نانوحسگرهای تشخیص سموم‌کشاورزی

 

 

  • فناوری نانو

فناوری نانو قابلیت مشاهده، دست کاری و مهندسی در مقیاس اتمی‌و مولکولی است. بر این اساس می‌توان خصوصیات مطلوب یک ماده را چندین برابر نمود و خصوصیات غیرمطلوب را حذف کرد؛ لذا محصول نهایی بدست آمده با این روش دارای خصوصیاتی منحصر به فرد و با کارآیی بالا است. همچنین بسیاری از ساختارهایی که با فناوری نانو ارائه می‌شوند، می‌توانند خصوصیات ویژه‌ای را نمایان سازند که تاکنون در طبیعت وجود نداشته است. بهره گیری از این علم جدید می‌تواند، راهگشای بسیاری از نیازهای جوامع بشری باشد.

( تصویر تنها جهت استفاده گرافیست)

  • حسگر

حسگر یا سنسور[1] در حقیقت، ابزار و یا ماده‌ای است که بتوان با آن یک یا چند پدیده فیزیکی یا شیمیایی خاص را  بر اساس ایجاد یک سیگنال ویژه تشخیص داد. در حسگرهای شیمیایی معمولا می‌توان به حضور و یا عدم حضور یک گونه (که با نام تخصصی آنالیت[2]  شناخته می‌شود) و یا به غلظت (مقدار) آن پی برد.  در این مورد، یا حسگر به صورت کیفی (تشخیص نوع ماده و حضور یا عدم حضور آن)، و یا به صورت کمی‌ (تشخیص مقدار ماده مورد نظر و دوز آن) مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی حسگرها بسیار حساس هستند و می‌توانند تا مقادیر بسیار پایین از مواد را تشخیص دهند. همچنین برخی قابلیت اندازه گیری همزمان چندین عامل شیمیایی را با دقت بالا دارا می‌باشند.

 

  • خطرات استفاده بیش از حد آفت‌کش‌ها و ارگانوفسفات‌ها[3]

استفاده بیش از حد آفت‌کش‌ها و ترکیبات آلی فسفردار، مشکلات گسترده‌ای را در زمینه سلامت در‌کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه به وجود آورده است.  آفت‌کش‌ها می‌توانند اثرات کوتاه‌مدت و دراز‌مدت بر سلامت انسان داشته باشند. کسانی که به طور مستقیم با آفت‌کش‌ها کار می‌کنند، ممکن است در معرض مشکلات مختلفی همچون سوزش و قرمزی چشم، اختلال در عملکرد سیستم تنفسی، حساسیت‌های پوستی شوند و حتی در مسمومیت‌های شدید، ممکن است منجربه مرگ گردد.  همچنین آفت‌کش‌ها می‌توانند در آب، خاک و محصولات‌کشاورزی باقی بمانند و تاثیرات دراز مدت مثل سرطان و یا جهش ژنتیکی را منجر شوند.

( تصویر تنها جهت استفاده گرافیست)

  • پایش و کنترل سموم‌کشاورزی

به دلیل افزایش جمعیت در جهان، نیاز به تولید محصولات‌کشاورزی روز به روز افزایش پیدا می‌کند و به دنبال آن مصرف آفت‌کش‌ها به طور بی‌سابقه‌ای افزایش یافته است. برای مدیریت مصرف سموم‌کشاورزی، آژانس حفاظت محیط زیست[4] اندازه‌گیری و کنترل آفت‌کش‌ها در سطوح مختلف را تعیین کرده است. این تنوع آنالیز‌ها جهت اندازه گیری در نمونه‌های متفاوت محیط‌زیستی، پتانسیل بسیار گسترده‌ای برای ساخت حسگرهای متفاوت ایجاد نموده است.  به طور کلی، کنترل و پایش آفت‌کش‌ها و ارگانوفسفات‌ها در سه بخش تقسیم بندی می‌شوند که شامل سموم موجود در آب و خاک، سموم موجود بر روی گیاه و سموم موجود در محصولات‌کشاورزی و غذایی می‌باشد (شکل 1).

