فهم التركيز وقياس الأحجام

يعد فهم المفاهيم الكامنة وراء تركيز المحلول وقياس الأحجام في المختبر جانبين مهمين في كل تجربة تقريباً.

تتكون المحاليل من مذاب يذوب في مذيب لإنتاج خليط متجانس.

تُحدد المحاليل عموماً من خلال مكوناتها وتركيزاتها المقابلة.

للوصول إلى تركيز المحلول الصحيح بدقة، يجب أن تكون على دراية بمختلف الأوعية المتاحة لقياس الحجوم.

يمكن أن تؤدي التقنية غير السليمة عند قياس الأحجام إلى تركيزات غير صحيحة، وقد تكون هي الفارق بين نجاح التجربة أو فشلها.

عند إجراء التجارب، من الضروري معرفة التركيز الدقيق للمحاليل المستخدمة.

يُعبر عن التركيز عادةً بصيغة المولارية. حيث يحتوي المحلول ذو التركيز 1 مولار على 1 mol من المذاب لكل لتر من المحلول (B+C). وعند تحضير المحاليل في المختبر، يمكن تحديد عدد مولات المذاب من خلال الكتلة المقاسة للجزيء ووزنه الجزيئي.

يمكن أيضاً تحضير المحاليل وتقديرها كتركيزات مئوية بناءً على وزن المذاب لكل وحدة حجم من المذيب، وهو ما يُعرف بمحلول النسبة المئوية وزن-حجم.

يجب مراعاة أن المذاب يكون أحياناً في صورة سائلة. وفي هذه الحالة، يمكن التعبير عن التركيز المئوي بحجم المذاب السائل لكل وحدة حجم من المذيب، وهو ما يُشار إليه بمحلول النسبة المئوية حجم-حجم.

وللاستخدام المتكرر، يمكن تحضير محاليل مركزة من مركبات مستقرة، تُعرف بالمحاليل الأم. وقد يتم تمييز المحاليل الأم كمضاعفات للتركيز في محلول العمل النهائي؛ وهنا تظهر أمامكم محلول بتركيز 10X.

ويمكن تخفيف هذه المحاليل الأم حسب الحاجة باستخدام المذيب للوصول إلى التركيز المطلوب.

وبدلاً من ذلك، يمكن تحضير تخفيف من محلول أكثر تركيزاً باستخدام التخفيف المتوازي. وباستخدام هذه الحسبة البسيطة، يمكن تحضير محلول بالتركيز والحجم المطلوبين من محلول أم ذي تركيز معروف. ثم يمكن تخفيف الحجم الناتج إلى الحجم الكلي للمحلول لتحقيق التركيز المطلوب.

ومع ذلك، في بعض الحالات، يكون عامل التخفيف، والذي يساوي الحجم النهائي مقسوماً على حجم المحلول الأم اللازم للتخفيف، كبيراً جداً. وهذا يجعل التخفيف المتوازي غير عملي لأن حجم المحلول الأم المطلوب سيكون صغيراً جداً بحيث يصعب قياسه بدقة.

ومن خلال تقنية التخفيف التسلسلي، يمكن استخدام محلول أم لتحضير محلول مخفف، والذي يمكن تخفيفه بدوره لإنتاج محلول أكثر تخفيفاً، وهكذا دواليك حتى يتم الوصول إلى التركيز المطلوب.

عند قياس الأحجام في المختبر، ستواجه العديد من الأوعية التي يمكنها استيعاب السوائل. ومع ذلك، من المهم إدراك أن ليست كل هذه الأوعية مصممة لقياس الحجم بدقة.

الأوعية غير الحجمية، مثل الكؤوس الزجاجية والدوارق المخروطية (إرلنماير)، مصممة لخلط المحاليل وتخزينها وهي بشكل عام غير معايرة. بدلاً من ذلك، تمثل القياسات، أو التدرجات، الموجودة على الجانب تقديرات لسعة السائل.

على العكس من ذلك، صُممت الأدوات المخبرية الحجمية لقياس أحجام دقيقة من المواد السائلة. وتُسمى الأدوات المخبرية الحجمية بالسعة التي تم معايرتها لاستيعابها بالإضافة إلى الحرفين TC أو TD.

يرمز TC إلى "للاستيعاب" (to contain)، ويوجد عادةً على الدوارق الحجمية والمخابير المدرجة، والتي تمت معايرتها لاستيعاب حجم دقيق من السائل.

