מאת: Lee Mather
ספקטרומטרים – מדי ספקטרום – הם מכשירים שמודדים את עוצמת האור או את הקיטוב שלו על פני מקטע מסוים של הספקטרום האלקטרו-מגנטי, על מנת לנתח ולזהות תרכובת כימית – וטווח המידות שלהם משתרע בין מכשיר שולחני למכשיר נישא ביד. ליצירת ספקטרוסקופיה יש יישומים מגוונים במדעי החיים, בהם אפשר למנות אבחון מחלות סרטניות, איתור פתוגן (גורם מחלות) כדי להבטיח את בטיחות המזון, זיהוי תרופות והתקני-נקודות-טיפול המיועדים לאזורים מרוחקים בעולם, שבהם אין גישה לטיפול רפואי.
“עיקר התועלת שיש במיקרוסקופים ובמערכות דימות, בא לידי ביטוי בכך שהם מאפשרים לחוקרים לראות את המבנים הפיסיים שנמצאים במערכות ביולוגיות. עיקר התועלת שמעניקים לנו מדי הספקטרום הוא בעובדה שהם מספקים לנו מידע כימי”, מסביר דר’ בריאן סמית’ [Brian Smith] מומחה ביישומי ספקטרוסקופיה בחברת Princeton Instruments (אקטון, מסאצ’וסאסט).
איור 1. מדי ספקטרום בטכניקת Raman, כדוגמת הספקטרומטר NanoRam הנישא ביד, אינם זקוקים להכנה רבה לקראת איסוף דגימה, אם בכלל, ביישומים כמו גילוי תרופות או חומרים נוגדי חמצון בעור.
“שניים אלו (הדימות הביו-רפואית ויצירת הספקטרוסקופיה) יחד, מהווים כלי יקר ערך מאין כמוהו באפיון דגימות ביולוגיות”, הוא מוסיף, בשעה שישי ניר [Ishai Nir] מנהל חטיבת הפלואורסצנציה בחברת Horiba Scientific (אדיסון ניו-ג’רסי), מעיר שזוג המכשירים הזה “יכול למדוד דגימות בקנה מידה של תת מיקרונים” והם “מהירים דיים כדי למדוד תהליכים שמתרחשים בסקאלת זמן שנמצאת בין פמטו-שנייה לבין ימים”.
כתוצאה מכך, יצרני ספקטרומטרים רבים רואים עלייה בשוק הלקוחות מתחום מדעי החיים, במיוחד במהלך חמש השנים האחרונות. שוחחתי עם שמונה יצרנים שונים של מדי ספקטרום, כולם רואים במדעי החיים שוק מתפתח עבור העסקים שלהם. לדוגמה, ניר מסביר שעבור עסקי הספקטרוסקופיה בטכנולוגיית Ramam של Horiba Scientific, יישומים של מדעי החיים – בעיקר אלו שמחוץ לתעשיית התרופות – “נמצאים בעלייה, שכן יותר ויותר אנשים בתחומים אלו גילו את הטכניקה הזו. רוב היצרנים האלו לא היו מוכנים לשתף אותי באחוזים המבטאים את מספר הלקוחות שלהם המעורבים במדעי החיים, אבל שני יצרנים היו מוכנים לומר שבין 25% – 30% מהעסקים שלהם מוקדשים ללקוחות אלו – ונתח זה ממשיך וגדל.
איור 2. מד הספקטרום AvaSpec-2048 של Avantes מאפשר לקחת מערך נייד היישר אל מושבות של של פריאונים דקי מקור ולקבוע את רמת הבגרות שלהם על פי צבע הנוצות שלהם והופעת העיטור שבה.
