Weg met die koffiekringen! We weten allemaal hoe ze eruit zien, de vlekken die op het tafelblad achterblijven als een druppel gemorste koffie verdampt: een donkere kring langs de rand van de oorspronkelijke druppel met daarbinnen slechts een lichte verkleuring. Wat aan de koffietafel in zekere zin nog een leuk verschijnsel is, werkt echter storend voor moderne toepassingen in bijvoorbeeld biotechnologie of inkjetprinten waarbij geavanceerde inkten zoals elektrische geleidende pasta’s of lichtgevende polymeren op een substraat afgezet worden. Om deze techniek efficiënt en betrouwbaar te maken moet je er voor zorgen dat het materiaal netjes homogeen over het oppervlak verdeeld wordt en niet in lelijke donkere kringen. Dit kan door het druppeloppervlak tijdens het indrogen met behulp van een elektrische
52
veld op een geschikte manier heen en weer te schudden. Burak Eral, Dileep Mampallil, Michel Duits, Dirk van den Ende en Frieder Mugele
I
edereen kent ze: koffiekringen op de keukentafel (figuur 1a). Dit fenomeen komt heel vaak voor en niet alleen bij het morsen van koffie. Bijna altijd als druppels van ‘complexe’ vloeistoffen verdampen (dat wil zeggen vloeistoffen waarin polymeer-moleculen of deeltjes zoals koffie¬pig¬menten gedispergeerd zijn), ontstaan er donkere kringvormige patronen. Het grootste deel van de aanvankelijk homogeen over de druppel verdeelde deeltjes of moleculen komt uiteindelijk aan de rand van de druppel terecht. Dit effect belemmert bijvoorbeeld de analyse van DNA- en eiwitmonsters op zogenaamde microarrays (figuur 1b). In dit geval worden heel veel druppels van net iets verschillende ligandsamenstelling (een ligand is een molecuul of ion met een vrij elektronenpaar dat gebruikt kan worden om een binding te vormen) in een regelmatig patroon naast elkaar op een oppervlak geprint. Als
Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde
de microarray vervolgens in contact wordt gebracht met een bloedmonster van een patiënt dan verschijnt er op de plek waar het monster het best bij de ligand past een sterk signaal. Kringen maken de signaalverdeling per ‘spot’ erg inhomo¬geen en daardoor nemen de gevoeligheid en selectiviteit van
deze techniek behoorlijk af. Ondanks ontelbare praktische proeven op even ontelbare keukentafels is het ontstaan van koffievlekken pas in de jaren 1990 voor het eerst systematisch bestudeerd en begrepen door Robert Deegan en collegae van de universiteit van Chicago [1]. Zij vonden
Figuur 1 a) Koffievlekken op een tafel ; b) Kringvorming op een DNA-microarray (met permissie van R. Blossey et al., Langmuir, 2002, 18 (7), pp 2952-2954. Copyright 2002 American Chemical Society).
februari 2012
twee cruciale voorwaarden voor het ontstaan van de koffiekringen. Ten eerste moet het oplosmiddel verdampen – dat is triviaal – en ten tweede mag tijdens het verdampen de contactlijn, dat wil zeggen de rand van de druppel, niet bewegen. Als deze lijn vastgepind blijft – en dat is vanwege microscopische ruwheid op de meeste oppervlakken het geval – ontstaat er onmiddellijk een koffiekring. Hoe dit werkt wordt in figuur 3 uitgelegd: Het oplosmiddel verdampt langs het oppervlak waardoor de druppel lokaal dunner wordt naar mate meer vloeistof naar de dampfase verdwijnt. Dit kan overal langs het oppervlak behalve bij de contactlijn. Ten gevolge van het pinnen kan hier het volume nauwelijks verder afnemen. Toch blijft ook aan de contactlijn vloeistof verdampen. In feite gaat de verdamping hier zelfs bijzonder snel zoals uitgelegd in een artikel van Hanneke Gelderblom en haar collega’s in het vorige nummer van het NTvN [2]. Er is maar één plek waar de verdampende vloeistof vandaan kan komen: het midden van de druppel. Op die manier ontstaat door de combinatie van verdamping en pinnen van de contactlijn een stroming van het midden naar de rand van de druppel. Die stroming voert de opgeloste deeltjes of moleculen mee naar de contactlijn waar ze uiteindelijk de donkere kring vormen. Het pinnen van de contactlijn is hiervoor cruciaal. Zodra deze kan bewegen, kan het oppervlak terugwijken en vervalt de reden voor de buitenwaartse stroming (zie figuur 3b).