شکل 1 : تقسیم بندی ابعاد کلی پایش سموم‌کشاورزی

  • سموم موجود در آب و خاک: مصرف بیش از حد آفت‌کش‌ها، باعث می‌شود که مقادیر اضافی سموم وارد خاک شود و با گذشت زمان و بارش باران به آب رودخانه، دریاچه‌ها و منابع آب زیرزمینی راه پیدا کند. این سموم می‌تواند منجربه از بین رفتن و آلوده شدن آبزیان گردد، همچنین وارد سیستم آب آشامیدنی شده و اثرات زیانباری برای سلامت انسان ایجاد ‌کند.

( تصویر تنها جهت استفاده گرافیست)

 

  • سموم باقی مانده بر روی گیاهان: سموم مازاد، معمولا در نقاط مختلف گیاه مثل ساقه و برگ باقی می‌ماند. علاوه برآنکه در دراز مدت، سموم‌کشاورزی بر رشد برخی از گیاهان تاثیرات منفی بر‌جای می‌گذارد، این سموم می‌توانند باعث نابودی حشرات مفید و گرده افشان از جمله زنبورها شوند. وجود سموم اضافی بر روی گیاهان، آسیب جدی بر صنعت زنبورداری وارد می‌کند. همچنین بسیاری از گیاهان به عنوان علوفه دام مورد استفاده قرار می‌گیرند که می‌تواند به سلامت دام آسیب برساند.

( تصویر تنها جهت استفاده گرافیست)

 

  • سموم باقی مانده در محصولات‌کشاورزی و مواد غذایی: سم‌پاشی‌های مکرر و برداشت سریع محصول پس از سم‌پاشی، محصولات‌کشاورزی و سبزیجات آلوده به آفت‌کش‌ها را روانه بازار می‌کند. اکثر سموم به دلیل مصارف بیش از حد، به داخل میوه و سبزیجات نفوذ کرده و با شستن از بین نمی‌روند. مصرف این مواد خوراکی، سلامت انسان را به شدت تحت تاثیر قرار خواهد داد و هزینه‌های گزافی به بخش سلامت و درمان وارد می‌کند.

 

( تصویر تنها جهت استفاده گرافیست)

 

 

  • نانوحسگرهای پایش کننده سموم کشاورزی

بیشتر روش‌های مرسومی‌که برای تشخیص سموم و آفت‌کش‌ها به کار می‌روند روش‌های کروماتوگرافی[5] مثل HPLC[6] و [7]GC می‌باشد. این روش‌ها بسیار گران قیمت هستند، نیاز به آزمایشگاه و نیروی متخصص دارند و همچنین زمان این آزمایشات طولانی می‌باشد.  این مسائل باعث خواهد شد که نظارت بر محصولات دشوار باشد. امروز فناوری نانو به کمک حسگرها آمده است و استفاده از آن جهت تشخیص و اندازه گیری سموم می‌تواند زمان پاسخ‌دهی را کوتاه کرده و به صورت قابل حمل نمونه‌ها را آنالیز کند. عملکرد این نانو حسگرها می‌تواند بر مبنای روش‌های الکتروشیمیایی[8] و یا نوری[9] استوار باشد. در روش‌های الکتروشیمیایی، بر اثر اکسایش و کاهش و انتقال الکترون در سطح الکترود، مقادیر آفت‌کش‌ها قابل ردیابی است. در روش‌های نوری معمولا آفت‌کش‌ها با نانو ذرات فلزی و یا نقاط کوانتومی[10] بر‌هم‌کنش داشته و از طریق ایجاد طیف‌های مختلف نوری قابل ردیابی است.

