最小尺寸的咖啡環(huán)效應(yīng)可用于生物檢測

將咖啡濺在桌上時，稍稍留心液體蒸發(fā)后咖啡液滴留下的印記，你會發(fā)現(xiàn)，液滴邊緣位置形成了一個比中間區(qū)域顏色要深得多的暗環(huán)，這意味著在邊緣位置沉積的咖啡小顆粒濃度比中間區(qū)域的濃度要高得多。這種不均勻沉積的現(xiàn)象被稱作咖啡環(huán)效應(yīng)。

不僅是咖啡，許多溶有固體小顆粒物質(zhì)的溶液在液體蒸發(fā)后都會在邊界出現(xiàn)一個類似暗環(huán)。一個由美國工程院院士、加州大學(xué)洛杉磯分校細(xì)胞控制研究所所長何志明教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出，可以將這一生活中的常見現(xiàn)象與生物傳感技術(shù)相結(jié)合，用于檢測唾液、血液等各種體液中的生物標(biāo)志物，以進行醫(yī)學(xué)診斷。不過，若要將這一現(xiàn)象用于生物檢測，首先要找到咖啡環(huán)效應(yīng)出現(xiàn)的最小尺寸極限。

咖啡環(huán)效應(yīng)存在一個尺寸極限，這是因為，隨著液滴尺寸的減小，液滴蒸發(fā)的速度會大大增加，而液滴內(nèi)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，那么液滴蒸發(fā)的速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體顆粒運動速度，在液滴蒸發(fā)完之前，顆粒沒有足夠時間沉淀成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。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(qū)域。

參與研究的加州大學(xué)洛杉磯分校機械與航空工程學(xué)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(huán)效應(yīng)把它們沉積下來并利用相關(guān)的生物檢測技術(shù)進行分析和定量。而了解所謂咖啡環(huán)效應(yīng)出現(xiàn)的最小可能尺寸，則有助于盡可能地縮小生物傳感器尺寸，并使得單個芯片在小面積上具有同時進行多種生物標(biāo)志物檢測的能力。

“這樣的檢測技術(shù)還有一個優(yōu)勢，即整個檢測過程非常自然，僅僅依賴于正常的蒸發(fā)過程?！秉S得勝博士補充道：“這將使得整個檢測設(shè)施非常廉價也很便于制造。對于那些沒有足夠醫(yī)療設(shè)備的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這樣廉價又易于獲取的醫(yī)療裝置將對相關(guān)的醫(yī)療檢測有很大幫助?！?/p>

研究人員目前正在利用研究結(jié)果調(diào)整相關(guān)參數(shù)，希望可以得到最佳的實驗條件組合使咖啡環(huán)效應(yīng)可以用于生物檢測。這項研究成果日前已作為封面文章發(fā)表在美國《物理化學(xué)雜志》上。

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