เปเปอร์ฟิวว์ (paperfuge) เครื่องหมุนเหวี่ยงราคาถูกที่ทำจากกระดาษ

08-11-2021 อ่าน 3,142
 
 
เครดิต https://www.engadget.com/2017-01-11-stanford-paperfuge.html


          เครื่องหมุนเหวี่ยง (centrifuge) คือเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้แยกส่วนประกอบของสารในของเหลวที่เราต้องการศึกษา โดยใช้ความรู้ทางฟิสิกส์เรื่องแรงหนีศูนย์กลาง (ภาษาอังกฤษคือ centrifugal force หมายถึงแรงที่กระทำต่อเทหวัตถุในขณะที่เทหวัตถุนั้นเคลื่อนที่เป็นทางวงกลม แรงนี้มีแนวทิศออกจากจุดศูนย์กลางของทางวงกลมนั้นและมีขนาดเท่ากับแรงสู่ศูนย์กลางหรือภาษาอังกฤษคือ centripetal force) ทำการหมุนเหวี่ยงของเหลวแยกสารต่างๆออกจากกัน โดยขนาด (magnitude) ของแรงหนีศูนย์กลางสามารถเขียนได้เป็นความสัมพันธ์

 
                                                        \(F=mω^2 r\)                                      (1)
โดยที่ F,m,ω,r คือขนาดของแรงหนีศูนย์กลาง มวล ความเร็วเชิงมุม และรัศมีการหมุนจากจุดกำเนิด


          M. Saad Bhamla และคณะได้ตีพิมพ์บทความวิจัยเรื่อง “Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge” ลงในวารสาร Nature Biomedical Engineering เมื่อวันที่ 10 มกราคม ค.ศ. 2017 เป็นการสร้างเครื่องหมุนเหวี่ยงราคาถูกที่ทำจากกระดาษโดยคณะวิจัยเรียกอุปกรณ์นี้ว่าเปเปอร์ฟิวว์ (paperfuge) เนื่องจากเครื่องหมุนเหวี่ยงที่ใช้กันในห้องปฏิบัติการมีราคาค่อนข้างแพง มีขนาดใหญ่ และต้องใช้กำลังไฟฟ้า ในขณะที่เปเปอร์ฟิวว์ไม่ต้องการกำลังไฟฟ้า แต่ใช้กำลังคนในการหมุนได้ มีราคาถูกมากต้นทุนอยู่ที่ประมาณ 6 บาท มีน้ำหนักเบามากที่ 2 g สามารถทำอัตราเร็วได้สูงถึง 125 000 รอบต่อนาที ซึ่งเทียบเท่ากับแรงหนีศูนย์กลาง 30 000 g โดยในบทความได้ทำการทดลองพบว่าเปเปอร์ฟิวว์สามารถแยกพลาสมา (ส่วนที่เป็นของเหลวในเลือดมีโปรตีนหลายชนิดเป็นส่วนประกอบที่สำคัญ พลาสมาของคนค่อนข้างใส มีสีเหลืองอ่อน) ออกจากเลือดโดยใช้เวลาน้อยกว่า 1.5 นาที สามารถแยก malaria parasite ใน 15 นาที และข้อดีอีกอย่างของเปเปอร์ฟิวว์คือมันสามารถสร้างได้ง่ายจากพลาสติก พอลิไดเมทิลซิโลเซน (polydimethylsiloxane) และวัสดุโพลีเมอร์ที่พิมพ์จากเครื่องพิมพ์สามมิติ (3D printing)

 
(a) หลอดเล็กพลาสติกบรรจุเลือดขนาด 20 ไมโครลิตร (b) หลอดเล็กถูกนำไปใส่ในที่ยึดหลอดเล็กให้ติดกับเปเปอร์ฟิวว์ (c) กราฟแสดงการแยกกันของพลาสมาและเซลล์เม็ดเลือดแดงเทียบกับเวลา (นาที) (d) กราฟแสดงปริมาตรพลาสมาที่แยกออกมา (ไมโครลิตร) เทียบกับเวลา (e) คุณภาพของพลาสมาถ่ายภาพโดยใช้กล้องจุลทรรศน์
เครดิต Bhamla, M. S., Benson, B., Chai, C., Katsikis, G., Johri, A., & Prakash, M. (2017). Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge. Nature Biomedical Engineering, 1(1), 1-7.


