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科普:最小尺寸的咖啡环效应可用于生物检测
2010年05月14日 17:58:08  来源:新华网
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    新华网华盛顿5月13日电(记者任海军)将咖啡溅在桌上时,稍稍留心液体蒸发后咖啡液滴留下的印记,你会发现,液滴边缘位置形成了一个比中间区域颜色要深很多的暗环,这意味着在边缘位置沉积的咖啡小颗粒浓度比中间区域的浓度要高得多。这种不均匀沉积的现象被称作咖啡环效应。

    不仅是咖啡,许多溶有固体小颗粒物质的溶液在液体蒸发后都会在边界出现一个类似暗环。一个由美国工程院院士、加州大学洛杉矶分校细胞控制研究所所长何志明教授领导的研究小组提出,可以将这一生活中的常见现象与生物传感技术相结合,用于检测唾液、血液等各种体液中的生物标志物,以进行医学诊断。不过,若要将这一现象用于生物检测,首先要找到咖啡环效应出现的最小尺寸极限。

    咖啡环效应存在一个尺寸极限,这是因为,随着液滴尺寸的减小,液滴蒸发的速度会大大增加,而液滴内固体颗粒的运动速度却变化不大。如果液滴的尺寸小到一定程度,那么液滴蒸发的速度将远远大于固体颗粒运动速度,在液滴蒸发完之前,颗粒没有足够时间沉淀成环状结构。这些来不及运动的小颗粒就会近乎均匀地沉积在整个液滴覆盖的面积上而非液滴的边缘区域。

    为了找到咖啡环效应的尺寸极限,研究人员制作了一种特殊的格子结构表面,相邻格子因涂抹了不同涂层而具有不同的亲疏水性,即表面不同位置保留液体或排斥液体的能力不同。利用这样的结构可以在表面上形成所需要尺寸的液滴。

    研究人员随后尝试将不同尺寸的乳胶颗粒溶解在水中进行实验,这些小颗粒的直径在20纳米到100纳米之间,这正是通常生物传感器所检测的生物标志小颗粒的尺寸。接着,他们将溶解了小颗粒的溶液滴到准备好的格子结构表面上,倾斜表面使多余液体滑落后,亲水表面的格子上就会形成所需要直径的液滴。研究人员通过逐渐缩小液滴尺寸发现,对于溶解有100纳米直径的小颗粒的溶液,当液滴尺寸缩小到近10微米(约为头发丝直径的十分之一)时,咖啡环效应就不再出现。

    参与研究的加州大学洛杉矶分校机械与航空工程学院博士黄得胜表示,人体的血液或唾液中包含大量的微米或纳米尺度的分子或生物微粒,可以利用咖啡环效应把它们沉积下来并利用相关的生物检测技术进行分析和定量。而了解所谓咖啡环效应出现的最小可能尺寸,则有助于尽可能地缩小生物传感器尺寸,并使得单个芯片在小面积上具有同时进行多种生物标志物检测的能力。

    “这样的检测技术还有一个优势,即整个检测过程非常自然,仅仅依赖于正常的蒸发过程。”黄得胜博士补充道:“这将使得整个检测设施非常廉价也很便于制造。对于那些没有足够医疗设备的偏远地区,这样廉价又易于获取的医疗装置将对相关的医疗检测有很大帮助。”

    研究人员目前正在利用研究结果调整相关参数,希望可以得到最佳的实验条件组合使咖啡环效应可以用于生物检测。

    这项研究成果已作为封面文章发表在美国《物理化学杂志》上。

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(责任编辑: 刘阳 )
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