1- مقدمه
دسترسی به زمین بایر و منابع آبی برای مصارف کشاورزی با روند سریعی رو به کاهش است، پیامد این مسئله ایجاد کاهش شدید در تولیدات کشاورزی است. به علاوه استفاده بیش‌ازپیش از انواع آفت و علف‌کش‌ها و نیز فلزات سنگین به حد هشدار رسیده است. این مشکلات تنها با ایجاد حرکتی پیوسته به سمت فنّاوری‌های جدید قابل‌حل هستند. در حال حاضر فناوری نانو به‌عنوان میدانی وسیع و در حال تحول، با پتانسیل بالا، انقلابی در زمینه سامانه‌های کشاورزی و صنایع غذایی محسوب می‌شود. فناوری اشاره ‌شده می‌تواند باعث ارتقای سطح اقتصاد روستایی با افزایش راندمان تولید محصولات کشاورزی، کاهش هزینه‌های تمام‌شده و افزایش کیفیت و ارزش غذایی شود [1]. با توجه به سناریوی حال حاضر و محاسن فناوری نانو، در این مقاله به توضیح برخی مفاهیم و پیامدهای استفاده از نانوحسگرها و نانوزیست حسگرها در ترویج کشاورزی برای تغذیه جمعیت‌ها پرداخته می‌شود [1].

اصطلاح زیست‌حسگر به ابزار تجزیه و تحلیلی متراکمی اطلاق می‌شود که با عنصر حسی زیستی یا تقلیدشده زیستی که به‌صورت نزدیک، با سیستم مبدل در تماس بوده یا روی آن سوار شده است، همراه باشد. مبنای تشخیص بر تماس اختصاصی ماده مورد تجزیه و تحلیل با عنصر تشخیص زیستی، استوار است [2]. رایج‌ترین عنصر زیستی در زیست‌حسگرها، شامل: آنزیم‌ها، آنتی‌بادی‌ها، گیرنده‌های پروتئینی و لیپیدی، بافت‌ها و اسیدهای نوکلئیک هستند. مبدل‌های به‌کار رفته در زیست‌حسگرها عبارتند از انواع نوری، الکتروشیمیایی، پیزوالکتریک، ترمومتری و... . زیست‌حسگرها را می‌توان با توجه به نوع عنصر زیستی، نحوه عمل مبدل و کاربرد آن‌ها دسته‌بندی کرد [3]. زیست‌حسگرها، به‌عنوان ابزار آنالیزی در زمینه‌های مختلف از جمله کشاورزی و کنترل کیفیت و امنیت غذایی کاربرد دارند. نانوساختارهای مختلفی به‌منظور امکان‌سنجی کاربردشان در زیست‌حسگر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

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 آنالیت‌ها است که به عنصر حسگر زیستی متصل می‌شود. زیست‌حسگرها می‌توانند به گروه‌های متفاوتی تقسیم شوند: نوری، مغناطیسی، الکتروشیمیایی، پیزوالکتریک و ترمومتری [2].

نانوزیست حسگرها در کشاورزی
نانوزیست حسگر (nanobiosensor) محصول روشی ترکیبی از زیست‏‌شناسی و فناوری نانو است. این حسگرها پتانسیل افزایش حساسیت و در نتیجه کاهش قابل‌توجه زمان پاسخ برای حسگری مشکلات ناشی از بیماری‏های بالقوه در محصولات زراعی را دارد. بنابراین می‏‌تواند به افزایش تولید و بهبود ایمنی مواد غذایی در بخش کشاورزی کمک کند.

ویژگی‌های یک نانوزیست حسگر ایده‌آل عبارت است از [1]:

· عملکرد بسیار اختصاصی در راستای هدفی که برای آن طراحی ‌شده، به عبارتی یک حسگر باید بتواند بین آنالیت و مواد دیگر به‌طور کامل تمایز قائل شود.