( تصویر تنها جهت استفاده گرافیست)

 

 

 

  • روند فناوری نانو حسگرها در پایش سموم‌کشاورزی

شناسایی و اندازه‌گیری غلظت آفت‌کش‌ها و ارگانوفسفات‌ها  از دو روش انجام گیرد: 1- روش‌های مبتنی بر الکتروشیمی‌که منجربه تولید محصولات تراشه‌های نانویی گردیده است. 2-  روش‌های مبتنی بر طیف سنجی[11] که با کمک نانو مواد، سیگنال‌های لازم جهت اندازه‌گیری کمّی ‌و کیفی را در اختیار قرار می‌دهد. در روش ‌های الکتروشیمیایی، تغییراتی الکتریکی در بخش حساس حسگر (در اثر اتصال فیزیکی-شیمیایی مولکول سم) ایجاد می‌شود. در روش طیف سنجی، تغییرات در قالب تغییر برهمکنش نور با سطح (مثل تغییر در جذب و بازتابش نور و گاه تغییر رنگ ماده فعال) خود را نشان می‌دهد. براساس برآیند پژوهش‌های صورت گرفته جهت پایش آفت‌کش‌ها، بیشتر پژوهش‌ها بر مبنای روش‌های پلاسمونیک[12] (یکی از روش‌های طیف سنجی برپایه نانومواد ساخته شده از فلزات نجیب مثل طلا و نقره) بوده و بعد از آن، روش‌هایی  بر اساس خواص الکتریکی سطح را شامل می‌شود. در توضیح روش‌های پلاسمونیکی می‌توان گفت که، ذرات نانویی فلزی مثل نانوذرات نقره و طلا با رنگ های منحصربفرد خود شناخته می‌شوند. می‌توان سطح این ذرات را به صورتی مهندسی نمود، که بر اثر وجود گونه‌های سمی مورد نظر، ماده تغییر ساختار داده و تغییر رنگ دیده شود (شکل 2 الف). در حسگرها چنین تغییرات رنگی به‌جای آنکه با چشم غیر مسلح دیده شوند، با ابزار دقیق اپتوالکترونیکی پایش شده و پاسخ به صورت سیگنال الکتریکی یا نهایتا یک عدد به کاربر گزارش می‌شود. همچنین گاه در نانوذرات دیگری که با نام نقاط کوانتمی شناخته می‌شوند، نشر نور دیده می‌شود (شکل 2 ب). شدت و طول موج تابش نور در این ذرات می‌تواند نشانگر حضور یا عدم حضور و غلظت گونه سمی مورد نظر باشد. سیگنال‌های دریافت شده مجددا توسط آشکارسازها و پردازنده‌ها به کاربر انتقال داده می‌شود.

 

شکل 2: الف) تغییر رنگ نانوذرات طلا بر اثر حضور گونه سمی مورد نظر، ب) طیف گسترده فلورسانسی نقاط کوانتمی که بر اثر حضور یا عدم حضور گونه سم شدت آن متفاوت است.

به نظر می‌رسد که مراکز تحقیق و توسعه صنایع، جهت تولید نانوحسگرهای مدنظر، بیشتر از نانو ذرات فلزات نجیب[13]و نقاط کوانتومی (بیشتر در قالب حسگرهای نوری)، همچنین نانولوله کربنی[14] و گرافن[15] (به دلیل رسانش الکتریکی بالا و ساختار ویژه به‌صورت عمده در ساخت حسگرهای الکتروشیمیایی) استفاده کرده‌اند. جدول 1 برخی از پایش آفت‌کش‌ها با استفاده از نانو‌حسگر‌های الکتروشیمیایی را نشان می‌دهد.

 

جدول 1 : نانوحسگر الکتروشیمیایی جهت اندازه گیری آفت‌کش‌ها [4]

نوع آفت‌کش مواد مورد استفاده در حسگر حد تشخیص
۵٬۴٬۲-تری‌کلروفنوکسی‌استیک اسید[16] نانوکاپوزیت پلی‌و‌تولوئیدن[17] زیرکونیم فسفات  µM 1
فنیتروتیون[18]  موجود در آب کامپوزیت نافیون[19] و نانو ذرات اکسید تیتانیم µM 13/0
متیل پاراتیون [20] در آب نانو اکسید زیرکونیم، گرافیت و پارافین ng/mL2
متیل پاراتیون در کلم و اسفناج کامپوزیت نافیون و نانوذرات طلا M 7-10
فناتیمیون[21] و استامی‌پرید[22] در آب کامپوزیت نانو اکسیدزیرکونیم و نانو ذرات طلا ng/mL 3
پارتیون[23] در سبزیجات نانو اکسید تیتانیم بر روی کربن شیشه‌ای M 8-10

