پژوهش‌گرانی از ایالات متحده، قطعه‌ی ۱۲ دلاری را توسعه داده‌اند که قادر است جرم اشیاء میکروگرم را در درون سیالات اندازه‌ بگیرد. این حس‌گر با یک اسپیکر پیزوالکتریک به راه می‌افتد و تغییر در فرکانس تشدید را در یک لوله‌ی شیشه‌ای با گذر شی از آن اندازه می‌گیرد. این تیم از این قطعه برای اندازه‌گیری تغییر در نمونه‌های زیستی مختلف استفاده کرده و می‌گویند این حس‌گر کاربردهایی در گستره‌ی وسیعی از زمینه‌ها همچون زیست‌شناسی تکاملی، سم‌شناسی، علوم مواد و گیاه‌شناسی دارد.  

جرم، کمیت فیزیکی مهمی است که می‌تواند اطلاعات حائز اهمیتی در مورد طبیعت یک جسم فراهم کند. با این حال، اندازه‌گیری وزن نمونه‌های زیستی در حد میکروگرم همچون جنین‌های معلق در یک مایع می‌تواند بسیار دشوار باشد. درحالی‌که اندازه‌گیری وزن می‌تواند بینش‌های ارزشمندی را در مورد حالت زیستی و سلامت چنان نمونه‌هایی پیشنهاد دهد، نمی‌توان آن‌ها را به سادگی با تجهیزات آزمایشگاهی استاندارد ساخت.

وضوح نانوگرم

ویلیام گروور (William Grover) و همکارانش از دانشگاه کالیفرنیا در ریورساید، برای مقابله با این مشکل یک حس‌گر جرم ساده‌ای را از قطعات انباری الکترونیکی و یک لوله‌ی کوتاه شیشه‌ای که به شکل U درآمده را ایجاد کرده‌اند. لوله‌ی شیشه‌ای به یک اسپیکر کوچک چسبیده و انتهای U از یک برش‌دهنده‌ی عکس می گذرد؛ قطعه‌ای که از یک ال‌ای‌دی و یک حس‌گر نوری برای آشکاسازی حضور یا عدم حضور شی استفاده می‌کند. این ابزار که قیمتی در حدود ۱۲ دلار آمریکا دارد، می‌تواند جرم یک شی میکروگرمی را با وضوح چند هزار نانوگرم تعیین کند.

اسپیکر بکار رفته باعث می‌شود تا لوله‌ی شیشه‌ای در فرکانس تشدید خودش نوسان کند و این کار با استفاده از جریان بازخورد از یک فوتواینتراپتر انجام می‌شود که آهنگ ارتعاش را آشکارسازی می‌کند. وقتی جسم موردنظر در طول لوله پمپاژ می‌شود، فرکانس تشدید لوله را تغییر می‌دهد. این تغییر با فوتواینتراپتر آشکارسازی شده و می‌تواند برای محاسبه‌ی جرم، حجم و چگالی اشیاء بکار رود.

آن طور که گروور توضیح می‌دهد: «اگر چگالی جسم متفاوت از چگالی مایع باشد، وقتی از آن می‌گذرد، جرم حس‌گر را تغییر خواهد داد. اگر جسم چگال‌تر از سیال باشد باعث خواهد شد تا حس‌گر اندکی سنگین‌تر شده و سبب شود تا فرکانس حس‌گر پایین رود. اگر جسم کم‌چگال‌تر از مایع باشد باعث می‌شود تا حس‌گر اندکی سبک‌تر شده و فرکانس حس‌گر بالا رود. با اندازه‌گیری این تغییرات فرکانسی می‌توانیم جرم جسم را اندازه بگیریم».

جوانه‌زدن دانه‌ها

این حس‌گر با میکرودانه‌های با جرم مشخص کالیبرده شده است. این تیم سپس نشان داده‌اند که می‌توان تغییراتی که در جرم جنین گورخر ماهی، وقتی با سموم اندرکنش پیدا می‌کند، را اندازه گرفت؛ گورخرماهی مدل معروفی است برای مطالعات تکمیلی جنینی. از این قطعه همچنین در اندازه‌گیری آهنگ تنزل موادزیستی در ابعاد نانو که در گیاهان پزشکی و نیز تغییرات جرم و چگالی در دانه‌های درحال جوانه‌زدن مورد استفاده بوده، بهره برده شده است.

به گفته‌ی گروور: «این اساساً یک حس‌گر جرمی است بنابراین در سطح بسیار مقدماتی می‌توان از آن برای وزن کردن اشیاء کوچک در سیال استفاده کرد. اما با استفاده از روشی که ارشمیدس ۲۰۰۰ سال پیش توصیف کرده نیز می‌توانیم از آن برای اندازه‌گیری حجم و چگالی اجسام استفاده کنیم. بنابراین تصویر بسیار کاملی از ویژگی‌های فیزیکی یک نمونه فراهم می‌کند».

گروور انتظار دارد این حس‌گر کاربردهای بسیاری داشته باشد اما وی بطور ویژه به استفاده از آن برای «مطالعه‌ی توسعه‌ی ارگانیسم‌ها، اندازه‌گیری مواد قابل تجزیه‌ی زیستی و نظارت بر محیط» استفاده شود. این قطعه‌ی جدید در PLOS ONE توصیف شده است. 

درباره‌ی نویسنده:

مایکل آلن (Michael Allen) نویسنده‌ای علمی در بریستول انگلستان است.      

منبع:

How to weigh tiny objects using sound