ما هي تطبيقات الكيمياء الموجات فوق الصوتية في الطب؟

يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية في الكيمياء لزيادة معدل التفاعل وعائد المنتج. غالبية تأثير الموجات فوق الصوتية على التفاعلات الكيميائية ناتجة عن التجويف: تشكيل وتمزق الفقاعات الصغيرة في المذيبات. في هذا الاستعراض ، نقدم أولاً نظرة عامة على الخلفية المادية للتجويف ونناقش اعتمادها على عوامل مثل شدة الصوت والتردد والمذيبات ودرجة الحرارة. يعتبر تأثير الموجات فوق الصوتية على التفاعلات الكيميائية لكل من أنظمة سائلة متجانسة وغير متجانسة. يتم توضيح الحقل الأول بشكل رئيسي من خلال مناقشة تأثير الموجات فوق الصوتية على التفاعلات البلمرة وخلل البلمرة ، بينما يتم توضيح الحقل الثاني من خلال أمثلة مختارة في التوليف العضوي. ناقشنا أيضًا باختصار اتجاه الموجات فوق الصوتية تغيير آلية التفاعل لدعم المسار المتجانس (بدلاً من غير متجانسة). يختلف التفضيل المحدد للمسار المحدد في ظل الظروف الكيميائية الابنية عن المسار تحت التحريك الميكانيكي ، ويسمى "التحويل الكيميائي". قارنا المعدات بالموجات فوق الصوتية المستخدمة في تجارب مقياس المختبر وقدموا بعض النصائح والفخاخ العملية.

 

تجزئة الموجات فوق الصوتية وتحلل الخلية

 

تستخدم المعدات الصخرية الصوتية بشكل أساسي لإعداد العينات وإنتاجها. تشمل هذه الحقول بشكل خاص التجانس ، والاستحلاب ، وتعليق المواد المختلفة ، وكذلك تسريع التفاعلات الكيميائية ، وتفتيت الخلايا ، واستخراج محتويات الخلايا. يمكن أن يؤدي استخدام المعدات الونيخرية بالموجات فوق الصوتية إلى تدمير مواد معينة بشكل انتقائي ، وتقصير عملية التحضير الشاقة ، وتحسين محصول العديد من ردود الفعل. مقارنة مع معدات المعالجة الميكانيكية مثل مطاحن الكرة الكوكبية ، الدوارات/stators ، أو متجانسة الفجوة توضح أن المعدات الونيخرية بالموجات فوق الصوتية تعمل بكفاءة أعلى ، وخاصة مما يجعل النتائج القابلة للتكرار ممكنة. اتجاه التحليل هو أن حجم العينة يصبح أصغر وأن استخدام المواد الكيميائية يتناقص أيضًا. على سبيل المثال ، في السنوات الأخيرة ، أصبح استخدام المعدات الكيميائية الصوتية بالموجات فوق الصوتية أمرًا بالغ الأهمية ، حيث أن أصغر حجم العينة يتطلب معالجة سريعة واقتصادية وقابلة للتكرار.

 

تدمير الخلايا والكائنات الحية الدقيقة

 

في المختبرات الحديثة ، يتم استخدام المعدات الونيخرية بالموجات فوق الصوتية لتدمير جدران الخلايا لاستخراج محتويات الخلايا ، مثل البروتينات ، دون إتلافها. يتم تحويل جزء من الطاقة المقدمة في تعليق الخلية إلى حرارة من خلال الاحتكاك. من أجل تجنب الأضرار الحرارية لمحتويات الخلية ، تتعرض العينة إما للعلاج بالموجات فوق الصوتية المتقطعة بشكل دوري أو تبريد في حاوية تبريد أثناء العلاج بالموجات فوق الصوتية. يمكن لبركة الورد إجراء علاج موحد بالموجات فوق الصوتية على الكائنات الحية الدقيقة ، حيث إن الطاقة بالموجات فوق الصوتية تجبر العينة على الدوران مرارًا وتكرارًا تحت المجس وفي جميع أنحاء الذراع الجانبي بأكمله. وضعت في حمام جليدي ، بسبب توسيع سطح الزجاج ، يمكن أن يبرد المحتويات بشكل فعال.

