برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۱۱/۲۷ تا ۱۳۹۷/۱۲/۰۳

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۹۹۴
  • بازدید این ماه ۷۵
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۷۸
  • قبول شدگان ۵۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۴۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نانو بیوحسگر و کاربرد آن در علوم کشاورزی

فناوری بیوحسگر به عنوان یک علم نوین، جایگزین قدرتمندی برای تکنیک‌های آنالیز مرسوم در عرصه علوم کشاورزی می‌باشد. حساسیت و انتخاب‌گری بیوحسگرها امکان توسعه‌ی ابزارهای مخصوص برای آنالیز آنی مخلوط‌های پیچیده را بدون نیاز به آماد‌ سازی، با مقدار کم نمونه را می‌دهد. حساسیت و ویژگی‌های بیوحسگرها با استفاده از نانومواد درساختارشان بهبود یافته و استفاده از نانومواد درحسگرها، باعث انقلابی درزمینه‌های آنالیز شیمیایی و زیستی شده است، که امکان آنالیز سریع مواد چندگانه را در شرایط زنده نیز فراهم می‌کند. نانو بیوحسگرها می‌توانند نقش مهمی را به عنوان ابزار آنالیزی دقیق در زمینه‌ی تشخیص کشاورزی، برای سنجش سریع و با هزینه‌ی پائین در موقعیت‌های صحرایی، (مانند: تشخیص ویروسPRRSV در بنادر) فراهم کنند. تحقیق وتوسعه‌ی این قبیل حسگرها بیشتر در زمینه‌ی سلامت،کاربردهای محیطی و صنعت غذاست، ازجمله‌ی آن‌ها می‌توان به تشخیص سم آفلاتوکسین، وتشخیص آلودگی جوانه‌ی سیب زمینی، به عوامل عفونت‌زای قارچی (بادقت تشخیص 1 جوانه، دربین 100 کیلوگرم سیب زمینی)، اشاره کرد. آنالیز مواد آلوده‌کننده در محصولات کشاورزی و خاک، تشخیص بیماری‌های عفونی در احشام، اندازه گیری آنلاین پارامترهای مهم درتولید غذا، آشکار‌سازی ویروس‌ها و باکتری‌های بیماری‌زا در آب آشامیدنی (با استفاده ازبیوحسگرهای LSPR)، پایش باروری حیوانات و اسکرینینگ داروها از دیگر جنبه‌های کاربرد بیوحسگرهاست.
1. مقدمه
اگرچه روش‌های مرسوم برای تشخیص و افتراق نمونه‌های مختلف ممکن است حساس و ارزان باشد، لیکن بیوحسگرها، امکان آنالیز فوری نمونه‌ها را می‌دهند [1 شکل](1). دراین میان فناوری نانو نقش مهمی را در پیشرفت بیوحسگرها ایفا می‌کند، به طوری که محدودیت تشخیص را تا مقیاس نانو بهبود داده است [2و3].اختصاصی‌بودن و دیگر ویژگی‌های بیوحسگرها با استفاده از نانومواد در ساختارشان بهبود می‌یابد [4]. نانومواد، ماتریس‌هایی هستند که حداقل یکی از ابعادشان 1 تا 100 نانومتر می‌باشد. این مواد، به دلیل نسبت سطح به حجم بالا، خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی از خود نشان می‌دهند[5و6]. دراین مقاله انواع نانوبیوحسگرها و نانوساختارهای به کار رفته در ساخت آن‌ها، به همراه کاربردهای گوناگون آن‌ها، به ویژه از جنبه‌ی کشاورزی مورد بحث قرار می‌گیرند.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل1. ساختمان کلی یک بیوحسگر و نحوه‌ی عمل آن [19]


