ساخت قطعه برای تشخیص و هشدار پایان انواع ژل الکتروفورز، دستاورد برتر دوره دوم فرزانگان 3
حرکات ذرات در یک مایع تحت میدان الکتریکی، الکترو فورز نامیده می شود. الکتروفورز، یکی از تکنیک های آنالیتیکی قدرتمند در جداسازی و آنالیز دامنه ی وسیعی از آنالیت های یونیزه از جمله پروتئین ها، پپتید ها، آمینواسید ها و... محسوب می گردد..
نویسنده : نسرین صادقی
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
تاریخ : چهارشنبه 1397/05/10 ساعت 14:36
سیزدهمین دوره از پروژه های دانش آموزی تبیان نیز با یاری خداوند و حضور پر شور شما دوستان و علاقمندان به پایان رسید.
در این دوره از جشنواره از 20 استان کشور در سه بخش به تفکیک، 350 گروه در بخش غرفه های نمایشگاهی، 650 گروه در بخش سمینارهای علمی و 750 گروه در بخش مسابقات دانش آموزی از مدارس و پژوهش سراهای دانش آموزی سراسر کشور انتخاب شده اند و به جشنواره کشوری دعوت شده اند.
که تعداد 53 گروه در بخش سمینارهای علمی مقام برتر را کسب نمودند.
بر آن شدیم تا با معرفی پروژه های گروه های برتر علاوه بر قدردانی از این دوستان نوآور، زمینه ای را برای ایده پروری سایر پژوهشگران علاقمند فراهم آوریم.
مقطع: دوره دوم متوسطه
موضوع: طراحی و ساخت قطعه قابل حمل برای تشخیص و هشدار پایان انواع ژل الکتروفورز
نام مدرسه: فرزانگان 3
نام استاد: خانم حمیده حاتمی هنزا
دانش آموزان: زینب افتخاری، زهرا غفاری
بیان مساله:
حرکات ذرات در یک مایع تحت میدان الکتریکی، الکترو فورز نامیده می شود. الکتروفورز، یکی از تکنیک های آنالیتیکی قدرتمند در جداسازی و آنالیز دامنه ی وسیعی از آنالیت های یونیزه از جمله پروتئین ها، پپتید ها، آمینواسید ها و... محسوب می گردد. ترکیبات شیمیایی دارای بار الکتریکی به سمت قطب آند و یا کاتد (با توجه به نوع بار الکتریکی) حرکت می کنند. از آنجایی که ماکرو مولکول هایی مانند پروتئین ها و دی ان ای و آر ان ای باردار هستند، میتوان با روش الکتروفورز و ایجاد میدان الکتریکی آن ها را جدا کرد. در این جداسازی بار الکتریکی خالص، اندازه و شکل مولکول، شدت میدان الکتریکی، خواص محیط پایه و دمای محیط الکتروفورزی موثر است. الکتروفورزها انواع گوناگونی دارند که غالب آنها بر پایه صفحات متخلل ژل مانند می باشند نظیر انواع ژل آگارزها و ژل ها بر پایه پلی آکریل آمید که به صورت عمودی و افقی در تانک های مخصوص الکتروفورز جایگذاری می شوند. در ژل های مذکور چاهکهایی برای بارگذاری نمونه تعبیه گردیده است. نمونه حاوی رنگ، تحت تاثیر میدان الکتریکی در ژل شروع به حرکت می نماید. برای تشخیص اتمام زمان الکتروفورز، می بایست حرکت رنگ به سمت انتهای ژل رصد گردد تا وقتی رنگ به انتهای ژل رسید، جریان برق را قطع نمود. برای این منظور یا آزمایشگر در طول الکتروفورز می بایست در کنار دستگاه مانده تا رنگ به انتهای ژل برسد که زمان بر بوده و معمولاً انجام نمی گیرد و یا می بایست تا زمان رسیدن رنگ به انتهای ژل به سایر امور پرداخته اما به دفعات به محل آزمایش برگشته و رنگ را رصد نماید تا از ژل خارج نگردد که معمولاً این شیوه بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجایی که زمان اتمام به عواملی مانند ولتاژ منبع، نوع دستگاه، غلظت ژل و ...