· پایداری تحت شرایط محیطی عادی

· عدم وابستگی واکنش اختصاصی حسگر با آنالیت مربوطه به هر عامل فیزیکی خارجی مثل انواع تکان‌ها، pH و دما

· واکنش در حداقل زمان ممکن

· نتایج حاصل باید دقیق، صریح، تکرارپذیر، قابل‌استفاده و بدون هرگونه نویز باشد.

· باید دارای ابعاد کوچک، زیست سازگار، غیرسمی و غیرحساسیت‌زا باشد.

· همچنین قیمت ارزان و قابلیت استفاده توسط افرادی که مهارت‌های نسبی را دارا هستند نیز از شروط اساسی آن‌ها محسوب می‌شوند.

2- انواع زیست‌حسگرها (بر اساس روش انتقال سیگنال)
2-1- زیست‌حسگرهای نوری
نانوذرات طلا به‌عنوان کلاس جدیدی از مواد فلورسانس برای توسعه زیست‌حسگرهای نوری برای تشخیص و شناسایی توالی‌های منحصربه‌فرد DNA به کار می‌روند [2]. حسگرهای نوری که دارای نقاط کوانتومی در ساختمان خود هستند، می‌توانند به‌منظور اندازه‌گیری عوامل بیماری‌زا مانند کلراتاکسین در آب به کار روند.

2-2- زیست‌حسگرهای مغناطیسی
نانوذرات مغناطیسی ابزارهای تشخیصی قدرتمندی در زمینه علوم زیستی و پزشکی هستند. 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. نانوحسگرهای حاوی ذرات مغناطیسی جهت آشکارسازی سموم مصرفی کشاورزی، با به کار بردن نانوذرات مغناطیسی عامل‌دار شده با آنتی‌بادی‌ها (به طور کلی به پروتئینی اطلاق می‌شود که قابلیت شناسایی پروتئین‌های سطحی سلول‌های هدف و اتصال به آن را دارند) به کار می‌روند [4].

2-3- زیست‌حسگرهای الکتروشیمیایی
قدیمی‌ترین نسل از زیست‌حسگرها هستند که معمولاً از نانوذرات فلزی ساخته می‌شوند. بسیاری از مولکول‌های زیستی می‌توانند با نانوذرات فلزی نشانه‌گذاری شوند بدون اینکه بر فعالیت زیستی‌شان تأثیر بگذارد. ایمونوحسگر الکتروشیمیایی برای شناسایی سم کلرا (ایجاد شده توسط عامل وبا) با استفاده از نانولوله‌های کربنی پوشش داده‌شده با پلی 3 و 4 اتیلن دی اکسی تیوفن ساخته‌شده است [5].

2-4- زیست‌حسگرهای پیزوالکتریک
این حسگرها بر اندازه‌گیری تغییر فرکانس، استوار هستند (شکل 1). زیست‌حسگرهای پیزوالکتریک وسیله ایده‌آلی برای تشخیص بیماری‌های دامی هستند [2].

شکل 1- زیست‌حسگر پیزوالکتریک: ته نشست جرم بر روی سطح، فرکانس رزونانس کریستال را تغییر می‌دهد.

3- کاربرد برخی نانوساختارهای مورد استفاده در نانوحسگر و نانوزیست‌حسگرها
3-1- نانوذرات طلا
نانوذرات طلا نشانگرهای بسیار مناسبی هستند که در زیست‌حسگرها مورد استفاده قرار گرفته‌اند، به‌طوری‌که چندین روش اپتیکی و الکتروشیمیایی می‌‏توانند بر اساس آن اصلاح شده و قادر به شناسایی عوامل بیماری‌زا شوند. شماری از آزمایش‏‌های مبتنی بر نانوذرات به‌منظور توسعه تشخیص زیست‏‌مولکولی به انجام رسیده‌‏اند که در آن‌ها از  نانوذرات طلای همراه شده با DNA یا پروتئین (به‌عنوان ردیاب‏‌های اختصاصی) استفاده شده است [6].

