نانوحسگرهای تشخیص تهدیدات بیولوژیکی

نانوحسگرهای[1] تشخیص تهدیدات بیولوژیکی[2]

 

 

1. فناوری نانو

فناوری نانو که به عنوان مهندسی و هنر دستکاری مواد در مقیاس نانو (۱۰۰-۱ نانومتر) شناخته می‌شود که پتانسیل نانو‌مواد[1] را در بخش‌های مختلف به نمایش می‌گذارد. یکی از اصلی‌ترین مزایای فناوری نانو، بر اساس این حقیقت استوار است که این فناوری می‌تواند ساختار اساسیِ مواد را در ابعاد نانو و برای دستیابی به خواصی ویژه، کنترل و بهینه سازی نماید. یکی از جنبه‌های کاربردی فناوری نانو، استفاده از آن جهت تشخیص و اندازه­گیری ترکیبات مختلف، به ویژه ترکیبات شیمیایی و زیستی مضر و خطرناک است که در توسعه حسگرها و نانوحسگرها متبلور می­شود.

شکل صرفا جهت استفاده گرافیست

2. حسگر

حسگرها در اصل نوعی مبدل انرژی^[2] هستند که کمیت­های فیزیکی، شیمیایی، زیستی و… را به کمیت­های الکتریکی پیوسته (آنالوگ) یا غیرپیوسته (دیجیتال) تبدیل می‌کند. بر همین اساس حسگرهای مختلفی در زمینه­های گوناگون توسعه یافته­ و کاربرد بسیار زیادی پیدا کرده‌اند. دسته­ای از حسگر­ها که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند، نانوحسگرها هستند. نانوحسگرها در اصل حسگرهای شیمیایی، فیزیکی یا زیستی در ابعاد نانو هستند که ‌می‌توانند تغییرات ایجاد شده در مقیاس نانو را با حساسیت و دقت بسیار بالا و به صورت کیفی یا کمی اندازه­گیری نمایند. حساسیت زیاد، قدرت تشخیص بالا و توانایی اندازه­گیری هم­زمان چند گونه با یکدیگر، از مهم­ترین مشخصه­هایی هستند که باعث ایجاد اعتماد بسیار گسترده به داده­های حاصل از حسگرها و نانوحسگرها شده است.

شکل صرفا جهت استفاده گرافیست

 

 

 

3. تهدیدات بیولوژیکی

استفاده از سموم بیولوژیکی[3] یا عوامل و مواد عفونی[4] مانند باکتری­ها، ویروس­ها و قارچ­ها به جهت کشتن و یا ناتوان کردن انسان­ها، حیوانات یا گیاهان در راستای مقاصد نظامی به عنوان تهدید بیولوژیکی شناخته می­شود. تهدیدهای بیولوژیکی در اصل، ارگانیسم­های زنده­ یا موجودات تکثیر شده­ای هستند که عمدتا درون بدن قربانی به تکثیر یا تولید مجدد خود می­پردازند. این نوع تهدیدات در کنار تهدیدات هسته­ای و شیمیایی، سه عنصر اصلی کشتار جمعی[5] را تشکیل می­دهند. تهدیدات بیولوژیکی انواع مختلفی دارند که از میان آن­ها می­توان به تهدیدات ضد نفر[6]، ضد کشاورزی[7]، ضد محصول[8]، ضد پوشش گیاهی[9]، ضد شیلات[10] و انواع جدیدتری همچون تهدیدات ژنتیکی[11] و حتی انتشار حشرات به عنوان تهدید[12] اشاره نمود.

