انقلابی در اسپکتروفتومتری میکروولوم برای آنالیز نمونه های زیستی
مقدمه
در آزمایشگاه های مدرن زیست شناسی مولکولی، ژنتیک و بیوشیمی، نمونه های DNA ،RNA و پروتئین اغلب گران بها و در مقادیر بسیار کم در دسترس هستند. اندازهگیری دقیق غلظت و خلوص این نمونه ها پیش از انجام مراحل بعدی مانند PCR، توالی یابی، یا کلونینگ، امری حیاتی است.
دستگاه های نانودراپ (NanoDrop)، که به طور کلی به عنوان اسپکتروفتومترهای میکروولوم (Microvolume Spectrophotometers) شناخته می شوند، با ارائه راهکاری نوآورانه برای آنالیز نمونه های با حجم بسیار کم (اغلب در حد یک یا دو میکرولیتر)، تحولی بزرگ در این زمینه ایجاد کرده اند.
در این مطلب به بررسی فناوری نانودراپ، اصول عملکرد، اجزا، کاربردها و مزایای چشمگیر این دستگاه می پردازیم، و در آخر این بخش بهترین دستگاه های نانودراپ Nano Drop را معرفی خواهیم کرد.
نانودراپ چیست و چگونه دنیای آنالیز نمونه را دگرگون کرد؟
NanoDrop در اصل نام تجاری یک سری از اسپکتروفتومترهای UV-Vis است که توسط کمپانی Thermo Fisher Scientific ارائه شده اند، اما این نام به قدری با فناوری اندازه گیری میکروولوم عجین شده که اغلب به عنوان اصطلاحی عمومی برای این دسته از دستگاه ها به کار می رود.
ویژگی منحصربه فرد و انقلابی این دستگاه ها، قابلیت آنالیز نمونه های مایع با حجم بسیار اندک (۰.۵ تا ۲ میکرولیتر) بدون نیاز به کووت (Cuvette) یا هرگونه رقیق سازی اولیه در بسیاری از موارد است. این قابلیت، به ویژه هنگام کار با نمونه های با ارزش که به سختی به دست آمده اند، یک مزیت فوق العاده محسوب می شود.
رمزگشایی از اصول عملکردی فناوری نانودراپ
اساس کار دستگاه های نانودراپ بر پایه اسپکتروفتومتری UV-Vis و قانون بیر-لامبرت استوار است. این قانون بیان می کند که میزان جذب نور توسط یک ماده در یک طول موج خاص، با غلظت آن ماده و طول مسیری که نور از نمونه عبور می کند، رابطه مستقیم دارد.
نوآوری اصلی در دستگاه های نانودراپ، سیستم منحصربه فرد نگهداری نمونه و ایجاد مسیر نوری کوتاه و دقیق است:
۱ـ سیستم پدستال (Pedestal System)
کاربر حجم کوچکی از نمونه (مثلا ۱ میکرولیتر) را مستقیما روی سطح یک پدستال فیبرنوری پایینی قرار می دهد. سپس، یک پدستال بالایی به سمت پایین حرکت کرده و با نمونه تماس پیدا می کند. کشش سطحی مایع باعث ایجاد یک ستون کوچک از نمونه بین دو پدستال می شود.
۲- ایجاد مسیر نوری دقیق
این ستون مایع، نقش کووت را ایفا می کند. نور از یک فیبر نوری در پدستال پایینی عبور کرده، از میان ستون نمونه می گذرد و توسط فیبرنوری دیگری در پدستال بالایی جمع آوری می شود. فاصله بین دو پدستال (طول مسیر نوری یا Pathlength) به دقت کنترل شده و می تواند بسیار کوتاه باشد (مثلا ۱ میلی متر یا حتی کوتاه تر مانند ۰.۰۵ میلی متر)
این مسیرهای نوری کوتاه، امکان اندازه گیری نمونه های با غلظت بالا را بدون نیاز به رقیق سازی فراهم می کنند. بسیاری از دستگاه ها به طور خودکار طول مسیر را برای دستیابی به بهترین نتیجه تنظیم می کنند. (Auto-Ranging Pathlength)
۳- طیف سنجی کامل
نور عبوری از نمونه وارد یک طیف سنج (شامل یک توری پراش و یک آشکارساز آرایه ای مانند CCD) می شود که شدت نور را در طیف وسیعی از طول موج های UV و مرئی اندازه گیری می کند. این امر امکان به دست آوردن طیف کامل جذب نمونه را فراهم می آورد.