در مطالعات اخیر می‏‌توان چندین نانوزیست حسگر که با هدف تشخیص مولکولی پاتوژن‏‌های ناشی از مواد غذایی (food-borne) و عوامل تروریسم کشاورزی (agro-terrorism agents) ابداع‌شده‌اند را پیدا کرد. این روش‏‌های تشخیصی عبارتند از نانولوله‏‌های کربنی، سیلیکون نانومتخلخل (nanoporous) و نانوذرات طلا. در مطالعه‌‏ای، Dubertret و همکاران بر توانایی نانوذرات طلا به‌عنوان خاموش‏‌کننده (quenchers) فلورسانس اشاره کردند. بنابراین می‏‌توان از آن‌ها برای حل اشکالات عمده‌‏ای در آزمایش‌های زیست‌شناسی مولکولی استفاده کرد. به‌عنوان‌ مثال، می‏‌توان اولیگونوکلئوتیدی از جنس DNA سنتز کرد که سمت انتهای '5 آن با ماده فلورسنت برچسب‏‌گذاری شده و سمت انتهایی '3 آن به نانوذرات طلا متصل شده باشد [6].

این الیگونوکلئوتیدها را می‏‌توان در روش‌‏های تشخیصی، به‌ویژه در مواردی که در آن تجزیه‌وتحلیل DNA قابل انجام نیست، به کار برد. همچنین می‏‏‌توان از این روش در تشخیص فیتوپلاسماهای مرتبط با (Flavescence dorée :FD) که عاملی بیماری‌زا در انگور است، استفاده کرد. در پژوهشی، Fan و همکاران گزارش دادند که نانوذرات طلا به‌طور مؤثری فلورسانس پلیمرهای برداشت‌کننده نور (light harvester) مانند پلی‏ فلورین (polyfluorene)، را خاموش کرده و دیدگاه‌هایی جدید را در توسعه کاربردهای نوری نانومبدل‏‌های زیستی برای مقاصد تشخیصی باز کردند. علاوه بر این، یک ردیاب تشخیصی ساخته ‏شده از یک اولیگونوکلئوتید اختصاصی که حامل فلورسئین در انتهای '5 و ذرات طلای 2 نانومتری در انتهای '3 خود است،‏ به‌عنوان یک نانومبدل زیستی در هیبریداسیون DNA عمل کرده و هنگامی‌که با توالی هدف هیبرید می‏‌شود، سیگنال فلورسانس قوی‏‌تری ایجاد می‏‌کند‏ [6].

3-2- نانولوله‌های کربنی
نانولوله‌های کربنی (شکل 2) خصوصیات منحصربه‌فردی از جمله: خواص الکترونیک ویژه و نسبت سطح به وزن بالایی دارند؛ بیشتر این ناحیه سطحی قابل‌استفاده برای هر دو منظور الکتروشیمیایی و تثبیت زیست‌مولکول‌ها است. نانولوله‌های کربنی، به‌عنوان اساس زیست‌حسگرهای الکتروشیمیایی لومینسانس توصیف‌ شده‌اند. نانولوله‌های کربنی به‌طور گسترده‌ای برای تشخیص گازهای گلخانه‌ای در زمینه پایش محیط به کار می‌روند [4].

شکل 2- تصویری شماتیک از یک نانولوله کربنی

3-3- سیلیکون متخلخل
سیلیکون متخلخل کاربرد گسترده‌ای در زیست فیلترها دارد، ضمن اینکه از زمان کشف خاصیت لومینسانس به دلیل قابل‌رؤیت بودن در دمای اتاق، امکان استفاده از آن‌ها در زیست‌حسگر فراهم شده است. سیلیکون متخلخل برای تشخیص مولکول‌های آلی کوچک در غلظت‌های پیکو و فمتومولار به کار می‌رود. همچنین مواد آلاینده‌ای نظیر یون‌های فلزی در نمونه‌های آبی به‌وسیله آن قابل‌تشخیص است [5].