شکل صرفا جهت استفاده گرافیست

4. تروریسم بیولوژیکی[13] یا بیوتروریسم

امروزه می­توان به جرأت گفت كه تهدید‏هاي هسته‌اي ديگر يك خطر بالفعل نيستند و تنها يك قدرت بازدارنده بالقوه به­شمار مي‌آیند که احتمال استفاده از آن­ها بسیار کم است. از سوي ديگر تهدید‏هاي شيميايي نيز چندان گزينه مناسبي براي فعاليت‏هاي تروريستي نيستند. مشكلات حمل، نگه­داري و بكارگيري، نيمه عمر كوتاه، خطر نشت، تأثير محدود و قابليت رديابي عامل ترور كننده باعث شده که این نوع تهدیدات نیز چندان مورد اقبال نباشد. از اين­رو تهدید‏هاي بیولوژیکی وسيله‌اي بسيار مطلوب براي فعالیت­های تروریستی شده­است. توان توليد بالا، نگه­داري راحت، قابليت انتشار، قابليت مصون­سازي نيروي خودي، قابليت تكثير براي عوامل ميكروبي زنده، دشواري بسيار در رديابي فرد يا افراد متخاصم، گستردگي عمل‏كرد از انسان تا دام و محصولات كشاورزي و… موجب شده تشكل‏هاي تروريستي به­شدت به اين نوع تهدیدات روی آورند. تهدید‏هاي بیولوژیکی به‏خصوص در عرصه تروريسم دولتي و عليه ساختارهاي صنعتي ـ كشاورزي در ساليان اخير بسيار به‏كار رفته است. اگرچه كشورهای هدف هرگز نتوانسته­اند ادعای خود به اثبات برساند. به عنوان مثال اروپا شيوع جنون گاوي را متوجه سازمان‏هاي جاسوسي امريكا و استراليا مي‌داند كه با هدف ضربه اقتصادي به صادرات گوشت اروپا انجام شده است، چين نیز شيوع سارس را با هدف جلوگیری از شكوفايي اقتصادي خود و خارج شدن از گردونه رقابت توليد ارزان قيمت ارزیابی نموده و در این راستا کشور امريكا را مقصر می­داند.

شکل صرفا جهت استفاده گرافیست

5. اندازه­گیری و تشخیص تهدیدات بیولوژیکی

تشخیص کیفی و کمی ترکیبات بیولوژیکی و شیمیایی خطرناک، در تمام اشکال ممکن، بزرگترین دغدغه در راستای نظارت بر آن­ها را نه تنها برای استفاده نظامی، بلکه برای مناطق غیرنظامی[14] نیز تشکیل می دهند. تشخیص حضور این ترکیبات، که عمدتا به صورت گاز به درون یک منطقه نفوذ می­نمایند، بسیار ضروری است. افزایش روزافزون مخاطرات مربوط به تهدیدات بیولوژیکی و تروریسم بیولوژیکی منجر به توسعه ابزارهای ویژه­ای جهت تشخیص و اندازه­گیری این نوع تهدیدات گردیده است. مهمترین این ابزارها حسگرها هستند و امروزه با پیشرفت علوم مختلف انواع گوناگونی از این حسگرها نیز توسعه یافته­اند که یکی از انواع آن­ها نانوحسگرها هستند. در این راستا تحقیقات و پیشرفت­های زیادی صورت پذیرفته است و در کنار این فعالیت­ها محصولاتی نیز به صورت تجاری ارائه گردیده­اند.

شکل صرفا جهت استفاده گرافیست

6. نانوحسگرها در تشخیص تهدیدات بیولوژیکی

برای تشخیص تهدیدات بیولوژیکی در میدان نبرد حسگرهای بسیاری توسعه یافته و در دسترس هستند، اما حوزه دیگری که این حسگرها می­توانند کاربرد داشته باشند، مناطق غیرنظامی و شهری است. برخلاف مقاصد نظامی، در این حوزه هدف این است که انتشار غیرعمد یا عمدی عوامل خطرناک برای انسان­ها در محیط تشخیص داده شود. این موضوع نیازمند پاسخ بسیار سریع، با حساسیت و دقت بالا، توانایی اندازه­گیری مقادیر بسیار کم از ترکیبات بیولوژیکی انتشار یافته در محیط و گزینش­پذیری حسگرها می­باشد. مشخصه­هایی که به صورت بالقوه برای نانوحسگرها وجود دارد و موجب پیدایش انواع مختلفی از آن­ها گردیده است. البته در کنار این موارد، خصوصیاتی همچون سطح فعال بسیار بزرگ نانوحسگرها، اندازه کوچک آن­ها، نیاز کمتر به فرایند پیش تغلیظ و… نیز از دیگر عوامل موثر در افزایش کاربرد آن­ها به شمار می­آیند. با توجه به گستردگی بسیار زیاد ترکیبات، سموم و مواد مورد استفاده در ساختار تهدیدات بیولوژیکی و توسعه انواع زیادی از این نوع، حوزه حسگرها و نانوحسگرها پتانسیل فعالیت بسیار گسترده ای پیدا کرده است. از این­رو، ارائه یک دسته­بندی مشخص از حسگرها یا نانوحسگرها بسیار دشوار است. با این وجود، از میان انواع مختلف نانوحسگرها و حسگرها می­توان به مواردی همچون نانوحسگرهای الکتروشیمیایی[15]، نوری[16]، رنگ سنجی[17]، فلورسانس[18]، نانوحسگرهای بر پایه رامان[19]، آزمایشگاه رو یک تراشه[20]، بینی الکترونیکی[21]، نانو-زیست­حسگرها[22] و… اشاره نمود.

