咖啡環效應

將咖啡濺在桌上時，稍稍留心液體蒸發后咖啡液滴留下的印記，會發現液滴周邊位置形成了一個比中間區域顏色要深很多的暗環，這意味著在周邊位置沉積的咖啡小顆粒濃度比中間的濃度要高很多。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后都會在邊界出現一個類似的暗環。美國加州大學洛杉磯分校細胞控制研究所的研究小組提出，可以將這一生活中的常見現象與生物傳感技術相結合，用于檢測各種體液如唾液、血液等中的生物標志以進行醫學診斷，不過，若要將這一想法實現于高靈敏度的生物檢測，首先需要找到咖啡環效應出現的最小尺寸極限。

咖啡環效應之所以存在尺寸極限，是因為隨著液滴尺寸的減小，液滴蒸發的速度會大大增加，而液滴內顆粒的運動速度卻沒有發生那么快的變化，如果液滴的尺寸小到一定程度，液滴蒸發的速度將遠遠大于顆粒運動速度，在液滴蒸發完之前，顆粒沒有足夠時間沉淀成環狀結構。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表面而非液滴的邊緣區域。

用于生物檢測

研究人員制作了一種特殊的格子結構表面，相鄰格子因涂覆了不同涂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。

研究人員隨后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20～100納米之間，這正是通常生物傳感器所檢測的生物標志小顆粒的尺寸。接著，他們將溶解了小顆粒的溶液滴到準備好的平面上，傾斜表面使多余液體滑落后，親水表面的格子上就會形成所需要直徑的液滴。研究人員進行了大量實驗，逐漸縮小液滴尺寸直到咖啡環效應不再出現為止。對于溶解有100納米直徑的小顆粒溶液，當液滴尺寸縮小到近10微米時，咖啡環效應不再出現。

研究人員表示，人體的血液或唾液中包含有大量的微米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并利用相關的生物檢測技術進行分析和定量，而了解所謂咖啡環效應出現的最小可能尺寸，則有助于指導人們盡可能地縮小生物傳感器尺寸。這種檢測技術還有一個優勢，即整個檢測過程僅僅依賴于正常的蒸發過程，不需要消耗電能和其他復雜技術，這將使得整個檢測設施非常廉價也便于制造。對于那些沒有足夠醫療設備的偏遠地區，這樣廉價又易于獲取的醫療裝置將對相關的醫療檢測有很大幫助。

研究人員目前正利用研究所得的物理機制調整相關參數，希望可以得到最佳的實驗條件組合，使咖啡環效應用于生物檢測技術。