Electrowetting Electrowetting beschrijft de verandering van de contacthoek van een geleidende vloeistof – zoals water – op een oppervlak onder invloed van een elektrische spanning. De standaard opstelling bestaat uit een isolerend hydrofoob substraat, typisch een laagje polymeer van enkele micrometers dik, een elektrode onder het polymeerlaagje en een druppel erop. Zonder spanning wordt de contact hoek θY bepaald door de krachtenbalans van de grensvlak-spanningen σlv, σsl, en σsv, van het liquid-vapor (lv), solid-liquid (sl), en solid-vapor (sv) grensvlak. Voor waterdruppels op teflon (wat meestal als isolerend laagje gebruikt wordt) is θY = 120°, zoals bepaald door Young’s vergelijking: cosθY = (σsv - σsl)/σlv. Als je een elektrische spanning U aanlegt tussen de elektrode onder het substraat en de druppel komt er in de krachtenbalans een elektrische kracht fel = cU2/2 bij (per lengte-eenheid van de contactlijn), net als bij een plaatcondensator (c is de capaciteit per oppervlakte-eenheid van het substraat tussen de druppel en de elektrode). Omdat fel in dezelfde richting als σsv aan de contact lijn trekt, gaat de contacthoek omlaag volgens de Young-Lippmann vergelijking cosθ(U) = cosθY + fel/ σlv. In het geval van wisselspanning zorgt de RMS-waarde voor een verlaging van de gemiddelde contacthoek. Wat kun je hier zoal mee? Omdat een druppel als een lens werkt, kun je met dit principe een elektrisch aanstuurbare lens bouwen. Of als je aan de onderzijde van het substraat een patroon van kleine elektroden aanbrengt en bijvoorbeeld alleen aan de rechter kant van de druppel een spanning oplegt, oefen je een netto kracht op de druppel uit waarmee je die, in dit geval naar rechts, kunt verplaatsen. Dit wordt wel in digitale Lab-on-a-Chip-systemen toegepast.
53
Figuur 2 Electrowettingeffect voor een druppel met en zonder externe spanning.
Shake it, baby! Om koffiekringen te voorkomen moet je de stroming naar de contactlijn dus onderdrukken. In ons recente onderzoek hebben we laten zien dat dit heel efficiënt kan als je de druppel tijdens het verdampen schudt. Kies je de juiste frequentie dan heeft dit schudden een tweeledig effect. Ten eerste trekt het de vastgepinde contactlijn los en ten tweede zorgt het voor een extra stroming binnen de druppel, die de door verdamping geïnduceerde stroming tegenwerkt. Hierdoor komen de deeltjes ten slotte allemaal in één kleine spot in het midden terecht en niet aan de rand van de oorspronkelijk druppel (zie figuur 5). Hoe schudden we de druppels? Op zich zou dit het makkelijkst gaan door
Figuur 3 Verdamping zonder electrowetting met een vastgepinde contactlijn leidt tot koffiekringen (boven); verdamping met electrowetting leidt tot een bewegende contactlijn en een enkele spot waar alle deeltjes terecht komen (beneden).