شکل 1. نمونه­ای از یک نانوحسگر توسعه یافته برای تهدیدات نظامی با استفاده از نانولوله­های کربنی[23] و برنده جایزه ثبت اختراع ناسا [1].

7. بازار نانوحسگرهای تشخیص تهدیدات بیولوژیکی

همانطور که اشاره گردید، تهدیدات بیولوژیکی یکی از اصلی­ترین انواع تهدید­های کشتار جمعی به شمار می­آیند و تشخیص به موقع آن­ها (قبل و بعد از استفاده) از اهمیت بالایی برخوردار است. مهم­ترین ابزار در این حوزه حسگرها و به تبع آن نانوحسگرها هستند. امروزه با پیشرفت بسیار سریع فناوری نانو، پیشرفت­های زیادی  نیز در راستای ساخت نانوحسگرها برای انواع مختلف تهدیدات نظامی صورت پذیرفته است. بر اساس آمار ارائه شده توسط موسسه NanoMarkets بازار نانوحسگرهای تشخیص مواد انفجاری، تهدیدات شیمیایی و بیولوژیکی و دیگر نانوحسگرهای با کاربرد نظامی در سال 2014 مبلغی معادل 16/3 میلیون دلار بوده است و پیش بینی گردیده که این بازار تا سال 2021 به عدد 5/81 میلیون دلار دست پیدا کند (شکل 2).

شکل 2. پیش­بینی بازار کل نانوحسگرهای تشخیص تهدیدات نظامی مختلف تا سال 2021 [2].

بر اساس دیگر آمار این موسسه، سهم نانوحسگرهای تشخیص تهدیدات بیولوژیکی از 1/0 میلیون دلار در سال 2014 به مقدار 6/7 میلیون دلار در سال 2021 خواهد رسید که نشان از رشد 76 برابری بازار آن دارد. آمار مربوط به بازار نانوحسگرهای تشخیص تهدیدات بیولوژیکی تا سال 2021 در شکل 3 قابل مشاهده است.

شکل 3. پیش­بینی بازار نانوحسگرهای تشخیص تهدیدات بیولوژیکی تا سال 2021 [2].

8. شرکت­ها و موسسات فعال در زمینه ساخت نانوحسگرهای تشخیص تهدیدات بیولوژیکی

در حال حاضر گروه­های تحقیقاتی، شرکت­ها و موسسات بسیاری در زمینه توسعه نانوحسگرهای تشخیص تهدیدات بیولوژیکی در سراسر دنیا در حال فعالیت هستند. در راستای این فعالیت­ها محصولاتی نیز به بازار ارائه گردیده­اند که از میان آن­ها می­توان به موارد زیر اشاره نمود:

شرکت SpectraFluidics از جمله شرکت­های آمریکایی فعال در زمینه ساخت سیستم­ها و حسگرهای شناسایی مواد شیمیایی و بیولوژیکی است که در سال 2007 شروع به کار نموده است. این شرکت در سال 2009 نانوحسگری را برای شناسایی تهدیدات شیمیایی و بیولوژیکی معرفی کرده و به ثبت رسانده است که مورد توجه ارتش آمریکا و دیگر سازمان­های این کشور قرار گرفته است. در این راستا این شرکت تاکنون بیش از 3 قرارداد با سازمان­های دولتی آمریکا به عقد رسانیده است که مهم­ترین آن­ها ارتش آمریکا است. ارتش آمریکا برای تولید عمده این نانوحسگر وارد عمل شده و در سال 2012 این نانوحسگر در اختیار بخش­های مختلف ارتش قرار گرفته است. این نانوحسگر بر پایه ادغام طیف­سنجی رامان سطحی تشدید یافته[24] با نانوذرات و میکروسیال­های با سطح آزاد[25] طراحی گردیده است (شکل 4) که بر اساس تغییرات طیف رامان نانوذرات در اثر جذب ترکیبات بیولوژیکی عمل می­کند. به عبارت دیگر، با توجه به تفاوت ایجاد شده بر روی طیف رامان نانو ذرات در اثر جذب ترکیب بیولوژیکی، حضور ترکیب بیولوژیکی تایید می­شود. از این رو می­توان با ایجاد یک پوشش مناسب بر روی سطح نانوذرات، به صورت گزینش پذیر[26] ترکیبات بیولوژیکی را شناسایی نمود. این نانوحسگر در سال 2012 جایزه 3/1 میلیون دلاری سازمان امنیت ملی آمریکا[27] را برای شرکت سازنده به ارمغان آورده است.

