Weg met die koffiekringen! Burak Eral, Dileep Mampallil, Michel Duits, Dirk van den Ende en Frieder Mugele Physics of Complex Fluids - MESA+ instituut voor Nanotechnologie Universiteit Twente 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 bij voorbeeld biotechnologie of inkjet printing 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 veld op een geschikte manier heen en weer te schudden. Iedereen kent ze: koffiekringen op de keukentafel (Fig. 1a). Dit fenomeen komt heel vaak voor
en
niet
alleen
bij
het
morsen
van ”complexe“ vloeistoffen verdampen
van
koffie.
Bijna
altijd
als
druppels
(dat wil zeggen vloeistoffen waarin polymeer-
moleculen of deeltjes zoals koffiepigmenten 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 bv. de analyse van DNA- en eiwitmonsters op zogenaamde microarrays (Fig. 1b). In dit geval worden heel veel druppels van net iets verschillende ligandsamenstelling in een regelmatig patroon naast elkaar op een oppervlak geprint. Als het microarray vervolgens in contact wordt gebracht met een bloedmonster van bv. een patiënt dan verschijnt er op de plek waar het monster het best bij de ligand past een intensief signaal. Kringen maken de signaalverdeling per ‘spot’ erg inhomogeen en daardoor gaan de gevoeligheid en selectiviteit van deze microarray 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 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, d.w.z. 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 Fig. 2 uitgelegd: Het oplosmiddel verdampt langs het oppervlak waardoor
de druppel lokaal dunner wordt naar mate meer vloeistof naar de 1
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 het artikel van Hanneke Gelderblom et al. [2] in de laatste uitgave van NTvN. Er is maar een 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. En die stroming voert de opgeloste deeltjes of moleculen mee naar de contact lijn waar ze uiteindelijk de donkere kring vormen. Het pinnen van de contactlijn is hiervoor cruciaal. Want zodra deze kan bewegen, kan het oppervlak terugwijken en vervalt dus de reden voor de buitenwaardse stroming (zie Fig. 2b).
Shake it, baby! Om koffiekringen te voorkomen moet je de stroming naar de contactlijn dus onderdrukken. In ons recent 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 dubbel effecten. 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 Fig. 3). Hoe schudden we de druppels? Op zich zou je de druppel het makkelijkst kunnen schudden door het oppervlak waar hij op zit hard heen weer te schudden. Dit is echter niet erg handig voor de meeste toepassingen en ook niet efficient 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; zie kader electrowetting). Bij EW wordt een spanningsverschil 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 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. 2
Gebruiken we hiervoor een wisselspanning dan blijft de contactlijn tijdens het verdampen continue in beweging en komt nergens vast te zitten. Dus blijft de contactlijn tijdens het verdampen naar binnen bewegen -zoals in Fig. 2b 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’ van de frequentie betekent een frequentie ergens 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 in de voortplantingsrichting van de golf. Aan het strand is het deze ‘Stokes drift’, die op het water drijvend wrakhout naar de oever 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 verdampingsproces is deze recirculerende stroming vele malen sterker dan de verdamping gedreven stroming (Fig. 4). Dus worden opgeloste moleculen en deeltjes continue herverdeelt en komen ze nooit bij de contactlijn terecht. Met EW kun je koffiekringen volledig onderdrukken.
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: Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization Mass Spectrometry (MALDI-MS) 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 laser puls 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 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 MALDI signaal en varieert het heel sterk en moet de laser het hele oppervlak scannen om een acceptabel signaal te kunnen meten. Maar als je de druppel tijdens het verdampen schudt, komt alle biomateriaal 3
netjes op één plek terecht en kun je al het materiaal 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 (Fig. 5). Dat e-MALDI in principe veel efficiënter is hebben we inmiddels gedemonstreerd. Momenteel wordt gewerkt aan de -voor zo ver we weten- eerste commerciële toepassing van koffiekringen, of beter gezegd het voorkomen van die kringen, zoals we hierboven beschreven hebben .
