عندما تفكر في المجالات الكهربائية، فمن المحتمل أن تفكر في ذلك كهرباء – الأشياء التي تجعل الحياة الحديثة ممكنة من خلال تشغيل كل شيء بدءًا من الأجهزة المنزلية وحتى الهواتف المحمولة. لقد قام الباحثون بدراسة مبادئ الكهرباء منذ القرن السابع عشر. بنيامين فرانكلينالمشهور بتجربته للطائرة الورقية، أثبت أن البرق كان كهربائيًا بالفعل.
وقد مكنت الكهرباء أيضًا من تحقيق تقدم كبير في علم الأحياء. تقنية تسمى الكهربائي يسمح للعلماء بتحليل جزيئات الحياة – الحمض النووي والبروتينات – عن طريق فصلها عن طريق شحنتها الكهربائية. لا يتم تدريس الفصل الكهربائي بشكل شائع في علم الأحياء بالمدارس الثانوية فحسب، بل إنه أيضًا العمود الفقري للعديد من المختبرات السريرية والبحثية، بما في ذلك الألغام.
أنا أ أستاذ الهندسة الطبية الحيوية الذي يعمل مع الأنظمة الكهربية المصغرة. معًا، أقوم أنا وطلابي بتطوير إصدارات محمولة من هذه الأجهزة التي تكتشف بسرعة مسببات الأمراض وتساعد الباحثين على مكافحتها.
ما هو الرحلان الكهربائي؟
اكتشف الباحثون الرحلان الكهربائي في القرن التاسع عشر من خلال تطبيق جهد كهربائي على جزيئات الطين وملاحظة كيفية هجرتها عبر طبقة من الرمل. بعد مزيد من التقدم خلال القرن العشرين، أصبح الرحلان الكهربائي هو المعيار في المختبرات.
لفهم كيفية عمل الرحلان الكهربي، علينا أولًا أن نشرح ذلك المجالات الكهربائية. وهي قوى غير مرئية تؤثر بها الجسيمات المشحونة كهربائيًا، مثل البروتونات والإلكترونات، على بعضها البعض. على سبيل المثال، ينجذب الجسيم ذو الشحنة الكهربائية الموجبة نحو الجسيم ذي الشحنة السالبة. ينطبق هنا قانون “تجاذب الأضداد”. يمكن أن تحتوي الجزيئات أيضًا على شحنة؛ سواء كان أكثر إيجابية أو سلبية يعتمد على أنواع الذرات التي تشكلها.
في الرحلان الكهربائي، يتم إنشاء مجال كهربائي بين قطبين كهربائيين متصلين بمصدر الطاقة. أحد القطبين له شحنة موجبة والآخر له شحنة سالبة. يتم وضعها على الجانبين المتقابلين من حاوية مملوءة بالماء والقليل من الملح، والتي يمكنها توصيل الكهرباء.
عندما تكون الجزيئات المشحونة مثل الحمض النووي و البروتينات في الماء، تخلق الأقطاب الكهربائية مجال قوة بينهما يدفع الجسيمات المشحونة نحو القطب الكهربائي المعاكس. هذه العملية تسمى الهجرة الكهربي.
يحب الباحثون الترحيل الكهربائي لأنه سريع ومرن. يمكن للرحلان الكهربائي أن يساعد في تحليل أنواع مختلفة من الجسيمات، من الجزيئات إلى الميكروبات. علاوة على ذلك، يمكن إجراء الرحلان الكهربائي باستخدام مواد مثل الورق والمواد الهلامية والأنابيب الرفيعة.
في عام 1972 عالم فيزياء ستانيسلاف دخين ولاحظ زملاؤه نوعًا آخر من الهجرة الكهربية يسمى الرحلان الكهربائي غير الخطي يمكنها فصل الجسيمات ليس فقط عن طريق شحنتها الكهربائية ولكن أيضًا عن طريق حجمها وشكلها.
المجالات الكهربائية ومسببات الأمراض
إن التقدم الإضافي في مجال الرحلان الكهربائي جعله أداة مفيدة لمحاربة مسببات الأمراض. على وجه الخصوص، ثورة الموائع الدقيقة جعل من الممكن مختبرات صغيرة والتي تسمح للباحثين باكتشاف مسببات الأمراض بسرعة.
