(PhysOrg.com) -- Le domaine de la biodétection a récemment trouvé un partenaire improbable dans la quête d'une sensibilité accrue :les anneaux de café. La prochaine fois que vous renversez votre café sur une table, regardez la tache laissée après l'évaporation du liquide, et vous remarquerez qu'il a un anneau plus sombre autour de son périmètre qui contient une concentration de particules beaucoup plus élevée que le centre.

Parce que ce phénomène de « anneau de café » se produit avec de nombreux liquides après leur évaporation, les scientifiques ont suggéré que de tels anneaux peuvent être utilisés pour examiner le sang ou d'autres fluides à la recherche de marqueurs de maladie en utilisant des dispositifs de biodétection. Mais une meilleure compréhension du comportement de ces anneaux à l'échelle micro et nanométrique serait probablement nécessaire pour des biocapteurs pratiques.

« Comprendre le transport des micro- et nanoparticules dans les gouttelettes liquides en évaporation a un grand potentiel pour plusieurs applications technologiques, y compris l'auto-assemblage de nanostructures, motif de lithographie, revêtement de particules, et concentration et séparation de biomolécules, " dit Chih-Ming Ho, le professeur Ben Rich-Lockheed Martin à la UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science et directeur du UCLA Center for Cell Control. "Toutefois, avant de pouvoir concevoir des dispositifs de biodétection pour faire ces applications, nous devons connaître les limites définitives de ce phénomène. Nos recherches se sont donc tournées vers la chimie physique pour trouver les limites les plus basses de la formation d'anneaux de café."

Un groupe de recherche dirigé par Ho, membre de l'Académie nationale d'ingénierie, a maintenant trouvé le seuil minimal microscopique définitif de formation d'anneaux de café, qui peut être utilisé pour établir des normes pour les dispositifs de biocapteurs pour la détection de maladies multiples, ainsi que d'autres utilisations. La recherche apparaît dans le numéro actuel de la Journal de chimie physique B et est disponible en ligne.

"Si l'on considère le sang humain, ou de la salive, il contient de nombreuses molécules ou particules à l'échelle micro et nanométrique qui véhiculent des informations importantes sur la santé, " dit Tak-Sing Wong, l'un des chercheurs et chercheur postdoctoral du département de génie mécanique et aérospatial de l'UCLA Engineering. "Si vous mettez ce sang ou cette salive sur une surface, et puis ça sèche, ces particules seront collectées dans une très petite région de l'anneau. En faisant cela, nous pouvons quantifier ces biomarqueurs par diverses techniques de détection, même s'ils sont très petits et en petite quantité dans les gouttelettes."

Lorsque l'eau s'évapore d'une gouttelette, les particules en suspension à l'intérieur du liquide se déplacent vers les bords de la gouttelette. Une fois toute l'eau évaporée, les particules sont concentrées dans un anneau autour de la tache qui reste. Cependant, si une goutte est assez petite, l'eau s'évapore plus vite que les particules ne se déplacent. Plutôt qu'une bague, il y aura une concentration relativement uniforme dans la tache, car les particules n'ont pas eu assez de temps pour se déplacer vers les bords alors qu'elles étaient encore dans le liquide.

« C'est la compétition entre l'échelle de temps de l'évaporation de la gouttelette et l'échelle de temps du mouvement des particules qui dicte la formation des anneaux de café, " dit Xiaoying Shen, l'auteur principal de l'article et une majeure en microélectronique à l'Université de Pékin en Chine, qui a travaillé sur ces expériences alors qu'il participait au programme de boursiers interdisciplinaires en sciences et technologies (CSST) de l'UCLA l'été dernier.

Pour déterminer la plus petite taille de gouttelette qui montrerait encore un anneau de café après évaporation, l'équipe de recherche a fabriqué une surface spéciale revêtue d'un motif en damier qui présentait une alternance d'hydrophilie, ou amoureux de l'eau, matière et hydrophobe, ou hydrofuge, Matériel.

Le groupe a ensuite placé des particules de latex, allant de 100 nanomètres à 20 nanomètres, dans l'eau. Les particules étaient de taille similaire aux protéines marqueurs de maladies que les biocapteurs rechercheraient.

Le groupe a lavé la nouvelle surface avec de l'eau infusée de particules. L'eau restante s'alignait en gouttelettes sur les taches hydrophiles, un peu comme des dames sur un damier. Le groupe a répété les expériences avec des motifs de grille plus petits jusqu'à ce que le phénomène d'anneau de café ne soit plus évident. Pour les particules de 100 nanomètres, cela s'est produit à un diamètre de gouttelette d'environ 10 micromètres, ou environ 10 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. À ce point, l'eau s'est évaporée avant que les particules n'aient eu le temps de se déplacer vers le périmètre.

« Connaître la taille minimale de ce soi-disant anneau de café nous guidera pour fabriquer les plus petits biocapteurs possibles, " a déclaré Wong. " Cela signifie que nous pouvons emballer des milliers, même des millions, de petits micro-biocapteurs sur un laboratoire sur puce, permettant d'effectuer un grand nombre de diagnostics médicaux sur une seule puce. Cela peut également ouvrir la porte à la détection potentielle de plusieurs maladies en une seule séance. »

"Il y a un autre avantage important - tout ce processus est très naturel, c'est juste de l'évaporation, " 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. Par exemple, 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.