بخشی از مقاله
چکیده:
در سالهای اخیر، تلاشهای بسیاری برای تولید بیوسنسورهای قابل حمل جهت ردیابی باقیمانده آفتکشها گزارش شده است. پتانسیل عظیمی در زمینه کاربرد تکنولوژی بیوسنسور برای ردیابی سریع باقیمانده آفتکشها در غذا و محیط وجود دارد. به دلیل سمیت بالا و تاثیرات زیست-تجمعی آفتکشها و خطرات جدی که آنها برای سلامت انسان و محیط زیست ایجاد مینمایند، نگرانیهای عمومی پیرامون باقیمانده سموم آفتکش به طور روز افزون در حال گسترش است. بنابراین، ردیابی آفتکشها با استفاده از روشها و تکنیکهای آنالیتیک به ویژه انواع سریع، حساس، بسیار انتخابی، ساده، مقرون به صرفه و قابل حمل حیاتی به نظر میرسد.
استراتژهای مبتنی بر تکنولوژی بیوسنسورها، به کانون توجه پژوهشگران و به عنوان گزینههایی ایدهآل برای ردیابی آفتکشها مبدل شدهاند که خصوصیاتی از جمله حساسیت بالا، پاسخ سریع، ثبات نتایج، هزینه پائین و کوچک سازی و نیز امکان ردیابی در محل و در زمان واقعی را فراهم میآورند. این مقاله، مروری بر پیشرفتهای اخیر و گرایشهای نوین در طراحی و تولید بیوسنسورها برای ردیابی آفتکشها خواهد داشت. در این مقاله، بیوسنسورها بر مبنای عنصر زیست شناساگر تثبیت شده اعم از آنزیم، سلول، آنتیبادی و ندرتاً DNA، طبقه بندی شدهاند.
استفاده از بیوملکولهای مناسب، از قبیل آپتامرها و پلیمرهای مهرشده به صورت ملکولی و نیز، شبکههای عصبی مصنوعی که امکان آنالیز مخلوطی از آفتکشها را فراهم میکنند، مورد بحث قرار خواهند گرفت. پیشرفتهای اخیر در زمینه نانومواد شایان توجه ویژه هستند. ورود نانومواد به این عرصه، منجر به تولید دستگاههای بسیار حساس گردیده است که امکان ردیابی کارآمد آفت-کشها را فراهم میآورند.
-1 مقدمه
آفتکش اصطلاحی است که در مفهوم وسیع، به ترکیبات سمی آلی مورد استفاده جهت کنترل حشرات، باکتریها، علف- های هرز، نماتدها، جوندگان و دیگر آفات اطلاق میشود . - Liu et al.,2013 - آفتکشها - علفکشها، قارچکشها، حشرهکش-ها - به دلیل تاثیر آفتکشی بالا، سهولت در سنتز و نیز، هزینه پائین، به عنوان پرمصرفترین نهاده کشاورزی محسوب میشوند . - Verma and Bhardwaj, 2015 - آفتکشهای شیمایی سنتزی، با کنترل پیشگیرانه آفات و کاهش تلفات محصول قبل و بعد از برداشت، از نهادههای ضروری در افزایش تولید زراعی به شمار میروند به گونهای که در صورت عدم استفاده از آنها علیه آفات، کاهش یک سومی در عملکرد محصول رخ خواهد داد - Sassolas et al., 2012a; Sun et al., 2013 ; Keresa et al., . - 2008 آفتکشها ابزار مدیریتی مهمی در بهبود و افزایش عملکرد محصولات کشاورزی بوده و تلفات پس از برداشت را به ویژه در دنیایی که با بحران قحطی و گرسنگی روبرو است، کاهش میدهد.