het oppervlak waar ze op zitten hard heen weer te schudden. Dit is echter niet erg handig voor de meeste toepassingen en ook niet efficiënt als de druppels klein zijn. De traagheid van de druppel waar je bij het schudden gebruik van maakt, schaalt met de derde macht van de straal terwijl de
pinnende krachten waarmee de druppel vastzit maar lineair met de omtrek en dus lineair met de straal schalen. Op kleine schaal wint de pinnende kracht het altijd. Kleine druppels kun je efficiënter schudden met behulp van elektrische krachten, waarbij je gebruik maakt van electrowetting (EW;
februari 2012
Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde
Glijdende en oscillerende druppels Kleine druppels op een hellend oppervlak blijven meestal plakken, omdat op microscopische schaal deze oppervlakken een zekere ruwheid vertonen. Deze ruwheid leidt tot extra krachten, zogenaamde ‘pin’-krachten fp aan de contactlijn, die net als andere wrijvingskrachten mogelijke beweging tegenwerken. Wil je een contactlijn verplaatsen, dan moet je een kracht groter dan fp uitoefenen, bij voorbeeld een elektrische kracht fel. Links in de figuur zie je een druppel die bij spanning nul op een hellend oppervlak blijft plakken. Schakel je een wisselspanning aan – in dit geval met een frequentie van 450 Hz – dan wordt de contactlijn losgetrokken en begint de druppel te oscille-
ren. En omdat hij nu niet meer plakt, glijdt hij omlaag. Oscillaties van een druppeloppervlak kunnen beschreven worden als een som van eigentrillingen, met ieder een eigenfrequentie. Deze eigenfrequenties worden bepaald door de oppervlaktespanning en de massa van de druppel. Voor vrije druppels heeft Rayleigh al laten zien dat de eigentrillingen door Legendrepolynomen Pn(cosφ) beschreven�worden met de bijhorende eigenfrequenties ωn = σlv /ρR3 · n(n − 1)(n + 2) (n = 2, 3, 4, ...). Voor een druppel op een substraat verschuiven de eigenfrequenties met 10 à 20% – maar de schaling met σ, ρ en R blijft onveranderd.
Figuur 4 a) Glijdende druppel op een hellend oppervlak. b) Het mengen van kleurstof binnen een oscillerende druppel maakt de interne stromingsvelden zichtbaar. De kleurstof is aan het begin inhomogeen verdeeld.
54
zie kader Electrowetting). Bij EW wordt een spannings¬verschil U aangelegd tussen de druppel en de onderkant van het substraat. Hierdoor ontstaat een elektrische kracht evenredig met
U2, die rechtstreeks aan de contactlijn trekt. In verschillende toepassingen van EW zoals Lab-on-a-Chip-systemen, vloeibare lenzen en displays, wordt deze kracht gebruikt om de
Figuur 5 Patronen van achtergebleven polystyreen deeltjes en DNA-moleculen zonder (links) en met (rechts) druppeloscillatie tijdens het verdampen. Voor zowel de deeltjes als de DNA-moleculen wordt de kringvorming volledig onderdrukt.
Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde
februari 2012
druppel te laten spreiden of te verplaatsen. Als we koffiekringen willen voorkomen, gebruiken we deze kracht om de contactlijn los te trekken van de kleine ruwheden op het oppervlak waar hij anders aan vastgepind zou zitten. Gebruiken we hiervoor een wisselspanning dan blijft de contactlijn tijdens het verdampen continu in beweging en komt nergens vast te zitten. Dus blijft de contactlijn tijdens het verdampen naar binnen bewegen – zoals in figuur 3b geschetst – en al het opgeloste materiaal komt netjes op één plek terecht zonder een kring te vormen [3]. Als we de frequentie van de wisselspanning goed kiezen ontstaat er bovendien een stroming binnen de druppel, die de vloeistof langs de buitenkant van de druppel naar boven brengt en in het midden weer naar beneden voert (zie kader Oscillerende druppels). ‘Goed kiezen’ betekent een frequentie vanaf enkele tientallen Hz tot enkele kHz, in de buurt van de eigenfrequenties van de druppel. Kwalitatief kun je deze stroming als volgt begrijpen: de oscillerende elektrische kracht langs de contactlijn wekt oppervlaktegolven op die zich van beneden naar boven voortplanten. In ondiep water, zoals binnen onze druppel [4], leidt een lopende golf tot een netto verplaatsing van vloeistof
