طالب أمريكي يطور أداة أشعة سينية آلية تقلص وقت تحليل جزيئات تلوث الهواء المجهرية إلى عشر ساعات

طور طالب أمريكي أداة جديدة آلية للأشعة السينية، قادرة على تقليص وقت فحص 500 جسيم دقيق من ملوثات الهواء من 44 ساعة إلى 10 ساعات فقط. تحمل هذه التقنية اسم X-AutoMap، وصممها Carlos DeLeon خلال فترة تدريبه في مصدر الإشعاع المتزامن الوطني الثاني بمختبر Brookhaven National Laboratory (BNL). وشارك DeLeon في برنامج Science Undergraduate Laboratory Internship (SULI) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (Department of Energy، واختصارها DOE).

تحت إشراف عالم خطوط الحزم في المختبر، الدكتور Ajith Pattammattel، كرس DeLeon جهوده لأتمتة عملية تحليل الأشعة السينية. تتيح هذه الأداة لمجهر الأشعة السينية التعرف تلقائيًا على الجسيمات ذات الأهمية ودراسة تكوينها الكيميائي بعمق أكبر. وقد يساعد هذا البرنامج في فهم تأثير تلوث الهواء على صحة الإنسان، كما يمكن استخدامه في أبحاث البطاريات والمنتجات الإلكترونية.

مزايا تحليل الأشعة السينية الآلي

قال Pattammattel: «إذا استطعنا تحديد التركيب الكيميائي التفصيلي دون الحاجة إلى أفراد للتحكم في التجربة، فسيكون ذلك أكثر كفاءة بكثير».

يحتوي تلوث الهواء على آلاف الأنواع من الجسيمات الدقيقة ذات التراكيب الكيميائية المختلفة، وقد تشمل هذه الجسيمات الدخان والغبار وحبوب اللقاح والجسيمات البلاستيكية الدقيقة في الهواء التي يستنشقها الناس يوميًا. وبحسب التركيب الكيميائي، قد تشكل بعض الجسيمات مخاطر صحية أكبر. غير أن التعرف على هذه الجسيمات يستغرق أيامًا، لأن الباحثين مضطرون لفحص كميات كبيرة من العينات يدويًا، واختيار جسيمات فردية لتحليل أكثر تفصيلًا. ولتسريع هذه العملية، طور الفريق برنامج X-AutoMap ليعمل مع مسبار الأشعة السينية الصلبة النانوي (Hard X-ray Nanoprobe، واختصاره HXN) في المنشأة.

يُعد HXN مجهرًا قويًا قادرًا على فحص المواد على مقياس صغير للغاية. فهو يجري في البداية مسحًا سريعًا ومنخفض الدقة للعينات. بعد ذلك، يحلل البرنامج إشارات التألق بالأشعة السينية لاكتشاف الجسيمات التي تتطابق مع أنماط كيميائية محددة. وعندما يعثر البرنامج على هذه الجسيمات، يبدأ المجهر تلقائيًا في مسح عالي الدقة لإظهار تكوينها الكيميائي وهيكلها. أوضح Pattammattel بالتفصيل أن البرنامج يتبع قواعد علمية محددة مسبقًا من قبل الباحثين. وشرح سبب هذا النهج قائلًا: «نعتقد أنه إذا أمكن ترميز ودمج مجموعة من المعارف الخبرية المختلفة في نموذج حاسوبي، ليسهل على المجهر استخدام هذه المعلومات للتعرف تلقائيًا على المناطق التي تتطلب مسحًا عالي الدقة».

نتائج الاختبارات المعملية والتحديات

في الاختبارات المعملية، استخدم العلماء عينات من الجسيمات المجمعة من تلوث الهواء الحضري. نجح البرنامج في فحص نحو 500 جسيم خلال 10 ساعات، في حين استغرق جمع البيانات يدويًا 44 ساعة إجمالًا. وأظهر النظام أيضًا فروقًا مهمة بين نوعين من الجسيمات الحاوية على الحديد. تحتوي بعض الجسيمات على خليط متماسك من الحديد والكروم والمنغنيز، وكثير منها كروي الشكل، وهو ما يرتبط بعمليات صناعية عالية الحرارة. بينما تحتوي جسيمات أخرى على الحديد والكالسيوم والسيليكون، مرتبة في عناقيد من جسيمات منفصلة، وهي بنية ترتبط عادةً بالمواد الطبيعية أو الجيولوجية. ووفقًا للفريق، قد يكون من الصعب اكتشاف هذه الفروقات في المسح منخفض الدقة.

ومع ذلك، نظرًا لأن البرنامج لا يستطيع التعرف إلا على الجسيمات التي يحددها العلماء، فقد يفوت الجسيمات صغيرة جدًا أو ذات إشارات كيميائية ضعيفة، لذا يخطط الفريق لتحسين البرنامج واستكشاف نماذج الذكاء الاصطناعي للكشف عن المزيد من المواد.

تأمل DeLeon في تجربة تدريبه، وحث الطلاب المترددين على التقدم لفرص مماثلة. وقال في بيان صحفي: «كثير من الناس غالبًا ما يشككون في أنفسهم، أو يقللون من قدراتهم، فيفوتون مثل هذه الفرص. أشجع أي شخص مهتم على التقديم، ليرَ ما سيحدث». وقد نُشر البحث في مجلة Advanced Intelligent Discovery.

آفاق تطبيق التكنولوجيا الآلية في العلوم البيئية

يمثل تطوير أداة الأشعة السينية الآلية تقدمًا مهمًا في أبحاث العلوم البيئية. مع تزايد الاهتمام بتأثير تلوث الهواء على الصحة، أصبحت القدرة على تحليل الجسيمات الدقيقة في الهواء بسرعة ودقة أمرًا بالغ الأهمية. لا ترفع هذه التقنية الجديدة كفاءة الكشف فحسب، بل تساعد الباحثين أيضًا على فهم أفضل للتركيب الكيميائي للجسيمات المختلفة ومخاطرها المحتملة. وعلى الرغم من أنها لا تزال تواجه قيودًا في قدرات التعرف، فإن دمج نماذج الذكاء الاصطناعي مستقبلًا قد يوسع نطاق تطبيقاتها بشكل أكبر، مما ينعكس إيجابًا على المراقبة البيئية والصحة العامة.