بقع القهوة وعلاقتها بالكشف عن الأمراض

لقد وجد مجال الاستشعار الحيوي مؤخرًا شريكًا غير متوقع في البحث عن زيادة الحساسية: حلقات القهوة. في المرة القادمة التي تسكب فيها القهوة على الطاولة، لاحظ البقعة المتبقية بعد تبخر السائل ولاحظ أن لها حلقة داكنة حول المحيط تحتوي على تركيز أعلى من الجزيئات مقارنة بالقلب.

وبما أن ظاهرة "حلقة القهوة" هذه تحدث مع العديد من السوائل بعد التبخر، يقترح العلماء أن مثل هذه الحلقات يمكن استخدامها لاختبار سائل الدم أو السوائل الأخرى كعلامات مرضية عن طريق استخدامها في أجهزة الاستشعار الحيوي. ومع ذلك، لتطوير أجهزة استشعار حيوية عملية، ربما ستكون هناك حاجة إلى فهم أفضل لسلوك هذه الحلقات، سواء على المستوى الجزئي أو الكلي.

وقال الباحث تشيه: "إن فهم حركة الجسيمات النانوية والجزئيات الدقيقة داخل القطرات السائلة المتبخرة ينطوي على إمكانات كبيرة للعديد من التطبيقات التكنولوجية، بما في ذلك البناء النانوي المجمع ذاتيًا، وأنماط الطباعة الحجرية، وطلاء الجسيمات واستخراجها وفصل المركبات الحيوية". مينغ هو، أستاذ في BIA.S. للهندسة والعلوم التطبيقية في جامعة كاليفورنيا. "ومع ذلك، قبل أن نتمكن من إعداد أجهزة الاستشعار الحيوي لهذه التطبيقات، يجب علينا أن نفهم ما هي الحدود النهائية لهذه الظاهرة. ولذلك فإن بحثنا يتجه نحو الكيمياء الفيزيائية من أجل إيجاد الحدود الدنيا لتكوين حلقة القهوة."

وقد نجحت المجموعة البحثية الآن في العثور على الحد الأدنى النهائي المجهري لتكوين حلقة القهوة، وهي عتبة يمكن استخدامها لتحديد مؤشرات تطوير أجهزة الاستشعار الحيوي التي يمكن استخدامها للكشف عن العديد من الأمراض، وكذلك للكشف عن العديد من الأمراض. استخدامات اخرى. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Journal of Physical Chemistry B.

وقال أحد الباحثين: "إذا نظرنا إلى دم الإنسان، أو لعابه، فسوف ندرك أن هذه السوائل تحتوي على عدد كبير من الجزيئات الدقيقة والنانوية أو المواد التي تخزن قدرا كبيرا من المعلومات الطبية والبيولوجية فيها". "إذا وضعت سائل الدم أو اللعاب هذا على سطح ما، ثم جففته، فسوف تتراكم هذه الجزيئات في منطقة صغيرة جدًا في الحلقة المحيطية. ونتيجة لذلك، سنكون قادرين على تحديد هذه المؤشرات الحيوية باستخدام طرق استشعار متنوعة، حتى لو كانت الجزيئات صغيرة للغاية وموجودة بتركيز منخفض جدًا في القطرة".

عندما يتبخر الماء من القطرة، تتحرك الجزيئات الذائبة في الماء نحو أطراف القطرة. بمجرد أن يتبخر كل السائل، تتركز الجزيئات في الحلقة التي تتشكل حول البقعة المتبقية. ومع ذلك، إذا كانت القطرة صغيرة بما فيه الكفاية، فإن الماء سوف يتبخر بشكل أسرع من معدل حركة الجزيئات. بدلاً من التراكم في الحلقة، يتم الحصول على تركيز موحد للجزيئات في البقعة، حيث لم يكن لديهم الوقت الكافي للانتقال إلى الحواف أثناء وجودهم في السائل.

يوضح الباحث الرئيسي: "إن التنافس بين معدل تبخر القطرة ومعدل حركة الجزيئات هو الذي يحدد تكوين حلقة القهوة".

من أجل تحديد أصغر حجم ممكن للقطرة، والتي ستظل تؤدي إلى تكوين حلقة القهوة بعد التبخر، قام فريق البحث بإعداد سطح خاص يواجه نمطًا يشبه رقعة الشطرنج، والذي يحتوي بالتناوب على مادة محبة للماء (" مادة "جاذبة للماء") ومادة كارهة للماء ("طاردة للماء").

وفي الخطوة التالية، وضع الباحثون جزيئات الراتنج المطاطي (اللاتكس)، والتي يتراوح حجمها بين 100-20 نانومتر، في الماء. كان حجم الجزيئات مشابهًا لحجم البروتينات المستخدمة كعلامات مرضية يمكن اكتشافها بواسطة أجهزة الاستشعار الحيوية.

وفي الخطوة التالية، قام الباحثون بغسل السطح الجديد بالماء الذي يحتوي على الجسيمات. وقفت المياه المتبقية كقطرات في المجمعات المحبة للماء، على غرار لعبة الداما على لوحة اللعبة. كرر الباحثون هذه التجربة مرارًا وتكرارًا بأنماط شبكية أصغر فأصغر حتى لم يعد من الممكن رؤية ظاهرة حلقة القهوة. بالنسبة للجسيمات التي يبلغ حجمها مائة نانومتر، يتم تعيين هذه العتبة للقطرات التي يبلغ قطرها حوالي عشرة ميكرومترات. عند هذه النقطة، يتبخر الماء قبل أن يكون لدى الجزيئات الوقت الكافي للانتقال إلى المحيط.

وقال الباحث: "إن معرفة الحجم الأدنى لهذه الظاهرة سيقودنا إلى تطوير أصغر أجهزة الاستشعار الحيوية الممكنة". "وهذا يعني أنه يمكننا تكديس الآلاف، وحتى الملايين، من أجهزة الاستشعار الحيوية الدقيقة فوق جهاز يعرف باسم "المختبر على شريحة"، مما يسمح لنا بإجراء عدد كبير من الاختبارات الطبية على شريحة واحدة. وهذا سيجعل من الممكن تشخيص العديد من الأمراض في اختبار واحد."

ويشير الباحث إلى أن "هناك ميزة أخرى مهمة في طريقتنا، وهي أن هذه العملية برمتها طبيعية للغاية، إنها مجرد تبخر". "نحن لا نحتاج إلى استخدام معدات أو أجهزة إضافية، مثل مصدر الطاقة الكهربائية أو غيرها من المعدات المتطورة لدفع الجسيمات. يوفر التبخر طريقة بسيطة جدًا لتركيز الجزيئات وتكمن في إمكانية استخدامها في التشخيص الطبي. على سبيل المثال، حصلت مجموعة أخرى من العلماء على منحة بحثية لاقتراحهم استخدام ظاهرة حلقة القهوة للكشف عن الملاريا في البلدان النامية.

يقوم الباحثون الآن بتحسين عوامل تكوين الحلقة، وفي الخطوة التالية سيتم فحص تطبيق هذا النهج لتطوير طرق استشعار حيوي مبتكرة وأكثر كفاءة من تلك الموجودة اليوم.

الخبر من الجامعة