MALDI-MS MALDI-MS (matrix-assisted laser desoption ionization mass spectroscopy)is een veelgebruikte analysetechniek waarbij de detectie-efficiëntie sterk verzwakt wordt door het koffiekringeffect. Met deze techniek kunnen in korte tijd vele monsters met verschillende samenstelling geanalyseerd worden. Daartoe worden deze in een vluchtige vloeistof opgelost, samen met specifieke zouten (de matrix), waarna ze druppels-gewijs in een geordend patroon op een ondergrond afgezet worden. Vervolgens brengt men het preparaat in een vacuümkamer en laat men het oplosmiddel verdampen, waarbij het zout en de te analyseren moleculen in een (meestal kringvormige) spot op het substraat achter-blijven (zie figuur 1b). Nu is het preparaat klaar voor analyse. Deze bestaat uit twee stappen: (1) residumoleculen worden met behulp van een korte laserpuls gesublimeerd, waarbij een gedeelte van
de moleculen geïoniseerd wordt (laser desorption ionisation) en (2) het versnellen van de ionen, met lading q, in een elektrisch veld E tot een kinetische energie ½mv2, waarna de looptijd van de ionen gemeten wordt (time of flight mass spectroscopy). Door gebruik te maken van de energiebalans: qE = ½mv2, kan uit de looptijd de snelheid v en de massa-ladings verhouding m/q bepaald worden. De m/q-verhouding wordt gebruikt om de stof te identificeren. Doordat de laser in stap 1 voornamelijk het zout aanslaat, waarbij het zout op zijn beurt het residu activeert, is dit een voorzichtige manier van ioniseren zonder de gesub-limeerde moleculen al te veel te fragmenteren. Dit vergemakkelijkt de identificatie van de m/q-pieken in het vluchttijdsspectrum. Daarom is deze methode bij uitstek geschikt om biomoleculen zoals eiwitten of DNA en andere macromoleculen te ioniseren.
55
Figuur 6 Illustratie van de MALDI-MS-techniek.
in de voortplantingsrichting van de golf. Aan zee is het deze Stokes drift, die op het water drijvend wrakhout naar het strand toedrijft. In de verdampende druppel kunnen we deze stroming zichtbaar maken door de in de druppel aanwezige deeltjes te volgen. Afgezien van de allerlaatste fase
van het verdampings¬proces is deze recirculerende stroming vele malen sterker dan de verdamping gedreven stroming (figuur 7). Daarom worden opgeloste moleculen en deeltjes continu herverdeeld en komen ze nooit bij de contactlijn terecht. Met EW kun je koffiekringen volledig onderdrukken.
Figuur 7 Gemiddelde vloeistofsnelheid binnen de druppel tijdens het verdampen. De eindtijd t = 1 is ongeveer 10 minuten Rood: snelheid van de recirculerende stroming met EWaangedreven oscillaties; Blauw: snelheid ten gevolge van verdamping zonder EW-aandrijving.
e-MALDI: zonder kringen betere bioanalyse Wat kunnen we ermee? Op zich zou je elke keukentafel met EW kunnen uitrusten. Mors je koffie dan heb je achteraf maar een kleine vlek te verwijderen in plaats van een grote. Nuttiger is het volgende voorbeeld dat gaat over
Figuur 8 MALDI-spectrum van een polymeermateriaal met en zonder koffiekringonderdrukking. Het geïntegreerde eMALDI-signaal (rood) is ongeveer vijftig maal sterker dan standaard MALDI (blauw). (in samenwerking met Han Gardeniers, MESA+ instituut, Universiteit Twente).