היתרונות עבור
מדעי החיים
“כל היישומים (של מדעי החיים) עבור מדי ספקטרום מתרכזים כולם סביב נושא אחד מרכזי: דיוק רב יותר ואבחונים פולשניים פחות”, מציין רוברט צ’ימנטי (Robert Chimenti) – מנהל שיווק בחברת B&W Tek בניו-יורק, דלוואר – אשר מוסיף שמדי ספקטרום נמצאו מתאימים במיוחד עבור יישומים אלו מפני שהם יכולים להציע מהירות גבוהה, תוצאות בעלות בהירות גבוהה, ואפשר להשתמש בהם בטכניקות איסוף דגימות ללא מגע ואשר אינן הרסניות. לדוגמה, אפשר להבחין בתהליכים של מחלות על ידי השוואה של הספקטרה של רקמה חולה לזו של רקמה בריאה, מסביר סמית.
צ’ימנטי מוסיף ש”אפשר להשתמש ביצירת ספטרוסקופיה לפי טכנולוגיית ראמאן בספטרוסקופיית ראמן המבוססת על מדידת היסט אורך הגל בזמן שקרן לייזר בהספק נמוך מתפזרת מפני הדגימה”, לצורך אבחון וכימות של דגימה, ודרך זו יעילה יותר בהשוואה לשיטות אחרות, מפני שלצורך איסוף הדגימה בדרך זו יש צורך בהכנות מועטות בלבד, אם בכלל. אי לכך, מדי ספקטרום בטכנולוגיית Raman מאפשרים את קיומם של יישומים, כגון מדידת נוגדי חמצון בעור וזיהוי חומרי גלם של רכיבים פרמצויטיים פעילים (API) בזיהוי תרופות, הוא אומר. למטרה זו, מד הספקטרום בטכנולוגיית Raman הנישא ביד -NanoRam – של החברה (ראה איור 1) יכול לזהות רכיבים פרמצויטים פעילים בגילוי תרופה ברזולוציה ספקטראלית (ההפרש המינימלי באורכי הגל בין שני קווים בספקטרום, אשר בו אפשר להבחין מתחת ל- 10 ס”מ1 – וההיסט בטכנולוגיית Raman (השינוי באורך גל של אור מתפזר) מכסה טווח המגיע עד ל-3200 ס”מ1 -.
בגילוי תרופות, אפשר לנתח את החלבון לפי מבנהו על ידי שימוש בספקטרוסקופית דיכרואיות מעגלית (circular dichroism spectroscopy), אשר מתייחסת לספיגה הפרשית של אור מקוטב באופן מעגלי לשמאל ולימין, וכך היא מוודאת שהאיזומר הנכון נבחר למשימה מסוימת, הסביר פאול בלקבורו [Paul Blackborow] מנכ”ל חברת Energetig (וובורן, מסאצ’וסאסט).
“על אף שמדי הספקטרום בכל הגדלים שימושיים בשוק מדעי החיים, אלו הזעירים הופכים להיות באופן מיוחד יותר ויותר נפוצים, בשל העובדה שהם ניידים ומתאימים לשימוש בשטח”, אומר ג’ייסון פירס [Jason Pierce], מנהל הפיתוח העסקית בחברת StellarNet (טמפה, פלורידה), “ועובדה זו מאפשרת לאנשי המחקר לקחת את המכשיר עמם אל הדגימה, ולא להפך”, אומר ניר. “מדי ספקטרום זעירים, שמונעים על ידי מקורות אור שעברו מזעור, הרכיבים האופטיים והסיבים האופטיים שאמורים לשמש כמובילי אור, מאפשרים את קיומם של יישומים שיכולנו רק לחלום עליהם”,
הכריז אריק ברגלס [Eric Bergles] סגן נשיא בתחום מכירות ושיווק בחברת BaySpec (פרמונט, קליפורניה), אשר מסכים שמדי ספקטרום זעירים יאפשרו לפתרונות של התקני-נקודת-טיפול לעמוד במאבק בהוצאות גבוהות של טיפול רפואי, על ידי גילוי מוקדם יותר של הבעיות. גרג ניס [Greg Nneece], המשמש כנשיא בחברת Avantes (איירביק, הולנד), מוסיף שהיכולת להפעיל את מדי הספקטרום האלו בשטח באמצעות חשמל מסוללה חיצונית או באמצעות מחשבים ניידים או מחשבי רשת, נחשב ליתרון. קן קאופמן [Ken Kaufmann] סגן נשיא בתחום שיווק בחברת Hamamatsu (ברידג’ווטר, ניו ג’רסי), מעיר ש”מדי ספקטרום זעירים משמשים במכשירי כרומטוגרפיה נוזלית לביצועים גבוהים (HPLC), אשר מציגים שיטה נוספת של ניתוח דגימות.
