المرحلة مخطط توصيف باستخدام الخرز المغناطيسي حيث الناقلون السائلة

الهدف العام من التجربة التالية هو تحليل حجم المادة المنقولة (carryover volume) بين القطاعات السائلة المتجاورة داخل جهاز مختبر وعلى رقاقة (lab and tube device) باستخدام حبيبات مغناطيسية. يتم تحقيق ذلك عن طريق تصنيع الجهاز باستخدام أنابيب كارهة للماء، يتم تحميلها بواسطة مضخة حقنة لتتكون من قطاعات سائلة متعددة يفصل بينها صمام هوائي، مع دمج كل من الحبيبات المغناطيسية وصبغة فلورية في أحد السوائل. وكخطوة ثانية، يتم قياس شدة الفلورية للقطاعات السائلة المتجاورة باستخدام المجهر بعد إجراء كل عملية نقل للحبيبات المغناطيسية باستخدام مغناطيس خارجي.

يتم إجراء التحليل العددي التالي على قياسات شدة الفلورة هذه من أجل حساب حجم المتبقي من الخرزات المغناطيسية. وتظهر النتائج أن تحليل تغير الطور في نظام متعدد المكونات يتكون من سائلين هو أمر ممكن، وذلك بناءً على القدرة على استخدام الخرزات المغناطيسية كوسيلة لنقل أحجام سوائل بحجم الميكرولتر بين الخزانات المتجاورة. لذا، كما آمل أن تلاحظوا اليوم، نحن نعمل بهذه التقنية المثيرة والبسيطة التي تتضمن استخدام الخرزات المغناطيسية في نقل السوائل داخل أنبوب بسيط، بدلاً من الدوائر الموائع الدقيقة التقليدية الأكثر تعقيداً.

وقد طبقنا هذه التقنية في البداية لدراسة التفاعل بين السوائل القابلة للامتزاج، ونقوم الآن بتوسيع نطاق استخدامها ليشمل تطبيقات أخرى، بما في ذلك التحليل التشخيصي للدم الكامل، وفصل البروتينات عن خلايا الدم الحمراء، وتحليل البول، والمقايسات المناعية، وغيرها. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنةً بالطرق الحالية الأخرى، مثل استخدام القنوات الموائع الدقيقة، في بساطتها وانخفاض تكلفة تصنيعها. كما أنها توفر مرونة عالية للمستخدم بين أنواع التجارب المختلفة وتؤدي إلى نتائج متسقة.

على الرغم من أن هذه الطريقة يمكن أن تقدم رؤية واضحة للتطبيقات التي تتطلب تحريك أحجام دقيقة للغاية، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضاً على أنظمة أخرى مثل فصل الدم، واستهداف الأدوية، وعوامل التباين. ولتحضير الأنبوب، يتم أولاً قطع الأنابيب إلى قطع بطول 15 سنتيمتر، ثم تُعلق قطع الأنابيب رأسياً باستخدام شريط لاصق، مع وضع منشفة ورقية أسفل الأنابيب لتجميع محلول البوليمر الفلوري الزائد. يتم حقن 100 microliters من محلول البوليمر الفلوري في الفتحة العلوية لكل قطعة أنبوب باستخدام ماصة بحيث يتلامس المحلول مع كامل محيط الجدار الداخلي.

اترك قطاعات الأنابيب تتدلى في مكانها لمدة ساعة لإزالة أي كمية زائدة من محلول البوليمر الفلوري. ثم ضع قطاعات الأنابيب في فرن عند 100 degrees Celsius لمدة ساعة لتثبيت طبقة طلاء البوليمر الفلوري. بعد ذلك، قم بتحضير محلول الخرز المغناطيسي المخفف عن طريق وضع قارورة عينة سعة 20 milliliter على ميزان دقيق وتصفير الميزان.

رُجّ وعاء محلول الخرزات المغناطيسية، ثم اسحب 0.6 milliliters باستخدام ماصة دقيقة. وزّع المحلول المسحوب في أنبوب العينة الموجود على الميزان، ثم أضف 0.4 milliliters من الماء المقطر إلى أنبوب العينة. كذلك، قم بتحضير الصبغة الفلورية عن طريق إذابة 0.02 weight percent من الصبغة في ماء منزوع الأيونات، ثم قم بخلط المحلول باستخدام جهاز vortex لمدة دقيقة واحدة.

لتحضير جهاز الأنابيب، قم بتركيب وصلة قفل لور (lure lock) أنثوية على أحد طرفي الأنبوب. ضع الأنبوب في حقنة قفل لور بحجم 3 mL وتدريج 0.1 mL. ضع الحقنة في مضخة الحقن واضبط معدل التغذية على 2 mL/h.