- Gatehouse and Gatehouse, 1998 - ترکیبات شیمیایی متعددی، که به طور رایج در کشاورزی و صنایع شیمیایی استفاده میشوند، میتوانند باعث تشکیل باقیماندههای سمی پایدار در هوا، خاک و آب شوند و از این رو، نواحی جغرافیایی وسیعی را آلوده نمایند - Dutta et al., 2005 ; Van Doom . - and de Vos, 2013 این باقیماندهها میتوانند وارد زنجیره غذایی شوند، اکوسیستمها را تحت تاثیر مخرب خود قرار داده و بر سلامت انسان و جانوران تاثیر بگذارند. آفتکشها میتوانند سرطان زا و برای سلول مسمومیتزا باشند و منجر به اختلالات عصبی، ناباروری و بیماریهای ایمنی و تنفسی شوند - Margni et al., 2002; Falck et al., 1991 - لذا ردیابی آفتکشها در سطوح تعیین شده توسط آژانسهای بینالمللی حفاظت محیط زیست یکی از چالشهای پیش رو است.
در حال حاضر، بیش از 800 ماده موثره، که متعلق به بیش از 100 کلاس از مواد هستند، در دامنه وسیعی از آفتکشهای تجاری وجود دارند. آفتکشهای ارگانوکلره، ارگانوفسفره و ارگانونیتروژنه - کارباماتها، تریازینها، و مشتقات آنها - مهمترین گروههای آفتکش هستند . در میان آنها، آفتکشهای ارگانوکلره سمیترین گروه برای بسیاری از موجودات بوده که قادرند برای بیش از سی سال در محیط باقی بمانند . - Waliszewski et al., 1999 - لذا، آفتکشهای ارگانوفسفره و ارگانونیتروژنه، به دلیل نیمه عمر کوتاهترشان در محیط، سمیت نسبتاً کمترشان برای پستانداران، دامنه وسیع کاربرد، و قیمتشان، به مقبول-ترین آفتکشها - حشرهکشها - مبدل شدهاند. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آفتکشها بسیار متنوع بوده و این تنوع آنالیز نمونههای محیطی را از نقطه نظر حضور این سموم بسیار دشوار میسازد . - Liu et al., 2013 -
روشهای کروماتوگرافی تلفیق شده با ردیابهای انتخابی، به دلیل حساسیت، قابل اعتماد بودن و راندمانشان، به طور مرسوم برای آنالیز آفتکشها مورد استفاده بودهاند. با این وجود، آنها زمانبر و پرزحمت بوده و نیازمند تجهیزات گران و تکنسینهای بسیار ماهر هستند . - Kirchner et al., 2008; Leandro et al., 2006; Obana et al., 2002 - طی دهه گذشته توجه قابل توجهی به توسعه بیوسنسورها به عنوان یک جایگزین نویدبخش برای ردیابی آفتکشها معطوف شده است - Marty . - et al., 1995; Velasco-Garcia and Mottram, 2003; Mulchandani et al., 2001b یک بیوسنسور دستگاهی مستقل است که یک عنصر بیولوژیک تثبیت شده - مانند آنزیم، کاوشگر DNA، آنتیبادی - که آنالیت - مثل سوبسترای آنزیم، DNA مکمل، آنتیژن - را شناسایی میکند با یک عنصر مبدل - مورد استفاده برای تبدیل سیگنال بیوشیمیایی حاصله از واکنش آنالیت با گیرنده زیستی به یک سیگنال الکترونیکی - تلفیق میکند.
بر مبنای عنصر زیست-شناساگر، بیوسنسورهای آنزیمی، سلول کامل، ایمیونوشیمیایی و DNA برای ردیابی آفتکشها ایجاد شدهاند . این مقاله مروری، پیشرفتهترین و جدیدترین تکنولوژی-ها را در زمینه بیوسنسورهای آفتکشها ارائه مینماید. به منظور ارائه گزارشی شفاف از پیشرفتهای اخیر، بیوسنسورها بر مبنای عنصر زیست- شناساگر دسته بندی شدهاند . - Rodriguez-Mozaz et al., 2005; Sassolas et al., 2012b - تکنولوژیهای ایمیونوسنسینگ که پتانسیل زیادی برای ردیابی سریع بقایای آفتکشها در غذا و محیط دارند مورد بحث قرار خواهد گرفت.
