(PhysOrg.com) - El campo de la biodetección ha encontrado recientemente un socio poco probable en la búsqueda de una mayor sensibilidad:los anillos de café. La próxima vez que derrames tu café sobre una mesa, mire la mancha que queda después de que el líquido se haya evaporado, y notará que tiene un anillo más oscuro alrededor de su perímetro que contiene una concentración de partículas mucho más alta que el centro.

Debido a que este fenómeno de "anillo de café" ocurre con muchos líquidos después de que se han evaporado, Los científicos han sugerido que estos anillos se pueden usar para examinar sangre u otros fluidos en busca de marcadores de enfermedades mediante el uso de dispositivos biosensores. Pero probablemente se necesitaría una mejor comprensión de cómo se comportan estos anillos a micro y nanoescala para los bionsensores prácticos.

"Comprender el transporte de micro y nanopartículas dentro de las gotas de líquido en evaporación tiene un gran potencial para varias aplicaciones tecnológicas, incluido el autoensamblaje de nanoestructuras, patrones de litografía, revestimiento de partículas, y concentración y separación de biomoléculas, "dijo Chih-Ming Ho, el profesor Ben Rich-Lockheed Martin de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Henry Samueli de UCLA y director del Centro de Control Celular de UCLA. "Sin embargo, antes de que podamos diseñar dispositivos biosensores para realizar estas aplicaciones, necesitamos conocer los límites definitivos de este fenómeno. Así que nuestra investigación se centró en la química física para encontrar los límites más bajos de formación de anillos de café ".

Un grupo de investigación dirigido por Ho, miembro de la Academia Nacional de Ingeniería, ahora ha encontrado el umbral mínimo microscópico definitivo de formación de anillos de café, que se puede utilizar para establecer estándares para los dispositivos biosensores para la detección de múltiples enfermedades, así como otros usos. La investigación aparece en el número actual de la Revista de química física B y está disponible en línea.

"Si consideramos la sangre humana, o saliva, tiene una gran cantidad de moléculas o partículas a micro y nanoescala que transportan información importante sobre la salud, "dijo Tak-Sing Wong, uno de los investigadores y un becario postdoctoral en el departamento de ingeniería mecánica y aeroespacial de UCLA Engineering. "Si pones esta sangre o saliva en una superficie, y luego se seca, estas partículas se recogerán en una región muy pequeña del anillo. Al hacerlo, podemos cuantificar estos biomarcadores mediante diversas técnicas de detección, incluso si son muy pequeños y en una pequeña cantidad en las gotas ".

Como el agua se evapora de una gota, las partículas que están suspendidas dentro del líquido se mueven hacia los bordes de la gota. Una vez que toda el agua se haya evaporado, las partículas se concentran en un anillo alrededor de la mancha que queda. Sin embargo, si una gota es lo suficientemente pequeña, el agua se evaporará más rápido de lo que se mueven las partículas. En lugar de un anillo, habrá una concentración relativamente uniforme en la mancha, ya que las partículas no han tenido tiempo suficiente para moverse hacia los bordes mientras aún están en el líquido.

"Es la competencia entre la escala de tiempo de la evaporación de la gota y la escala de tiempo del movimiento de las partículas lo que dicta la formación del anillo de café, "dijo Xiaoying Shen, autor principal del artículo y licenciado en microelectrónica en la Universidad de Pekín en China, quienes trabajaron en estos experimentos mientras estaban en el programa de Becarios Interdisciplinarios en Ciencia y Tecnología (CSST) de UCLA el verano pasado.

Para determinar el tamaño de gota más pequeño que aún mostraría un anillo de café después de la evaporación, el equipo de investigación fabricó una superficie especial recubierta con un patrón de tablero de ajedrez que presentaba hidrófilos alternos, o amante del agua, material e hidrofóbico, o repelente al agua, material.

Luego, el grupo colocó partículas de látex, que varían en tamaño de 100 nanómetros a 20 nanómetros, en agua. Las partículas eran de tamaño similar a las proteínas marcadoras de enfermedades que buscarían los biosensores.

El grupo lavó la nueva superficie con agua infundida con partículas. El agua restante se alineó como gotas en las manchas hidrofílicas, como las damas en un tablero de ajedrez. El grupo repitió los experimentos con patrones de cuadrícula más pequeños hasta que el fenómeno del anillo de café dejó de ser evidente. Para las partículas de tamaño de 100 nanómetros, esto ocurrió con un diámetro de gota de aproximadamente 10 micrómetros, o aproximadamente 10 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. En este punto, el agua se evaporó antes de que las partículas tuvieran tiempo suficiente para moverse al perímetro.

"Conocer el tamaño mínimo de este llamado anillo de café nos guiará para hacer los biosensores más pequeños posibles, ", Dijo Wong." Esto significa que podemos empacar miles, incluso millones, de pequeños microbiosensores en un laboratorio en un chip, lo que permite realizar una gran cantidad de diagnósticos médicos en un solo chip. Esto también puede abrir las puertas a la posible detección de múltiples enfermedades en una sola sesión ".

"Hay otra ventaja importante:todo este proceso es muy 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. Por ejemplo, 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.