 

 

  • ترکیب زیست‌حسگرها[24] با فناوری نانو (نانوزیست حسگرها[25]) جهت پایش سموم‌کشاورزی

حسگر زیستی متشکل از یک جزء زیستی نظیر سلول، آنزیم، آنتی بادی و اسید نوکلئیک است. اجزای زیستی نامبرده شده به صورت کاملا گزینشی با مولکول های دیگر ارتباط برقرار می‌کنند. حاصل تغییرات ایجاد شده بر اثر اتصال مولکول به گیرنده زیستی توسط یک مبدل (مثلا یک تغییر نوری یا الکتریکی) تشخیص داده‌شده و شدت آن به یک کمیت یا عدد تبدیل می‌شود. با نانویی شدن حسگرها، توانایی مهندسی چنین نانو-زیست‌ساختارهایی ارتقا یافته است. با پیشرفت‌های صورت گرفته در عرصه فناوری نانو و ترکیب آن با زیست‌حسگرها، طراحی و توسعه حسگرهای زیستی با تحولی شگرف مواجه شده است که امکان آنالیز سریع مواد چندگانه را فراهم می‌کند. نانو زیست‌حسگرها می‌توانند نقش مهمی‌ را به عنوان ابزار آنالیز دقیق و سریع آفت‌کش‌ها  ایفا کنند. بر اساس روش انتقال سیگنال، نانو زیست‌حسگرها را می‌توان به گروه‌های نانو زیست‌حسگر‌های نوری[26]، نانو زیست‌حسگرهای الکتروشیمیایی[27]، نانو زیست‌حسگرهای پیزوالکتریک[28]، نانو زیست‌حسگرهای ترمومتری[29]، نانو زیست‌حسگرهای میکروکانیکی[30]، نانو زیست‌حسگر‌ مغناطیسی[31]، نانو زیست‌حسگرهای زیست‌تاب[32] و شیمی‌تاب[33] تقسیم کرد ( شکل 3).

شکل 3 : تقسیم بندی نانوزیست‌حسگرها بر اساس نوع مبدل [5]

  • نانو زیست‌حسگرهای الکتروشیمیایی و نوری:

از میان نانو زیست‌حسگرهای تشخیص دهنده آفت‌کش‌ها، نانو زیست‌حسگرهای الکتروشیمیایی و نوری بیش از سایر موارد مورد توجه و سرمایه گذاری واقع شده است.  زیست حسگرهای نوری بیشتر مبتنی بر روش‌های  رنگ سنجی[34]  و فلوئورسانس[35] می‌باشد. مکانیسم عمل چنین حسگرهایی در شکل 2 آورده شده است. نقاط کوانتومی‌به دلیل خواص فلوئورسانس کنندگی و یا نانوذرات فلزات کم‌یاب به دلیل خاصیت رزونانس پلاسمون سطحی[36] که دارند می‌توانند در حضور آنتی ژن و یا آنتی بادی و آنزیم با آفت‌کش‌ها برهمکنش داده و به دلیل تغییرات در اندازه و شرایط سطح نانو ذرات، رنگ و یا تابش فلوئورسانس تغییر کند. با دنبال کردن این تغییرات می‌توان به ماهیت و غلظت آفت‌کش پی برد (شکل 4).

شکل 4 : محلول نمونه برروی کاغذ قرار داده می‌شود و با پیشروی آن، نقاط کوانتومی‌به آفت‌کش‌ها متصل شده و در ادامه آفت‌کش‌های مد نظر در مکانی که آنتی بادی‌ها تعبیه شده است متوقف می‌شوند و میزان فلئورسانس در مکان  قرار گیری آنتی بادی‌ها ارزیابی می‌گردد [6].

