فناوری بیوحسگر به عنوان یک علم نوین، جایگزین قدرتمندی برای تکنیک‌های آنالیز مرسوم در عرصه علوم کشاورزی است. حساسیت و انتخاب‌گری بیوحسگرها امکان توسعه ابزارهای مخصوص برای آنالیز آنی مخلوط‌های پیچیده را بدون نیاز به آماد‌ه‌سازی، با مقدار کم نمونه فراهم می‌کند. حساسیت و ویژگی‌های بیوحسگرها با استفاده از نانومواد در ساختارشان بهبود یافته و استفاده از نانومواد در حسگرها، باعث انقلابی در زمینه‌های آنالیز شیمیایی و زیستی شده است، که امکان آنالیز سریع مواد چندگانه را در شرایط زنده نیز فراهم می‌کند. نانوبیوحسگرها می‌توانند نقش مهمی را به عنوان ابزار آنالیزی دقیق در زمینه تشخیص کشاورزی، برای سنجش سریع و با هزینه پائین در موقعیت‌های صحرایی (مانند: تشخیص ویروسPRRSV در بنادر)، فراهم کنند. تحقیق و توسعه این قبیل حسگرها بیشتر در زمینه سلامت،کاربردهای محیطی و صنعت غذاست، از جمله آن‌ها می‌توان به تشخیص سم آفلاتوکسین و تشخیص آلودگی جوانه سیب‌زمینی، به عوامل عفونت‌زای قارچی (بادقت تشخیص 1 جوانه، دربین 100 کیلوگرم سیب‌زمینی)، اشاره کرد. آنالیز مواد آلوده‌کننده در محصولات کشاورزی و خاک، تشخیص بیماری‌های عفونی در احشام، اندازه‌گیری آنلاین پارامترهای مهم در تولید غذا، آشکارسازی ویروس‌ها و باکتری‌های بیماری‌زا در آب آشامیدنی (با استفاده از بیوحسگرهای LSPR)، پایش باروری حیوانات و اسکرینینگ داروها، از دیگر جنبه‌های کاربرد بیوحسگرهاست.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1. مقدمه
2. بررسی
1.2. انواع بیوحسگرها (بر اساس روش انتقال سیگنال)
1.1.2. بیوحسگرهای نوری
2.1.2. بیوحسگرهای مغناطیسی
3.1.2. بیوحسگرهای الکتروشیمیایی
4.1.2. بیوحسگرهای پیزوالکتریک
2.2. برخی نانوساختارهای مورد استفاده در نانوبیوحسگرها و کاربرد آن‌ها
1.2.2. نانوذرات
2.2.2. نقاط کوانتومی
3.2.2. نانولوله‌های کربنی
4.2.2. سیلیکون متخلخل
3.2. باقیمانده حشره‌کش در محصولات کشاورزی و خاک
4.2. کنترل فرایند – ایمنی غذا از لحاظ باکتری‌شناختی
نتیجه‌گیری
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 [شکل 1](1). در این 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 و در ساختارشان بهبود می‌یابد [4]. نانومواد، ماتریس‌هایی هستند که حداقل یکی از ابعادشان 1 تا 100 نانومتر باشد. این مواد، به دلیل نسبت سطح به حجم بالا، خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی از خود نشان می‌دهند [5و6]. در این مقاله انواع نانوبیوحسگرها و نانوساختارهای به کار رفته در ساخت آن‌ها، به همراه کاربردهای گوناگون آن‌ها، به ویژه از جنبه کشاورزی مورد بحث قرار می‌گیرند.
2. بررسی
بیوحسگر به عنوان ابزار آنالیزی متراکم توصیف می‌شود، با شرکت عنصر حسی زیستی یا تقلید شده زیستی که به صورت نزدیک، با سیستم مبدل در تماس بوده یا روی آن سوار شده است. مبنای تشخیص بر اختصاصیت تماس ماده 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 کار رفته در بیوحسگرها عبارتند از انواع: نوری، الکتروشیمیایی، پیزوالکتریک، ترمومتری و غیره. بیوحسگرها را می‌توان با توجه به نوع عنصر زیستی، نحوه عملکرد مبدل و کاربرد آن‌ها دسته‌بندی 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 امکان‌سنجی کاربردشان در بیوحسگر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. از بین این‌ها، نانوذرات و نانولوله‌های کربنی بیشتر و 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، الکتروشیمیایی، پیزوالکتریک و ترمومتری [7].
1.2. انواع بیوحسگرها (بر اساس روش انتقال سیگنال)
1.1.2. بیوحسگرهای نوری
افزایش رزونانس نانوخوشه‌های فلز، باعث پیوند سطحی با تداخل تشخیص زیستی شده، که به عنوان روشی مؤثر برای استفاده در ابزارهای حسگری زیستی نوری است. نانوذرات طلا به عنوان کلاس جدیدی از مواد فلورسانس، برای توسعه بیوحسگرهای نوری برای تشخیص و شناسایی توالی‌های منحصر به فرد DNA به کار می‌روند [2]. حسگرهای نوری که دارای نقاط کوانتومی در ساختمان خود هستند، می‌توانند به منظور اندازه‌گیری عوامل بیماری‌زا مانند کلراتاکسین در آب به کار روند [10].