پس از هر اندازه گیری، پدستال بالایی کنار رفته و کاربر به سادگی با یک دستمال آزمایشگاهی بدون پرز، سطوح هر دو پدستال را تمیز می کند تا برای نمونه بعدی آماده شود.
اجزای کلیدی یک دستگاه اسپکتروفتومتر میکروولوم (نوع نانودراپ)
یک لامپ فلاش زنون (Xenon Flash Lamp) که طیف وسیعی از نور UV و مرئی (مثلا از ۱۹۰ تا ۸۵۰ نانومتر) را با پایداری و طول عمر بالا فراهم می کند.
-
سیستم نگهداری نمونه (Sample Retention System)
شامل دو پدستال فیبرنوری (پایینی ثابت و بالایی متحرک) که ستون مایع نمونه بین آن ها تشکیل می شود.
-
اسپکترومتر (Spectrometer)
برای تجزیه طیف نور عبوری از نمونه و اندازه گیری شدت جذب در طول موج های مختلف. که شامل یک توری پراش (Diffraction Grating) برای تفکیک طول موج ها و یک آشکارساز آرایه ای (مانند CCD یا CMOS) برای ثبت شدت نور است.
-
ریز پردازنده و نرم افزار (Microprocessor and Software)
برای کنترل عملکرد دستگاه، جمع آوری داده ها، انجام محاسبات (مانند غلظت و نسبت های خلوص) و نمایش نتایج. نرم افزار اغلب دارای ماژول های از پیش تعریف شده برای آنالیز DNA ،RNA، پروتئین و سایر کاربردها است.
برخی مدل های پیشرفته تر، علاوه بر قابلیت اندازه گیری میکروولوم، دارای محفظه ای برای استفاده از کووت های استاندارد نیز هستند که امکان اندازه گیری نمونه هایی با غلظت بسیار پایین یا انجام آزمایش های سینتیکی را فراهم می کند.
کاربردهای حیاتی دستگاه نانودراپ در آزمایشگاه های مولکولی
فناوری نانودراپ به ابزاری ضروری در بسیاری از آزمایشگاه ها، به ویژه در زمینه های زیر تبدیل شده است:
-
تعیین غلظت و خلوص اسیدهای نوکلئیک
- اندازه گیری غلظت dsDNA ،ssDNA ،RNA، و اولیگونوکلئوتیدها با استفاده از جذب نور در ۲۶۰ نانومتر (A260)
- ارزیابی خلوص اسیدهای نوکلئیک با محاسبه نسبت های A260/A280 (برای تشخیص آلودگی پروتئینی) و A260/A230 (برای تشخیص آلودگی با ترکیباتی مانند نمک های گوانیدین، فنول یا کربوهیدرات ها)
-
تعیین غلظت پروتئین ها
- اندازه گیری مستقیم غلظت پروتئین های خالص با استفاده از جذب نور در ۲۸۰ نانومتر (A280) که ناشی از اسیدهای آمینه آروماتیک (تریپتوفان، تیروزین و فنیلآلانین) است.
