مقاله زیست حسگرهای الکتروشیمیایی برای تشخیص سموم و آفت‎کش‎ها

بخشی از مقاله

چکیده

امروزه حسگرها نقش بسیار مهمی در بسیاری از جنبه های زندگی ما دارند. حسگرها در کارخانهجات، صنایع، اتومبیلها، تجهیزات پزشکی، تولید محصولات دارویی و بهداشتی و مانیتورینگ محیط زیست به کاربرده میشوند. یکی از انواع این حسگرها که مورد در این تحقیق مورد توجه و بررسی قرار گرفته است، زیستحسگر و به طور خاص زیستحسگرهای الکتروشیمیایی هستند، که ابزارهایی توانمند جهت شناسایی و حس کردن مولکولهای زیستی می باشند. در حقیقت زیستحسگرها ابزارهایی آنالیتیکی هستند که با بهرهگیری از هوشمندی مواد بیولوژیکی ترکیب یا ترکیباتی را شناسایی نموده و با آنها واکنش می دهند، محصول این واکنش میتواند یک پیغام شیمیایی، نوری و یا الکتریکی باشد.

در سال های اخیر، ops، کارباماتها، و آفتکشهای پیرتیروئید به دلیل سمیت کم و تجزیه سریع به طور گستردهای مورد استفاده قرار گرفتهاند. با این حال هنوز مقداری از باقیمانده آفتکشها در خاک و آب وجود دارد، که توسط گیاهان، سبزیجات و یا میوه ها جذب میشود، و در نتیجه باعث مسمومیت و آسیب به سیستم عصبی میشود. تلاش هرچه بیشتر برای بهکارگیری زیستحسگرهای الکتروشیمیایی با قدرت زیاد، حداقل مصرف انرژی، حداقل سایز سایز برای حمل و نقل و افزایش طول عمر یک حسگر همچنان ادامه دارد. البته عمر مفید این دستگاهها قطعا وابسته به آلایندههای زیستمحیطی، درجه حرارت و رطوبت در تماس با زیستحسگرها خواهد بود. به همین دلیل گستره وسیعی از زیستحسگرهای الکتروشیمیایی برای کنترل این عوامل نیز ساخته شدهاند.

1.    مقدمه

زیستحسگر شامل یک دستگاه آنالیز کننده است که از یک المان شناساگر زیستی فعال همراه با یک مبدل فیزیکی تشکیل شده است که یک سیگنال قابل اندازهگیری متناسب با غلظت گونههای شیمیایی در هر نمونه تولید میکند.[1]

.2  انواع زیستحسگرها

زیستحسگرها میتوانند با توجه به روش اندازهگیری و نوع المانهای شناساگر زیستی طبقهبندی شوند. در طرح کلی از یک زیستحسگر - شکل - 1، المان شناساگر زیستی به ترکیب هدف پاسخ میدهد و مبدل این پاسخ بیولوژیکی را تبدیل به یک سیگنال قابل اندازهگیری میکند که این اندازهگیری میتواند به روش الکتروشیمیایی، نوری، صوتی، مکانیکی و گرماسنجی باشد و سپس با غلظت آنالیت ارتباط داده شود. المانهای زیستی شامل آنزیمها، آنتیبادیها، میکروارگانیسمها، بافتهای بیولوژیکی و اندامکها هستند.

زمانی که برهمکنش بین المان زیستی و آنالیت با یک تغییر شیمیایی همراه شود یا به دنبال یک تغییر شیمیایی باشد که در آن غلظت یکی از سوبستراها یا محصولات اندازهگیری شود، این ابزار یک حسگر متابولیکی است. در نهایت زمانی که سیگنال ها بعد از اتصال آنالیت بدون تغییر شیمیایی اما با تبدیل یک سوبسترای کمکی تولید شوند، ابزار یک حسگر کاتالیزوری نامیده میشود. روش تبدیل به نوع تغییر فیزیکوشیمیایی ناشی از عملکرد حسگر بستگی دارد. اغلب، یک بخش فرعی مهم از یک زیستحسگر غشایی است که المان شناساگر زیستی را پوشش میدهد و عملکرد اصلی کنترل نفوذ و انتشار انتخابی آنالیت را بر عهده دارد و از المان زیستی در برابر تنشهای مکانیکی محافظت میکند.[1]

