CMOS-Based Multiplexed NMR Acquisition toward High-Throughput Spectroscopy

غالباً ما يبدو التحليل الكيميائي وكأنه سباق مع الزمن، خاصة عندما يحتاج العلماء إلى فهم تكوين مئات أو آلاف العينات المختلفة. وتعد الرنين المغناطيسي النووي واحدة من أقوى الأدوات لهذه المهمة، وهي تقنية تستخدم مجالات مغناطيسية قوية وموجات راديو للكشف عن البنية الدقيقة للجزيئات. إنها طريقة لطيفة لا تدمر العينة، مما يسمح للباحثين برؤية كيفية ترتيب الذرات وتفاعلها بدقة. ومع ذلك، فإن الطريقة التقليدية لاستخدام هذه التقنية بطيئة؛ إذ صُممت الأجهزة القياسية لفحص عينة واحدة في كل مرة، وحتى عندما يمكنها فحص عينات متعددة، فإن المعدات المطلوبة للاستماع إليها جميعاً في وقت واحد تصبح ضخمة، وباهظة الثمن، ومتشابكة مع كومة من الكابلات. هذا الاختناق يحد من سرعة فحص العلماء للأدوية الجديدة أو دراسة المزيجات البيولوجية المعقدة، مما يخلق حاجة ملحة لإيجاد طريقة لتسريع العملية دون التضحية بجودة البيانات.

لقد طور فريق من الباحثين في معهد كارلسروه للتكنولوجيا في ألمانيا نهجاً جديداً لحل هذه المشكلة عن طريق تقليص الإلكترونيات المعقدة اللازمة للكشف المتوازي إلى شريحة حاسوب صغيرة. ويركز عملهم على طريقة تسمى "تعدد الإرسال" (multiplexing)، والتي تسمح لعدة إشارات راديو بالانتقال عبر سلك واحد في نفس الوقت دون أن تتداخل مع بعضها البعض. ولاختبار هذه الفكرة، قاموا ببناء شريحة مخصصة باستخدام تكنولوجيا تصنيع السيليكون القياسية، تبلغ مساحتها 3 مليمترات في 4 مليمترات فقط. يعمل هذا الجهاز الصغير كمنظم لحركة موجات الراديو، حيث يأخذ الإشارات من أربعة كواشف للعينات ويدمجها في تدفق واحد يمكن إرساله إلى الحاسوب للتحليل. ومن خلال القيام بذلك، ألغوا الحاجة إلى أربعة منافذ استقبال منفصلة وحزمة الكابلات الثقيلة التي تربطها عادةً، مما قلل فعلياً من تكلفة وتعقيد الأجهزة بمقدار أربعة أضعاف.

وضع الباحثون نظامهم قيد الاختبار في سيناريوهين مختلفين لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم التعامل مع الظروف الواقعية. في التجربة الأولى، استخدموا مسباراً متخصصاً يحتوي على أربعة كواشف منفصلة، كل منها يحمل عينة سائلة مختلفة. تم ضبط اثنين من الكواشف للاستماع إلى ذرات الهيدروجين، بينما استمع الآخران إلى ذرات الفلور. وضعوا هذا المسبار داخل مغناطيس قوي ومرروا العينات عبر النظام. لولا شريحتهم الجديدة، لكانت الآلة بحاجة إلى أربعة كابلات منفصلة لإرسال البيانات إلى الحاسوب، ولكن بدلاً من ذلك، قامت الشريحة بدمج جميع الإشارات الأربع في كبل واحد. وأظهرت النتائج أن النظام عمل بشكل رائع؛ فقد تمكن الحاسوب من فصل الإشارات مرة أخرى وإنتاج أطياف واضحة لجميع العينات في آن واحد. وبينما حدث انخفاض طفيف في وضوح الإشارة لبعض القنوات، تراوح بين حوالي 8% إلى 32%، وجد الباحثون أن مجرد تكرار القياس ومتوسط النتائج يمكن أن يستعيد الجودة. وعندما قاموا بمتوسط 32 مسحاً، تحسنت جودة الإشارة بمعامل يزيد عن خمسة أضعاف، مقتربة جداً من الحد النظري المتوقع لمثل هذه العملية.