2.1.2. بیوحسگرهای 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 [2و5]. نانوحسگرهای حاوی ذرات مغناطیسی جهت آشکارسازی سموم مصرفی کشاورزی، با استفاده از نانوذرات مغناطیسی عامل‌دار شده با آنتی بادی‌ها به کار می‌روند [10].
3.1.2. بیوحسگرهای الکتروشیمیایی
این حسگرها، قدیمی‌ترین نسل از بیوحسگرها هستند و معمولاً از نانوذرات فلزی ساخته می‌شوند. بسیاری از مولکول‌های زیستی می‌توانند با نانوذرات فلزی نشانه‌گذاری شوند، بدون این که بر فعالیت زیستی‌شان تأثیر بگذارد [2و11]. ایمونوحسگر الکتروشیمیایی برای شناسایی سم کلرا (وبا) با استفاده از نانولوله‌های کربنی پوشش داده شده با پلی (3و4 اتیلن دی اکسی تیوفن) ساخته شده است [12].
4.1.2. بیوحسگرهای پیزوالکتریک
این حسگرها بر پایه اندازه‌گیری تغییر فرکانس استوار هستند [2] (شکل 2). بیوحسگرهای پیزوالکتریک ابزار ایده‌آلی برای تشخیص بیماری‌های حیوانی هستند. Su و همکارانش، 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].
2.2. برخی نانوساختارهای 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 داشته و حساسیت بالایی نسبت به محیط اطرافشان دارند، برای ساخت نسل جدیدی از نانوحسگرهای نوری مورد استفاده قرار می‌گیرند [13].
بیوحسگرهای LSPR یا (Localized Surface Plasmon Resonance) نیز می‌توانند برای آشکارسازی باکتری‌ها و ویروس‌های موجود در آب آشامیدنی به کارروند [10].
بیوحسگرهای LSPR یا (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، نانوبلورهای نیمه‌رسانایی هستند که در ساخت حسگرهای نوری مبتنی بر اندازه‌گیری فلورسانس به کار می‌روند [14]. نقاط کوانتومی کاربرد عملی برای تشخیص عوامل بیماری‌زا و سموم پیداکرده‌اند [15].
3.2.2. نانولوله‌های کربنی
نانولوله‌های کربنی خصوصیات منحصر به فردی دارند از جمله: خواص الکترونیک ویژه و نسبت سطح به وزن بالایی؛ اغلب از این ناحیه سطحی برای هر دو منظور الکتروشیمیایی و تثبیت زیست‌مولکول‌ها استفاده می‌شود [16و17]. نانولوله‌های کربنی، به عنوان اساس بیوحسگرهای الکتروشیمیایی لومینسانس (ECL) توصیف شده‌اند. همچنین قابلیت و پتانسیل مناسب نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره، آن‌ها را برای کاربرد درساختارهای MEMS (Micro Electro Mechanical System) مناسب می‌سازد [18]. نانولوله‌های کربنی به طور گسترده‌ای برای تشخیص گازهای گلخانه‌ای در زمینه پایش محیط به کار می‌روند [10].
4.2.2. سیلیکون متخلخل
سیلیکون متخلخل کاربرد گسترده‌ای در بیوفیلترها دارد، ضمن این که از زمان کشف خاصیت لومینسانس، به دلیل قابل رؤیت بودن در دمای اتاق، امکان استفاده از آن‌ها در بیوحسگر فراهم شده است. سیلیکون متخلخل به عنوان مبدل تداخل‌سنج نوری، برای تشخیص مولکول‌های آلی کوچک در غلظت‌های پیکو و فمتومولار بهکار می‌رود [2]. همچنین مواد آلاینده‌ای نظیر یون‌های فلزی در نمونه‌های آبی به وسیله آن قابل تشخیص هستند [10].