 

در روش‌های الکتروشیمیایی، الکترود‌ها را با نانومواد اصلاح می‌کنند، همچنین سطوح نانو ذرات با مولکول‌های زیستی نشانه‌گذاری می‌شود. در سطوح الکترود‌ها فعالیت‌های آنزیم بر اثر برهمکنش با آفت‌کش‌ها وجود خواهد داشت و این برهمکنش‌ها نشانه‌های الکتریکی قابل ردیابی مثل تغییرات جریان، ولتاژ و مقاومت الکتریکی ایجاد می‌کند (شکل 5). روش‌های الکتروشیمیایی از قدیمی‌ترین نسل‌های فناوری زیست‌حسگرها به شمار می‌روند. جدول 2  عملکرد برخی از نانو زیست حسگرهای پایش کننده سموم‌کشاورزی را نشان می‌دهد.

شکل 5 : قرار گرفتن نانو ذرات طلا روی گرافن و نشاندن آنزیم‌های [37]AChE جهت فراهم آوردن برهمکنش‌های آنزیمی‌با آفت‌کش‌ها و ایجاد جریان الکتریکی [6].

جدول 2: اندازه گیری آفت‌کش‌ها با استفاده از نانو زیست‌حسگرها  [7]

نوع آفت‌کش مبدل کمترین غلظتی که می‌توان تشخیص داد[38] (M) نمونه مورد آزمایش زمان پاسخ دهی
کارباریل دی‌کلروس[39] نوری 7-10 × 4/5 آب 12 دقیقه
متیل پاراتیون الکتروشیمیایی 10-10  ×1 آب 15 دقیقه
پاراکسون[40] نوری 11-10  ×1 میوه —-
مونوکروتوفوس[41] الکتروشیمیایی 9-10  ×1 سیر 10 دقیقه
کلروپیروفس[42] الکتروشیمیایی 12-10  ×5 شیر 2 دقیقه

 

  • بازار نانو حسگرهای سموم‌کشاورزی

به دلیل توجه به بحث سلامت، سیاست‌های‌کشورها به سمت نظارت بر تولید محصولات‌کشاورزی سالم‌تر پیش می‌رود. امروزه در بسیاری از‌کشورها، آزمایش‌های سم شناسی برای محصولات‌کشاورزی اجباری می‌باشد. به نظر می‌رسد که با ورود نانوحسگرهای ارزان و قابل حمل، اندازه گیری آفت‌کش‌ها در باغ‌ها و زمین‌های‌کشاورزی مورد توجه واقع گردد. همچنین بحث کنترل مصرف سموم توسط‌کشاورزان و نظارت آنلاین بر آن، جهت جلوگیری از آلودگی منابع آب و خاک، بسیار مورد اهمیت دولت‌ها می‌باشد. بنا بر پیش‌بینی موسسه Nanomarkets، بازار نانوحسگرهای آفت‌کش‌ها و ارگانوفسفات‌ها از سال 2017 جایگاه خود را پیدا خواهد کرد و بازار محصولات در سال 2021، به مقدار 4/25 میلیون دلار خواهد رسید ( شکل 6).

 

شکل 6 : بازار محصولات نانوحسگرهای پایش کننده آفت‌کش‌ها [8]

 

  • شرکت‌های فعال در حوزه نانو حسگرهای سموم‌کشاورزی

شرکت  Nano Engineered Applications، یکی از شرکت‌های پیشرو در زمینه تولید نانوحسگرهای تشخیص دهنده مواد سمی‌در محصولات غذایی، سبزیجات و نوشیدنی‌ها می‌باشد [9 و10] (شکل 7). محصول این شرکت می‌تواند در صنایع غذایی و سازمان‌های کنترل سلامت غذا مورد استفاده واقع گردد.

شکل 7 : نانوحسگر جهت کنترل سلامت غذا، ساخت Nano Engineered Applications

محققان دانشگاه UCR  نانوزیست حسگرهایی تولید کرده‌اند که می‌تواند انواع مختلفی از آفت‌کش‌ها را تشخیص دهد. محققان این دانشگاه امیدوارند این نانوحسگرها را سریعتر به بازار معرفی کنند تا بتوان برای صنایع آب، غذا، دارو و محیط زیست مورد استفاده قرار دهند [11].  همچنین محققان چینی و آمریکایی، سیستمی‌ مبتنی بر نانوحسگر طراحی کرده‌اند که می‌تواند انواع مختلفی از ارگانوفسفات‌ها را به صورت قابل حمل و در کمترین زمان اندازه گیری نماید (شکل 8) [12].