Kader 1: Electrowetting Electrowetting betreft de verandering onder invloed van een elektrische spanning van de contacthoek van een geleidende vloeistof - zoals water - op een oppervlak. 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 Y bepaald door de krachtenbalans van de grensvlakspanningen lv, sl, en sv, 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
Y=120°, zoals bepaald is door Young’s vergelijking: cos Y ( sv sl ) / lv . Als je een elektrische spanning U aanlegt tussen de elektrode onder het substraat en de druppel komt er in de krachtenbalans een elektrische kracht f el cU 2 / 2 (per lengte-eenheid van de
contactlijn) bij, 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 sv aan de contact lijn trekt, gaat de contacthoek omlaag volgens de Young-Lippmann vergelijking cos (U ) cos Y f el / lv . In het geval van wisselspanning zorgt de rms waarde van de spanning voor een verlaging van de gemiddelde contact hoek. 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 electroden aanbrengt en bv. 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.
Kader 2: 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, 4
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. Dit kan bv. met 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 450Hz - dan wordt de contactlijn losgetrokken en begint de druppel te oscilleren. En omdat hij nu niet meer plakt glijdt hij omlaag. De draad, die normaliter gebruikt wordt om de druppel op spanning te brengen, is hier trouwens ingebed in het substraat. De oscillaties van het druppeloppervlak kunnen beschreven worden als een som van eigentrillingen, met ieder een eigenfrequentie. Deze eigenfrequenties worden bepaald door de oppervlakkenspanning en de massa van de druppel. Voor vrije druppels heeft Rayleigh al laten zien dat de eigentrillingen door Legendre polynomen Pn(cos) beschreven worden met de bijhorende eigenfrequenties n lv / R 3 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 , en R blijft onveranderd.
Kader 3: MALDI MS - matrix-assisted laser desorption ionization mass spectroscopy MALDI-MS is een veelgebruikte analyse techniek waarbij de detectie efficiëntie sterk verzwakt wordt door het “koffiekring” effect. 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 druppelsgewijs in een geordend patroon op een ondergrond afgezet worden. Vervolgens brengt men het preparaat in een vacuumkamer en laat men het oplosmiddel verdampen, waarbij het zout en de te analyseren moleculen in een (meestal kringvormige) spot op het substraat achterblijven (zie Fig. 1b). Nu is het preparaat klaar voor analyse. Deze bestaat uit twee stappen: (1) residumoleculen worden met behulp van een korte laserpuls van het substraat 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 ½ mv2, waarna de looptijd van de ionen gemeten wordt (time of flight mass spectroscopy). Door gebruik te maken van de energiebalans: qE = ½ mv2, kan uit de looptijd de snelheid v en de massa-ladings verhouding m/q bepaald worden. De m/q ratio 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 gesub5
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. Literatuur [1]
[2] [3]
[4]
R.D. Deegan, O. Bakajin, T.F. Dupont, G. Huber, S.R. Nagel and T.A.Witten: "Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops"; Nature 389 (1997) 827 H. Gelderblom et al.; NTvN 78 (2012) xx H.B. Eral, D. Mampallil and F. Mugele: "Suppressing the coffee stain effect: how to control colloidal self-assembly in evaporating drops using electrowetting"; Soft Matter 7 (2011) 4954 F. Mugele, A. Staicu, R. Bakker and D. van den Ende: "Capillary Stokes drift: a new mechanism for mixing in AC-electrowetting"; Lab on a Chip 11 (2011) 2011
6
Figuren
Figuur 1: Koffievlek op een tafel (links) – kringvorming op een DNA microarray (rechts).
7
Figuur 2: 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).
8
without
with EW with EW
Figuur 3: Patronen van achtergebleven polystyreen deeltjes en DNA moleculen zonder (links) en met druppeloscillatie tijdens het verdampen. Voor zowel de deeltjes als de DNA moleculen wordt de kringvorming volledig onderdrukt.
9
Figuur 4: Gemiddelde vloeistofsnelheid binnen de druppel tijdens het verdampen. De eindtijd = 1 is ongeveer 10 min. Blauw: snelheid van de recirculerende stroming met EW aangedreven oscillaties; zwart: snelheid ten gevolge van verdamping zonder EW aandrijving.
10
Figuur 5: MALDI spectrum van een polymeer materiaal met en zonder koffiekring onderdrukking. Het geïntegreerde e-MALDI signaal is ongeveer 50 maal sterker dan standaard MALDI. (in samenwerking met Prof. Han Gardeniers; MESA+ instituut; Univ. Twente)
11
Voff
Von
Figuur kader 1: Electrowetting effect voor een druppel met en zonder externe spanning.
12
a)
b)
Figuur kader 2: 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 verdeelt.
13
Figuur kader 3: Illustratie van de MALDI-MS techniek.
14