.3  روش های تشخیص در زیستحسگرها

زیستحسگرها را میتوان بر اساس نوع سیگنال بیولوژیکی تولید شده توسط آنها یا روش تبدیل سیگنال در آنها طبقه بندی کرد. روش های مختلفی برای تبدیل سیگنال زیستی در زیستحسگرها وجود دارد، که شامل روشهای تشخیص الکتروشیمیایی، روشهای تشخیص نوری و روش های تشخیص بر مبنای سنجش جرم - مکانیکی - است. با این حال، انواع جدیدی از مبدلها برای استفاده در زیستحسگرها مدام در حال توسعه است. هر کدام از این سه دسته شامل زیرگروههای مختلفی است که باعث ایجاد تعداد تقریبا نامحدودی از روش های تشخیص در زیستحسگرها شده است..[1]

.4  خطر آفتکشها برای سلامتی انسان

بر اساس بررسیهای سازمان بهداشت جهانی، سالیانه حدود سه میلیون نفر با آفتکشها مسموم میشوند و 200000 نفر دچار مرگ میشوند. متأسفانه در کشور ما آمار دقیقی در این ارتباط وجود ندارد اما مسلماً نحوه برخورد مردم و حتی متخصصین با آفتکش و سمپاشی که بسیار غیرمحتاطانه است میتواند موجب مسمومیت و مرگ افراد گردد. بدیهی است هر مادهای میتواند زیانآور و حتی کشنده باشد و فقط بستگی به مقداری دارد که وارد بدن میشود. هر چه مقداری از ماده که وارد بدن میشود و موجب اختلال در سیستمهای بیولوژیکی بدن میگردد، بیشتر باشد آن ماده خطرناکتر و به عبارتی سمیتر است و اگر انسان در برخورد با آن بیاحتیاطی کند ممکن است مسموم شود و یا به اثرات درازمدت آن مبتلا گردد.

اهم این موارد شامل بیاحتیاطی، نگهداری در ظروف متفرقه و انبار بدون قفل، انبارکردن در مجاورت موادغذایی و علوفهای یا محل کار و زندگی و حتی آشپزخانه، حمل و نقل غلط، عدم رعایت احتیاطات لازم و بادبردگی ذرات آفتکش در هنگام سمپاشی، عدم استفاده از لباسهای مخصوص سمپاشی، نشتی بدون بسیاری از سمپاشهای پشتی، عدم رعایت فاصله آخرین سمپاشی تا برداشت، عدم کنترل مواد کشاورزی از نظر باقیمانده آفتکش در آن ها، بیسوادی یا کمسوادی کشاورزان، عدم تخصص و آموزش مستمر فروشندگان سموم، فقدان قانون برای جرم شناختن مصرف بیرویه، بیجا، بیش از اندازه و غلط آفتکش است. [2] در سال های اخیر، ops، کارباماتها، و آفتکشهای پیرتیروئید به دلیل سمیت کم و تجزیه سریع به طور گستردهای مورد استفاده قرار گرفتهاند. با این حال هنوز مقداری از باقیمانده آفتکشها در خاک و آب وجود دارد، که توسط گیاهان، سبزیجات و یا میوه ها جذب میشود، و در نتیجه باعث مسمومیت و آسیب به سیستم عصبی میشود. [3]

.5  زیستحسگرها برای تشخیص باقی مانده آفتکشها

آفتکشها و ترکیبات فنلی %43 از کل مقدار مواد شیمیایی آلی مورد استفاده در اروپا یا سراسر جهان را به خود اختصاص می دهند. این ترکیبات به طور مداوم در محیط زیست به عنوان یک نتیجه از فعالیتهای کشاورزی و صنعتی وارد میشوند و میتوانند اثرات سمی در گیاهان و موجودات ایجاد کنند. علاوه براین، هنگامی که به سطح زمین برسند، میتوانند تجزیه شده و با تغییر شکل، محصولات دیگری از جمله مشتقات oxo و سولفوکسیدها، که سمیتر از ترکیبات منشاشان هستند به وجود آورند. علاوه بر این، کلر و نیتروفنلها به ترتیب، حاصل تجزیه بسیاری از علفکشهای کلروفنوکسیاسید و آفتکشهای ارگانوفسفره هستند.

با توجه به سمیت و دوام برخی از این ترکیبات، دولتها و سازمانهای محیط زیست با تاکید بر برنامه نظارت محیط زیست به تجزیه و تحلیل این آلایندههای آلی و تبدیل آنها در آب آشامیدنی و آب های سطحی پرداختهاند. در دهه اخیر تلاشهای قابل ملاحظهای در توسعه ابزارهای بسیار حساس، انتخابی، سریع و روشهای تحلیلی قابل اطمینان، به ویژه برای نظارت مداوم آلایندهها که در حال حاضر سطح مسمومیتزایی بالایی دارند، صورت گرفته است. از یک طرف، تکنیکهای تحلیلی فعلی، مانند کروماتوگرافی گازی و کروماتو گرافی مایع با کارایی بالا بسیار حساس و قابل اطمینان هستند. از سویی دیگر، این روشها زمانبر و گران قیمت هستند . علاوه براین، تکنسینهای بسیار آموزش دیده میتوانند آنها را انجام دهند. زیستحسگرها یک روش جایگزین برای تشخیص سرعت نوروتوکسینها هستند.[4]