وابسته است می تواند در الکتروفورز های مختلف متغییر باشد. در صورت عدم حضور به موقع محقق برای قطع جریان برق، نمونه از ژل خارج شده و از دست می رود. در این میان نمونه هایی وجود دارد که طی پروتکل های پیچیده و گاهی بسیار هزینه بر به دست می آیند و تکرار آزمایش ها برای بدست اوردن نمونه های مشابه، زمان یا هزینه بسیاری را نیاز دارد. امروزه برای رفع این مشکل انواعی از دستگاه های الکتروفورز اتوماتیک در جهان ارائه شده است که تمام مراحل آزمایش را از ابتدا تا انتها به صورت خودکار انجام می دهد. با تمام مزایایی که این دستگاه ها دارند برای نوعی خاصی از ژل الکتروفورز طراحی شده اند و علاوه بر آن هزینه هنگفتی را بر آزمایشگاه تحمیل می نماید.به همین دلیل عمدتا مورد استفاده در آزمایشگاه های بالینی می باشند که فقط نوع خاصی از الکتروفورز برای تعداد بالایی از نمونه انجام می دهند، اما در آزمایشگاه های تحقیقاتی که عمدتا انواع الکتروفورز با تعداد نمونه های متغیر موردنیاز است از ست های دستی استفاده می شود. برای رفع مشکلات مذکور این گروه پژوهشی برآن شد که قطعه ایی کوچک، ارزان و قابل نصب بر روی انواع دستگاه های ژل الکتروفورز طراحی نماید که بتواند رسیدن رنگ به انتهای ژل را به آزمایشگر هشدار دهد و در صورت دلخواه قطع نماید.
در ساخت این سازه می توان از سنسور رنگ، لیزر یا سنسور مادون قرمز(IR) استفاده کرد و برای آن برد ویژه ایی طراحی نمود تا بتواند ما را به هدف مورد نظر نزدیک نماید. در مرحله اولیه، تحقیقات تئوری این گروه نشان داد که استفاده از سنسور مادون قرمز می تواند بهترین روش برای ساخت این سازه باشد.
اهمیت و ضرورت انجام طرح:
از آنجایی ژل الکتروفورز یک روشی رایج برای جدا سازی ماکرومولکول های بیولوژیکی مانند DNA، RNA، پروتئین و... در انواع آزمایشگاه های بالینی، تحقیقاتی، داروسازی و ....است رفع مشکلات مربوط به فرآیندهای مرتبط می تواند حائز اهمیت باشد. با توجه به ادعای شرکت های سازنده انواع دستگاه الکتروفورز عمودی و افقی و کتابچه های راهنمای آزمایشگاه، زمان دقیقی برای حرکت ماکرومولکول ها در طول ژل قابل پیش بینی نیست و این زمان در ژل های مختلف با ولتاژ و بافرهای متفاوت می تواند متغیر باشد (حدودا بین 20 دقیقه تا یک ساعت البته در ولتاژهای پایین تا چندین ساعت نیز می تواند زمان بر باشد). از این رو یکی از مشکلاتی که آزمایشگر را درگیر می سازد تعیین زمان دقیق اتمام الکتروفورز است. در نمونه های بارگذاری شده همیشه مقداری رنگ (در ژل های مختلف و نمونه های مختلف می تواند متفاوت باشد) وجود دارد تا با در نظر گرفتن حرکت رنگ به عنوان نشانه بتوان جای تقریبی نمونه را در ژل پیش بینی و جریان برق را به موقع قطع نمود. هر گونه سهل انگاری در قطع به موقع جریان برق می تواند باعث خروج نمونه از ژل و ناکام ماندن آزمایش گردد. در نتیجه آزمایشگر سعی می کند در طول حرکت رنگ یا کاملا کنار دستگاه بماند که زمان بر و کسل کننده است یا به دفعات به دستگاه رجوع و مقدار حرکت رنگ را رصد کند تا زمانی که رنگ به انتها ژل رسید جریان برق را قطع نمایند که معمولاً آزمایشگر روش دوم را انتخاب کرده و از این زمان برای انجام امور دیگر استفاده می کند. تحقیقات نشان داد که در برخی موارد مشغولیت آزمایشگر به انجام آزمایش های دیگر و استفاده بهینه از این