يعتمد تدمير أغشية الخلايا إلى حد كبير على مرونة الخلايا. يمكن تعطيل المكونات الخلوية ، مثل الميتوكوندريا أو السيتوبلازم ، جزئيًا عن طريق تغيير الطاقة بالموجات فوق الصوتية المدخلات وقوة الاستخراج. بالنسبة للبكتيريا المقاومة بشكل خاص (مثل العقديات) ، يمكن تحقيق الفطريات أو الجراثيم أو الخميرة أو الأنسجة ، التدمير المباشر من خلال نصائح صغيرة ذات سعة أعلى بالموجات فوق الصوتي .

 

عند استخدام microliters ، تعد الرغوة والبقع في الحاوية مشكلة أكبر. قد يسبب فقدان قيمة لمواد العينة. لذلك ، تنظيم الطاقة مهم جدا. إذا كنت ترغب في تدمير الخلايا بجدران غير مستقرة ، فلا يلزم سوى كمية صغيرة من القوة أو السعة. من أجل الذوبان بشكل مستمر بكميات كبيرة ، يتم استخدام حاوية تدفق خاصة مصنوعة من الزجاج أو الفولاذ المقاوم للصدأ مع غرفة بالموجات فوق الصوتية لعلاج كل جسيم من التعليق بنفس القوة. إذا كانت الحاوية مجهزة بالإضافة إلى سترة تبريد ، فيمكن استبعاد الأضرار الحرارية لمحتويات الخلية. لتجنب التلوث من الجزيئات الأجنبية ، مثل الجزيئات التآكل من التحقيق ، يفضل العلاج بالموجات فوق الصوتية غير المباشر في داعم كوب أو قرن كوب. هذه الطريقة تحقق قوة موحدة والتبريد.

 

التطبيقات في الكيمياء الحيوية والطب:

 

1. تدمير الثقافة التنظيمية

يتم تدمير المكونات والفيروسات تحت الخلايا دون أي ضرر.

2. تحديد هوية الطفل الوالد

استخرج بسرعة المواد الانحلالية الخالية من المصفوفة من دم EDTA للأب المفترض لتحديد الوالدين والطفل (تقليل وقت التحضير بحوالي 30 دقيقة).

3. علم المسالك البولية

تحليل الغشاء الكيميائي الحيوي لمكونات الحيوانات المنوية.

4. البحوث الوراثية

استخراج الحمض النووي من مواد جسم الإنسان.

5. تحضير الدهون

يعد استخدام الموجات فوق الصوتية (20 كيلو هرتز) لتحليل MLV (الجسيمات الشحمية متعددة الطبقات) هي الطريقة الرئيسية لإنتاج SLV (الجسيمات الشحمية أحادية الطبقة).

6. علاج لقاح الجدري

إعداد حل العدوى الموزعة بشكل موحد.

 

منتشرة

بمساعدة الطاقة بالموجات فوق الصوتية ، يمكن تفريق جزيئات صلبة أو حتى سوائل إلى شركة طيران أخرى. تستخدم مساحيق النانو ، مثل ثاني أكسيد التيتانيوم أو السيليكا الحرارية ، بشكل متزايد في إنتاج واختبار الدهانات والدهانات ، وكذلك في تلميع أسطح جسم السيارة الصغيرة بسبب مساحة سطحها الكبيرة وزيادة رد الفعل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه المواد لها ميل سلبي نحو التجميع ، مما يؤدي إلى انخفاض السيولة وقابلية التبلل. يتم تدمير التكتلات التي تم تشكيلها عن طريق متجانسة الموجات فوق الصوتية والتشتت مستقر بشكل دائم لمنع التجميع.