4- نانو حسگرها و پیش‌بینی بیماری‌های گیاهی
پیش‌بینی بیماری‌های گیاهی در مدیریت مزرعه به کشاورزان این امکان را می‌دهد تا این شانس را داشته باشند که تصمیماتی در جهت ایجاد کاهشی چشمگیر در هزینه‌های تمام‌شده محصول و نیز مدیریت مزرعه اتخاذ کنند. در حال حاضر تحقیقات زیادی در راستای بهبود روش‌های تشخیصی بیماری‌های گیاهی در زمین‌های زراعی با استفاده از نانوحسگرها در حال انجام است. بسیاری از شرکت‌های با زمینه کاری الکترونیک در حال تحقیق بر روی ترکیبات هادی الکتریکی پلیمری نظیر پلی آنیلین، پلی تیوفن و پلی پایرول هستند [7]. این پلیمرها می‌توانند در ساخت حسگرهای پارچه‌ای مورد استفاده قرار گیرند که قابلیت تشخیص سیگنال‌های مولکولی را در کمتر از چند دقیقه، با حساسیت بسیار بالا و مقادیر خیلی کم از عوامل ایجادکننده فساد و پاتوژن‌هایی که از طریق محصولات کشاورزی منتقل می‌شوند، دارند. چنین نانوحسگرهای زیست تحلیلگری برای شناسایی و تعیین کمیت سریع آلوده‌کنندگانی نظیر ویروس‌ها، باکتری‌ها، قارچ‌ها، سموم قارچ‌ها (توکسین) و دیگر مواد زیستی خطرناک در کشاورزی و صنایع غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. بنابراین این حسگرها می‌توانند تأثیر بسیار زیادی بر روش‌های کشاورزی داشته باشند. همراه‌سازی این ابزار با سیستم GPS، می‌تواند در هر لحظه ناظر را از شرایط خاک و سلامت گیاه آگاه سازد و در صورت وجود هرگونه ناهنجاری، مکان دقیق آن را نیز اطلاع دهد [7]. نانوحسگرها این اجازه را خواهند داد که بیماری‌های گیاهی قبل از ظهور علائم بصری شناسایی‌شده، در نتیجه نقش بزرگی را در کنترل به هنگام آن‌ها ایفا می‌کنند [7].

5- نانوزیست حسگرها در کشاورزی
برای تشخیص عوامل بیماری‌زا و مواد سمی در غذا، زیست حسگر فیبر نوری (Fibre-optic biosensor) معمولاً از ردیاب‏‌های فیبر نوری مخروطی پوشش داده‌شده با آنتی‌‏بادی استفاده می‏‎کند (شکل 3). روشی برای تعیین سریع باکتری اشرشیاکلی (Escherichia coli) با استفاده از یک سیستم جریان-تزریق (Flow-Injection system) توسعه داده‌شده است. اندازه‏‌گیری الکتروشیمیایی K3Fe(CN)6، که توسط متابولیسم میکروبی کاهش می‌‏یابد، تعیین کمی باکتری‌‏ها و قارچ‌ها را در 20 دقیقه ممکن ساخته است [8]. در مطالعه‌ای Hashimoto و همکاران سیستم زیست حسگری جدیدی، برای تشخیص سریع بیماری‏‌های خاک‌زاد، متشکل از دو زیست حسگر، ابداع کردند [8]. این سیستم با استفاده از مقادیر مساوی از دو میکروب مختلف ساخته و هر یک از آن‌ها به‌صورت جداگانه روی یک الکترود تثبیت شدند. با توجه به خواص نوری ویژه نانوذرات نقره، تعامل بین نانوذرات نقره و علف‌کش سولفورازون اتیل (sulphurazon-ethyl) مورد بررسی قرار گرفت. نتیجه این پژوهش نشان داد که نانوذرات نقره به غلظت افزایش‌یافته علف‌کش‌ها در محلول حساسند و تغییرات رنگی در نانوذرات از رنگ زرد تا نارنجی، قرمز و در نهایت بنفش ایجاد می‏‌شود. این روش برای تشخیص آلودگی‌‏ها، از جمله آلاینده‌‏های آلی و عوامل بیماری‌زای میکروبی در آب و در محیط‌‌زیست مفید است. نانوذرات فلورسنت سیلیکا (Fluorescent silica nanoparticles :FSNP) ادغام ‏شده با مولکول‏‌های آنتی‏‌بادی، با موفقیت پاتوژن‏‌های گیاهی از قبیل باکتری عامل لکه برگی گوجه‏‌فرنگی (Xanthomonas axonopodis pv. Vesicatoria) را شناسایی کردند [8]. این باکتری باعث بیماری لکه باکتریایی در گوجه‌فرنگی و فلفل می‏‌شود. نانوذرات و نانولایه‌‏های اکسید مس (CuO) به ترتیب با استفاده از روش سل-ژل و اسپری تولیدکننده گاز سنتز شدند. هم ‌زیست حسگرهای بر پایه نانوذرات و هم‌ زیست حسگرهای بر پایه نانوساختار لایه‏‌ای CuO برای تشخیص قارچ A. niger مورداستفاده قرار گرفتند [8].