زمان باعث آن شد که آزمایشگر یا نتواند به موقع در محل حاضر و جریان برق را قطع نمایید و یا نگرانی و اضطراب خروج نمونه از ژل را به همراه داشته باشد. در این بین شرکت های متفاوتی سعی به ساخت دستگاه های تمام اتومات نمودند که تهیه آنها هم هزینه های زیادی را در برخواهد داشت و هم هر ژل دستگاه اختصاصی خود را دارد. در نتیجه این دستگاه ها بیشتر می تواند مورد توجه آزمایشگاه های بالینی برای تعداد نمونه بالا که همیشه نوع خاصی از ژل را استفاده می کنند، قرار گیرد. اما مشکل آزمایشگر را برای خروج احتمالی نمونه از ژل را در انواع دستگاه های دستی الکتروفورز که در آزمایشگاه های تحقیقاتی رایج تر هستند را حل نمی کند. موارد مذکور و مصاحبه ها از محققین انستیتو پاستور ایران و مطالعه سایت هایی که مربوط به مشکل گشایی تکنیک های آزمایشگاهی بود نشان داد با توجه به پیشرفت علم و ساخت انواع دستگاه های خودکار هنوز ضرورت طراحی و ساخت سازه ایی ارزان، سبک و قابل حمل که بتواند حین آزمایش بر روی هر دستگاه های ژل الکتروفورزی نصب گردد و بدون فرایند پیچیده ایی اتمام الکتروفورز را هشدار و حتی در صورت نیاز جریان برق را قطع نماید، حس می گردد.
اهداف طرح:
هدف کلی:
طراحی و ساخت قطعه قابل حمل برای تشخیص و هشدار پایان انواع ژل الکتروفورز
اهداف ویژه( جزئی، اختصاصی):
آشنایی با برخی از انواع ژل الکتروفورز و کاربردهای آن
آشنایی با مبانی اولیه طراحی برد الکترونیک و انواع سنسورها
طراحی برد با حساسیت بالا به تغییر رنگ با استفاده از سنسور مادون قرمز
تعیین مقدار ولتاژ لازم برای برد هدف
تست کدهای مختلف بر روی میکروکنترلرAVR با برنامه ی کد ویژن برای هدف مورد نظر
تعیین مقدار مرجع سنسور آی آر با برآورد ماکسیموم طول موج رنگ های استفاده شده در الکتروفورز
اهداف کاربردی:
اطمینان لازم به آزمایشگر برای ترک الکتروفورز حین انجام آزمایش و جلوگیری از خروج احتمالی نمونه
ساخت سازه ایی ارزان و در دسترس که برای تمامی آزمایشگاه های دارای دستگاه الکتروفوز قابل خریداری باشد.
طراحی و ساخت سازه ایی سبک و قابل حمل بوده که در همه ی انواع دستگاه های مربوط به ژل الکتروفورز قابل استفاده باشد
طراحی سازه ایی که قابلیت تشخیص انواع رنگ های مورد استفاده در ژل الکتروفورز را داشته باشد.
طاحی و ساخت سازه ایی که پس از تشخیص اتمام کار، درصورت خواست آزمایشگر بتواند جریان برق را قطع کند و به محقق هم پایان آزمایش را هشدار دهد.
طراحی و ساخت سازه ایی که در صورت عدم تمایل آزمایشگر به قطع جریان برق، بتواند فقط به عنوان یک هشداردهنده پایان الکتروفورز را اعلام نماید.
سوالات پژوهش/ فرضیات:
پیش بینی می شود این سازه، به آزمایشگر اطمینان لازم برای ترک الکتروفورز را حین انجام آزمایش می دهد.
فرض می شود سازه نهایی، ارزان بوده و برای تمامی آزمایشگاه های دارای دستگاه الکتروفوز قابل خریداری می باشد.
انتظار می رود سازه طراحی شده سبک و قابل حمل بوده و در همه ی انواع دستگاه های مربوط به ژل الکتروفورز قابل استفاده باشد.
به نظر می رسد این سازه قابلیت تشخیص انواع رنگ های مورد استفاده در ژل الکتروفورز را داشته باشد.
انتظار می رود این سازه پس از تشخیص اتمام کار، درصورت خواست آزمایشگر بتواند جریان برق را قطع کند و به محقق هم پایان آزمایش را هشدار دهد.