شکل 8 : نانو زیست‌حسگر الکتروشیمیایی پایش کننده آفت‌کش‌ها

 

  • فعالیت‌ها و پژوهش‌های صورت گرفته در ایران

هر چند که هنوز در ایران، شرکت‌های تولید کننده نانو حسگرهای تشخیصی آفت‌کش‌ها معرفی نشده اند؛ اما در زمینه پژوهش نانو حسگرها، پیشرفت‌های خوبی صورت گرفته است. به عنوان مثال پژوهشگران دانشگاه محقق اردبیلی با ساخت نانوجاذب‌های هیدروفوب موفق به اندازه‌گیری فنیتروتیون[43] در نمونه‌های متعدد خاک، آب، پلاسما و غیره شدند. فنیتروتیون یک حشره‌کش – جونده‌کش است که به مقدار بسیار زیادی در مزارع و‌کشتزارها مورد استفاده قرار می‌گیرد. نتایج این طرح و شیوه کار در این تحقیق می‌تواند در‌کشاورزی، صنایع شیمیائی، بهداشت و محیط زیست کاربرد داشته باشد [13]. البته تجهیزات مربوط به روش‌های معمول اندازه گیری سموم مثل روش کروماتوگرافی گازی در کشور هم اکنون توسط شرکتی بنام طیف گستر فراز وارد بازار شده است [14]. این محصول می‌تواند جهت اندازه گیری سموم باقی مانده در محصولات کشاورزی و غذایی، در بسیاری از مراکز سم‌شناسی مورد استفاده قرار گیرد.

شکل 9 : کروماتوگرافی گازی شرکت محصول شرکت طیف گستر فراز [14]

 

 

  • جمع بندی

به دلیل نگرانی‌هایی که در مورد باقی ماندن سموم‌کشاورزی در آب، خاک و غذا وجود دارد، لازم است روش‌هایی ارائه شود که بتوان آفت‌کش‌ها را در همه مکان‌ها، شرایط و با سرعت زیاد اندازه گیری کرد. کنترل مصرف سموم توسط‌کشاورزان و تشخیص به موقع محصولات آلوده، می‌تواند بر سلامت جامعه تاثیر بگذارد. فناوری نانو این امکان را می‌دهد که حسگرهایی با حساسیت بالا و هزینه کمتر را تولید کرد تا بتوان گستره نظارت بر آفت‌کش‌ها را افزایش و بهبود داد.

 

 

[1] Sensor

[2] Analyte

[3] Organophosphates

[4] Environmental Protection Agency

[5] Chromatography

[6] High-performance liquid chromatography

[7] Gas chromatography

[8] Electro-chemical

[9] Optical

[10] Quantum dot

[11] Spectroscopy

[12] Plasmonics

[13] Noble metals

[14] Carbon Nanotube

[15] Graphene

[16] 2,4,5-Trichlorophenoxyacetic acid

[17] Poly-o-toluidine

[18] Fenitrothion

[19] Nafion

[20] Methyl Parathion

[21] Fenamithion

[22] Acetamiprid

[23] Parathion

[24] Biosensor

[25] Nano Biosensor

[26] Optical

[27] Electrochemistry

[28] Piezoelectric

[29] Thermometric

[30] Micromechanical

[31] Magnetic

[32] Bioluminescent

[33] Chemiluminescence

[34] Colorimetric

[35] Fluorescence

[36] Surface plasmon resonance

[37] Acetylcholinesterase

[38] Detection limit

[39] Carbaryl Dichlorvos

[40] Paraoxon

[41] Monocrotophos

[42] Chlorpyrifos

[43] Fenitrothion

 

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

  • احسان فریدی

کارشناس ارشد شیمی‌تجزیه

  • محسن سروری

دکتری شیمی‌تجزیه دانشگاه شیراز

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================