咖啡環效應將用於生物檢測

　　新華網電訊,將咖啡濺在桌上時，稍稍留心液體蒸發後咖啡液滴留下的印記，你會發現，液滴邊緣位置形成了一個比中間區域顏色要深很多的暗環，這意味着在邊緣位置沉積的咖啡小顆粒濃度比中間區域的濃度要高得多。這種不均勻沉積的現象被稱作咖啡環效應。

　　不僅是咖啡，許多溶有固體小顆粒物質的溶液在液體蒸發後都會在邊界出現一個類似暗環。一個由美國工程院院士、加州大學洛杉磯分校細胞控制研究所所長何志明教授領導的研究小組提出，可以將這一生活中的常見現象與生物傳感技術相結合，用於檢測唾液、血液等各種體液中的生物標誌物，以進行醫學診斷。不過，若要將這一現象用於生物檢測，首先要找到咖啡環效應出現的最小尺寸極限。

　　咖啡環效應存在一個尺寸極限，這是因爲，隨着液滴尺寸的減小，液滴蒸發的速度會大大增加，而液滴內固體顆粒的運動速度卻變化不大。如果液滴的尺寸小到一定程度，那麼液滴蒸發的速度將遠遠大於固體顆粒運動速度，在液滴蒸發完之前，顆粒沒有足夠時間沉澱成環狀結構。這些來不及運動的小顆粒就會近乎均勻地沉積在整個液滴覆蓋的面積上而非液滴的邊緣區域。 爲了找到咖啡環效應的尺寸極限，研究人員製作了一種特殊的格子結構表面，相鄰格子因塗抹了不同塗層而具有不同的親疏水性，即表面不同位置保留液體或排斥液體的能力不同。利用這樣的結構可以在表面上形成所需要尺寸的液滴。

　　研究人員隨後嘗試將不同尺寸的乳膠顆粒溶解在水中進行實驗，這些小顆粒的直徑在20納米到100納米之間，這正是通常生物傳感器所檢測的生物標誌小顆粒的尺寸。接着，他們將溶解了小顆粒的溶液滴到準備好的格子結構表面上，傾斜表面使多餘液體滑落後，親水錶面的格子上就會形成所需要直徑的液滴。研究人員通過逐漸縮小液滴尺寸發現，對於溶解有100納米直徑的小顆粒的溶液，當液滴尺寸縮小到近10微米(約爲頭髮絲直徑的十分之一)時，咖啡環效應就不再出現。

　　參與研究的加州大學洛杉磯分校機械與航空工程學院博士黃得勝表示，人體的血液或唾液中包含大量的微米或納米尺度的分子或生物微粒，可以利用咖啡環效應把它們沉積下來並利用相關的生物檢測技術進行分析和定量。而瞭解所謂咖啡環效應出現的最小可能尺寸，則有助於儘可能地縮小生物傳感器尺寸，並使得單個芯片在小面積上具有同時進行多種生物標誌物檢測的能力。

　　“這樣的檢測技術還有一個優勢，即整個檢測過程非常自然，僅僅依賴於正常的蒸發過程。”黃得勝博士補充道：“這將使得整個檢測設施非常廉價也很便於製造。對於那些沒有足夠醫療設備的偏遠地區，這樣廉價又易於獲取的醫療裝置將對相關的醫療檢測有很大幫助。” 研究人員目前正在利用研究結果調整相關參數，希望可以得到最佳的實驗條件組合使咖啡環效應可以用於生物檢測。

　　這項研究成果已作爲封面文章發表在美國《物理化學雜誌》上。