فناوری نانو قابلیت مشاهده، دست کاری و مهندسی در مقیاس اتمی و 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 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.
- 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 پاسخ (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.
- مسمومیت غذایی میکروبی
مسمومیت غذایی به هرگونه بیماری ناشی از مصرف غذای آلوده گفته میشود. آلودگیها میتواند ناشی از باکتری، ویروس، انگلها یا مواد سمی باشد. مسموميتهاي غذايي ميکروبي به علت علايم حاد شايعترين مسموميتهاي غذايي هستند. اصولاً بر حسب نوع ميکروب علائم باليني بسيار متفاوتي ايجاد ميکنند. مسموميتهاي غذايي ميکروبي معمولاً بعد از صرف غذاي آلوده رخ ميدهند و زمان شروع علايم بسيار متفاوت است. طی سالهای اخیر وقوع مسمومیتها و بیماریهای میکروبی ناشی از غذا نهتنها در کشورهای توسعه یافته بلکه در کشورهای در حال توسعه نیز به نحو چشمگیری افزایش یافته است.
آلودگیهای میکروبی در غذا بر اثر رشد در مواد غذایی و یا تماس مواد غذایی با سطوح آلوده ایجاد میشوند و میتوانند در مراحل مختلف شبکه توزیع غذا وارد محصولات خوراکی شوند، به عنوان مثال:
- در مراحل تولید محصولات به دلیل استفاده از آب آلوده، کود حیوانی در مزارع و یا وجود بیماری در دام
- در مراحل حمل و انبار محصولات به دلیل آلودگی محیط و یا نگهداری نامطلوب و عدم وجود سیستمهای سرمایشی
- در مرحله مصرف به دلیل آلودگی دستها و یا سطوح آشپزخانه منزل و رستوران و همچنین پخت نامناسب غذا
تصویر تنها جهت استفاده گرافیست
- اهمیت تشخیص آلودگی میکروبی در محصولات غذایی
تشخیص آلودگیهای میکروبی در مواد غذایی و یا سطوح در تماس با مواد غذایی یک بخش بسیار مهم از مراحل تولید تا مصرف به شمار میرود. بنابر گزارش سال 2011 واحد نظارتی FoodNet[3] در مرکز کنترل و پیشگیری بیماری آمریکا[4]، بین سال 1998 تا 2008 از هر 6 آمریکایی، 1 نفر دچار مسمومیت غذایی ناشی از آلودگی میکروبی شده است که معادل 48 میلیون نفر میشود. بنابر این گزارش، 128000 نفر روانه بیمارستان شده اند و 3000 نفر جان خود را از دست داده اند [1]. در این گزارش ذکر شده است که تشخیص صحیح و به موقع آلودگیهای میکروبی در مواد غذایی، علاوه بر آنکه احتمال وقوع بیماری را کاهش میدهد میتواند در تعیین منابع آلودگی و تشخیص چگونگی توزیع میکروبها نیز کمک کند (شکل 1).
شکل1 : محصولات غذایی مختلف که بین سال 1998 تا 2008 به عنوان منبع مسمومیت غذایی ناشی از آلودگی میکروبی شناخته شدهاند [2].
- نانو حسگرهای تشخیص دهنده پاتوژنهای میکروبی در مواد غذایی
لازم است که در صنعت تولید مواد غذایی، به سرعت وضعیت میکروبی مواد خام ورودی به کارخانه و همچنین محصولات نهایی تشخیص داده شود. تشخیص سریع میتواند به تولید و توزیع ایمن مواد غذایی کمک کند و محصولات آلوده شده به سرعت کنار گذاشته شوند. این اتفاق، میتواند در صرفه جویی مالی صنایع غذایی کمک فراوانی کند. همچنین ساخت حسگرهایی که بتواند کوچک و قابل حمل باشد نیز اهمیت پیدا میکند. با این نوع حسگرها میتوان مناطق آلوده در انبار نگهداری مواد غذایی را تعیین نمود و یا این سنسورها میتوانند توسط ماموران بهداشت مورد استفاده قرار گیرند. چنین قابلیتی از حسگر را میتوان در نانوحسگرها مشاهد کرد. نانو حسگرها تشخیص آلودگی میکروبی در مواد غذایی و ظروف بسته بندی را سریع، دقیق و آسان کرده است.
اساس عملکرد نانو حسگرهای تشخیص دهنده پاتوژنهای میکروبی بسیار متنوع میباشد که میتواند در سه نوع سیستم طبقه مورد استفاده قرار گیرند.