2. بررسی
بیوحسگر به عنوان ابزار آنالیزی متراکم توصیف می‌شود، با شرکت عنصر حسی زیستی یا تقلید شده‌ی زیستی که به صورت نزدیک، با سیستم مبدل در تماس بوده یا روی آن سوار شده است. مبنای تشخیص بر اختصاصیت تماس ماده‌ی مورد آنالیز، با عنصر تشخیص زیستی، استوار است [7و8]. رایج‌ترین عنصر زیستی در بیوحسگرها، شامل: آنزیم‌ها، آنتی‌بادی‌ها، گیرنده‌ها، بافت‌ها و اسیدهای نوکلئیک هستند. مبدل‌های به کاررفته دربیوحسگرها عبارتند از انواع نوری، الکتروشیمیایی، پیزوالکتریک، ترمومتری و غیره. بیوحسگرها را می‌توان با توجه به نوع عنصر زیستی، نحوه‌ی عمل مبدل و کاربرد آن‌ها دسته بندی کرد [2]. بیوحسگرها، به عنوان ابزار آنالیزی در زمینه‌های مختلف از جمله کنترل کیفیت و امنیت غذایی، پایش آلودگی محیط، پزشکی و کشاورزی کاربرد دارند [9]. نانوساختارهای مختلفی به منظور امکان سنجی کاربردشان در بیوحسگر مورد مطالعه قرارگرفته‌اند. از بین این‌ها، نانوذرات و نانولوله‌های کربنی بهتر از بقیه مطالعه شده‌اند [2]. اتصال اختصاصی منجر به تغییر در یک یا بیش از یک خصوصیت فیزیکی و شیمیایی (نظیر تغییر pH، انتقال الکترون، انتقال حرارت، جذب یا رهایش گازها) شده، و ممکن است با مبدل اندازه گرفته شود. کمک اصلی، تولید سیگنال الکترونیک، متناسب با بزرگی و فراوانی غلظت آنالیت‌هاست که به عنصر حسگر زیستی متصل می‌شود. بیوحسگرها می‌توانند به گروه‌های متفاوتی تقسیم شوند: نوری، مغناطیسی، الکترو شیمیایی، پیزوالکتریک و ترمومتری [7].

1.2. انواع بیوحسگرها (براساس روش انتقال سیگنال)
1.1.2. بیوحسگرهای نوری
افزایش رزونانس نانوخوشه‌های فلز، باعث پیوند سطحی با تداخل تشخیص زیستی شده، که به عنوان روش موثر برای استفاده در ابزارهای حسگری زیستی نوری می‌باشد. نانوذرات طلا به عنوان کلاس جدیدی از مواد فلورسانس برای توسعه بیوحسگرهای نوری برای تشخیص و شناسایی توالی‌های منحصر به فرد DNA به کارمی‌روند [2]. حسگرهای نوری که دارای نقاط کوانتومی در ساختمان خود هستند، می‌توانند به منظور اندازه گیری عوامل بیماری‌زا مانند کلراتاکسین در آب به کار روند [10].

2.1.2. بیو حسگر‌های مغناطیسی
نانوذرات مغناطیسی ابزارهای تشخیصی قدرتمندی در زمینه علوم زیستی و پزشکی می‌باشند. نانوذرات مغناطیسی می‌توانند برای جدا ساختن آنالیت‌ها به کار روند، که این کار را با اتصال به عنصر زیستی در حسگر و تقویت سیگنال انجام می‌دهند [2و5]. نانوحسگرهای حاوی ذرات مغناطیسی جهت آشکارسازی سموم مصرفی کشاورزی، با به کار بردن نانوذرات مغناطیسی عامل‌دار شده با آنتی بادی‌ها به کارمی روند [10].

3.1.2. بیوحسگر‌های الکتروشیمیایی
قدیمی‌ترین نسل از بیوحسگرها هستند معمولاً از نانوذرات فلزی ساخته می‌شوند. بسیاری از مولکول‌های زیستی می‌توانند با نانوذرات فلزی نشانه‌گذاری شوند بدون این که بر فعالیت زیستی شان تاثیر بگذارد [2و11]. ایمونو حسگر الکتروشیمیایی برای شناسایی سم کلرا (وبا) با استفاده از نانو لوله‌های کربنی پوشش داده شده باپلی (3و4 اتیلن دی اکسی تیوفن) ساخته شده است [12].

4.1.2. بیو حسگر‌های پیزو الکتریک
این حسگرها بر پایه‌ی اندازه‌گیری تغییر فرکانس، استوار هستند[2]شکل (2). بیوحسگرهای پیزوالکتریک وسیله‌ی ایده آلی برای تشخیص بیماری‌های حیوانی می‌باشند.Su و همکاران ایمونوحسگر پیزوالکتریکی را گزارش کردند که به منظور تشخیص ویروس سندرم تنفسی و تناسلی خوک (PRRSV)، به کار می‌رود. سیستم‌های بیوحسگری برای تشخیص بیماری‌های عفونی در بنادر و موقعیت‌های صحرایی، بدون نیاز به پشتیبانی دامپزشکی به کار می‌روند ]7[.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل2. بیو حسگر پیزو الکتریک – ته نشست جرم بر روی سطح، فرکانس رزونانس کریستال را تغییر می‌دهد [7].

2.2. برخی نانو ساختارهای مورد استفاده در نانوبیوحسگرها و کاربرد آنها
1.2.2. نانوذرات
نانوذرات می‌توانند به عنصر زیستی حسگر اتصال یافته و برای تشخیص یا تقویت سیگنال‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرند. نانوذرات مثلثی نقره با توجه به اینکه خواص نوری ویژه‌ای را دارا می‌باشند و حساسیت بالایی نسبت به محیط اطرافشان دارند. برای ساخت نسل جدیدی از نانوحسگرهای نوری ‌‏مورد استفاده قرارمی گیرند [13].
بیوحسگرهای LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance) نیز می‌توانند برای آشکارسازی باکتری‌ها و ویروس‌های موجود در آب آشامیدنی به کارروند ]10[.