ويرمز TD إلى "للتوصيل" (to deliver)، ويوجد عادةً في أجهزة القياس المصممة لصرف السوائل، مثل الماصات والمحاقن.

تُستخدم الدوارق الحجمية بشكل عام لتحضير محاليل بتركيز محدد. فبعد إذابة المذاب، يُضاف المذيب إلى الدورق حتى يصل الحجم الإجمالي إلى خط التدرج. وتسمى عملية إضافة "الكمية الكافية" للوصول إلى هذا الحجم بعملية Q.S.’ing للمحلول.

عند إكمال حجم المحلول (Q.S.’ing)، ينحني سطح السائل عند نقطة التقائه بجدار الدورق. يُسمى هذا الانحناء بالسطح الهلالي (meniscus) وينتج عن التوتر السطحي. وفي المحاليل المائية، يكون السطح الهلالي مقعراً، ويجب قراءته من أدنى نقطة في المنحنى.

هناك عدة أوعية مصممة لقياس وتوصيل أحجام محددة من السوائل. عند اختيار الأدوات المخبرية الحجمية، اختر دائماً أصغر جهاز يمكنه استيعاب الحجم المطلوب لتحقيق أعلى درجة من الدقة.

عند قياس أحجام السوائل التي تزيد عن 50 mL، تكون المخابير المدرجة هي الخيار المناسب.

تُستخدم الماصات السيرولوجية بشكل عام لقياس وتوصيل أحجام تتراوح بين 0.1 إلى 50 mL.

أما بالنسبة للأحجام التي تتراوح من 0.2 ميكرولتر إلى 5 mL، فيجب استخدام الماصات الدقيقة (micropipettors).

عندما لا تكون رؤوس الماصات البلاستيكية متوافقة مع السائل المراد قياسه، تكون محاقن هاميلتون الزجاجية بديلاً للقياس الدقيق للأحجام في نطاق الميكرولتر.

بعد أن تناولنا أساسيات العمل مع المحاليل، سنناقش كيفية تطبيق بعض هذه المفاهيم في الأبحاث.

يُعد الفصل الكهربائي لهلام DNA تقنية تُستخدم لفصل مجموعة مختلطة من قطع DNA وتقدير أحجامها، وذلك عن طريق تطبيق مجال كهربائي لتحريك الجزيئات سالبة الشحنة عبر مصفوفة هلامية مكونة من الأغاروز – وهو كربوهيدرات مستخلص من الأعشاب البحرية.

عند تحضير المصفوفة الهلامية، تُستخدم عادةً محاليل بنسبة الوزن/الحجم لتحضير هلام أغاروز بتركيز 1% وزن/حجم.

وبشكل عام، يتطلب الفصل الكهربائي كميات كبيرة من محاليل التخزين المؤقتة (buffers) الخاصة بالتشغيل. ونظراً لاستخدامها المتكرر وبكميات كبيرة، يتم عادةً تخفيف هذه المحاليل من محاليل مركزة بتركيز 10x.

وللحصول على محلول منظم بتركيز 1x المطلوب، يتم تخفيف وحدة حجم واحدة من المحلول المركز في 9 وحدات حجم من الماء المقطر.

في تجارب قارئ الأطباق الدقيقة (microplate reader)، غالباً ما يتم تحديد تركيز عينات بروتينية مجهولة بناءً على مجموعة من العينات ذات تركيزات معروفة تسمى المعايير (standards).

وكثيراً ما تُستخدم التخفيفات المتسلسلة لإنتاج معايير بتركيزات تزداد تدريجياً، بحيث يمكن في النهاية رسم منحنى معياري وتحديد تركيز العينة المجهولة.

لقد شاهدتم للتو مقدمة JoVE حول فهم التركيز وقياس الأحجام. استعرضنا في هذا الفيديو بعض المفاهيم الأساسية مثل حساب التركيز، وإجراء التخفيفات، وكيفية استخدام أنواع مختلفة من الأدوات المختبرية لقياس الأحجام. كما تمت مناقشة تطبيقات لبعض المفاهيم المقدمة في هذا الفيديو في مجالي البيولوجيا الجزيئية والكيمياء الحيوية.

شكرًا للمشاهدة، وتذكروا دائمًا استخدام الدقة والإحكام عند قياس الأحجام.