- سیستم واکنش زنجیره پلیمراز قابل حمل[5]
- کیتهای تشخیصی مبتنی بر طیف سنجی[6]
- سیستمهای تولید کننده سیگنال الکتریکی
سیستم واکنش زنجیره پلیمراز قابل حمل: بطور کلی واکنش زنجیره پلیمراز به روش تکثیر مقادیر جزئی DNA یا RNA تا حد مشاهده آنها توسط روشهای ساده و رایج آزمایشگاهی اطلاق میشود. قابلیت واکنش زنجیره پلیمراز در تکثیر اسیدهای نوکلئیک موجود در نمونه مورد آزمایش موجب شناسایی سریع و اختصاصی نوع سلول یا میکروارگانیسم مورد نظر در نمونه مذکور میگردد. دستگاههای واکنش زنجیره پلیمراز با استفاده از فناوری نانو کوچکتر میشوند و میتوان به صورت قابل حمل آنها را استفاده کرد. استفاده از فناوری نانو حفره[7] این امکان را میدهد که عبور رشتههای DNA از حفره را متمایز کند و همچنین سرعت عبور رشتههای DNA را کنترل نماید (شکل 2).
شکل 2: عبور مولکول DNA از میان یک پروتئین نانوحفرهای شکل [3].
کیتهای تشخیصی مبتنی بر طیف سنجی: 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. بیشتر کیتهای تشخیصی نانویی بر مبنای روشهای پلاسمونیک[8] (یکی از روشهای طیف سنجی برپایه نانومواد ساخته شده از فلزات نجیب مثل طلا و نقره) و استفاده از نقاط کوانتومی[9] (نانومواد با قابلیت فلوئورسانس کنندگی) میباشد. میتوان سطح این ذرات را به صورتی مهندسی نمود، که بر اثر وجود پاتوژنهای مضر مورد نظر، ماده تغییر ساختار داده و تغییر رنگ دیده شود (شکل 3)، همچنین، به دلیل خواص فلوئورسانس کنندگی نقاط کوانتومی، شدت و طول موج تابش نور در این ذرات میتواند نشانگر حضور یا عدم حضور پاتوژنهای مضر در مواد غذایی و سطوح مورد نظر باشد.
شکل 3 : تغییر رنگ محلول محتوی نانو ذرات در حضور باکتری EColi [4].
سیستمهای تولید کننده سیگنال الکتریکی: در سیستمهای تولید کننده سیگنال الکتریکی، تغییراتی الکتریکی در بخش حساس حسگر (در اثر اتصال فیزیکی-شیمیایی سطح میکروب) ایجاد میشود. در بسیاری از این سیستمها، از نانوفیبر[10] پلیمرهای رسانای الکتریکی[11] مانند پلی آنیلین[12]، پلی پایرول[13] و پلی تیوفن[14] و یا از نانو ساختارهای کربنی مثل نانو لوله کربنی[15] استفاده میشود. با کمک این مواد میتوان حسگرهایی کوچک با قابلیت اندازه گیری سیگنال مربوط به مقادیر کم پاتوژن تولید کرد. همچنین میتوان گزینش پذیری سیستمهای تولید کننده سیگنال الکتریکی را افزایش داد به گونهای که حسگرها بتوانند نوع خاصی از پاتوژن میکروبی را ردیابی کنند. گزینش پذیری الکترودها با نانومواد بهبود داده میشود و سطوح نانو مواد با مولکولهای زیستی نشانهگذاری میگردد. (شکل 4).
شکل 4: اتصال گزینش پذیر باکتری روی سطح نانو لوله کربنی در یک نانوحسگر [5].
- بازار نانوحسگرهای پاتوژنهای مضر در صنعت مواد غذایی
با توجه به بحث اهمیت کنترل وضعیت میکروبی محصولات غذایی و آشامیدنی در در طی فرایند توریع، بسته بندی و نگهداری، بازار امیدوار کنندهای برای نانوحسگرهای این صنعت پیش بینی میشود. بر اساس گزارش موسسه NanoMarkets، انتظار میرود که بازار نانوحسگرهای مورد استفاده جهت تشخیص پاتوژنهای مضر در صنعت مواد غذایی، از رشد 1/0 درصدی در سال 2014 به رشد 3 درصدی در سال 2021 برسد (شکل 5). بر اساس این گزارش، بازار جهانی نانوحسگرهای تشخیص پاتوژنهای مضر در سال 2021 بالغ بر66/55 میلیون دلار خواهد بود] 6 [.
شکل 5: رشد بازار نانو حسگرهای تشخیص دهنده پاتوژنهای مضر در صنعت غذایی بر حسب میلیون دلار ] 6 [.
- شرکتهای فعال در زمینه نانوحسگرهای تشخیص دهنده پاتوژنهای میکروبی در مواد غذایی
اتحادیه اروپا برای محدوده سالهای 2008 تا 2012، بودجه 5/2 میلیون یورویی تحت برنامه FP7[16] جهت توسعه نانوحسگرها در راستای بهبود نظارت در زنجیره غذایی اتخاذ کرده است] 7 [. یکی از پیمانکاران مهم در این پروژه شرکت آلمانی TTZ Bremerhaven بوده که نانو حسگرهایی را به مرحله تولید رسانده که بتواند باکتریهای لیستریا مونوسیتوژن[17] که به عنوان عامل مسمومیت غذایی مرگبار شناخته میشود را در مواد غذایی آنالیز کند (شکل 6)] 8 [.
