การออกแบบและสร้างเครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบฉับพลันด้วยเทอร์มออิเล็กตริกสำหรับสเปกโตรโฟโตมิเตอร์เพื่อใช้ในการศึกษาอุณหภูมิเสียสภาพ และจลนศาสตร์ของสารชีวโมเลกุลประเภทโปรตีนและสารพันธุกรรม

บทคัดย่อ

ได้ทาการออกแบบและสร้างเครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบฉับพลันด้วยเทอร์มออิเล็กตริกสาหรับสเปกโตรโฟโตมิเตอร์เพื่อใช้ในการศึกษาอุณหภูมิเสียสภาพและจลนศาสตร์ของสารชีวโมเลกุลประเภทโปรตีนและสารพันธุกรรม โดยใช้ใช้ระบบควบคุมแบบดิจิทัลชาญฉลาด (intelligent control system) โดยอาศัยพื้นฐานของตรรกศาสตร์คลุมเครือและการมอดูเลตด้วยความกว้างของช่วงคลื่น และใช้สมองกลฝังตัว ATMEGA8 ของบริษัท ATMEL Corp. ที่สามารถโปรแกรมได้ง่ายด้วยภาษาเบสิค รองรับการเขียนโปรแกรมได้ถึง 8 กิโลไบต์ มีหน่วยความจาถาวรแบบ electrical programmable read only memory ได้ถึง 512 ไบต์ ตัวรับรู้อุณหภูมิที่ใช้ในโครงงานนี้ เลือกใช้ตัวรับรู้อุณหภูมิของบริษัท ดาลลัสท์ รุ่น DS1820 ซึ่งเป็นตัวรับรู้อุณหภูมิที่มีความละเอียด 0.5 องศาเซลเซียส มีความไวต่ออุณหภูมิ 0.1 วินาที และสามารถเชื่อมสัญญาณโดยใช้ I/O เพียงช่องเดียว (one-wire interface; 1-wure) ใช้ไฟเลี้ยงน้อยมาก (ระดับนาโนวัตต์) และสามารถเรียงต่อกันเป็นอนุกรมได้ (series master-slave interface) สามารถควบคุมได้จากสมองกลโดยตรง โดยใช้ซอฟท์แวร์ที่พัฒนาขึ้นด้วยไมโครซอฟท์วิชวลเบสิค พบว่า การทดลองด้วยวิธีดั้งเดิมโดยการเพิ่มอุณหภูมิของอ่างควบคุมอุณหภูมิ ทาให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์สูงขึ้น โดยที่อุณหภูมิ 45 ?C เป็นอุณหภูมิที่เอนไซม์มีค่าแอคติวิตีในการทางานสูงที่สุด (optimal temperature) ซึ่งไม่แตกต่างจากผลการทดลองโดยใช้เครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบฉับพลัน การใช้เครื่องที่สร้างขึ้นมีความสะดวกและรวดเร็วสาหรับการทดลองมากกว่าการใช้อ่างควบคุมอุณหภูมิ เนื่องจากเครื่องที่สร้างขึ้น สามารถป้อนคาสั่งเพื่อให้ควบคุมอุณหภูมิได้โดยอัตโนมัติ ทาให้ไม่ต้องเสียเวลาในการในการบ่ม (incubate) ส่งผลให้ค่าแอคติวิตีการทางานของเอนไซม์ที่ได้มีความเที่ยงตรงมากขึ้น เนื่องจากเครื่องที่สร้างขึ้นมีปัจจัยภายนอกที่รบกวนการทดลองน้อยกว่าการใช้อ่างควบคุมอุณหภูมิและไม่เสียเวลาในการเคลื่อนย้าย นอกจากการใช้เครื่องที่สร้างขึ้นในการหาอุณหภูมิที่เหมาะสมในการทางานของเอนไซม์แล้ว นักวิจัยยังได้รับความความสะดวก รวดเร็ว