شکل 4. نانوحسگر ساخت شرکت SpectraFluidics جهت شناسایی تهدیدات شیمیایی و بیولوژیکی [3].

شرکت AltairNanotechnology از شرکت­های فعال در زمینه سیستم­های ذخیره­سازی انرژی[28] است که در حوزه تحقیق و توسعه و ساخت نانوحسگرها نیز فعالیت دارد. این شرکت در سال 2009 طی یک فعالیت تحقیقاتی در راستای یک پروژه 75/1 میلیون دلاری برای ارتش آمریکا موفق به استفاده از نانوذرات تیتانیم اکسید[29] در ساخت نانوحسگر تشخیص تهدیدات بیولوژیکی گردیده است. این نانوحسگر یک نانوحسگر الکتروشیمیایی است که حضور نانوذرات تیتانیم اکسید در ساختار آن باعث افزایش میزان انتقال الکترون و در نتیجه افزایش حساسیت آن شده است [4].

شکل 5. نانوحسگر ساخت شرکت AltairNaonotechnology برای ارتش آمریکا [5].

موسسه آمریکایی California NanoSystems Institute نیز تحقیقاتی در زمینه ساخت نانوحسگرهای تشخیص تهدیدات بیولوژیکی به عمل آورده و توانسته است قراردادهایی را با ارتش آمریکا به ثبت برساند. نانوحسگر ساخت این شرکت بر مبنای فناوری ترانزیستورهای اثر میدان[30] می­باشد که بر روی سطح آن نانوذرات مولیبدنیوم دی سولفاتِ[31] عامل دار شده با گیرنده­های زیستی[32]، پوشش داده شده است (شکل 6). با انتخاب مناسب گیرنده­های زیستی مورد استفاده، می­توان انواع مختلفی از این نانوحسگر را برای تشخیص گونه­های مختلف توسعه داد. این نانوحسگر قادر است تغییرات در مقاومت الکتریکی الکترود در اثر جذب مولکول­های بیولوژیکی هدف را با دقت و حساسیت بسیار بالا اندازه­گیری نموده و آن­را به غلظت گونه مورد نظر ارتباط دهد. لازم به ذکر است که این نانوحسگر هنوز در حال توسعه است و بر اساس برنامه زمانی ارائه شده، قرار است که در نیمه دوم سال 2016 در اختیار واحدهای مختلف ارتش آمریکا قرار بگیرد.

شکل 6.  شمای کلی از نانوحسگر ساخت موسسه California NanoSystems Institute جهت تشخیص بیومولکول­های  خطرناک [6].

بنیاد ملی علوم و موسسه ملی بهداشت آمریکا نیز در این حوزه تحقیقاتی را به عمل آورده­اند که نتیجه آن توسعه یک نانوحسگر گرافنی بوده است. این نانوحسگر آرایه­ای از 192 نانوحسگر گرافنی جداگانه است که به صورت یک تراشه الکتریکی در کنار یکدیگر قرار گرفته­اند (شکل 7). بر روی هر یک از این نانوحسگرها پوششی از آنتی­بادی­ها و گیرنده­های زیستی مختلف ایجاد گردیده که این تراشه را برای تشخیص انواع مختلفی از تهدیدات بیولوژیکی مستعد ساخته است.

شکل 7. آرایه­ای از نانوحسگرهای گرافنی با پوششی از آنتی­بادی­ها و گیرنده­های زیستی مختلف برای تشخیص انواع مختلفی از تهدیدات بیولوژیکی [7].