شکل 6: نانوحسگر ساخت شرکت TTZ Bremerhaven
شرکت ISCA Technologies، یک شرکت فعال در صنعت کشاورزی و دامپروری میباشد. این شرکت نانو حسگرهایی را به مرحله تولید رسانده است که قابلیت تشخیص مقادیر بسیار کم پاتوژنهای میکروبی در محصولات کشاورزی و دامی دارد. این نانوحسگر از الکترودهای لایه نازک طلا بر روی صفحه سیلیکونی ساخته شده است که نانولولههای کربنی به عنوان اتصال بین الکترودها مورد استفاده میباشد (شکل 7) ] 9 [.
شکل 7: نانوحسگر تشخیصی پاتوژنهای میکروبی در محصولات کشاورزی ساخت شرکت ISCA Technologies.
شرکت آمریکایی LamdaGen کیتهای مبتنی بر طیف سنجی جهت شناسایی و تعیین غلظت داروها و یا عوامل آلوده کننده مواد غذایی و آشامیدنی را وارد بازار کرده است. محصولات این شرکت بر پایه نانوذرات فلزات کمیاب دارای خاصیت رزونانس پلاسمون سطحی[18] به مرحله تولید رسیده است (شکل 8) ] 10 [. همچنین شرکت GE Healthcare با محصول Biacore، نانوحسگر تشخیص دارو و یا آلودگی میکروبی ساخته است که این نانو حسگر بر اساس خواص رزونانس پلاسمون سطحی نانو ذراتی که با آنتی بادی عاملدار شدهاند عمل میکند ] 11 [.
شکل 8: نانوحسگرهای ساخت شرکت LamdaGen
شرکت miniFAB ، شرکتی است که در زمینه تولید و طراحی انواع میکرو سیال[19] جهت ساخت حسگر فعالیت میکند. این شرکت کارتریج میکرو سیالی را به مرحله تولید رسانده که میتواند به عنوان یک زیست حسگر الکتروشیمیایی جهت تشخیص آلودگی میکروبی EColi در آب شرب عمل کند (شکل 9) ] 12 [.
شکل 9: سیستم تشخیص EColi در آب ساخت شرکت miniFAB
شرکت Nanoscience Diagnostics، نانو حسگرهایی جهت تشخیص باکتری، ویروس و پروتئین در مواد غذایی را به مرحله تولید رسانده است. محصولات این شرکت به صورت کیت تشخیصی عرضه میشود که دارای مراحل استخراج میکروب از مواد غذایی، اتصال نانو ذرات به میکروب و شناسایی و اندازهگیری مقادیر میکروب میباشد. این کیت بسیار حساس بوده و در کمتر از 15 دقیقه به جواب میرسد (شکل 10) [13].
شکل 10: کیت محتوی نانوذرات جهت تشخیص آلودگی میکروبی مواد غذایی ساخت Nanoscience Diagnostics
شرکت NanoDetection Technology، زیست تراشههای کامپیوتری[20] را تولید میکند که از 25 دیود نوری[21] مجزا تشکیل شده است [14]. این زیست تراشهها میتواند به طور هم زمان چندین نوع پاتوژن را شناسایی و آنالیز کند. محصول این شرکت نه تنها برای مواد غذایی، بلکه برای مصارف محیط زیستی نیز کاربرد دارد.
شرکت pSivida که به عنوان شرکت استرالیایی در زمینه نانو به خصوص نانو مواد دارو رسان فعالیت میکند، با سرمایه اولیه 1/1 میلیون دلار یک شرکت نانوفناوری با نام pSiNutria ایجاد کرده تا بتوان فناوری سیلیکون را در صنعت مواد غذایی به کار برد. نانوحسگرهای ساخت pSiNutria این پتانسیل را دارند که با دقت و صحت بالا مقادیر بسیار کم پاتوژنها را در مواد غذایی و یا محل نگه داری مواد غذایی تشخیص دهند [15].
یکی از مباحث بسیار مهم سلامت غذای سربازان میباشد. مسمومیت غذایی سربازان در شرایط جنگ میتواند بر روند جنگ تاثیر مستقیم بگذارد، از سوی دیگر به دلیل شرایط نگه داری مواد غذایی در محیطهای جنگی، احتمال فاسد شدن مواد غذایی بالا میرود. به همین دلیل نیاز به حسگری قابل حمل با پاسخ دهی سریع و دقیق میباشد. شرکت [22]NSRDEC که در زمینه تولید تجهیزات مورد نیاز ارتش آمریکا فعالیت میکند، نانوحسگری را تولید کرده که سربازان بتوانند آلودگی میکروبی مواد غذایی را تشخیص دهند (شکل 11) [16-17]. این نانو حسگر از نانوفیبرهای پلیمر رسانا ساخته شده است.