پیش بینی می شود در صورت عدم تمایل آزمایشگر به قطع جریان برق این سیستم بتواند فقط به عنوان یک هشداردهنده پایان الکتروفورز را اعلام نماید.
برای مشاهده مجموعه فایل های ضمیمه اینجا کلیک کنید.
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه و تنظیم: نسرین صادقی
در این دوره از جشنواره از 20 استان کشور در سه بخش به تفکیک، 350 گروه در بخش غرفه های نمایشگاهی، 650 گروه در بخش سمینارهای علمی و 750 گروه در بخش مسابقات دانش آموزی از مدارس و پژوهش سراهای دانش آموزی سراسر کشور انتخاب شده اند و به جشنواره کشوری دعوت شده اند.
که تعداد 53 گروه در بخش سمینارهای علمی مقام برتر را کسب نمودند.
بر آن شدیم تا با معرفی پروژه های گروه های برتر علاوه بر قدردانی از این دوستان نوآور، زمینه ای را برای ایده پروری سایر پژوهشگران علاقمند فراهم آوریم.
مقطع: دوره دوم متوسطه
موضوع: طراحی و ساخت قطعه قابل حمل برای تشخیص و هشدار پایان انواع ژل الکتروفورز
نام مدرسه: فرزانگان 3
نام استاد: خانم حمیده حاتمی هنزا
دانش آموزان: زینب افتخاری، زهرا غفاری
بیان مساله:
حرکات ذرات در یک مایع تحت میدان الکتریکی، الکترو فورز نامیده می شود. الکتروفورز، یکی از تکنیک های آنالیتیکی قدرتمند در جداسازی و آنالیز دامنه ی وسیعی از آنالیت های یونیزه از جمله پروتئین ها، پپتید ها، آمینواسید ها و... محسوب می گردد. ترکیبات شیمیایی دارای بار الکتریکی به سمت قطب آند و یا کاتد (با توجه به نوع بار الکتریکی) حرکت می کنند. از آنجایی که ماکرو مولکول هایی مانند پروتئین ها و دی ان ای و آر ان ای باردار هستند، میتوان با روش الکتروفورز و ایجاد میدان الکتریکی آن ها را جدا کرد. در این جداسازی بار الکتریکی خالص، اندازه و شکل مولکول، شدت میدان الکتریکی، خواص محیط پایه و دمای محیط الکتروفورزی موثر است. الکتروفورزها انواع گوناگونی دارند که غالب آنها بر پایه صفحات متخلل ژل مانند می باشند نظیر انواع ژل آگارزها و ژل ها بر پایه پلی آکریل آمید که به صورت عمودی و افقی در تانک های مخصوص الکتروفورز جایگذاری می شوند. در ژل های مذکور چاهکهایی برای بارگذاری نمونه تعبیه گردیده است. نمونه حاوی رنگ، تحت تاثیر میدان الکتریکی در ژل شروع به حرکت می نماید. برای تشخیص اتمام زمان الکتروفورز، می بایست حرکت رنگ به سمت انتهای ژل رصد گردد تا وقتی رنگ به انتهای ژل رسید، جریان برق را قطع نمود. برای این منظور یا آزمایشگر در طول الکتروفورز می بایست در کنار دستگاه مانده تا رنگ به انتهای ژل برسد که زمان بر بوده و معمولاً انجام نمی گیرد و یا می بایست تا زمان رسیدن رنگ به انتهای ژل به سایر امور پرداخته اما به دفعات به محل آزمایش برگشته و رنگ را رصد نماید تا از ژل خارج نگردد که معمولاً این شیوه بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجایی که زمان اتمام به عواملی مانند ولتاژ منبع، نوع دستگاه، غلظت ژل و ...وابسته است می تواند در الکتروفورز های مختلف متغییر باشد. در صورت عدم حضور به موقع محقق برای قطع جریان برق، نمونه از ژل خارج شده و از دست می رود. در این میان نمونه هایی وجود دارد که طی پروتکل های پیچیده و گاهی بسیار هزینه بر به دست می آیند و تکرار آزمایش ها برای بدست اوردن نمونه های مشابه، زمان یا هزینه بسیاری را نیاز دارد. امروزه برای رفع این مشکل انواعی از دستگاه های الکتروفورز اتوماتیک در جهان ارائه شده است که تمام مراحل آزمایش را از ابتدا تا انتها به صورت خودکار انجام می دهد. با تمام مزایایی که این دستگاه ها دارند برای نوعی خاصی از ژل الکتروفورز طراحی شده اند و علاوه بر آن هزینه هنگفتی را بر آزمایشگاه تحمیل می نماید.به همین دلیل عمدتا مورد استفاده در آزمایشگاه های بالینی می باشند که فقط نوع خاصی از الکتروفورز برای تعداد بالایی از نمونه انجام می دهند، اما در آزمایشگاه های تحقیقاتی که عمدتا انواع الکتروفورز با تعداد نمونه های متغیر موردنیاز است از ست های دستی استفاده می شود. برای رفع مشکلات مذکور این گروه پژوهشی برآن شد که قطعه ایی کوچک، ارزان و قابل نصب بر روی انواع دستگاه های ژل الکتروفورز طراحی نماید که بتواند رسیدن رنگ به انتهای ژل را به آزمایشگر هشدار دهد و در صورت دلخواه قطع نماید.
