(PhysOrg.com) -- Il campo del biosensore ha recentemente trovato un partner improbabile nella ricerca di una maggiore sensibilità:gli anelli di caffè. La prossima volta che rovesci il tuo caffè su un tavolo, guarda la macchia rimasta dopo che il liquido è evaporato, e noterai che ha un anello più scuro attorno al suo perimetro che contiene una concentrazione di particelle molto più alta rispetto al centro.

Poiché questo fenomeno di "anello di caffè" si verifica con molti liquidi dopo che sono evaporati, gli scienziati hanno suggerito che tali anelli possono essere utilizzati per esaminare il sangue o altri fluidi per i marcatori di malattie utilizzando dispositivi di biorilevamento. Ma per i biosensori pratici sarebbe probabilmente necessaria una migliore comprensione di come si comportano questi anelli su micro e nanoscala.

"Comprendere il trasporto di micro e nanoparticelle all'interno di goccioline di liquido in evaporazione ha un grande potenziale per diverse applicazioni tecnologiche, compreso l'autoassemblaggio di nanostrutture, modelli di litografia, rivestimento di particelle, e concentrazione e separazione di biomolecole, " disse Chih-Ming Ho, il Ben Rich-Lockheed Martin Professor alla UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science e direttore dell'UCLA Center for Cell Control. "Però, prima di poter progettare dispositivi di biorilevamento per eseguire queste applicazioni, dobbiamo conoscere i limiti definitivi di questo fenomeno. Quindi la nostra ricerca si è rivolta alla chimica fisica per trovare i limiti più bassi della formazione degli anelli di caffè".

Un gruppo di ricerca guidato da Ho, un membro dell'Accademia Nazionale di Ingegneria, ha ora trovato la soglia minima microscopica definitiva di formazione dell'anello di caffè, che può essere utilizzato per stabilire gli standard per i dispositivi biosensori per il rilevamento di più malattie, così come altri usi. La ricerca appare nell'attuale numero del Journal of Physical Chemistry B ed è disponibile online.

"Se consideriamo il sangue umano, o saliva, ha molte molecole o particelle su micro e nanoscala che trasportano importanti informazioni sulla salute, " disse Tak-Sing Wong, uno dei ricercatori e borsista post-dottorato nel dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale dell'UCLA Engineering. "Se metti questo sangue o saliva su una superficie, e poi si asciuga, queste particelle saranno raccolte in una regione molto piccola dell'anello. Facendo così, possiamo quantificare questi biomarcatori con varie tecniche di rilevamento, anche se sono molto piccoli e in piccola quantità nelle goccioline."

Quando l'acqua evapora da una goccia, le particelle sospese all'interno del liquido si spostano verso i bordi della gocciolina. Quando tutta l'acqua sarà evaporata, le particelle si concentrano in un anello attorno alla macchia che rimane. Però, se una goccia è abbastanza piccola, l'acqua evaporerà più velocemente del movimento delle particelle. Piuttosto che un anello, ci sarà una concentrazione relativamente uniforme nella macchia, poiché le particelle non hanno avuto abbastanza tempo per spostarsi verso i bordi mentre erano ancora nel liquido.

"È la competizione tra la scala temporale dell'evaporazione della goccia e la scala temporale del movimento delle particelle che determina la formazione dell'anello di caffè, " ha detto Xiaoying Shen, l'autore principale del documento e un esperto di microelettronica presso l'Università di Pechino in Cina, che ha lavorato a questi esperimenti durante il programma UCLA Cross Disciplinary Scholars in Science and Technology (CSST) la scorsa estate.

Per determinare la dimensione della goccia più piccola che mostrerebbe ancora un anello di caffè dopo l'evaporazione, il team di ricerca ha prodotto una superficie speciale rivestita con un motivo a scacchiera che presentava alternanza idrofila, o amante dell'acqua, materiale e idrofobo, o idrorepellente, Materiale.

Il gruppo ha quindi posizionato particelle di lattice, di dimensioni variabili da 100 nanometri a 20 nanometri, in acqua. Le particelle erano di dimensioni simili alle proteine ​​​​marcatrici della malattia che i biosensori cercherebbero.

Il gruppo ha lavato la nuova superficie con l'acqua infusa di particelle. L'acqua rimanente si allineava come goccioline sui punti idrofili, proprio come la dama su una scacchiera. Il gruppo ha ripetuto gli esperimenti con schemi a griglia più piccoli fino a quando il fenomeno dell'anello di caffè non era più evidente. Per le particelle di dimensioni di 100 nanometri, ciò si è verificato ad un diametro della goccia di circa 10 micrometri, o circa 10 volte più piccolo della larghezza di un capello umano. A questo punto, l'acqua evaporava prima che le particelle avessero il tempo di spostarsi verso il perimetro.

"Conoscere la dimensione minima di questo cosiddetto anello del caffè ci guiderà nel realizzare i biosensori più piccoli possibili, " Ha detto Wong. "Questo significa che possiamo imballare migliaia, anche milioni, di piccoli micro-biosensori su un lab-on-a-chip, consentendo di eseguire un gran numero di diagnosi mediche su un singolo chip. Questo potrebbe anche aprire le porte alla potenziale individuazione di più malattie in una sola seduta".

"C'è un altro importante vantaggio:l'intero processo è molto naturale, è solo evaporazione, " 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. Per esempio, 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.