شکل 3- شمایی کلی از ساختار یک حسگر بر پایه فیبر نوری

بلوره‌های زیست‌سازگار نیمه‌هادی از هسته و پوسته‌ای‏ تشکیل‌ شده‌اند که به آن‌ها ‏اجازه اتصال لیگاندها و در نتیجه اتصال این نشانگر فلورسنت به پاتوژن هدف را می‌دهد. زیست حسگر مبتنی بر هیبریداسیون است که به‌عنوان زیست حسگر میکروترازوی کوارتز-کریستال (quartz-crystal microbalance biosensor) شناخته می‏‌شود. میکروترازوی کوارتز-کریستال تحت محرک الکتریکی ارتعاش می‏‌کند و تغییر در جرم آن با اتصال هر ترکیب به سطح میکروترازو، می‌تواند از طریق کاهش در فرکانس ارتعاش آن شناسایی شود. هنگامی‌که یک ردیاب اسید نوکلئیک به سطح زیست حسگر میکروترازوی کوارتز-کریستال متصل شود و سپس در معرض محصول مکمل PCR قرار ‏گیرد، حالت دورگ تشکیل‌ شده و این باعث می‏‌شود که فرکانس رزونانس زیست حسگر کاهش چشمگیری داشته باشد (شکل 4). این سیستم می‌تواند با پروتکل‏‌های PCR سریع ادغام‌شده و زمان تشخیص اختصاصی زیست‏‌محیطی پاتوژن‏‌های گیاهی را کاهش دهد [9].

شکل 4- شمای ساده شده‌ای از بلوره‌های زیست سازگار نیمه‌هادی کوارتز-کریستال

6- باقیمانده حشره‌‌کش در محصولات کشاورزی و خاک
باقیمانده حشره‌کش‌ها به دلیل سمیت بالا و خطر جدی که برای محیط و سلامت انسان دارند، یکی از مهم‌ترین نگرانی‌های بشر هستند. آنالیز حشره‌کش‌ها معمولاً با کروماتوگرافی گازی یا کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا انجام می‌گیرد؛ اما این روش‌ها نیازمند مراحل دشوار و زمان‌بر هستند. زیست‌حسگرها سریع، ساده، دارای عملکرد اختصاصی بالا و با هزینه پایین به‌منظور تشخیص حشره‌کش‌ها به کار می‌روند. مهم‌ترین اصل در توسعه این قبیل زیست‌حسگرها، مبتنی بر ارتباط بین سمیت حشره‌کش و کاهش در فعالیت زیست نشان‌گر آنزیم است. این فعالیت می‌تواند با به‌کارگیری مبدل‌های متفاوت به دست آید. حشره‌کش‌های ارگانوفسفره (اسید فسفریک به عنوان ترکیب اصلی در این دسته از سموم به حساب می‌آید) و کاربامات به‌طور انتخابی کولین استرازها را از فعالیت باز می‌دارند. آنزیم استیل کولین استراز، هیدرولیز استیل کولین را به اسید استیک و کولین کاتالیز می‌کند. بسیاری از محققین مبدل حساس به pH را برای توسعه زیست‌حسگرهای مبتنی بر آنزیم کولین استراز به‌کار برده‌اند، سنجش تغییر pH با رهایش استیک اسید در خلال واکنش آنزیمی انجام می‌گیرد [2].