9. نانوحسگرهای دفاعی در ایران

برتری صنعتی و نظامی در هر زمان با کشورهایی است که فناوری‌های نو را در اختیار داشته باشند و بدون شک در آینده‌ای نه چندان دور فناوری نانو نقش تعیین کننده‌ای در تضمین امنیت ملی و توان سخت افزاری کشورها در حوزه بازدارندگی خواهد داشت و در این راستا شمار زیادی از کشورهای جهان به این موضوع مهم پی‌برده و توجه خاصی نسبت به آن دارند. از جمله این کشورها می توان به آمریکا، ژاپن، کره، روسیه، چین و کشورهای اتحادیه اروپا اشاره کرد که مجالس قانونگذاری این کشورها مبالغ قابل توجهی را به تحقیق و توسعه فناوری نانو اختصاص داده‌اند.

در این راستا موارد زیر در کشور مورد پیگیری بوده و توجه بیشتری را نیز به خود معطوف می‌نماید:

_ تبیین یک راهبرد منسجم و قابل اجرا برای توسعه فناوری نوین در حوزه‌های دفاعی-امنیتی

_ تبیین یک استراتژی کارآمد و منسجم در قبال مهار تهدیدهای سخت افزاری و نرم افزاری نوظهور

به همین منظور و باتوجه به چشم انداز کاربرد روزافزون فناوری نانو در حوزه‌های بازدارندگی سخت افزاری و نرم افزاری، تحقیقات در زمینه موضوع‌های مربوط به این حوزه، به خصوص نانوحسگرهای تشخیص تهدیدات مختلف از اهمیت ویژه­ای برخوردار خواهد بود.

 

10. نتیجه­گیری

تشخیص و اندازه­گیری گونه­های شیمیایی و بیولوژیکی مختلف در حوزه­های مختلف از جمله پزشکی و نظامی از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. امروزه با توجه به افزایش اقدامات تروریستی در سراسر دنیا، توجه ویژه­ای به توسعه روش­های تشخیص و اندازه­گیری تهدیدات نظامی مختلف صورت پذیرفته است. در حال حاضر توسعه حسگرهای جدید، اصلی­ترین رویکرد در این زمینه می­باشد. یکی از مهم­ترین انواع حسگرها که در سال­های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته­اند، نانوحسگرها هستند. کاربرد نانوحسگرها در تشخیص تهدیدات نظامی مختلف به ویژه تهدیدات بیولوژیکی، به واسطه خصوصیات منحصر به فردی همچون پاسخ سریع، حساسیت زیاد، توانایی اندازه­گیری مقادیر بسیار کم، گزینش­پذیری مناسب، سطح فعال بسیار بزرگ، اندازه کوچک و نیاز کمتر به فرایند پیش تغلیظ هر ساله رو به افزایش است.

 

11. مراجع
12. http://phys.org/news/2012-08-electronic-nose-prototype.html.
13. Allen, G., NanoMarkets Report #701, Nanosensor Markets 2014. 2014.
14. www.spectrafluidics.com.
15. http://www.nanowerk.com/news/newsid=13058.php.
16. www.altairnano.com/.
17. http://www1.cnsi.ucla.edu/staticpages/events-mainpage.
18. http://globalbiodefense.com/2014/05/14/penn-develops-scalable-bio-chemical-nanosensors/.

 

[1] Nanomaterials

[2] Transducer

[3] Biological Toxins

[4] Infectious Agents

[5] Weapons of Mass Destruction (WMDs)

[6] Anti-personnel

[7] Anti-agriculture

[8] Anti-crop

[9] Anti-vegetation

[10] Anti-fisheries

[11] Genetic Warfare

[12] Entomological warfare

[13] Bioterrorism

[14] Civilian Areas

[15] Electrochemical Nanosensors

[16] Optical Nanosensors

[17] Colorimetric Nanosensors

[18] Fluorescence Nanosensors

[19] Raman-based Nanosensors

[20] Lab-On-a-Chip Nanosensors

[21] Electrical Nose

[22] Nano-Biosensors

[23] Carbon Nanotubes (CNTs)

[24] Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS)

[25] Free-Surface Microfluidics (FSF)

[26] Selective

[27] US Homeland Security

[28] Energy Storage

[29] Titanium Oxide (TiO₂)

[30] Field Effect Transistor (FET)

[31] Molybdenum Disulfide

[32] Receptor Biomolecules

 

——————

[1] Nanosensor

[2] Biological Threat

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• صابر زارع، محسن سروری، احسان فریدی

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]

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