در ساخت این سازه می توان از سنسور رنگ، لیزر یا سنسور مادون قرمز(IR) استفاده کرد و برای آن برد ویژه ایی طراحی نمود تا بتواند ما را به هدف مورد نظر نزدیک نماید. در مرحله اولیه، تحقیقات تئوری این گروه نشان داد که استفاده از سنسور مادون قرمز می تواند بهترین روش برای ساخت این سازه باشد.
اهمیت و ضرورت انجام طرح:
از آنجایی ژل الکتروفورز یک روشی رایج برای جدا سازی ماکرومولکول های بیولوژیکی مانند DNA، RNA، پروتئین و... در انواع آزمایشگاه های بالینی، تحقیقاتی، داروسازی و ....است رفع مشکلات مربوط به فرآیندهای مرتبط می تواند حائز اهمیت باشد. با توجه به ادعای شرکت های سازنده انواع دستگاه الکتروفورز عمودی و افقی و کتابچه های راهنمای آزمایشگاه، زمان دقیقی برای حرکت ماکرومولکول ها در طول ژل قابل پیش بینی نیست و این زمان در ژل های مختلف با ولتاژ و بافرهای متفاوت می تواند متغیر باشد (حدودا بین 20 دقیقه تا یک ساعت البته در ولتاژهای پایین تا چندین ساعت نیز می تواند زمان بر باشد). از این رو یکی از مشکلاتی که آزمایشگر را درگیر می سازد تعیین زمان دقیق اتمام الکتروفورز است. در نمونه های بارگذاری شده همیشه مقداری رنگ (در ژل های مختلف و نمونه های مختلف می تواند متفاوت باشد) وجود دارد تا با در نظر گرفتن حرکت رنگ به عنوان نشانه بتوان جای تقریبی نمونه را در ژل پیش بینی و جریان برق را به موقع قطع نمود. هر گونه سهل انگاری در قطع به موقع جریان برق می تواند باعث خروج نمونه از ژل و ناکام ماندن آزمایش گردد. در نتیجه آزمایشگر سعی می کند در طول حرکت رنگ یا کاملا کنار دستگاه بماند که زمان بر و کسل کننده است یا به دفعات به دستگاه رجوع و مقدار حرکت رنگ را رصد کند تا زمانی که رنگ به انتها ژل رسید جریان برق را قطع نمایند که معمولاً آزمایشگر روش دوم را انتخاب کرده و از این زمان برای انجام امور دیگر استفاده می کند. تحقیقات نشان داد که در برخی موارد مشغولیت آزمایشگر به انجام آزمایش های دیگر و استفاده بهینه از این زمان باعث آن شد که آزمایشگر یا نتواند به موقع در محل حاضر و جریان برق را قطع نمایید و یا نگرانی و اضطراب خروج نمونه از ژل را به همراه داشته باشد. در این بین شرکت های متفاوتی سعی به ساخت دستگاه های تمام اتومات نمودند که تهیه آنها هم هزینه های زیادی را در برخواهد داشت و هم هر ژل دستگاه اختصاصی خود را دارد. در نتیجه این دستگاه ها بیشتر می تواند مورد توجه آزمایشگاه های بالینی برای تعداد نمونه بالا که همیشه نوع خاصی از ژل را استفاده می کنند، قرار گیرد. اما مشکل آزمایشگر را برای خروج احتمالی نمونه از ژل را در انواع دستگاه های دستی الکتروفورز که در آزمایشگاه های تحقیقاتی رایج تر هستند را حل نمی کند. موارد مذکور و مصاحبه ها از محققین انستیتو پاستور ایران و مطالعه سایت هایی که مربوط به مشکل گشایی تکنیک های آزمایشگاهی بود نشان داد با توجه به پیشرفت علم و ساخت انواع دستگاه های خودکار هنوز ضرورت طراحی و ساخت سازه ایی ارزان، سبک و قابل حمل که بتواند حین آزمایش بر روی هر دستگاه های ژل الکتروفورزی نصب گردد و بدون فرایند پیچیده ایی اتمام الکتروفورز را هشدار و حتی در صورت نیاز جریان برق را قطع نماید، حس می گردد.