قم برج الحاوية التي تحتوي على محلول الخرزات المغناطيسية باستخدام جهاز الـ Vortex قبل إدخال 20 µL في الأنبوب باستخدام سحب مضخة السرنجة. وبعد اكتمال عملية إدخال السائل في غرفة الاختبار، اسحب 6 µL من الهواء إلى داخل الأنبوب. سيعمل حجم الهواء هذا لاحقاً كصمام بين قطاعي السائل.

بمجرد اكتمال إدخال الفجوة الهوائية، ابدأ بسحب 180 µL من السائل الذي يحتوي على صبغة فلورية. ضع وصلة لور لوك (lure lock) أنثوية ثانية على الطرف الآخر من الأنبوب، ثم قم بإزالة جهاز الأنبوب من المحقنة. بعد ذلك، ضع أغطية لور لوك على كلا طرفي الجهاز.

قم بقياس شدة الفلورة الأولية لحجرة الاختبار والخزان باستخدام المجهر المقلوب. ضع الجهاز فوق المغناطيس المكعبي بحيث تتجمع جميع الحبيبات المغناطيسية في منطقة واحدة داخل حجرة الاختبار. انقل الحبيبات إلى الخزان عن طريق تحريك الجهاز بعيداً عن المغناطيس.

بمجرد نقل تكتل الخرز المغناطيسي عبر الفجوة الهوائية إلى الخزان، قم بتحريك الخرز المغناطيسي عن طريق وضع الجهاز فوق المغناطيس وتدويره لتحرير السائل المحبوس داخل التكتل حتى تكتمل عملية التجانس في الخزان. بعد ذلك، ضع الجهاز فوق المغناطيس بحيث ينعزل كل الخرز المغناطيسي في الخزان في منطقة واحدة. ثم انقل تكتل الخرز المغناطيسي مرة أخرى إلى غرفة الاختبار.

بمجرد وصول العنقود إلى غرفة الاختبار، قم بتحريك الخرزات المغناطيسية عن طريق وضع الجهاز فوق المغناطيس وتدويره. قم بتحرير السائل الفلوري المحتبس في الداخل حتى يتم تجانس غرفة الاختبار بالكامل. قم بقياس كثافة الفلورة لكل من غرفة الاختبار والخزان باستخدام المجهر المقلوب.

كرر هذه الخطوات حتى تتقارب القطعتان السائلتان لتصل إلى شدة فلورية متماثلة. ولتجهيز جهاز الأنابيب، قم بتركيب وصلة قفل لور (female lure lock) في أحد طرفي الأنبوب وضع الأنبوب في محقنة قفل لور. ثم ضع المحقنة في مضخة المحاقن واضبط معدل التغذية على 2 mL في الساعة.

أضف 20 µL من محلول مختلط بنسبة واحد إلى واحد من الخرزات المغناطيسية في الماء مع C 12 E 5 إلى الأنبوب باستخدام سحب مضخة حقنة. بعد غرفة الاختبار، وعند انتهاء إدخال السائل، اسحب 6 µL من الهواء إلى الأنبوب باتباع إدخال الفجوة الهوائية. ابدأ بسحب 180 µL من خافض التوتر السطحي النقي C 12 E 5 لضبط البصريات.

أولاً، قم بتحريك مضخة الحقنة مع جهاز الأنابيب بحيث تكون غرفة الاختبار التي تحتوي على الخرز المغناطيسي في بؤرة التركيز باستخدام المجهر الستيريو، مع استخدام مستقطبات متقاطعة. ولتعزيز التباين بين الطور الصلب المترسب والطور السائل، ضع ورقة من فيلم الاستقطاب فوق مصدر ضوء LED. ثم قم بتمرير مصدر ضوء LED أسفل الأنبوب المتصل بمضخة الحقنة.

قم بتثبيت رقاقة مستقطبة أخرى على عدسة المجهر الستيريومي باستخدام شريط لاصق، مع التأكد من وجود إزاحة بزاوية 90 درجة بين الرقاقتين المستقطبتين. ضع المغناطيس المكعبي بجانب غرفة الاختبار بينما يكون المغناطيس مثبتًا على حامل. وبمجرد أن تشكل الخرزات المغناطيسية تكتلاً، ابدأ بضخ السوائل في الأنبوب بمعدل تدفق قدره 2 mL/h، بحيث ينتقل تكتل الخرزات المغناطيسية من غرفة الاختبار عبر الفجوة الهوائية وصولاً إلى غرفة خزان المادة الخافضة للتوتر السطحي.

عندما تصل مجموعة الخرزات المغناطيسية إلى منتصف غرفة الخزان، أوقف عملية الضخ في مضخة الحقنة. حرك المغناطيس المكعب بعيداً عن الأنبوب للسماح للخرزات المغناطيسية بالانفصال وتقليل وقت انتشار السائل المحتبس في مجموعة الخرزات المغناطيسية. وبمجرد اكتمال الانتشار وتغير طور السائل، أعد المغناطيس إلى موضعه السابق بجانب الخزان، بحيث تتجمع الخرزات المغناطيسية مرة أخرى في شكل مجموعة.