بیشترین زیستحسگرها بر اساس واکنش کاتالیستی - عمدتا واکنش آنزیمی - طراحی شدهاند. ماده کاتالیزوری بر روی حسگر به عنوان گیرنده تثبیت شده است. در شرایط عادی، محصولات معدنی و آلی - معرف - تولید میشوند که میتوانند توسط بخش تشخیص در حسگر شناسایی شوند. هنگامی که آفتکشها تولید میشوند، آنها میتوانند به طور اختصاصی با گیرنده زیستحسگر پیوند برقرار کنند، و فعالیت کاتالیزوری را مهار کنند، بنابراین محصولات باعث ایجاد یک تغییر شیمیایی یا فیزیکی درسیستم در مقایسه با شرایط عادی میشوند؛ چنین تغییری معمولا نشان دهنده غلظت آفتکشها وتشکیل محصولات جدید است. مبدل میتواند سیگنال تولید شده را جمعآوری و تقویت کند، این تغییرات را به نمایش گذارد و غلظت آفتکشها را محاسبه کند.[3]

در مطالعات اخیر، محققان در حال تمرکز برای افزایش حساسیت و انتخابی بودن زیستحسگرها هستند. تغییر کار به منظور بهبود آنزیم براساس لایه گیرنده انجام شده است . انواع مواد نانوذره و مرکب با مولکولهای بیولوژیکی به شکل گیرنده جدید به منظور افزایش حساسیت تشخیص ترکیب شدهاند. همچنین تکنولوزیهای پیشرفته تشخیصی دیگر در بخش مبدل سیگنال به کار گرفته شدهاند. [3]

.1-5 زیستحسگر تثبیت آنزیم

آفتکشها میتوانند با مهار فعالیت استیلکولیناستراز - AChE - 1 به سیستم عصبی آسیب برسانند. سطح فعالیت AChE در زیستحسگر به مقدار آفتکشها در نمونه آزمایش مربوط است. باخمان و همکارانش زیستحسگر بر پایه AChE را برای تشخیص باقیمانده حشرهکشها در مواد غذایی نوزاد توسعه دادند. الکترود توسط فنآوری چاپ روی صفحه نمایش با استفاده از چاپگر صفحه نمایش تجاری ساخته شده بود.

الکترود کارگر و الکترود مرجع ابتدا در انتقال مسیرهای حاوی ورق های پلی وینیل کلراید چاپ شده بود، و سپس یک لایه عایق در مسیر برای جداسازی الکترود آزمایش و به پایان رساندن مجموعه سیگنال ها چاپ شده بود. سپس، جوهر آنزیم حاوی سرم آلبومین گاوی - BSA - 2 و انواع مختلفی از AChE در بالای الکترود کارگر به چاپ رسیدند.  سپس AChE توسط اتصال عرضی در بخار گلوتارآلدهید تثبیت شد. در یک آزمایش معمولی، زیستحسگرها برای اولین بار در اندازهگیری فعالیت AChE، وسپس در نمونههای مواد غذایی به مدت 30 دقیقه انکوباته شدند.

در طول انکوباسیون باقیمانده آفتکشها در نمونه مواد غذایی باعث مهار AChE خواهد شد. فعالیتهای AChE در زیستحسگر مهار شده و دوباره اندازهگیری شد. مقدار باقیمانده آفتکشها میتواند توسط تفاوت فعالیتهای قبل و بعد ازانکوباته کردن در نمونه مواد غذایی محاسبه شود که زیستحسگر قادر به تشخیص سطح نروتوکسی آفتکشها از ارگانوفسفاتها و کارباماتهای کمتر از 5 ʽg/kg را دارد، که پایینتر از حداکثر باقیمانده آفتکشها - 10 ʽg/kg - در مواد غذایی نوزادان در اتحادیه اروپا است.[3] تنها اشکال زیستحسگرها با AChE معمولا عدم تکرارپذیری است. سرکار و همکارانش الکترود آنزیم اصلاح شده توسط کوپلیمریزاسیون AChE با استفاده از آکریلآمید و N، -N دیمتیلن- -bis آکریلآمید، به طور مستقیم آنزیم را روی سطح الکترود کارگر تثبیت کردند. این زیستحسگر اصلاح شده نشان دهنده افزایش ثبات و تکرار در تشخیص آفتکشهای ارگانوفسفره و کاربامات است.[3]