อีกทั้งสามารถช่วยลดปริมาณสารเคมีและสารตัวอย่างที่ใช้สาหรับการทดลอง ทาให้เป็นการลดต้นทุนใน การทาวิจัย ซึ่งถือเป็นข้อดีของเครื่องมือที่สร้างขึ้นในการนามาประยุกต์ทาง ด้านชีวภาพ และด้านอื่นๆ ต่อไป สาหรับการทดลองกับตัวอย่างสารพันธุกรรม พบว่า การใช้เครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบฉับพลันด้วยเทอร์มออิเล็กตริกสาหรับสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ เพื่อทาการควบคุมอุณหภูมิแทนอ่างควบคุมอุณหภูมิโดยนา DNA ที่สกัดได้จากหอมหัวใหญ่ไปวัดการเสียสภาพของ DNA ที่ความยาวคลื่น A260 ซึ่งมีการควบคุมอุณหภูมิในการทางานจากเครื่องที่สร้างขึ้น โดยการป้อนคาสั่งให้มีการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโดยอัตโนมัติในเวลาที่กาหนด จากอุณหภูมิเริ่มต้นจนถึงอุณหภูมิสุดท้ายที่ทาให้ DNA เสียสภาพ โดยไม่ต้องมีการดึง cuvette เข้าออก หรือเตรียม water bath ที่อุณหภูมิต่างๆ และนามาหาค่าอุณหภูมิหลอมตัวที่ทาให้ปริมาณเกลียวคู่ครึ่งหนึ่งของ DNA เปลี่ยนเป็นเส้นเดี่ยว พบว่ามีค่าเท่ากับ 80?C จากการทดลองจะเห็นได้ว่าแหล่งกาเนิดความร้อนที่มีผลในการทาลายสภาพธรรมชาติของ DNA จากการใช้เครื่องที่สร้างขึ้นพบว่ามีความสะดวกและรวดเร็วสาหรับการทดลองมากกว่าการใช้อ่างควบคุมอุณหภูมิ เนื่องจากเครื่องที่สร้างขึ้น สามารถป้อนคาสั่งเพื่อให้ควบคุมอุณหภูมิได้โดยอัตโนมัติ ทาให้ไม่ต้องเสียเวลาในการในการบ่ม (incubate) DNA ส่งผลให้ค่าอุณหภูมิหลอมตัวของ DNA ที่ได้มีความเที่ยงตรงมากกว่า เนื่องจากเครื่องที่สร้างขึ้นมีปัจจัยภายนอกที่รบกวนการทดลองน้อยกว่าการใช้ water bath นอกจากการใช้เครื่องที่สร้างขึ้น เพื่อควบคุมอุณหภูมิในการทาให้ DNA เสียสภาพธรรมชาติแล้ว จากการทดลองยังพบว่า ณ อุณหภูมิสูงสุดที่ 90?C หลังจากที่ DNA มีการเสียสภาพธรรมชาตินั้น เมื่อลดอุณหภูมิลง สามารถจะทาให้สาย DNA กลับมาจับกันได้อีก (renature) โดยเครื่องที่สร้างขึ้นสามารถที่จะตรวจวัดอุณหภูมิที่ลดลง ตลอดจนค่าการดูดกลืนแสงที่ได้ ซึ่งพบว่าถ้าทาให้อุณหภูมิเย็นลงอย่างรวดเร็ว (rapid cooling) ทาให้สายของ DNA จับกันอย่างรวดเร็วได้ แต่จะจับกันบางส่วนและมักจับแบบสุ่มโดยไม่ได้จับกันตลอดทั้งสายและได้เส้นกราฟที่ไม่ทับกันดังแสดงในผลการทดลอง แต่ถ้าทาให้อุณหภูมิลดลงอย่างช้าๆ (slow cooling) จะทาให้คู่สมของเบสสามารถหากันได้พบ และได้กราฟที่เกือบจะซ้อนทับกันพอดี ทั้งนี้เครื่องมือที่สร้างขึ้นสามารถกาหนดอุณหภูมิและช่วงเวลาที่ลดลงของอุณหภูมิที่ต้องการได้

คำสำคัญ