اندازه گیرى وزن نانو ذرات در ابعاد اتو گرم

مهندسین MIT راهى را براى اندازه ‌گیرى جرم ذرات با دقتى، بالاتر از یک اتو گرم، یعنى یک میلیونم یک تریلیونم گرم، پیدا کردند. اندازه ‌گیرى وزن این ذرات بسیار ریز، که هم شامل ذرات نانوى مصنوعى (سنتز شده) و هم ترکیبات بیو لوژیکى سلول‌ها مى‌باشد، مى‌تواند به پژوهش‌گران کمک کند که بتوانند ترکیب و عمل کرد مواد خلق شده‌ى خود را بهتر بدانند.
این سیستم بر پایه‌ى تکنولوژى‌ای مى‌باشد که اخیراً توسط اسکات مانالیس، پروفسورى در زمینه‌ى مهندسى بیولوژى و مکانیک، در دانشگاه MIT، جهت اندازه‌ گیرى وزن ذرات بزرگتر، براى مثال سلول‌ها، اختراع و گسترش داده شده بوده است. این سیستم که به نام تشدید کننده‌ى نوسان میکرو کانال براى ذرات معلق (SMR) شناخته مى‌شود، براى اندازه گیرى جرم ذراتى که از یک کانال خیلى باریک عبور مى‌کند مورد استفاده قرار مى‌گیرد.
با کوچک کردن سایز کل سیستم، پژوهش‌گران توانستند کیفیت دقت این سیستم را تا ٨٥ر٠ اتوگرم، تقویت کنند، که این مقدار بیش از ٣٠ برابر، بیشتر از دقت اندازه‌گیرى دستگاه اولیه مى‌باشد.
سلیم اولجوم، دانشجوى دکترى در آزمایشگاه مانالیس و یکى از نویسندگان اصلی مقاله‌اى که این سیستم را در نسخه‌ى این هفته از مجله‌ى "دست یافته‌هاى دانشگاه علوم ملى" تشریح مى‌کند، این گونه مى‌گوید: "اکنون مى‌توانیم وزن ویروس‌هاى کوچک، وزیکول‌هاى (آبدانک) خارج سلولى (واقع در خارج سلول‌های بدن) و اکثر ذرات نانوى مهندسى شده که در دارو‌هاى نانو مورد استفاده قرار مى‌گیرند را اندازه‌ گیرى کنیم."
دانشجوى فارق التحصیل، نیتن کرماک نیز یکى از نویسندگان اصلی نوشتن این مقاله مى‌باشد، و مانالیس، یکى از اعضاى انستیتوى کوچ دانشگاه MIT که در زمینه‌ى سرطان در حال گسترش، تحقیق مى‌کند نیز یکى دیگر از نویسندگان این مقاله مى‌باشد. محققانى از آزمایشگاه هاى MIT، از پروفسورها گرفته تا اعضاى انستیتوى کوچ، آنجلا بلچر و سانگیتا باتیا نیز در این تحقیق مشارکت داشته‌اند.
در تصویر یک تشدید کننده‌ى نوسان در کانال میکرو سکوپى براى ذرات معلق در سیال (SNR) نمایش داده شده است، که مى‌تواند به صورت مستقیم، وزن تک تک ذرات نانو را با دقت اتو گرم محاسبه کند. زمانى که یک اوریگامى DNA که تجمع ذرات نانوى طلا به آن پیوند خورده، در حال گذر از تشدید کننده مى‌باشد، سیستم با استفاده از فرکانس لرزش، تولید شده از ذراتى که در درون سیال در حال عبور مى باشند، نمایى از وزن و جرم این ذرات را نشان مى‌دهد.