2.2.2. نقاط کوانتومی
نقاط کوانتومی، نانو بلورهای نیمه رسانایی هستند که درساخت حسگرهای نوری مبتنی بر اندازه‌گیری فلورسانس به کارمی‌روند [14]. نقاط کوانتومی کاربرد عملی برای تشخیص عوامل بیماری‌زا و سموم پیداکرده‌اند [15].

3.2.2. نانولوله‌های کربنی
نانولوله‌های کربنی خصوصیات منحصر به فردی ازجمله: خواص الکترونیک ویژه و نسبت سطح به وزن بالایی دارند، بیشتر این ناحیه‌ی سطحی قابل استفاده برای هر دو منظور الکتروشیمیایی و تثبیت زیست مولکول هاست [16و17]. نانولوله‌های کربنی، به عنوان اساس بیوحسگرهای الکتروشیمیایی لومینسانس (ECL) توصیف شده‌اند. همچنین قابلیت و پتانسیل مناسب نانو لوله‌های کربنی تک دیواره آن‌ها را برای کاربرد درساختارهای MEMS (Micro Electro Mechanical System) مناسب می‌سازد [18]. نانولوله‌های کربنی به طورگسترده‌ای برای تشخیص گازهای گلخانه‌ای در زمینه‌ی پایش محیط به کارمی روند ]10[.

4.2.2. سیلیکون متخلخل
سیلیکون متخلخل کاربرد گسترده‌ای در بیوفیلترها دارد، ضمن این که از زمان کشف خاصیت لومینسانس به دلیل قابل رویت بودن در دمای اتاق؛ امکان استفاده از آن‌ها در بیوحسگر، فراهم شده است. سیلیکون متخلخل به عنوان مبدل تداخل سنج نوری، برای تشخیص مولکول‌های آلی کوچک در غلظت‌های پیکو و فمتومولار به‌‏کار می‌رود ]2[. همچنین مواد آلاینده‌ای نظیر یون‌های فلزی در نمونه‌های آبی به وسیله‌ی آن قابل تشخیص است ]10[.

3.2. باقیمانده‌ی حشره‌کش در محصولات کشاورزی و خاک
باقیمانده‌ی حشره‌کش‌ها به دلیل سمیت بالا و خطر جدی که برای محیط و سلامت انسان دارند، یکی از مهم‌ترین نگرانی‌های بشر می‌باشد. آنالیز حشره‌کش‌ها معمولاً با کروماتوگرافی گازی یا کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا، انجام می‌گیرد؛ اما این روش‌ها نیازمند مراحل دشوار و زمان بر می‌باشند. بیوحسگرها به دلیل نیاز به تکنیک‌های سریع، ساده، اختصاصیت بالا و با هزینه‌ی پائین به منظور تشخیص حشره‌کش‌ها، به کار می‌روند. مهم‌ترین اصل در توسعه‌ی این قبیل بیوحسگرها، مبتنی بر ارتباط بین سمیت حشره‌کش و کاهش در فعالیت بیومارکر آنزیم می‌باشد. این فعالیت می‌تواند با به کارگیری مبدل‌های متفاوت بدست آید. حشره کش‌های ارگانوفسفر و کربامات به طور انتخابی کولین استرازها را از فعالیت باز می‌دارند. آنزیم استیل کولین استراز (AChE)، هیدرولیز استیل کولین را به اسیداستیک و کولین کاتالیز می‌کند. بسیاری از محققین مبدل حساس به pH را برای توسعه‌ی بیوحسگرهای مبتنی بر آنزیم کولین استراز به کار برده‌اند، سنجش تغییر pH با رهایش استیک اسید در خلال واکنش آنزیمی انجام می‌گیرد ]7[.