باستخدام مضخة السرنجة، اسحب السوائل بحيث يتم نقل عنقود الخرز المغناطيسي من خزان المادة الخافضة للتوتر السطحي عبر الفجوة الهوائية وصولاً إلى غرفة الاختبار. بعد أن يصل عنقود الخرز المغناطيسي إلى نقطة المنتصف في غرفة الاختبار، أوقف مضخة السرنجة، ثم حرك المغناطيس المكعب بعيداً عن الأنبوب. وبمجرد اكتمال عملية الانتشار وتغير طور السائل، أعد المغناطيس إلى موضعه السابق بجانب الخزان، ليتشكل الخرز المغناطيسي في هيئة عنقود.

كرر هذه الخطوات حتى تظهر غرفة الاختبار تغيراً في الطور. تظهر هنا صورة للخرز المغناطيسي والماء، والمادة الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية C 12 E five داخل الأنابيب الكارهة للماء. خلال عملية نقل الخرز المغناطيسي الأولية، يتم تثبيت الخرز في مكانه باستخدام مغناطيس مكعب خارجي.

بينما تُضخ السوائل إلى اليسار هنا، تخرج الحبيبات من غرفة الاختبار وتدخل إلى C 12 E 5. وبمجرد دخول الحبيبات المغناطيسية، يبدأ الماء الخافض للتوتاً بالانتشار بعيداً عن بنية الحبيبات المغناطيسية. وبعد بقاء الحبيبات المغناطيسية في غرفة المادة الخافضة للتوتر السطحي لمدة خمس ثوانٍ، يظهر قدر ضئيل فقط من تغير الطور عند علامة العشر ثوانٍ.

تكون الحبيبات المغناطيسية مغمورة بالكامل في المادة الخافضة للتوتر السطحي. ويستمر تغير الطور حتى العلامة 92 عند الدقيقة الرابعة. ويزداد تغير الطور عند الدقيقة التاسعة.

يبدأ تغير الطور الأفقي في التناقص بينما تنمو البنية رأسيًا. وبينما كان تغير الطور قد تقلص حجمه بشكل كبير عند الدقيقة 17، فإنه عند الدقيقة 25 لا يتبقى سوى قدر ضئيل من تغير الطور الموضح. تظهر هنا الحالة الأولية لغرفة اختبار water C 12 V five مع وجود حبيبات مغناطيسية في الجهاز قبل نقل المادة الخافضة للتوتر السطحي.

بعد ست عمليات نقل ذهاباً وإياباً، حدث تغير في الطور. وعلى العكس من ذلك، لم يُلاحظ أي تغير في الطور في حالة عدم وجود حبيبات مغناطيسية في الجهاز، مما يثبت أن النتائج المرصودة كانت بسبب انتقال الحبيبات المغناطيسية وليس بسبب السائل، والتي تلتصق بالجدران الداخلية للأنابيب أثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء.

من المهم تخصيص وقت كافٍ للسماح بعملية الانتشار بالحدوث عند نقل السوائل بين الخزانات المتجاورة باتباع هذا الإجراء. ويمكن دمج خيارات أخرى، مثل استخدام مغناطيس كهربائي، في نظامنا للإجابة على أسئلة إضافية مثل كيفية تسريع عملية الفصل وكيفية تقليل التدخل اليدوي. ولوضع هذا في سياقه، فإن هذه التقنية البسيطة للغاية التي تعتمد بشكل أساسي على أنبوب بلاستيكي وخرزات مغناطيسية ومغناطيس خارجي قد طُبقت لفصل السوائل المختلفة واستكشاف مساحة مخطط الطور الخاص بها.

ومع ذلك، فإن تعدد استخدامات هذه التقنية وبساطتها سيكون لهما مردود إيجابي في العديد من التطبيقات الأخرى، وبشكل أساسي في مجال التحليل التشخيصي للسوائل المختلفة. فمن خلال استخدام الخرزات المغناطيسية لنقل أحجام صغيرة، إما بشكل مباشر أو عبر وظيفية الخرزات المغناطيسية، يمكننا تحليل مكونات عينة السائل، وهو أمر له تطبيقات في مختلف المجالات.

على سبيل المثال، يمكن فصل وتحليل البروتين من خلايا الدم الحمراء في الدم الكامل، وبالمثل في البول، والعديد من السوائل الأخرى التي يمكن تحليلها بهذه الطريقة باستخدام تقنية بسيطة دون التعقيد والتكلفة المرتبطين بتصنيع الأجهزة الموائعية الدقيقة التقليدية.