- آنالیز پروتئین با استفاده از روش های رنگ سنجی متداول مانند Bradford ،BCA ،Lowry یا Pierce 660nm که برای میکروپلیت ها یا کووت ها بهینه شده اند. (در صورت پشتیبانی دستگاه از کووت یا حالت میکروپلیت)
-
آنالیز نمونه های Microarray
اندازه گیری میزان تلفیق رنگ های فلورسنت (مانند Cy3، Cy5) در نمونه های DNA یا RNA برای کنترل کیفیت پیش از هیبریداسیون روی میکروآرایه
-
اندازه گیری چگالی نوری کشت سلولی (OD600)
(با استفاده از حالت کووت در دستگاه های دارای این قابلیت) برای تخمین غلظت سلول های باکتریایی یا مخمری در سوسپانسیون
-
مطالعات عمومی اسپکتروفتومتری UV-Vis
به دست آوردن طیف جذب کامل نمونه ها برای شناسایی و خصوصیات یابی مواد
مزایای برجسته فناوری دستگاه نانودراپ
۱) مصرف حجم بسیار کم نمونه
مهم ترین مزیت! نیاز به تنها ۰.۵ تا ۲ میکرولیتر نمونه است که برای نمونه های گران بها ایده آل می باشد.
۲) عدم نیاز به کووت
حذف هزینه های مربوط به خرید کووت های یکبارمصرف یا زمان صرف شده برای شستشوی کووت های دائمی و کاهش احتمال خطای ناشی از کووت
۳) سرعت و سهولت استفاده
اندازه گیری هر نمونه تنها در چند ثانیه انجام شده و فرآیند تمیز کردن بین نمونه ها بسیار سریع است.
۴) دامنه دینامیکی وسیع
قابلیت اندازه گیری غلظت های بسیار پایین تا بسیار بالا بدون نیاز به رقیق سازی اولیه در بسیاری از موارد، به لطف مسیرهای نوری متغیر یا بسیار کوتاه
۵) ارائه طیف کامل جذب
امکان مشاهده طیف کامل جذب نمونه و تشخیص بهتر ناهنجاری ها یا آلودگی ها
۶) نرم افزار کاربرپسند
اغلب دارای رابط کاربری ساده و روش های از پیش برنامه ریزی شده برای آنالیزهای متداول
ملاحظات و بهترین شیوه ها در استفاده از نانودراپ
-
تمیز کردن دقیق پدستال ها
پس از هر بار اندازه گیری، سطوح هر دو پدستال باید با یک دستمال آزمایشگاهی تمیز و بدون پرز (مانند Kimwipe) به دقت پاک شوند تا از انتقال آلودگی (Carryover) بین نمونه ها جلوگیری شود.
کالیبراسیون با بافر یا حلال مشابه نمونه (بلانک) قبل از اندازه گیری نمونه ها ضروری است.
اطمینان حاصل کنید که نمونه قبل از برداشتن برای اندازه گیری، به خوبی همگن شده باشد.
-
محدودیت برای نمونه های بسیار رقیق
در غلظت های بسیار پایین، دقت اندازه گیری ممکن است کاهش یابد. در این موارد، استفاده از دستگاه هایی با قابلیت کووت و مسیر نوری بلندتر (۱ سانتی متر) ارجحیت دارد.
وجود حباب هوا در ستون نمونه می تواند منجربه نتایج نادرست شود.
به خاطر داشته باشید که هر مولکولی که در طول موج های موردنظر جذب داشته باشد (مانند RNA آزاد در نمونه DNA یا بالعکس، یا باقی مانده حلال های آلی) می تواند بر نتایج غلظت و نسبت های خلوص تاثیر بگذارد.
اسپکتروفتومترهای میکروولوم نوع نانودراپ، با تسهیل آنالیز سریع، دقیق و کم هزینه نمونه های بیولوژیکی با حجم اندک، به یکی از ابزارهای استاندارد و ضروری در آزمایشگاه های تحقیقاتی و تشخیصی مدرن تبدیل شده اند. قابلیت های منحصربه فرد این دستگاه ها، به پژوهشگران امکان می دهد تا با اطمینان بیشتری به مراحل حساس بعدی آزمایش های خود گام بردارند و از نمونه های ارزشمند خود به بهینه ترین شکل ممکن استفاده کنند.