اهداف طرح:
هدف کلی:
طراحی و ساخت قطعه قابل حمل برای تشخیص و هشدار پایان انواع ژل الکتروفورز
اهداف ویژه( جزئی، اختصاصی):
آشنایی با برخی از انواع ژل الکتروفورز و کاربردهای آن
آشنایی با مبانی اولیه طراحی برد الکترونیک و انواع سنسورها
طراحی برد با حساسیت بالا به تغییر رنگ با استفاده از سنسور مادون قرمز
تعیین مقدار ولتاژ لازم برای برد هدف
تست کدهای مختلف بر روی میکروکنترلرAVR با برنامه ی کد ویژن برای هدف مورد نظر
تعیین مقدار مرجع سنسور آی آر با برآورد ماکسیموم طول موج رنگ های استفاده شده در الکتروفورز
اهداف کاربردی:
اطمینان لازم به آزمایشگر برای ترک الکتروفورز حین انجام آزمایش و جلوگیری از خروج احتمالی نمونه
ساخت سازه ایی ارزان و در دسترس که برای تمامی آزمایشگاه های دارای دستگاه الکتروفوز قابل خریداری باشد.
طراحی و ساخت سازه ایی سبک و قابل حمل بوده که در همه ی انواع دستگاه های مربوط به ژل الکتروفورز قابل استفاده باشد
طراحی سازه ایی که قابلیت تشخیص انواع رنگ های مورد استفاده در ژل الکتروفورز را داشته باشد.
طاحی و ساخت سازه ایی که پس از تشخیص اتمام کار، درصورت خواست آزمایشگر بتواند جریان برق را قطع کند و به محقق هم پایان آزمایش را هشدار دهد.
طراحی و ساخت سازه ایی که در صورت عدم تمایل آزمایشگر به قطع جریان برق، بتواند فقط به عنوان یک هشداردهنده پایان الکتروفورز را اعلام نماید.
سوالات پژوهش/ فرضیات:
پیش بینی می شود این سازه، به آزمایشگر اطمینان لازم برای ترک الکتروفورز را حین انجام آزمایش می دهد.
فرض می شود سازه نهایی، ارزان بوده و برای تمامی آزمایشگاه های دارای دستگاه الکتروفوز قابل خریداری می باشد.
انتظار می رود سازه طراحی شده سبک و قابل حمل بوده و در همه ی انواع دستگاه های مربوط به ژل الکتروفورز قابل استفاده باشد.
به نظر می رسد این سازه قابلیت تشخیص انواع رنگ های مورد استفاده در ژل الکتروفورز را داشته باشد.
انتظار می رود این سازه پس از تشخیص اتمام کار، درصورت خواست آزمایشگر بتواند جریان برق را قطع کند و به محقق هم پایان آزمایش را هشدار دهد.
پیش بینی می شود در صورت عدم تمایل آزمایشگر به قطع جریان برق این سیستم بتواند فقط به عنوان یک هشداردهنده پایان الکتروفورز را اعلام نماید.
برای مشاهده مجموعه فایل های ضمیمه اینجا کلیک کنید.
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه و تنظیم: نسرین صادقی
