Hvordan verdens mindste kaffering kan hjælpe biosensorer med at opdage sygdom

(PhysOrg.com) -- Inden for biosensing har for nylig fundet en usandsynlig partner i jagten på øget følsomhed:kafferinge. Næste gang du spilder din kaffe på et bord, se på det sted, der er tilbage efter at væsken er fordampet, og du vil bemærke, at den har en mørkere ring rundt om sin omkreds, der indeholder en meget højere koncentration af partikler end midten.

Fordi dette "kaffering"-fænomen opstår med mange væsker efter at de er fordampet, videnskabsmænd har foreslået, at sådanne ringe kan bruges til at undersøge blod eller andre væsker for sygdomsmarkører ved at bruge biosensing-enheder. Men en bedre forståelse af, hvordan disse ringe opfører sig på mikro- og nanoskala, ville sandsynligvis være nødvendig for praktiske bionsensorer.

"Forståelse af mikro- og nanopartikeltransport inden for fordampende væskedråber har et stort potentiale for flere teknologiske anvendelser, inklusive nanostruktur-selvsamling, litografi mønstre, partikelbelægning, og biomolekyle koncentration og separation, " sagde Chih-Ming Ho, Ben Rich-Lockheed Martin professor ved UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science og direktør for UCLA Center for Cell Control. "Imidlertid, før vi kan konstruere biosensing-enheder til at udføre disse applikationer, vi skal kende de endelige grænser for dette fænomen. Så vores forskning vendte sig mod fysisk kemi for at finde de laveste grænser for kafferingdannelse."

En forskergruppe ledet af Ho, medlem af National Academy of Engineering, har nu fundet den definitive mikroskopiske minimale tærskel for kafferingdannelse, som kan bruges til at sætte standarder for biosensorenheder til påvisning af flere sygdomme, samt andre anvendelser. Forskningen vises i det aktuelle nummer af Journal of Physical Chemistry B og er tilgængelig online.

"Hvis vi betragter menneskeblod, eller spyt, det har en masse mikro- og nanoskala molekyler eller partikler, der bærer vigtige sundhedsoplysninger, " sagde Tak-Sing Wong, en af ​​forskerne og en postdoc i UCLA Engineerings afdeling for mekanisk og rumfartsteknik. "Hvis du lægger dette blod eller spyt på en overflade, og så tørrer det, disse partikler vil blive opsamlet i et meget lille område i ringen. Ved at gøre det, vi kan kvantificere disse biomarkører ved hjælp af forskellige sanseteknikker, selvom de er meget små og i en lille mængde i dråberne."

Når vandet fordamper fra en dråbe, partikler, der er suspenderet inde i væsken, bevæger sig til dråbens kanter. Når alt vandet er fordampet, partiklerne er koncentreret i en ring omkring den plet, der efterlades. Imidlertid, hvis en dråbe er lille nok, vandet vil fordampe hurtigere end partiklerne bevæger sig. I stedet for en ring, der vil være en relativt ensartet koncentration i pletten, da partiklerne ikke har haft tid nok til at bevæge sig til kanterne, mens de stadig er i væsken.

"Det er konkurrencen mellem tidsskalaen for dråbens fordampning og tidsskalaen for bevægelsen af ​​partiklerne, der dikterer kafferingdannelsen, " sagde Xiaoying Shen, avisens hovedforfatter og en senior hovedfag i mikroelektronik ved Peking University i Kina, som arbejdede på disse eksperimenter, mens han var på UCLA Cross Disciplinary Scholars in Science and Technology (CSST)-programmet sidste sommer.

For at bestemme den mindste dråbestørrelse, der stadig ville vise en kaffering efter fordampning, forskerholdet fremstillede en speciel overflade belagt i et skakternet mønster, der indeholdt vekslende hydrofile, eller vandelskende, materiale og hydrofob, eller vandafvisende, materiale.

Gruppen placerede derefter latexpartikler, varierende i størrelse fra 100 nanometer til 20 nanometer, i vand. Partiklerne svarede i størrelse til sygdomsmarkørproteiner, som biosensorer ville lede efter.

Gruppen vaskede den nye overflade med partikel-infunderet vand. Det resterende vand stillede op som dråber på de hydrofile pletter, meget som brikker på et skakternet. Gruppen gentog eksperimenterne med mindre gittermønstre, indtil kaffering-fænomenet ikke længere var tydeligt. For de 100 nanometer store partikler, dette skete ved en dråbediameter på cirka 10 mikrometer, eller omkring 10 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. På dette tidspunkt, vandet fordampede, før partiklerne havde tid nok til at bevæge sig til perimeteren.

"Ved at kende minimumsstørrelsen på denne såkaldte kaffering vil vi guide os til at gøre de mindste biosensorer muligt, " sagde Wong. "Det betyder, at vi kan pakke tusindvis, selv millioner, af små mikro-biosensorer på en lab-on-a-chip, giver mulighed for at udføre et stort antal medicinske diagnostik på en enkelt chip. Dette kan også åbne dørene for potentielt at opdage flere sygdomme i et møde."

"There's another important advantage — this whole process is very natural, 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. For eksempel, 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.