, die afgelopen zomer aan deze experimenten heeft gewerkt tijdens het UCLA Cross Disciplinary Scholars in Science and Technology (CSST) -programma.

Om de kleinste druppelgrootte te bepalen die na verdamping nog een koffiering zou vertonen, het onderzoeksteam vervaardigde een speciaal oppervlak gecoat in een dambordpatroon met afwisselend hydrofiel, of waterminnend, materiaal en hydrofoob, of waterafstotend, materiaal.

De groep plaatste vervolgens latexdeeltjes, variërend in grootte van 100 nanometer tot 20 nanometer, in water. De deeltjes waren qua grootte vergelijkbaar met ziektemarkereiwitten waarnaar biosensoren zouden zoeken.

De groep waste het nieuwe oppervlak met het met deeltjes doordrenkte water. Het resterende water vormde zich als druppeltjes op de hydrofiele plekken, net als dammen op een dambord. De groep herhaalde de experimenten met kleinere rasterpatronen totdat het fenomeen van de koffiering niet langer duidelijk was. Voor de deeltjes van 100 nanometer, dit gebeurde bij een druppeldiameter van ongeveer 10 micrometer, of ongeveer 10 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Op dit punt, het water verdampte voordat de deeltjes genoeg tijd hadden om naar de perimeter te gaan.

"Het kennen van de minimale grootte van deze zogenaamde koffiering zal ons helpen bij het maken van de kleinst mogelijke biosensoren, " zei Wong. "Dit betekent dat we duizenden kunnen inpakken, zelfs miljoenen, van kleine micro-biosensoren op een lab-on-a-chip, waardoor men op één chip een groot aantal medische diagnostiek kan uitvoeren. Dit kan ook de deuren openen om mogelijk meerdere ziekten in één keer op te sporen."

"Er is nog een belangrijk voordeel - dit hele proces is heel natuurlijk, het is gewoon verdamping, " Wong added. "We don't need to use additional devices, such as an electrical power source or other sophisticated instruments to move the particles. Evaporation provides a very simple way of concentrating particles and has potential in medical diagnosis. Bijvoorbeeld, researchers at Vanderbilt University were recently awarded a Gates Foundation Research Fund for proposing the use of the coffee-ring phenomenon for malaria detection in developing countries."

The researchers are currently optimizing the ring formation parameters and will then explore the application of this approach toward biosensing technologies that are being developed in Ho's laboratory.