شکل 11: استفاده از نانو حسگر تشخیص دهنده وضعیت غذا در ارتش آمریکا ساخت NSRDEC
ناسا با هدف ساخت نانو حسگرهای تشخیص دهنده میکروبها در بحث پزشکی، مواد غذایی و صنعت آب، شرکتی به نام Early Warning را تاسیس کرده است. اساس نانو زیست حسگرهای ساخته شده در این شرکت ، نانو لوله کربنی و یا نانو فیبر کربنی میباشد (شکل 12) [18].
شکل 12: نانو زیست حسگر ساخته شده در ناسا
هرچند در ایران برخی از دانشگاهها به مطالعه و تحقیق بر روی نانوحسگرهای تشخیص دهنده پاتوژن میکروبی پرداخته اند اما هیچ شرکت ایرانی محصولی را به بازار معرفی نکرده است.
- جمع بندی
به نظر میرسد که کنترل مداوم مواد غذایی به خصوص پاتوژنهای میکروبی از اهمیت ویژهای برخوردار هستند. افزایش سرمایه گذاری و تولید حسگرهای جدید جهت استفاده در صنعت مواد غذایی اهمیت این موضوع را به خوبی نشان میدهد. سادگی، کوچکی و پاسخ دهی سریع نانو حسگرها در تشخیص پاتوژنهای میکروبی این امکان را میدهد که در هر مرحله از شبکه توزیع غذایی از زمان تولید محصولات کشاورزی و دامی تا فراوری، بسته بندی، نگهداری و مصرف مواد غذایی آلودگیهای میکروبی احتمالی شناسایی شوند. این نانو حسگرها علاوه بر افزایش وضع سلامت جامعه، از هدر رفتن مواد غذایی نیز جلوگیری میکند.
9-منابع
[1] http://www.cdc.gov/foodnet/index.html
[2] http://www.cdc.gov/foodborneburden/attribution-image.html#foodborne-illnesses
[3] Plant pathogen nanodiagnostic techniques: forthcoming changes?, K. A. Abd-Elsalam, Biotechnology & Biotechnological Equipment, V:28 (2014) P: 775-785.
[4] Gold Nanotechnology for Targeted Detection and Killing of Multiple Drug Resistant Bacteria from Food Samples, P. Chandra Ray, ACS Symposium Series :Advances in Applied Nanotechnology for Agriculture, V: 1143 (2013) Chapter: 1 P: 1–19.
[5] Immediate Detection of Living Bacteria at Ultralow Concentrations Using a Carbon Nanotube Based Potentiometric Aptasensor, J. Riu, Angew. Chem, V:121 (2009) P: 7470 –7473.
[6] NanoMarkets Report, Nanosensor Markets 2014, Nano-701.
[7] http://cordis.europa.eu/project/rcn/87795_en.html
[8] http://www.ttz-bremerhaven.de/en/research/food/research-projects/902-nanodetect.html
[9] http://iscatech.com/exec/nanosensor.html
[10] http://lamdagen.com/
[11] http://www.gelifesciences.com/
[12] http://www.minifab.com.au/case-studies/environmental-monitoring.html
[13] http://nanosciencediagnostics.com/Accomplishments.html
[16]http://www.army.mil/article/122640/Handheld_inspection_tool_will_increase_food_safety_for_Soldiers/
[18] http://www.earlywarninginc.com/early-warning-profile.php
———————–
[1] Sensor
[2] Analyte
[3] واحد FoodNet ، بخشی از مرکز کنترل و پیشگیری بیماری آمریکا میباشد که بر مسمومیت غذایی ناشی از آلودگی میکروبی نظارت میکند.
[4] U.S. Center for Disease Control and Prevention (CDC)
[5] portable polymerase chain reaction (PCR) systems
[6] Diagnostic kits based on Spectroscopy
[7] Nanopore
[8] Plasmonics
[9] Quantum dots
[10] Nano Fiber
[11] Electrical conducting polymers
[12] polyaniline
[13] polypyrolle
[14] polythiophene
[15] Carbon nanotubes
[16] 7th Framework Programme
[17] Listeria monocytogenes
[18] Surface plasmon resonance
[19] microfluidic
[20] computer biochip
[21] photodiodes
[22] U.S. Army Natick Soldier Research, Development and Engineering Center
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- احسان فریدی (کارشناس ارشد شیمی تجزیه دانشگاه شیراز)
- محسن سروری (دکتری شیمی تجزیه دانشگاه شیراز)
بخش ترویج صنعتی 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]
====================================================================================