- Jiang et al., 2008; Mallat et al., 2001 - همافزائی نویدبخشی که در سالهای اخیر میان تکنولوژی بیوسنسورها و نانوتکنولوژی رخ داده است و همچنین گرایشهای نوینی از قبیل آپتامرها و مهرهای ملکولی نیز به طور ویژه مطرح خواهند شد. به استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی - ANNs - 1 که در تلفیق با یک آرایه سنسور میتواند قابلیت انتخابی بودن را به طور اساسی بهبود دهد و امکان شناسایی دقیق آفتکشهای موجود در یک نمونه را فراهم آورد اشاره خواهد شد - Liu et al., . - 2008; Sahoo et al., 2006 اگرچه همه این ابزارها هنوز به بازار تجاری نرسیدهاند اما آزمونهای آزمایشگاهی را با موفقیت پشت سر گذاشتهاند. -2 بیوسنسورهای آنزیمی بیوسنسورهای آنزیمی ردیاب آفتکشها، یا مبتنی بر اندازهگیری مهار آنزیمی یا بر مبنای اندازهگیری مستقیم ترکیبات درگیر در واکنش آنزیمی هستند.
-1-2 بیوسنسورهای مبتنی بر مهار
به دلیل پژوهش پیشگام گیلبولت و همکارانش پیرامون تخلیص، آنالیز مهار و پیشرفت آزمون فعالیت کولین استراز - - ChE، بیوسنسورهای مبتنی بر اصل مهار آنزیمی به یک حوزه پژوهشی فعال مبدل شدند . - Guilbault et al., 1970 - در بیوسنسورهای آفتکش مبتنی بر مهار آنزیمی، گیرندههای بیولوژیک معمولاً آنزیمهای استیل کولین استراز - AChE - ، بوتیریل کولین استراز - BChE - و یا اورهآز هستند . - Liu et al.,2013 - آفتکشهای OP و کاربامات به طور انتخابی ChEs را از طریق بلوکه نمودن سرین با حمله نوکلئوفیلی به جایگاه فعال آن، که منجر به تولید سرین فسفواستر - از طریق فسفریلاسیون - می-شود، مهار میکنند. اصل کلی توسعه این بیوسنسورها بر مبنای پیوستگی میان سمیت آفتکشها و کاهش فعالیت آنزیمی استوار است.
بنابراین، توسعه این سیستمهای بیوسنسینگ متکی بر اندازهگیری کمی فعالیت آنزیم قبل و بعد از تماس با آنالیت هدف است. معمولاً، بیوسنسور مبتنی بر مهار آنزیمی شامل مراحل ذیل میباشد: تعیین فعالیت آنزیمی، سپس انکوبه نمودن یک بیوسنسور در محلولی که دربردارنده آفتکش است و در نهایت، اندازهگیری فعالیت باقیمانده فعالیت بعد از تماس بیوسنسور با آفتکش . - Andreescu and Marty, 2006; De Castro and Herrera, 2003 - این فعالیت میتواند با به کارگرفتن تکنیکهای ترارسانی مختلف مثل آمپرومتری، پتانسیومتری، فلوئوریمتری و ترمومتری، برای ردیابی مواد یا محصولات مختلف واکنشهای آنزیمی اندازه گیری شود - Ivanov et al., 2000; Arduini et al., 2006; Andreou and Clonis, 2002a; Liu et. - al., 2005
سایر ترکیبات مهارکننده از قبیل فلزات سنگین، فلوئوراید، گاز اعصاب یا نیکوتین نیز میتوانند آنزیم ChE را مهار نمایند. علیرغم فقدان ویژگی انتخابی بودن، بیوسنسورهای مبتنی بر ChE، زمانی که یک غربالگری سریع سم مورد نیاز است به عنوان ابزارهایی قدرتمند شناخته میشوند . - Sassolas et al., 2012b - منبع آنزیم دارای تاثیر مهمی بر عملکرد بیوسنسور میباشد. چندین آنزیم از منابع مختلفی مانند مارماهی، اریتروسیتهای انسان و گاو، سرم اسب و خون انسان موجود هستند.