في تحليل حجم الجسيمات ، يعد التشتت أمرًا بالغ الأهمية لعملية القياس. لا يمكن تحديد الجسيمات إلا أثناء عملية القياس ، ويبدو أنها إشارات قياس قابلة للاكتشاف في منطقة القياس. لذلك ، تؤدي التكتلات غير المنتشرة إلى أخطاء قياس كبيرة. بمساعدة الموجات فوق الصوتية ، يتم تقسيم الجسيمات للتحضير للقياسات اللاحقة.

عند استخدام المستحلب بالموجات فوق الصوتية ، تتم معالجة سائلين غير قابلتين مثل الزيت والماء في غسول متجانس شبه. بالمقارنة مع الطرق التقليدية التي تستخدم الدوارات ، يمكن أن تنتج الموجات فوق الصوتية غسولًا مشتتًا بدقة مع حجم قطرات صغير جدًا واستقرار مرتفع للغاية. لا يحدث تكوين كتل أو مجموعات ولا تسوية القطرات. عند استخدام الطرق التقليدية مثل الدوارات أو الخلاطات ، يؤدي التحريك البطيء إلى فصل السائل. الخلط بسرعة كبيرة يمكن أن يؤدي إلى شوائب الهواء غير المرغوب فيها. تُستخدم متجانسات الموجات فوق الصوتية بشكل شائع في الصيدليات لإنتاج مرهم عالي الجودة من المراهم.

في حياتنا اليومية ، سنواجه العديد من أشكال الغسول المتجانسة بالموجات فوق الصوتية ، كما هو الحال في مستحضرات التجميل أو المستحضر.

التجانس

 

يتراوح نطاق تطبيق تقنية التجانس بالموجات فوق الصوتية من إنتاج الطلاء والورنيش إلى تجانس عينات مياه الصرف الصحي والتربة لأغراض تحليلية ، ثم إلى تحضير عينة لتحليل حجم الجسيمات. خاصة بالنسبة للمياه الصادرة الصناعية ، من الضروري التحقق باستمرار من وجود المعادن الثقيلة أو الدهون أو الزيوت في المختبرات البيئية من أجل اتخاذ تدابير فورية عندما يتجاوز التركيز المعيار. لنتائج التحليل التمثيلي ، من الضروري تحويل عينة مياه الصرف الصحي إلى حالة متجانسة. يتم تحقيق ذلك من خلال التجانس بالموجات فوق الصوتية مع موثوقية عالية في فترة زمنية قصيرة للغاية.

من أجل توصيف إمكانات مدافن النفايات والتقييم الملوث لعينات النفايات ، مثل PAH (الهيدروكربونات العطرية المتعددة الحلقات) ، أو المعادن الثقيلة ، أو MKW (هيدروكربونات الزيت المعدني) في التربة ، يتم استخدام الاستخراج بالموجات فوق الصوتية كعملية متجانسة سريعة كطريقة بديلة للتربة شطف.

في الزراعة ، يتم استخدام المتجانس بالموجات فوق الصوتية لإعداد العينة لتحديد محتوى THC لاحقًا في القنب وتركيز PAH في الأطعمة الخضرية (مثل الفراولة) بناءً على حمل التربة.

غالبًا ما تستخدم متجانسات الموجات فوق الصوتية لمراقبة جودة الطعام. من أجل تلبية قيم الحد ، يجب قياس محتوى نترات الجبن في المختبر. كانت الطريقة السابقة لاستخدام التقطير الميثانول الزيلانول والقياس الضوئي اللاحق مشكلة كبيرة في السموم وخاصة المستهلكة للوقت. لذلك ، من أجل تحديد محتوى النترات أو سحق الجبن ميكانيكيًا. بعد ذلك ، في فترة زمنية قصيرة ، تم تنفيذ التجانس الكثيف والرمي في خلايا العقدة الوردية باستخدام الموجات فوق الصوتية. حجم الجسيمات القابل للتحقيق أقل من 1 م ، وبما أن تكوين التجميع لا يحدث ، فإنه يعزز بشكل كبير الترشيح اللاحق لغسل أيونات كمياً.