הישגים חדשים
אנו נמצאים רק בקצה הקרחון, במובנים של גילוי יישומים חדשים מצילי חיים, תוך כדי שימוש במכשירי ספקטרוסקופיה המשמשים ‘מחוץ למעבדה’, מציין ברגלס. ניס מדבר על אודות מחקר תעופתי שנערך לאחרונה באיי פוקלנד, ואשר השתמש במד הספקטרום AvaSpec-2048 של Avantes: מד הספקטרום, שבו מותקן מערך CCD (charge coupled device -התקן צמוד מטען) בעל 2048 פיקסלים, איפשר לקחת התקן נייד היישר אל מושבות של עופות ימיים, ולהפעילו באמצעות מחשב נייד וסוללה קטנה של 12 וולט בלבד. המחקר ביקש להגדיר את רמת הבגרות של פריאונים דקי מקור על פי צבע הנוצה שלהם והופעת העיטור שבה. בשל יכולתם לראות קרניים אולטרה סגולות (UV) ולהפיק אותות בטווח (צבע הפלומה, צורת המקור), צריך להשתמש במדי הספקטרום, כדי להעריך באופן אובייקטיבי את צבע העור וצבע הנוצה. דגימת הנתונים של מד הספקטרום שבה הם השתמשו, איפשרה ביצוע מהיר של קריאה ואחסון של נתונים (ראה איור 2).
בארה”ב, “יותר מ-3000 אנשים מתים מדי שנה בגלל הרעלת מזון”, מציין ברגלס. בעניין זה, מדי הספקטרום מאפשרים לבצע אבחון בלתי הרסני של חומרי הדברה וחומרים כימיים מזיקים במערכת המזון. למשל, על מנת להבטיח שהחלב שאנו שותים בטוח לשתייה, עובדים מתחומי הבריאות יכולים לבצע מדידה של כמות המלמין בחלב, באמצעות שימוש בטכנולוגית Raman ב-1064 ננו-מטר, ובטכנולוגיית של חלקיקי-ננו של Bay-Spec. בחירה באורך גל ארוך יותר לעירור ב-1064 ננו-מטר מסייעת להתגבר על הפלואורסצנציה שמופיעה באורכי גל קצרים יותר, ברוב הדגימות הביולוגיות, תוך כדי ביצוע משימה זו בשבריר העלות הכרוכה בביצוע משימה כזו בעזרת מכשירי ספקטרוסקופיית מאסות המסורתיים. ועוד יותר מכך, תכנון החלקים המוקשחים שאינם נעים, מאפשר ליחידות לפעול מחוץ למעבדה המסורתית, בתחנות המרוחקות של פיקוח על מחלבות בנתיב ההפצה, הוא מסביר.
מדעי החיים בקנה מידה גדול
פירס מציין שמדי ספקטרום ימשיכו להתפתח בכיוון של “מזעור, ניידות והפחתת עלויות, כמובן”. וככל שפעולות המבצעים נעות ממחקר בתפוקה נמוכה אל בדיקות בקנה מידה גדול, ייושמו רבים מהלקחים שנלמדו בתעשיית המוליכים למחצה, בהם: יעילות, שווי עלות בעלים, יציבות ויכולת הדירות, מצהיר בלקבורו. הוא מוסיף שמכשירי ספקטרוסקופיה עבור יישומים כאלו בקנה מידה גדול, יצטרכו להיות אמינים יותר, יציבים יותר, בעלי יכולת פעולה ארוכה יותר, עלויות תחזוקה נמוכות יותר ותפוקה רבה יותר.