یک حس‌گر کوچک، براى ذرات کوچک

مانالیس ابتدا در سال ٢٠٠٧ سیستم SMR را به جهت اندازه‌گیرى جرم سلول‌هاى زنده، و ذرات ریزى در حد فمتو متر (در حد یک کادرلیون یک گرم یا ١٠٠٠ اتوگرم) اختراع و گسترش داد. از آن زمان به بعد، آزمایشگاه از این سیستم جهت رد یابى رشد سلول در طول زمان، اندازه‌ گیرى چگالى سلول و اندازه‌گیرى دیگر خواص فیزیکى هم چون سختى، استفاده کرده است.
حس‌گر جرم اصلى (اولیه) شامل یک کانال بسیار باریک، پر از سیال که پایه‌هاى (سگ دست) سیلیکونى بسیار کوچکى در آن کار گذاشته شده است که در درون حفره‌ى خلاء، ایجاد لرزش مى‌کند، مى‌باشد. در زمانى که سلول‌ها یا ذرات، به صورت یکى در هر بار (یکى یکى)، از درون این کانال عبور داده مى‌شوند، جرم آن‌ها به صورت بسیار نا چیزى، فرکانس لرزش پایه را تغییر مى‌دهد. جرم ذره را مى‌توان با این تغییر فرکانس محاسبه کرد.
اولجوم مى‌گوید براى حساس کردن سیستم به ذرات باز هم ریزتر، محققان مى‌بایستى اندازه‌ى این پایه‌ها را کوچک‌تر مى‌کردند، که عمل کردى شبیه تخته فنر استخر دارد. زمانى که فرد شیرجه زن در انتهاى تخته فنر بالا و پایین مى‌پرد، تخته فنر با دامنه‌ی بسیار زیاد و فرکانس پایین به لرزش در مى‌آید. زمانى که شیرجه زن وارد آب مى‌شود، تخته فنر با سرعت زیادترى شروع به لرزش مى‌کند، زیرا که جرم کلى تخته فنر، به صورت ناگهانى کاهش چشم گیرى مى‌یابد.
براى اندازه‌گیرى جرم‌هاى کوچک‌تر، یک "تخته فنر" کوچک‌تر مورد نیاز است. اولجوم مى‌گوید: "اگر مى‌خواهید ذرات نانو را با پایه‌هاى بزرگ، اندازه‌ گیرى کنید، مانند این است که یک مگس بخواهد از روى یک تخته فنر شیرجه زده و آن را به لرزش در بیاورد. زمانى که مگس شیرجه مى‌زند، هیچ تفاوتى را احساس نخواهید کرد. و به این دلیل است که ما مجبور شدیم یک تخته فنر بسیار ریز‌تر بسازیم."
در تحقیقاتى که اخیراً انجام شده، محققان در آزمایشگاه مانالیس یک پایه‌ى ٥٠ میکرونى، چیزى در حدود یک دهم اندازه‌ى پایه‌اى که براى اندازه‌گیرى جرم سلول‌ها مورد استفاده قرار مى‌گرفت، را ساخته‌اند. این سیستم که با نام تشدید کننده‌ى نوسان ذرات معلق در کانال نانویى (SNR) شناخته مى‌شود، قادر است ذراتى را با وزن ٧٧ اتو گرم، با سرعت یک یا دو ذره‌ى میکروسکوپى در ثانیه، محاسبه کند.
پایه‌اى که براى دستگاه جدید (SNR) تولید شد، تنها ٥ر٢٢ میکرون طول دارد و کانالى که با آن در ارتباط است ١ میکرون قطر و ٤٠٠ نانو میکرون عمق دارد. این ساخته‌ى مینیاتورى و بسیار ریز، سیستم را بسیار حساس‌تر کرده، به این دلیل که باعث مى‌شود این پایه، فرکانس‌هاى بسیار ریزترى ایجاد کند. در فرکانس‌هاى بالاتر (ریزتر)، این پایه نسبت به تغیرات کوچک‌تر در جرم ذرات، حساس‌تر مى‌باشد.
محققان با تغییر منبع لرزش پایه از یک منبع الکترو استاتیک به یک منبع فیزو الکتریک (ویژگى برخى کریستال‌ها که به هنگام اعمال ولتاژ به آنها تحت فشار قرار مى‌گیرند یا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکى یک ولتاژ تولید مى‌کنند) توانستند جهش دیگرى در تقویت کیفیت فرکانس‌ها ایجاد کنند که این کار منجر به تولید میدان نوسان بزرگتر شد و در نتیجه، اثر لرزش‌هاى تقلبى، که در سیگنالى که محققان مى‌خواستند محاسبه کنند، مداخله مى‌کرد را کاهش داد (کاهش پارازیت و در نتیجه دقت عمل بیشتر).
با این سیستم، محققان مى‌توانند جرم تقریباً ٣٠٠٠٠ ذره را در کمى بیشتر از ٩٠ دقیقه اندازه‌گیرى کنند. کرماک مى‌گوید "در بازه‌ى زمانى یک ثانیه، ما عبور ٤ تا ٥ ذره را از داخل کانال داریم و مى‌توانیم به صورت بالقوه، تمرکز را افزایش داده، تا ذرات را با سرعت بیشترى از درون کانال عبور دهیم."