          หลักการทำงานของเปเปอร์ฟิวว์เลียนแบบเครื่องเล่นที่ชื่อว่า whirligig ซึ่งมีประวัติศาสตร์ของเครื่องเล่นนี้มากกว่าห้าพันปี โดยสมัยเด็กๆผู้เขียนจำได้ว่าเคยเล่นเครื่องเล่นนี้เหมือนกันโดยอุปกรณ์ที่ใช้หมุนเป็นฝาขวดน้ำอัดลมที่ถูกตีให้แบบราบ แล้วนำมาเจาะรูสวมเชือกที่จุดศูนย์กลางของฝาขวดน้ำอัดลมและนำเชือกมาร้อยที่นิ้วมือทั้งสองข้าง เลื่อนมือเข้าหากันออกจากกันหลายๆรอบทำให้ฝาขวดน้ำอัดลมหมุนด้วยอัตราเร็วสูง สนุกมากแต่ผู้เขียนจำไม่ได้ว่าเรียกเครื่องเล่นนี้ว่าอะไร เมื่อเปเปอร์ฟิวว์หมุนเหวี่ยงด้วยอัตราสูงเป็นการใช้แรงหนีศูนย์กลางแยกส่วนประกอบของสารในของเหลวอันเนื่องมาจากสารในของเหลวแต่ละชนิดมีความหนาแน่นของสารที่ต่างกัน สารหรืออนุภาคที่มีความหนาแน่นสูงกว่าจะเคลื่อนที่ออกไปยังบริเวณด้านปลายของหลอดที่ชี้ออกจากเปเปอร์ฟิวว์ ในขณะเดียวกันสารหรืออนุภาคที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าจะอยู่ใกล้บริเวณศูนย์กลางของการหมุน ทำให้เปเปอร์ฟิวว์สามารถแยกสารชนิดต่างๆกันเป็นชั้นต่างๆได้ จากบทความวิจัยเมื่อลองวัดความเร็วการหมุนของเปเปอร์ฟิวว์โดยใช้กล้องถ่ายภาพบันทึกวิดีโอที่เฟรมเรต 6 000 เฟรมต่อวินาที ในขั้นตอนการหมุนปั่นของเปเปอร์ฟิวว์มีสองขั้นตอนหลักคือช่วงการคลายออก (unwinding) และการขมวดเข้า (winding) จับที่จับของเปเปอร์ฟิวว์ด้วยมือทั้งสองข้างมาอยู่ในท่าเริ่มต้นที่มือทั้งสองข้างชิดกันโดยมีเปเปอร์ฟิวว์อยู่ตรงกลาง ในขั้นตอนการคลายออกแรงจากมือมนุษย์เลื่อนมือออกจากกันจะสร้างความเร่งแก่เปเปอร์ฟิวว์ไปสู่อัตราเร็วการหมุนสูงสุด และต่อมาในขั้นตอนการขมวดเข้าจะไม่มีแรงจากมือมนุษย์ไปกระทำ ทำให้ความเฉื่อยจากเปเปอร์ฟิวว์หมุนเส้นเชือกที่เป็นเกลียวขดแน่นกลับคลายออกทำให้มือทั้งสองข้างเคลื่อนที่กลับไปเข้ากัน เส้นเชือกก็จะขดเป็นเกลียวแน่นและทั้งสองขั้นตอนก็จะทำสลับกันไปเรื่อยๆที่ความถี่ f0 ในการทดลองพบว่าที่เปเปอร์ฟิวว์มีขนาดรัศมี 5 mm อัตราเร็วการหมุนสูงสุดอยู่ที่ 125 000 รอบต่อนาที ที่ f0=2.2 Hz