ولإثبات مرونة تصميمهم بشكل أكبر، أجرى الفريق تجربة ثانية باستخدام مسبار مختلف يحمل عينة واحدة ولكنه يحتوي على ملفين مضبوطين على أنواع مختلفة من الذرات: الهيدروجين والكربون. سمح هذا الإعداد للفريق باختبار ما إذا كانت الشريحة تستطيع التعامل مع إشارات من عناصر مختلفة في نفس الوقت. أجروا التجربة في مغناطيس أصغر قليلاً، ودمجوا الإشارتين مرة أخرى في كبل واحد. وأكدت النتائج أن الشري_حة يمكنها إدارة إشارات من نويات ذرية مختلفة بنجاح، على الرغم من أنها تهتز بترددات مختلفة تماماً. ظلت جودة الإشارة عالية، مع فقدان طفيف جداً في وضوح إشارة الهيدروجين وفقدان غير محسوس تقريباً لإشارة الكربون. ومن خلال متوسط 16 مسحاً، استعادوا قوة الإشارة بالكامل تقريباً، مما أثبت أن النظام مستقر بما يكفي للتجارب طويلة الأمد.

إن أحد أهم مزايا هذه الطريقة الجديدة هو توفيرها للوقت. في الإعداد التقليدي، إذا أراد عالم إجراء 32 قياساً على أربع عينات مختلفة، فسيتعين عليه انتظار انتهاء الآلة من عينة واحدة، ثم التالية، وهكذا، وتكرار العملية أربع مرات. أما مع نظام تعدد الإرسال، فسيتم قياس العينات الأربع في وقت واحد خلال تلك الدورات الـ 32. وهذا يعني أن إجمالي الوقت المطلوب للتجربة ينخفض بمقدار أربعة أضعاف، وهو مكسب هائل للعمل عالي الإنتاجية مثل اكتشاف الأدوية. كما أظهر الباحثون أن نظامهم يمكنه التعامل مع تسلسلات نبضية معقدة، مثل تلك المستخدمة لقياس المدة التي تستغرقها الإشارة للعودة إلى حالة الراحة، دون فقدان الاستقرار. حتى أنهم أظهروا قدرتهم على استخدام البرامج لتنظيف أي تداخل طفيف بين القنوات، لضمان عدم تسرب بيانات عينة إلى بيانات أخرى.

يشير نجاح هذا العمل إلى أن مستقبل مطيافية الرنين المغناطيسي النووي قد يتضمن مصفوفات أكثر كثافة من الكواشف المحشورة في مساحات أصغر. ولأن الشريحة صغيرة جداً وتدمج العديد من الوظائف، يمكن وضعها بالقرب من العينة، مما يقلل من فقدان الإشارة الذي يحدث عادةً عندما تنتقل الكهرباء عبر أسلاك طويلة. وأشار الباحثون إلى أنه بينما صُنعت شريحتهم الحالية باستخدام عملية تصنيع قياسية، فإن النسخ المستقبلية يمكن صنعها بميزات أصغر، مما يسمح بحشر المزيد من القنوات في جهاز واحد. وقد يؤدي هذا في النهاية إلى أجهزة مطياف يمكنها تحليل عشرات العينات في وقت واحد، مما يغير كيفية تعامل العلماء مع عمليات الفحص الكيميائي واسعة النطاق. وتؤكد الدراسة أنه من الممكن تجاوز القيود التقليدية للأنظمة الضخمة متعددة الكابلات، مما يوفر مساراً عملياً نحو تحليل كيميائي أسرع وأكثر كفاءة وأقل تكلفة.