Область разработки биодатчиков недавно нашла неожиданного «помощника» в поиске методов увеличения чувствительности: кофейные кольца. В следующий раз, когда вы разольете на стол кофе, посмотрите на пятно, оставшееся после того, как жидкость испарится. Вы заметите, что пятно имеет более темное кольцо по периметру, где обнаруживается гораздо более высокая концентрация частиц, чем в центре.

Так как подобное «кофейное кольцо» наблюдается при испарении и многих других жидкостей, ученые предположили, что с помощью биосенсоров такие кольца можно использовать для изучения крови или других жидкостей в качестве маркеров заболеваний. Но для практического их использования, вероятно, потребуется лучшее понимание того, как такие кольца ведут себя в микро- и наномасштабе.

«Понимание перемещения микро- и наночастиц в пределах высыхающих капелек жидкости имеет большой потенциал для целого ряда технологических применений, включая самосборку наноструктур, нанесение покрытия на частицы, концентрацию и разделение биомолекул»,  – говорит Ши-Мин Хо (Chih-Ming Ho), профессор Школы инженерии и прикладной науки Генри Сэмьюэли (Henry Samueli School of Engineering and Applied Science) и директор Центра изучения регуляции клетки (Center for Cell Control) Университета Калифорнии – Лос-Анджелес (University of California – Los Angeles – UCLA). «Однако прежде, чем мы сможет сконструировать биосенсорные устройства для применения в этих областях, мы должны знать характерные границы этого явления. Поэтому чтобы найти самый низкий порог образования кофейного кольца, мы обратились к области физической химии».

Исследовательская группа под руководством Хо, члена Национальной академии инженерии (National Academy of Engineering), зафиксировала минимальный микроскопический порог образования кофейного кольца, который может быть использован в качестве стандарта в биосенсорных устройствах для диагностики многих заболеваний. Исследование опубликовано в текущем номере журнала Journal of Physical Chemistry B и доступно в Интернете.

«В человеческой крови или слюне содержится большое количество микро- и наноразмерных молекул или частиц, несущих важную информацию о здоровье», – говорит один из исследователей Так-Синг Вонг (Tak-Sing Wong). «Если поместить кровь или слюну на какую-либо поверхность, то после их высыхания такие частицы соберутся в пределах очень небольшого пространства кольца. Мы можем подсчитать такие биомаркеры с помощью различных чувствительных методов, даже если они очень малы и находятся в каплях в небольших количествах».

По мере того, как жидкость из капель испаряется, взвешенные в ней частицы перемещаются к краям капли. Когда испаряется вся вода, частицы концентрируются в кольце вокруг оставшегося пятна. Однако если капля достаточно мала, вода испарится быстрее, чем частицы успеют переместиться. Вместо образования кольца произойдет относительно равномерное распределение концентрации в пределах всего пятна, так как у частиц не было достаточно времени, чтобы переместиться к его краям, пока они еще находились в жидкости.

«Идет соревнование между временем испарения капель и временем перемещения частиц, что и определяет образование кофейного кольца», – говорит ведущий автор статьи Сяоин Шен (Xiaoying Shen), специализирующийся в области микроэлектроники студент Пекинского университета (Китай), принимавший участие в этих экспериментами в рамках Междисциплинарной студенческой программы по науке и технологии (Cross Disciplinary Scholars in Science and Technology) при Университете Калифорнии – Лос-Анджелес.

Чтобы определить наименьший размер капли, испарение которой еще сопровождается образованием кофейного кольца, ученые изготовили специальную поверхность, покрытую в шахматном порядке гидрофобными и гидрофильными материалами.

На эту поверхность были помещены латексные частицы размером от 20 до 100 нанометров, находящиеся в воде. Частицы были близки по размерам к белковым маркерам заболеваний, которые распознаются биосенсорными устройствами.

Образование кофейных колец при увеличении размера капель. При использовании частиц размером 100 нанометров образуется самое маленькое кофейное кольцо диаметром около 10 микрометров, что составляет примерно одну десятую толщины человеческого волоса

Ученые вымыли новую поверхность содержащей частицы водой. Оставшаяся вода «выстроилась» в виде капель на гидрофильных участках, как шашки на шашечной доске. Они повторяли эксперименты со все более мелкими ячейками, до тех пор пока феномен кофейного кольца больше не обнаруживался. Для частиц размером в 100 нанометров это происходит при диаметре капли около 10 микрометров, или примерно в 10 раз меньше толщины человеческого волоса. Начиная с этой отметки, вода испаряется раньше, чем частицы успевают переместиться к периметру.

«Зная точный минимальный размер так называемого кофейного кольца, мы создадим самый маленький из возможных биосенсоров», – говорит Вонг. «Это значит, что мы сможем разместить в одном приборе тысячи, даже миллионы маленьких микробиосенсоров, позволяющих проводить большое количество различных медицинских диагностик на одном чипе. Это может открыть двери к потенциальному выявлению многих болезней в течение одного исследования. Есть и другое важное преимущество – весь процесс вполне естественен, это просто испарение»,  – добавляет Вонг. «Для перемещения частиц нам не нужны дополнительные устройства, такие как источники электропитания или другие сложные инструменты. Испарение предоставляет очень простой способ концентрации частиц и имеет потенциал в области медицинской диагностики. Например, ученые Университета Вандербильта (Vanderbilt University) недавно получили грант от Фонда Билла Гейтса (Gates Foundation) за предложение использовать феномен кофейного кольца для диагностики малярии в развивающихся странах».

В настоящее время исследователи заняты оптимизацией параметров образования кольца, а затем планируют изучить применение этого подхода к биосенсорным технологиям, разрабатываемым в лаборатории Хо.

Аннотация к статье Xiaoying Shen, Chih-Ming Ho, Tak-Sing Wong. Minimal Size of Coffee Ring Structure.