به طور کلی، آنزیمهای ChE جداشده از حشرات نسبت به انواع استخراج شده از سایر منابع حساستر هستند. استفاده از آنزیمهای ChE نوترکیب نیز امکان بهبود حساسیت بیوسنسورها را فراهم میکند. استفاده از AChE نوترکیب نسبت به AChE برگرفته از Drosophila melanogaster و مارماهی حد قابل ردیابی را چهار درجه کاهش داد - de Oliveira Marques et al., . - 2004 برای اولین بار به عنوان جایگزینی برای استیل کولین استراز از آنزیم لیپاز برای تولید یک بیوسنسور الکتروشیمیایی جهت ردیابی کلرپیروفوس - از سموم ارگانوفسفره - استفاده شد. در پژوهش مذکور، محققین از نانوذرات نقره در تولید بیوسنسور استفاده نمودند که عملکرد کلی بیوسنسور را بهبود بخشید. پژوهش آنها از منظر کاربرد لیپاز به عنوان زیست حسگر و کاهش حجم واکنش به 2ml نوآورانه بود .
- Verma and Bhardwaj, 2015 - بیوسنسورهای مبتنی بر پراکسیداز نیز گزینههای دیگری هستند که میتوانند برای ساخت بیوسنسورهای مبتنی بر آنزیم استفاده شوند . - Sassolas et al., 2012a - بیوسنسورهای مبتنی بر تیروزیناز و آلکالین فسفاتاز - ALP - نیز برای ردیابی آفتکشهای پارااکسون، مالاتیون، تیودیکارب و کارباماتها استفاده شدهاند - Mazzei et al., 2004; Campanella et al., 2007; Besombes et al., 1995; Van Dyk . - and Pletschke, 2011 تیروزیناز توسط ترکیبات مختلفی از جمله آفتکشهای کاراباماتی و آترازین مهار میشود. بیوسنسورهای تیروزیناز از اختصاصیت ضعیف رنج میبرند زیرا سوبستراها و مهارکنندههای بسیاری میتوانند ایجاد اختلال نمایند.
این آنزیم اساساً ناپایدار است که عمر بیوسنسورهای مبتنی بر تیروزیناز را کاهش میدهد. هرچند، تیروزیناز میتواند دماهای بالا و حلالهای آلی استفاده شده برای حل نمودن آفتکشها را تحمل نماید . - Sassolas et al., 2012a - اسید فسفاتاز - AP - به صورت برگشت پذیر توسط برخی آفتکشها مهار میشود. AP به طور گسترده با گلوکز اکسیداز - GOD - برای ایجاد یک بیوسنسور دوآنزیمی برای ردیابی الکتروشیمیایی مالاتیون، متیل پاراتیون و پارااکسون استفاده شده است . - Mazzei et al., 1996 - در برخی موارد بیوسنسورها میتوانند دو - استیل کولین استراز و کولین اکسیداز یا تیروزیناز - و یا سه آنزیمی نیز باشند - استیل کولین استراز و کولین اکسیداز و پراکسیداز - نیز باشند - Chouteau et al., 2005; Zheng et . - al., 2011; Karousos et al., 2002
-2-2بیوسنسورهای کاتالیتیک روش دیگر برای تولید بیوسنسورهای آنزیمی جهت ردیابی آفتکشها مبتنی بر فعالیت آنزیم ارگانوفسفروس هیدرولاز - OPH - است. OPH یک آنزیم باکتریایی است که با عنوان فسفوتریاستراز شناخته میشود و آفتکشها به عنوان سوبسترای این آنزیم عمل میکنند. این آنزیم آفتکشهای ارگانوفسفره مانند پاراتیون ، متیل پاراتیون یا پارااکسون را هیدرولیز میکند . - Mulchandani et al., 2001b - اگرچه بیوسنسورهای مبتنی بر مهار آنزیمی بسیار حساس هستند - قادر به ردیابی مقادیر تا - 1×10-10M اما کند، غیرمستقیم و دارای اختصاصیت ضعیف هستند زیرا شماری از دیگر مواد از قبیل فلزات سنگین نیز توانایی مهار این آنزیمها را دارند . - Verma and Bhardwaj, 2015 - بیوسنسورهای مبتنی بر OPH در زمینه ردیابی مستقیم آفتکشهای ارگانوفسفره ارجح هستند.
