Improving Pinched Flow Fractionation through Hybrid Inlet Design for Label-Free Size-Based Separation of Microalgae
تقدم هذه الدراسة شريحة مائعية دقيقة تعتمد على تقنية التجزئة بالتدفق المتقلص ذات المدخل الهجين، والتي تتغلب على مشكلات احتجاز الجسيمات وعدم استقرار التركيز لتحقيق فصل عالي الكفاءة، ومستقر، وخالٍ من الوسوم يعتمد على الحجم لفصل الطحالب الدقيقة بمعدلات فرز تتجاوز 90% ونقاوة تزيد عن 92%.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم المياه المجهري، تشكل النباتات الصغيرة التي تُسمى الطحالب الدقيقة أساس الحياة المائية. هذه الكائنات وحيدة الخلية حيوية لالتقاط الكربون، وتنظيف مياه الصرف الصحي، وتوفير إمكانات لتزويد المستقبل بالوقود، ولكن دراستها أو استخدامها في الصناعة يتطلب خطوة أولى صعبة: وهي فصل أنواع محددة من خليط فوضوي. العينات المائية الطبيعية مزدحمة بخلايا ذات أحجام وأشكال وكثافات مختلفة، بالإضافة إلى الحطام الذي يسد المرشحات التقليدية أو يتلف الخلايا الرقيقة أثناء عملية الطرد المركزي. لطال many العلماء بحثاً عن طريقة لفرز هذه الأشكال من الحياة الصغيرة دون استخدام علامات أو مواد كيميائية أو آلات باهظة الثمن تتطلب معدات ثقيلة. ويكمن التحدي في ابتكار طريقة لطيفة، ومستمرة، ودقيقة بما يكفي للتمييز بين خلية صغيرة وأخرى كبيرة بمجرد مراقبة كيفية حركتها عبر سائل.
لقد طور باحثون في جامعة تشنغ هوا الوطنية في تايوان نهجاً جديداً لهذه المشكلة باستخدام تقنية تُسمى "تجزئة التدفق المطبقة" (pinched flow fractionation). تخيل ممرًا ضيقًا حيث يتم دفع حشد من الناس نحو أحد الجدران بواسطة تيار هوائي سريع الحركة؛ حيث يُضغط الأشخاص الواقفون بالقرب من الجدار بقوة، بينما يمتلك أولئك الذين يقفون على بعد بضع خطوات للوراء مساحة أكبر. في هذا الجهاز المائع الدقيق، يتم ضغط عينة من الماء تحتوي على طحالب ضد جانب قناة صغيرة بواسطة تيار أسرع من الماء النقي. ولأن الخلايا الأكبر لا يمكنها الاقتراب من الجدار بقدر الخلايا الأصغر، فإنها تنتهي في مسارات مختلفة قليلاً. وعندما تتسع القناة فجأة، تتباعد هذه المسارات، مما يسمح للأحجام المختلفة بالتدفق إلى مخارج منفصلة. ورغم أن هذا المفهوم ليس جديداً، إلا أن النسخ السابقة من هذه الأجهزة كانت غالباً ما تواجه صعوبات عند التعامل مع العينات البيولوجية الحقيقية؛ حيث كانت الخلايا تعلق عند المدخل، أو يصبح التدفق غير مستقر، مما يؤدي إلى فشل عملية الفرز.
ولحل هذه المشكلات، صمم الفريق شريحة مائعة دقيقة ذات مدخل معدل. لقد اختبروا ثلاث طرق مختلفة لفتح المدخل حيث تدخل العينة إلى الجهاز. التصميم الأول ترك الفتحة مسدودة جزئياً، مما ساعد في توجيه الخلايا ولكنه تسبب في انحشار الكثير منها. والتصميم الثاني ترك الفتحة واسعة تماماً، مما قلل من حالات الانحشار ولكنه جعل الموضع الابتدائي للخلايا غير قابل للتنبؤ به للغاية. ووجد الباحثون أن تصميماً "هجيناً"، يجمع بين ميزات كليهما، قدم التوازن الأفضل. سمح هذا المدخل الجديد للخلايا بالدخول بسلاسة دون انسداد مع الحفاظ على تركيزها بإحكام في مساراتها. كما قاموا بتعديل طول الأنابيب المتصلة بالمخارج وأضافوا كمية ضئيلة من مادة زلقة إلى الماء لمنع الخلايا من الالتصاق بجوانب الجهاز.
اختبر الفريق جهازه أولاً باستخدام حبيبات بلاستيكية من حجمين متميزين، يقاسان بـ 3 و15 وحدة اعتيادية (AU). ومن خلال الضبط الدقيق لسرعة تدفق العينة مقارنة بتدفق الغلاف، تمكنوا من توجيه الحبيبات الصغيرة بالكامل تقريباً إلى مخرج واحد والحبيبات الكبيرة إلى المخرج الآخر. نجح الجهاز في فرز الحبيبات الصغيرة بنسبة نجاح تجاوزت 90 بالمائة واستعاد جميع الحبيبات تقريباً من النظام، مما يعني فقدان القليل جداً منها. وقد أكد ذلك أن تصميم المدخل الجديد يعمل كما هو مخطط له بالنسبة للأجسام المستديرة البسيطة.
وتشجيعاً من هذه النتائج، انتقل الباحثون إلى العينات البيولوجية الحقيقية. واختاروا نوعين من الطحالب الدقيقة: Nannochloropsis sp.، وهي صغيرة وكروية الشكل تقريباً، ويتراوح قياسها بين 3 و5 وحدات اعتيادية، و Thalassiosira weissflogii، وهي أكبر وغير منتظمة الشكل، ويتراوح قياسها بين 11 و16. وبخلاف الحبيبات البلاستيكية الموحدة، فإن هذه الخلايا الحية تختلف في الشكل ويمكنها الدوران أثناء حركتها، مما يجعل التنبؤ بها أصعب. وجد الباحثون أن سرعة التدفق المثلى للطحالب الأكبر تختلف قليلاً عن سرعة الحبيبات البلاستيكية، مما يتطلب نسبة محددة قدرها جزء واحد من العينة إلى 9 أجزاء من سائل الغلاف. وتحت هذه الظروف، نجح الجهاز في فصل النوعين؛ حيث وجه 90.3 بالمائة من خلايا Nannochlorpsis الصغيرة إلى المخرج الصحيح و92.0 بالمائة من خلايا Thalassiosira الأكبر إلى مخرجها الخاص. وكانت نقاء العينات المجموعة مرتفعاً، حيث تجاوزت 96 بالمائة للخلايا الصغيرة و92 بالمائة للخلايا الكبيرة من النوع الصحيح.
والأهم من ذلك، كرر الباحثون التجربة أربع مرات لضمان موثوقية النتائج. وظل الأداء ثابتاً عبر جميع التجارب، مع وجود تباين ضئيل جداً في نجاح الفرز أو عدد الخلايا المستعادة. ويشير هذا التكرار إلى أن الجهاز قوي بما يكفي للاستخدام العملي. وتوضح الدراسة أنه من خلال مجرد تحسين هندسة المدخل وظروف التدفق، يمكن إنشاء نظام سلبي وخالٍ من العلامات يفصل الطحالب الدقيقة بناءً على الحجم بكفاءة عالية. وبينما يعتمد الجهاز حالياً على فروق الحجم وقد يواجه صعوبة مع الأنواع التي لها نفس الحجم، فإنه يقدم طريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة ولطيفة لتحضير العينات البيولوجية، مما قد يساعد في المراقبة البيئية واستزراع الطحالب لمختلف التطبيقات الصناعية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.