februari 2012
Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde
Michel Duits is Universitair Docent in de Physics of Complex Fluids (PCF) groep aan de Universiteit Twente. Na een studie scheikunde in Utrecht is hij daar in 1991 ook gepromoveerd op het thema small-angle scattering of adhesive colloids. In Twente heeft hij zijn interessegebied verder uitgebreid met colloïdale interacties, reologie, microscopie, diffusie in confinements en microfluidics. Dirk van den Ende is als UHD werkzaam in de PCF-groep aan de universiteit Twente. Na zijn studie experimentele natuurkunde in Nijmegen promoveerde hij daar in 1982 op een onderzoek naar reactieve botsingsdoorsneden met behulp van toestands-
geselecteerde moleculaire bundels. Na enige jaren bij Océ R&D in Venlo gewerkt te hebben, houdt hij zich sinds 1987 bezig met onderwerpen uit de reologie, soft matter physics en microfluidics. Burak Eral is gepromoveerd bij de PCF-groep aan de Universiteit Twente in 2011. Hij is in 2003 afgestudeerd aan de Bogazici University Istanbul (Turkije). Van 2003 tot 2005 studeerde hij Chemical Engineering aan de University of California Santa Barbara (UCSB). Per 1 maart 2012 gaat hij naar het Massachusetts Institute of Technology (VS), waar hij onderzoek zal doen naar geavanceerde microflow-technieken voor toekomstige medicinale toepassingen. Dileep Mampallil verkreeg zijn MSc-graad in natuurkunde van het Indian Institute of Technology Madras. Na een kort verblijf aan de KU Leuven, voltooide hij in 2011 hij zijn promotieonderzoek in de PCF-groep van de Universiteit Twente. Het onderzoek ging over microfluidic flow driven by electric fields. Momenteel werkt hij als postdoctoraal onderzoeker in de Nanoionics-groep in Twente.
Burak Eral, Dileep Mampallil, Michel Duits, Dirk van den Ende en Frieder Mugele (v.l.n.r.).
56
matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry (MALDI-MS). Dit is een veel gebruikte analysetechniek in de biotechnologie. Hierbij worden druppels van een bepaalde zoutoplossing (de ‘matrix’-oplossing) samen met het biomateriaal in kwestie op een substraat gebracht. De druppel verdampt en de zoutmatrix blijft samen met het biomateriaal op het substraat achter. Vervolgens wordt de matrix samen met het biomateriaal door middel van een korte laserpuls verdampt en geïoniseerd. De geladen biomoleculen komen dan in een massaspectrometer terecht waar ze geanalyseerd worden. Normaal ontstaat tijdens het verdampen van de druppel een
Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde
Frieder Mugele heeft natuurkunde gestudeerd in Konstanz (Duitsland) en is daar in 1997 gepromoveerd. Hij was postdoc in Berkeley (VS) en heeft in 2004 aan de universiteit Ulm (D) zijn habilitation afgelegd. Sinds eind 2004 is hij hoogleraar Physics of Complex Fluids aan de Universiteit Twente. Zijn werk is gericht op het gedrag van vloeistoffen aan grensvlakken met toepassingen in microfluidics, nanofluidics, (electro)wetting, en enhanced oil recovery.
kring met alle gevolgen van dien: het biomateriaal wordt over een relatief groot gebied verspreid met een heel inhomogene dichtheidsverdeling. Als gevolg hiervan verzwakt het MALDIsignaal en varieert het heel sterk en moet de laser het hele oppervlak scannen. Als je daarentegen de druppel tijdens het verdampen schudt, komt alle biomateriaal netjes op één plek terecht en kun je het met een enkele laserpuls verdampen. Je bespaart tijd en het resulterende e-MALDI-signaal is tot wel 100 keer groter dan bij conventionele MALDI-MS (figuur 8). Dat e-MALDI veel efficiënter is hebben we inmiddels gedemonstreerd. Momenteel wordt gewerkt aan de – voor zo
februari 2012
ver we weten – eerste commer¬ciële toepassing van koffiekringen.
Referenties
1 R.D. Deegan, O. Bakajin, T.F. Dupont, G. Huber, S.R. Nagel en T.A.Witten, Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops, Nature 389 (1997) 827. 2 H. Gelderblom et al., NTvN 78 (2012) 22. 3 H.B. Eral, D. Mampallil, M.H.G. Duits en F. Mugele, Suppressing the coffee stain effect: how to control colloidal self-assembly in evaporating drops using electrowetting, Soft Matter 7 (2011) 4954. 4 F. Mugele, A. Staicu, R. Bakker en D. van den Ende, Capillary Stokes drift: a new mechanism for mixing in AC-electrowetting, Lab on a Chip 11 (2011) 2011.
