Jak mierzyć czas, gdy zegarka brak

Stoper/ Hgrobe (CC BY 3.0) ©2009

Pytanie wydaje się być proste: jak mierzyć czas, gdy brak nam czasomierza? Metod zapewne jest wiele, w końcu ludzkość jakoś dotrwała do praktycznie XIV wieku bez posługiwania się zegarami mechanicznymi. Czas w kategoriach naukowych zdefiniowano zaś dopiero w 1960 roku!

Nie zmienia to jednak faktu, że dokładny pomiar krótkich interwałów ciągle może być wyzwaniem w niektórych zakątkach Ziemi, gdzie niełatwo jest napatoczyć się na stoper… Dlaczego jednam miałoby to mieć jakiekolwiek znaczenie? Otóż pamiętacie może wykład George’a Whitesidesa, który kiedyś opublikowałem na blogu – mówił on wiele o nowych metodach diagnostycznych, które mogłyby mieć zastosowanie w krajach trzeciego świata, ponieważ opierają się na tanich materiałach, zaś diagnoza dokonywana jest zdalnie (poprzez zdjęcia wyników testów diagnostycznych wysyłanych do centrum diagnostycznego).

Pojawia się tutaj jednak pewien problem, na który zwrócili uwagę Hyeran Noh i Scott Phillips z uniwersytetu stanowego w Pensylwanii – wynik wielu testów diagnostycznych zależy od precyzyjnego odczytu wyniku w określonym momencie. Takie testy opierają się na reakcjach biochemicznych, a wynik jest zazwyczaj odczytywany jako zmiana koloru – zmiana taka zazwyczaj jednak ma charakter ciągły i dokładny odczyt koloru (np. przez porównanie w prosta tabelką) bardzo zależy od czasu w jakim jest dokonany. Aby zatem ujednolicić odczyty i móc je porównywać do standardów, trzeba odczyt zawsze wykonywać po upływie takiej samej ilości czasu, zazwyczaj kilku minut (a często ma też znaczenie, czy jest to 2, czy 3, czy 5 minut!). O ile więc bez zegarka można śmiało zgadywać, jaki mamy dzień tygodnia, o tyle odczyt wyników testów diagnostycznych bez stopera może być mocno wątpliwy. A ani tanie materiały, ani zdalne centra diagnostyczne nie pomogą najuboższym, jeśli diagnoza będzie błędna.

Ale i na to jest sposób, co pokazał Whitesides z Phillipsem już dwa lata temu w pracy opublikowanej w PNAS, a kilka tygodni temu z poprawionym konceptem w prestiżowym analitycznym tygodniku Analytical Chemistry powrócił Phillips wraz z Noh.

Obrazek poniżej ilustruje działanie papierowego chipu badanego przez naukowców. Wykorzystali oni prosty komercyjny test opracowany i produkowany przez firmé Chematics – tzw. Chemcard do pomiaru podwyższonych poziomów glukozy. Badania wykonuje się następująco: kroplę krwi nanosi się na chip, a po upływie trzech minut porównuje się kolor odczytu z tabelką wskazującą jakiej wartości liczbowej odpowiada dany kolor. W normalnych warunkach do odliczania trzech minut zastosowanoby stoper. Co jednak, gdy nieosiągalne jest tak zaawansowane urządzenie (i jak sarkastycznie to nie brzmi, w niektórych krajach stopery nie są urządzeniami stosowanymi na porządku dziennym)? Na chipie dodany jest element pomiarowy – po 3 minutach (trzech i pół w tym przykładzie) jeden z punktów odczytu zabawia się na czerwono informując, że tak, teraz jest dobry moment na odczyt poziomu glukozy…

Próbkę nanosi się do studzienki po jednej stronie papierowego chipu. Po drugiej znajdują się punkty odczytu - na czerwono zabarwia się punkt informujący o upływie danego czasu, kolejny służy do odczytu właściwego wyniku testu./ Za zgodą ACS: Anal. Chem. 82 (19): 8071 ©2010

Jak jednak doszli do tego, że zabarwienie wskaźnika czasu następuje po trzech i pół minucie? A jest to rozwiązanie genialne w swej prostocie. Poniżej możecie zobaczyć schematyczny przekrój przez taki papierowy chip. Próbka po naniesieniu na chip rozchodzi się w poprzek skrzyżowanych kanalików. Trzy odnogi prowadzą do miejsc odczytu pomiaru glukozy (dzięki temu na jednym chipie odbywają się jednocześnie trzy równoległe analizy tej samej próbki), czwarta zaś – do miejsca odczytu czasu. Na końcu horyzontalnych kanalików znajdują się wertykalne studzienki idące w poprzek warstw chipu. W studzience, która odpowiada za pomiar czasu, znajduje się zaimplementowana warstwa wosku parafinowego, która spowalnia przemieszczanie się cieczy/próbki w dół studzienki. To, jak bardzo spowolniona jest wędrówka cieczy, zależy od ilość parafiny w chipie.

A. Schematyczny przekrój przez chip B.Kolejna ilustracja działania stopera C. Przekrój poprzeczny, pokazujący jak wygląda chip w środku po naniesieniu próbki D. Zbliżenie przekroju na odcinek z barwnikiem - przemieszczanie barwnika w stronę spodu chipu w zależności od czasu./ Za zgodą ACS: Anal. Chem. 82 (19): 8071 ©2010

Badacze pokazali, że tak skonstruowany stoper mogą produkować w sposób powtarzalny, a także kalibrować go odpowiednio w zależności od tego, jaki czas jest wymagany dla danego testu. Taki rodzaj pomiaru czasu zależy w dużej mierze od warunków zewnętrznych, zwłaszcza wilgotności, ponieważ prędkość z jaką próbka przemieszcza się w chipie papierowym zależy od zwilżania, a to z kolei zależy od wilgotności właśnie. Autorzy pokazali jednak, że w tym względzie chip jest samoregulujący, zwłaszcza że zwilżanie zmienia sie oczywiście tak samo dla kanalików prowadzących do testu diagnostycznego, jak dla kanaliku z timerem. We wnioskach pracy podkreślili zaś, że tego typu stopery mogą być wykorzystywane nie tylko w chipach papierowych, ale i urządzeniach wykonanych z innych materiałów. Tym oto sposobem uczyniono więc kolejny krok do jeszcze prostszych i tańszych urządzeń diagnostycznych.

Noh, H., & Phillips, S. (2010). Fluidic Timers for Time-Dependent, Point-of-Care Assays on Paper Analytical Chemistry, 82 (19), 8071-8078 DOI: 10.1021/ac1005537

Martinez, A., Phillips, S., & Whitesides, G. (2008). From the Cover: Three-dimensional microfluidic devices fabricated in layered paper and tape Proceedings of the National Academy of Sciences, 105 (50), 19606-19611 DOI: 10.1073/pnas.0810903105