4.2. کنترل فرایند – ایمنی غذا از لحاظ باکتری شناختی
عوامل بیماری‌زای غذایی منجر به زیان‌های اقتصادی، آسیب به انسان و حتی مرگ می‌شوند. تشخیص بیماری‌زایی با استفاده از تکنیک‌های کشت و آزمایش زیستی مانند: Enzyme Linked Immunosorbent ELISA (‎Assay)‎ برای تشخیص و شمارش عوامل بیماری‌زا در غذا به خوبی جا افتاده هستند. با این وجود این روش‌ها بسیار پیچیده و وقت گیر هستند. در سال‌های اخیر، انواع گوناگونی از بیوحسگرها توسعه یافته‌اند که کنترل کیفیت در فرآیند تهیه غذا را با تشخیص عوامل بیماری‌زا درعرض چند دقیقه امکان پذیر می‌کنند. اگر عوامل بیماری‌زا به وسیله‌ی بیوحسگرهای نزدیک به محل تشخیص داده شوند، در طی فرآیند تهیه غذا، می‌توان تصمیم سریعی را برای به حداقل رساندن مواد آلوده اتخاذ کرد. روش اصلی در این گونه بیوحسگرها عبارت است از میل ترکیبی ایمنی، برای گرفتن و متمرکزشدن بر روی باکتری است. اخیراً بیوحسگر فلوریمتری بر اساس اتصال با آنتی‌بادی اختصاصی، برای شناسایی سم آفالتوکسین، همچنین تکنیکی برای تشخیص جوانه‌های آلوده‌ی سیب زمینی به عفونت قارچی (با دقت تشخیص یک جوانه آلوده از میان 100 کیلوگرم جوانه) طراحی شده است ]7[.

3. نتیجه‌گیری
نانوبیو حسگرها باید در بیوچیپ‌های کوچک ادغام شوند که این روش، به طور فزاینده ای قابلیت عملکردی آن‌ها را افزایش می‌دهد؛ که نتیجه‌ی آن ابزارهای کوچک، قابل حمل، با قابلیت استفاده‌ی آسان، هزینه‌ی پائین و یکبار مصرف می‌باشد. درضمن قابل ذکر است که تحقیقات در مورد استفاده از نانوبیوحسگرها در کشورمان کمتر صورت گرفته است. بسترهای مناسبی جهت تحقیق و توسعه در این زمینه به کمک مراکزی نظیر پژوهشکده‌ی بیوتکنولوژی کشاورزی فراهم می‌باشد، که می‌توان درجنبه‌های مختلف آن فعالیت نمود.

منابـــع و مراجــــع

1- P Leonard, S Hearty, J Brennan, L Dunne, J Quinn, Advances in biosensors for detection of pathogens in food and water, Enzyme and Microbial Technology, 32, (2003).

2- CH Jianrong, M Yuqing, He Nongyue, Wu Xiaohua, Li Sijiao, Nanotechnology and biosensors, Biotechnology Advances, 22, (2004).

3- KK Jain, Nanodiagnostics: application of nanotechnology in molecular diagnostics, Expert reviews, Vol.3, No.2, (2003).

4- R.H Hall, Biosensor technologies for detecting microbiological foodborne hazards, Microbes and Infection, 4, (2002).

5- T Kubik, K Bogunia-Kubik, M Sugisaka, Nanotechnology on Duty in Medical Applications, Pharmaceutical Biotechnology, Vol.6, No.1, (2005).

6- J Wang, Nanomaterial-based electrochemical biosensors, Analyst, 130, (2005).

7- MN Velasco-Garcia, T Mottram, Biosensor Technology addressing Agricultural Problems, Biosystems Engineering, 84, (2003).

8- S K Sharma, N Sehgal, A Kumar, Biomolecules for development of biosensors, Current Applied Physics, 3, (2003).

9- J Castillo, S Gáspár, S Leth, M Niculescu, A Mortari, I Bontidean, et al, Biosensors for life quality Design, development and applications, Sensors and Actuators B, 102, (2004).

10- J Riu, A Maroto, F Xavier Rius, Nanosensors in environmental analysis, Talanta, 69, (2006).

11- P T Kissinger, Biosensors—a perspective, Biosensors and Bioelectronics, 20, (2005).

12- M Pumera, S Sanchez, I Ichinose, J Tang, Electrochemical nanobiosensors, Sensors& Actuators B, 123, (2007).

13- A J Haes, R P Van Duyne, A nanoscale optical biosensor, J.Am.che.Soc. 5221, (2002).

14- D Ericson, Nanobiosensors, optofluidic, electrical and mechanical approaches, Microfluid Nanofluidics, 4, (2008).

15- T Jamieson, R Bakhshi, D Petrova, R Pocock, Mo Imani, A M Seifalian, Biological applications of quantum dots, Biomaterials, 28, (2007).

16- W Yang,P Thordarson, J J Gooding, S P Ringer, F Braet, Carbon nanotubes for biological and biomedical applications, 18, (2007).

17- S G Wang, Q Zhang, R Wang, S.F. Yoon, A novel multi-walled carbon nanotubes-based biosensor glucose detection, Biochemical and Biophysical Research Communications, 311, (2003).

18- C Hierold, A Jungen, Ch Stampfer, T Helbling, Nano electromechanical sensors based on carbon nanotubes, Sensors and Actuators A, 136, (2007).

19- GK Knopf, A S Bassi, Smart biosensor technology, Taylor & Francis Group(2007).