          จากการทดลองเมื่อนำเลือดมนุษย์ที่เจาะจากปลายนิ้วมือใส่ลงในหลอดเล็ก 20 ไมโครลิตรไปหมุนเหวี่ยงในเปเปอร์ฟิวว์ทำให้เห็นการแยกของพลาสมาจากเซลล์เม็ดเลือดแดงภายใน 1.5 นาที ซึ่งข้อมูลที่ได้นี้สามารถนำมาหาค่าฮีมาโตคริต (hematocrit) ได้โดยการตรวจดูความเข้มข้นของเม็ดเลือดแดงที่อัดแน่นในปริมาตรเลือดทั้งหมด โดยดูปริมาตรของเม็ดเลือดแดงคิดเป็นร้อยละต่อปริมาตรของเลือดทั้งหมดเมื่อปั่นเลือดจนเม็ดเลือดแดงแยกจากพลาสมา ซึ่งค่าฮีมาโตคริตจะสามารถใช้เพื่อวินิจฉัยภาวะเลือดจาง (anemia) หรือภาวะเม็ดเลือดแดงมาก (polycythaemia) ได้ ค่าฮีมาโตคริตที่ได้จากการทดลองจากการใช้เปเปอร์ฟิวว์สอดคล้องกับผลการทดลองควบคุมที่ใช้เครื่องหมุนเหวี่ยงอิเล็กทรอนิกส์และใช้ชุดตรวจแบบรวดเร็ว (rapid diagnostic tests) และในอีกการทดลองได้ใช้หลอดเล็กแบบ quantitative buffy coat (QBC) เมื่อหมุนเหวี่ยงเปเปอร์ฟิวว์เป็นระยะเวลา 15 นาที แยกเลือดเป็นชั้นต่างๆจะสามารถระบุหาปรสิตในเลือด (haemoparasites) ที่ทำให้เกิดโรคติดต่อต่างๆเช่น โรคมาลาเรียหรือโรคอื่นๆ โดยใช้กล้องจุลทรรศน์ในการช่วยสังเกตได้ 


          (a) การใช้หลอดเล็กแบบ QBC เพื่อวินิจฉัยโรคมาลาเรียจากรูป P. falcipuram คือปรสิตที่ก่อโรคมาลาเรียในมนุษย์ (b) ตัวอย่างเปเปอร์ฟิวว์ที่สร้างโดยเครื่องพิมพ์สามมิติ (c) เปเปอร์ฟิวว์ที่สร้างจากพอลิไดเมทิลซิโลเซนโดยใช้เทคนิค soft lithography (d) การใช้ 3M diagnostic tape กับเปเปอร์ฟิวว์
เครดิต Bhamla, M. S., Benson, B., Chai, C., Katsikis, G., Johri, A., & Prakash, M. (2017). Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge. Nature Biomedical Engineering, 1(1), 1-7.


          ประชากรโลกบางส่วนยังยากจน มีประชากรโลกมากถึง 660 ล้านคนมีรายได้น้อยกว่าวันละ 66 บาทหรือ 2 ดอลลาร์สหรัฐและมากถึง 385 ล้านคนมีรายได้น้อยกว่าวันละ 33 บาทหรือ 1 ดอลลาร์ พวกเขาบางส่วนไม่สามารถเข้าถึงบริการทางสาธารณสุข การใช้เปเปอร์ฟิวว์เพื่อช่วยทำการทดลองวินิจฉัยโรคเช่นโรคมาลาเรียหรือโรคอื่นๆที่ใช้เครื่องหมุนเหวี่ยงทดสอบได้จะเป็นประโยชน์มากและยังอาจเป็นประโยชน์ทางด้านการศึกษาวิทยาศาสตร์และการทดลองภาคสนามของสาขานิเวศวิทยาอีกด้วย

 
ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์

นักศึกษาระดับปริญญาเอก
ภาควิชาฟิสิกส์คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ


อ้างอิง