7- کنترل فرآیند ایمنی غذا از لحاظ باکتری شناختی
عوامل بیماری‌های غذایی منجر به زیان‌های اقتصادی، آسیب به انسان و حتی مرگ می‌شوند. تشخیص بیماری‌زایی با استفاده از تکنیک‌های کشت و آزمایش زیستی مانند ELISA و تشخیص و شمارش عوامل بیماری‌زا در غذا به‌خوبی جا افتاده هستند. با این‌وجود این روش‌ها بسیار پیچیده و وقت‌گیر هستند. در سال‌های اخیر، انواع گوناگونی از زیست‌حسگرها توسعه‌یافته‌اند که کنترل کیفیت در فرآیند تهیه غذا را با تشخیص عوامل بیماری‌زا در عرض چند دقیقه امکان‌پذیر می‌کنند. اگر عوامل بیماری‌زا به‌وسیله زیست‌حسگرهای 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 این‌گونه زیست‌حسگرها شامل میل ترکیبی ایمنی، برای گرفتن و متمرکز شدن بر روی باکتری است. اخیراً زیست‌حسگر فلوریمتری بر اساس اتصال با آنتی‌بادی اختصاصی، برای شناسایی سم آفلاتوکسین، همچنین تکنیکی برای تشخیص جوانه‌های آلوده سیب‌زمینی به عفونت قارچی (با دقت تشخیص یک جوانه آلوده از میان 100کیلوگرم جوانه) طراحی‌شده است [2].

8- نتیجه‌گیری
برای دستیابی به کشاورزی پایدار و بهینه، استفاده از فناوری‌های به‌روز و جدید کاملاً ضروری است. در این راستا فناوری‌های بر پایه علوم نانو یکی از راهکارهای مناسب به حساب می‌آیند. از جمله مدخل‌های پرکاربرد این علم در زمینه کشاورزی، بحث نانوحسگرها است. این ابزار در ارتقای سطح مدیریت و سلامت محصولات تولیدی نقش بسزایی را ایفا می‌کنند. نانوحسگرها به پنج دسته نوری، مغناطیسی، الکتروشیمیایی، پیزوالکتریک و ترمومتری تقسیم می‌شوند، هرکدام از این پنج دسته می‌توانند با استفاده از تکنولوژی‌های خاصی از جمله نانولوله‌ها و سیلیکون‌های متخلخل نقش خود را ایفا کنند. از جمله کاربردهای این حسگرها می‌توان به تجزیه و تحلیل مواد آلوده‌کننده در محصولات کشاورزی و خاک، تشخیص بیماری‌های عفونی در احشام، اندازه‌گیری آنلاین پارامترهای مهم در تولید غذا، آشکارسازی ویروس‌ها و باکتری‌های بیماری‌زا درآب، پایش باروری حیوانات، پیش‌بینی و تشخیص بیماری‌های گیاهی، تشخیص باقیمانده سموم در گیاهان و ... اشاره کرد. نانوزیست‌حسگرها باید در زیست‌چیپ‌های کوچک ادغام شوند که این روش به‌طور فزاینده‌ای قابلیت عملکردی آن‌ها را افزایش می‌دهد؛ که نتیجه آن ابزارهای کوچک، قابل‌حمل، با قابلیت استفاده آسان، هزینه پایین و یک‌بار مصرف است. در ضمن قابل‌ ذکر است که تحقیقات در مورد استفاده از نانوزیست‌حسگرها در کشورمان کمتر صورت گرفته است. بسترهای مناسبی جهت تحقیق و توسعه در این زمینه به کمک مراکزی نظیر پژوهشکده زیست‌فناوری کشاورزی فراهم است که می‌توان در جنبه‌های مختلف آن فعالیت کرد.