تجزیه و تحلیل ذره

براى نمایش مفید فایده بودن دستگاه در تجزیه و تحلیل ذرات نانوى مهندسى شده، تیم MIT وزن ذرات نانویى که از پیوند DNA با ذرات بسیار ریز کروى شکل طلا بوجود آمده بود را اندازه گیرى کردند، که با این کار توانستند بفهمند به هر داربست اوریگامى شکل DNA، چند ذره‌ى کروى شکل طلا پیوند خورده است. این کار به داشتن اطلاعاتى کمک مى‌کند که براى اندازه‌ گیرى نقطه‌ى کرنش و شکست مفید بوده، که این اطلاعات، براى بهبود و گسترش ساختار‌هاى نانوى خاص، هم چون ساختار داربستى دستگاه‌هاى نانو، مورد استفاده قرار مى‌گیرد.
هم چنین محققان سیستم SNR را بر روى ذرات نانوى بیولوژیکى مورد آزمایش قرار داده‌اند، این ذرات، وزیکول‌هاى اگزوسام‌ نام دارد (اگزوسام به آبدانک‌های سلولی گفته می‌شود که در بسیاری و شاید در همه‌ی مایعات بیولوژیکی، از جمله در ادرار و خون وجود دارد و اندازه ی آن بین 30 تا 100 نانو‌متر است که کمی بزرگتر از LDL‌ و خیلی کوچکتر از گلبول قرمز خون می‌باشد) که حامل پروتئین، RNA، یا هر مولکول ناشناخته‌ى دیگرى که در سلول‌ها وجود دارد، مى‌باشد و باور بر این است که نقش مهمى را در ارسال سیگنال به نقاط دور، در بدن به عهده دارند.
محققان دریافتند که اگزوسامى که به صورت مخفیانه در سلول‌هاى کبد وجود دارد و فیبرو‌بلست‌ها (سلول‌هایى که بافت‌هاى ارتباطى را تشکیل مى‌دهند)، داراى توزیع جرم متفاوتى بودند که می‌تواند گویاى این موضوع باشد که شاید بتوان وزیکول‌هایى که از سلول هاى متفاوت تشکیل شده اند و ممکن است عمل کردهاى متفاوت بیولوژیکى داشته باشند را تشخیص داد و متمایز کرد.
در حال حاضر محققان در حال تحقیق بر روى استفاده از دستگاه SNR بر روى خون بیماران مبتلا به (GBM)، که نوعى از سرطان مغز مى‌باشد، هستند. این نوع از تومور در خود مقادیر زیادى از اگزوسام را دارد و رد یابى تغییرات در تمرکز آن‌ها، مى‌تواند به پزشکان نشان دهد که آیا خطرى بیماران آن‌ها را تهدید مى‌کند یا نه.
اکنون مى‌توان اگزوسام‌هاى غدد گلیایى (گلیوبلاستوما که گلیوبلاستوما شایعترین تومور بد خیم اولیه‌ی سیستم عصبی مرکزی است که در نخاع یا مغز بروز میکند. منشاء تومور از سلول‌های آستروسیت است که ‌نوعی یاخته گلیال است) را با مخلوط کردن با نمونه‌هاى خونِ همراه با ذرات نانوى مغناطیسى پوشیده شده از پادتنى که به شاخص‌هایى در سطوح وزیکول‌ها چسبیده است، را شناسایى کرد، ولى با استفاده از SNR مى‌توان این آزمایش را بسیار آسان‌تر انجام داد.
مانالیس مى‌گوید "ما در مورد استفاده‌ى ویژه از SNR با دقت بالا براى تعیین کمیت و کیفیت وزیکول‌هاى میکروسکوپى در خون بیماران مبتلا به GBM بسیار ذوق زده هستیم. هم چنین روی کردهایى براى استفاده از دستگاه SNR وجود دارد که براى ایزوله کردن زیر مجموعه‌هاى آزمایشگاهى وزیکول‌هاى میکروسکوپى نیز مورد استفاده قرار مى‌گیرد، به این معنا که مى‌تواند به صورت بالقوه‌اى، بدون توجه به این که چه چیزى سطح وزیکول‌هاى میکروسکوپى را پوشانده باشد، اطلاعاتى را راجع به کمیت و کیفیت این وزیکول‌ها فراهم کند."