وفي عام 1999، وجد الباحثون أن أنظمة الرحلان الكهربائي الصغيرة هذه يمكن أن تفعل ذلك أيضًا فصل مسببات الأمراض السليمة بسبب اختلاف شحناتها الكهربائية. لقد وضعوا خليطًا من عدة أنواع من البكتيريا في أنبوب شعري زجاجي رفيع جدًا، ثم تم تعريضه لمجال كهربائي. بعض البكتيريا خرجت من الجهاز بشكل أسرع من غيرها بسبب شحناتها الكهربائية المميزة، مما جعل من الممكن فصل الميكروبات حسب نوعها. سمح قياس سرعات هجرتها للعلماء بتحديد كل نوع من أنواع البكتيريا الموجودة في العينة من خلال عملية استغرقت أقل من 20 دقيقة.
وقد حسنت ميكروفلويديك هذه العملية إلى أبعد من ذلك. أجهزة ميكروفلويديك صغيرة بما يكفي لتناسب راحة يدك. حجمها المصغر يسمح لها بإجراء التحليلات بشكل أسرع بكثير من معدات المختبرات التقليدية لأن الجزيئات لا تحتاج إلى الانتقال إلى مسافة بعيدة عبر الجهاز ليتم تحليلها. وهذا يعني أن الجزيئات أو مسببات الأمراض التي يبحث عنها الباحثون يمكن اكتشافها بسهولة أكبر وأقل احتمالية لفقدها أثناء التحليل.
على سبيل المثال، تحتاج العينات التي يتم تحليلها باستخدام أنظمة الرحلان الكهربائي التقليدية إلى الانتقال عبر الأنابيب الشعرية التي يبلغ طولها حوالي 11 إلى 31 بوصة (30 إلى 80 سم). يمكن أن تستغرق هذه المعالجة من 40 إلى 50 دقيقة وهي غير قابلة للنقل. وبالمقارنة، تم تحليل العينات باستخدام أنظمة الرحلان الكهربائي الصغيرة تهاجر عبر قنوات صغيرة يبلغ طولها 0.4 إلى 2 بوصة (1 إلى 5 سم) فقط. يُترجم هذا إلى أجهزة صغيرة محمولة ذات أوقات تحليل تبلغ حوالي دقيقتين إلى ثلاث دقائق.
وقد مكّن الرحلان الكهربائي غير الخطي أجهزة أكثر قوة من خلال السماح للباحثين بفصل واكتشاف مسببات الأمراض حسب حجمها وشكلها. لقد أوضحت أنا وزملائي في المختبر أن الجمع بين الرحلان الكهربائي غير الخطي والموائع الدقيقة لا يمكن أن يقتصر على ذلك فحسب فصل أنواع مختلفة من الخلايا البكتيرية ولكن أيضا الخلايا البكتيرية الحية والميتة.
أنظمة الرحلان الكهربائي الصغيرة في الطب
يمتلك الرحلان الكهربائي للموائع الدقيقة القدرة على أن يكون مفيدًا في مختلف الصناعات. في المقام الأول، يمكن لهذه الأنظمة الصغيرة أن تحل محل طرق التحليل التقليدية نتائج أسرع وراحة أكبر وتكلفة أقل.
على سبيل المثال، متى اختبار فعالية المضادات الحيويةيمكن لهذه الأجهزة الصغيرة أن تساعد الباحثين بسرعة على معرفة ما إذا كانت مسببات الأمراض قد ماتت بعد العلاج. ويمكن أن يساعد أيضًا الأطباء في تحديد الدواء الأكثر ملاءمة للمريض من خلال التمييز السريع بين البكتيريا الطبيعية والبكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية.
يعمل مختبري أيضًا على تطوير أنظمة الرحلان الكهربائي الدقيق للتنقية فيروسات البكتيريا التي يمكن استخدامها ل علاج الالتهابات البكتيرية.
ومع مزيد من التطوير، يمكن لقوة المجالات الكهربائية والموائع الدقيقة تسريع كيفية اكتشاف الباحثين لمسببات الأمراض ومكافحتها.
أعيد نشر هذه المقالة المحررة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المادة الأصلية.
