(PhysOrg.com) -- Området för biosensing har nyligen hittat en osannolik partner i jakten på ökad känslighet:kafferingar. Nästa gång du spiller ditt kaffe på ett bord, titta på platsen kvar efter att vätskan har avdunstat, och du kommer att märka att den har en mörkare ring runt omkretsen som innehåller en mycket högre koncentration av partiklar än mitten.

Eftersom detta "kaffering"-fenomen uppstår med många vätskor efter att de har avdunstat, forskare har föreslagit att sådana ringar kan användas för att undersöka blod eller andra vätskor för sjukdomsmarkörer genom att använda bioavkänningsanordningar. Men en bättre förståelse för hur dessa ringar beter sig i mikro- och nanoskala skulle förmodligen behövas för praktiska bionsensorer.

"Att förstå mikro- och nanopartikeltransport inom förångande vätskedroppar har stor potential för flera tekniska tillämpningar, inklusive självmontering av nanostruktur, litografimönster, partikelbeläggning, och biomolekylkoncentration och separation, sa Chih-Ming Ho, Ben Rich-Lockheed Martin professor vid UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science och chef för UCLA Center for Cell Control. "Dock, innan vi kan konstruera bioavkänningsenheter för att göra dessa applikationer, vi måste känna till de definitiva gränserna för detta fenomen. Så vår forskning vände sig till fysikalisk kemi för att hitta de lägsta gränserna för bildning av kafferingar."

En forskargrupp ledd av Ho, medlem av National Academy of Engineering, har nu hittat den definitiva mikroskopiska minimala tröskeln för bildning av kafferingar, som kan användas för att sätta standarder för biosensorenheter för upptäckt av flera sjukdomar, såväl som andra användningsområden. Forskningen visas i det aktuella numret av Journal of Physical Chemistry B och är tillgänglig online.

"Om vi ​​betraktar mänskligt blod, eller saliv, den har många molekyler eller partiklar i mikro- och nanoskala som bär viktig hälsoinformation, " sa Tak-Sing Wong, en av forskarna och en postdoktor vid UCLA Engineerings avdelning för maskin- och flygteknik. "Om du lägger detta blod eller saliv på en yta, och sedan torkar det, dessa partiklar kommer att samlas i ett mycket litet område i ringen. Genom att göra så, vi kan kvantifiera dessa biomarkörer genom olika avkänningstekniker, även om de är väldigt små och i en liten mängd i dropparna."

När vatten avdunstar från en droppe, partiklar som är suspenderade inuti vätskan rör sig till droppens kanter. När allt vatten har avdunstat, partiklarna koncentreras i en ring runt fläcken som är kvar. Dock, om en droppe är tillräckligt liten, vattnet kommer att avdunsta snabbare än partiklarna rör sig. Snarare än en ring, det blir en relativt jämn koncentration i fläcken, eftersom partiklarna inte har haft tillräckligt med tid att röra sig till kanterna medan de fortfarande är i vätskan.

"Det är konkurrensen mellan tidsskalan för avdunstningen av droppen och tidsskalan för partiklarnas rörelse som dikterar kafferingbildningen, sa Xiaoying Shen, tidningens huvudförfattare och senior mikroelektronik vid Peking University i Kina, som arbetade med dessa experiment när han var på UCLA Cross Disciplinary Scholars in Science and Technology (CSST)-programmet förra sommaren.

För att bestämma den minsta droppstorleken som fortfarande skulle visa en kaffering efter avdunstning, forskargruppen tillverkade en speciell yta belagd i ett rutmönster som innehöll alternerande hydrofila, eller vattenälskande, material och hydrofob, eller vattenavvisande, material.

Gruppen placerade sedan latexpartiklar, i storlek från 100 nanometer till 20 nanometer, i vatten. Partiklarna var lika i storlek som sjukdomsmarkörproteiner som biosensorer skulle leta efter.

Gruppen tvättade den nya ytan med det partikelinfunderade vattnet. Det återstående vattnet radades upp som droppar på de hydrofila fläckarna, ungefär som pjäser på ett schackbräde. Gruppen upprepade experimenten med mindre rutmönster tills kafferingfenomenet inte längre var uppenbart. För 100 nanometer stora partiklar, detta inträffade vid en droppdiameter på cirka 10 mikrometer, eller cirka 10 gånger mindre än bredden på ett människohår. Vid denna tidpunkt, vattnet avdunstade innan partiklarna hade tillräckligt med tid att förflytta sig till perimetern.

"Att veta minimistorleken på denna så kallade kaffering kommer att vägleda oss i att göra de minsta möjliga biosensorerna, " sa Wong. "Detta betyder att vi kan packa tusentals, till och med miljoner, av små mikrobiosensorer på ett lab-on-a-chip, tillåter en att utföra ett stort antal medicinska diagnostik på ett enda chip. Detta kan också öppna dörrarna för att potentiellt upptäcka flera sjukdomar i ett möte."

"Det finns en annan viktig fördel - hela denna process är väldigt naturlig, it's just evaporation, " 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. Till exempel, 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.