3.2. باقیمانده حشره‌کش در محصولات کشاورزی و خاک
باقیماندن حشره‌کش‌ها، به دلیل سمیت بالا و خطر جدی که برای محیط و سلامت انسان دارد، یکی از مهم‌ترین نگرانی‌های بشر است. آنالیز حشره‌کش‌ها معمولاً با کروماتوگرافی گازی یا کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا انجام می‌گیرد؛ اما این روش‌ها نیازمند مراحل دشوار بوده و زمان‌بر هستند. بیوحسگرها به دلیل نیاز به تکنیک‌های سریع، ساده، اختصاصیت بالا و با هزینه پائین، به منظور تشخیص حشره‌کش‌ها به کار می‌روند. مهم‌ترین اصل در توسعه این قبیل بیوحسگرها، ارتباط بین سمیت حشره‌کش و کاهش در فعالیت بیومارکر آنزیم است. این فعالیت می‌تواند با به کارگیری مبدل‌های متفاوتی به‌دست آید. حشره‌کش‌های ارگانوفسفر و کربامات، به طور انتخابی کولین استرازها را از فعالیت باز می‌دارند. آنزیم استیل کولین استراز (AChE)، هیدرولیز استیل کولین را به اسید استیک و کولین کاتالیز می‌کند. بسیاری از محققین مبدل حساس به pH را برای توسعه 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 باکتری‌شناختی
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 جاافتاده است. با این وجود، این روش‌ها بسیار پیچیده و وقت‌گیر هستند. در سال‌های اخیر، انواع گوناگونی از بیوحسگرها توسعه یافته‌اند که کنترل کیفیت در فرآیند تهیه غذا را با تشخیص عوامل بیماری‌زا در عرض چند دقیقه امکان‌پذیر می‌کنند. اگر عوامل بیماری‌زا به وسیله 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 متمرکز شدن بر روی باکتری. اخیراً بیوحسگر فلوریمتری بر اساس اتصال با آنتی‌بادی اختصاصی، برای شناسایی سم آفالتوکسین، همچنین تکنیکی برای تشخیص جوانه‌های آلوده سیب‌زمینی به عفونت قارچی (با دقت تشخیص یک جوانه آلوده از میان 100 کیلوگرم جوانه) طراحی شده است [7].
نتیجه‌گیری
نانوبیوحسگرها باید در بیوچیپ‌های کوچک ادغام شوند که این روش، به طور فزاینده‌ای قابلیت عملکردی آن‌ها را افزایش می‌دهد؛ که نتیجه آن ابزارهای کوچک، قابل حمل، با قابلیت استفاده آسان، هزینه پائین و یک‌بار مصرف است. در ضمن 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 پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی فراهم شده است که می‌توان در جنبه‌های مختلف آن فعالیت کرد.
منابـــع و مراجــــع
۱ – P Leonard, S Hearty, J Brennan, L Dunne, J Quinn, Advances in biosensors for detection of pathogens in foodwater, EnzymeMicrobial Technology, 32, (2003).
۲ – CH Jianrong, M Yuqing, He Nongyue, Wu Xiaohua, Li Sijiao, Nanotechnologybiosensors, Biotechnology Advances, 22, (2004).
۳ – KK Jain, Nanodiagnostics: application of nanotechnology in molecular diagnostics, Expert reviews, Vol.3, No.2, (2003).
۴ – R.H Hall, Biosensor technologies for detecting microbiological foodborne hazards, MicrobesInfection, 4, (2002).
۵ – T Kubik, K Bogunia-Kubik, M Sugisaka, Nanotechnology on Duty in Medical Applications, Pharmaceutical Biotechnology, Vol.6, No.1, (2005).
۶ – J Wang, Nanomaterial-based electrochemical biosensors, Analyst, 130, (2005).
۷ – MN Velasco-Garcia, T Mottram, Biosensor Technology addressing Agricultural Problems, Biosystems Engineering, 84, (2003).
۸ – S K Sharma, N Sehgal, A Kumar, Biomolecules for development of biosensors, Current Applied Physics, 3, (2003).
۹ – J Castillo, S Gáspár, S Leth, M Niculescu, A Mortari, I Bontidean, et al, Biosensors for life quality Design, developmentapplications, SensorsActuators B, 102, (2004).
۱۰ – J Riu, A Maroto, F Xavier Rius, Nanosensors in environmental analysis, Talanta, 69, (2006).
۱۱ – P T Kissinger, Biosensors—a perspective, BiosensorsBioelectronics, 20, (2005).
۱۲ – M Pumera, S Sanchez, I Ichinose, J Tang, Electrochemical nanobiosensors, Sensors& Actuators B, 123, (2007).
۱۳ – A J Haes, R P Van Duyne, A nanoscale optical biosensor, J.Am.che.Soc. 5221, (2002).
۱۴ – D Ericson, Nanobiosensors, optofluidic, electricalmechanical approaches, Microfluid Nanofluidics, 4, (2008).
۱۵ – T Jamieson, R Bakhshi, D Petrova, R Pocock, Mo Imani, A M Seifalian, Biological applications of quantum dots, Biomaterials, 28, (2007).
۱۶ – W Yang,P Thordarson, J J Gooding, S P Ringer, F Braet, Carbon nanotubes for biologicalbiomedical applications, 18, (2007).
۱۷ – S G Wang, Q Zhang, R Wang, S.F. Yoon, A novel multi-walled carbon nanotubes-based biosensor glucose detection, BiochemicalBiophysical Research Communications, 311, (2003).
۱۸ – C Hierold, A Jungen, Ch Stampfer, T Helbling, Nano electromechanical sensors based on carbon nanotubes, SensorsActuators A, 136, (2007).
۱۹ – GK Knopf, A S Bassi, Smart biosensor technology, Taylor & Francis Group(2007).
