بخشی از مقاله
چکیده:
با گسترش انواع سلاحهای جنگی از جمله مواد منفجره تیانتی و عوامل اعصاب، دستیابی به روشی جهت مقابله و جلوگیری از خطرات زیانبار آنها، امری ضروری است. امروزه پدافند غیرعامل، بدون استفاده از اقدامات نظامی و با بهره گیری از فعالیتهای فنی، کاربرد زیادی پیدا کرده است. بدین منظور در این مقاله، بیوسنسوری مبتنی بر چهار آنزیم استیل-کولیناستراز، کولیناکسیداز، نیتروردوکتاز و هورسرادیشپراکسیداز طراحی شده است که دارای حد تشخیص 1/5 میکروگرم بر میلیلیتر تیانتی و 1/25 میکرومولار پاراکسون به صورت همزمان میباشد که با هشدار به صورت بله/خیر، حضور این مواد را اعلام میکند.
مقدمه
عوامل جنگی شیمیایی، مواد زائد به جامانده از آفتکشها و ذخایر شیمیایی، تهدیدی بالقوه برای سلامت انسان و محیط زیست تلقی میشوند. از اینرو، فرایندهای زیستی و شیمیایی که قادر به شناسایی و سم زدایی این عوامل باشند، مورد تقاضای گستردهای قرار گرفته اند. امروزه، روشهای بیوکاتالیتیکی در مقایسه با فرایندهای شیمیایی، خورنده و مضر نیستند به همین دلیل، بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند. مهمترین دستهی آنزیمی به کار گرفته شده برای عملیات سم زدایی و رفع آلودگی، اکسیدوردوکتازها و هیدرولازها هستند.
شواهد فراوانی دال بر امکان تولید، ذخیره سازی و کاربرد جنگافزارهای شیمیایی توسط جنبشهای تروریستی و امکان سوءاستفاده از نتایج پژوهشها در حوزه زیست پزشکی، برای دستیابی به مواد شیمیایی نوین، جهت مقاصد نظامی و تروریستی وجود دارد. سلاحهای جدید مرتبط با عوامل گاز اعصاب - ارگانوفسفره ها - از قبیل پاراکسون، پاراتیون، سارین و سومان، بسیار خطرناک و غیرکلاسیک میباشند که شناسایی و از بین بردن آنها الزامی است. عوامل اعصاب، مهلکترین گروه عوامل جنگی شیمیایی را تشکیل میدهند.
از جمله تدابیری که امروزه مورد توجه بسیاری قرار گرفته، پدافند غیرعامل است. پدافند غیرعامل، کاهش آسیب پذیری درهنگام بحران، بدون استفاده از اقدامات نظامی و صرفا با بهره گیری از فعالیت های غیرنظامی، فنی و مدیریتی است. یکی از اقدامات این پدافند، اعلام خطر است. تاکنون روشهای آنالیزی مختلفی برای شناسایی عوامل ارگانوفسفره به کار گرفته شده است که میتوان به روشهای طیف سنجی، کروماتوگرافی و... اشاره کرد. این روشها زمانبر، پرهزینه، نیازمند تجهیزات پیشرفته و آموزش هستند و نیز در برابر ارگانو فسفرههایی که جدید سنتز میشوند کارایی ندارند. استفاده از بیوسنسور، منجر به رفع بسیاری از این موانع میشود. طبق نظریه آیوپاک، بیوسنسور ابزاری است که توانایی فراهم کردن اطلاعات آنالیتیکی کمی یا نیمه کمی با استفاده از یک عنصر تشخیصی بیولوژیکی متصل به یک انتقال دهنده را دارد.
ارگانوفسفره ها، دستهی مهمی از ترکیبات شیمیایی مورد استفاده در جنگهای شیمیایی هستند که میتوانند با مهار آنزیم استیل کولین استراز، مانع فعالیت نوروترانسمیترها در سیناپسهای عصبی شده و منجر به عوارض شدید و در نهایت مرگ شوند. از دیگر سلاحهای شیمیایی که امروزه مورد توجه بسیاری قرار گرفته، ترکیبات نیتروآروماتیک میباشند.
تری نیتروتولوئن یا تیانتی - TNT - یک ترکیب هیدروکربن آروماتیک بلوری و زرد رنگ است که در 354 درجه کلوین ذوب می شود. تی ان تی، یک ماده منفجره است که سرعت انفجار آن 7028 متر در ثانیه می باشد. افرادی که در تماس با تری نیتروتولوئن قرار میگیرند به کم خونی و یا آنمی های غیرعادی و ناراحتی های کبدی دچار می شوند. خون و جگر آلوده شده و تورم جگر بروز میکند و قدرت دفاعی بدن به شدت پایین میآید. شواهد زیادی در دست است که تیانتی موجب اختلال در باروری اسپرم میشود و یک کارسینوژن - ماده ایجاد کننده سرطان - است.
در سالهای اخیر، تلاشهای بسیاری برای ساخت دستگاههای آنالیتیکی موثر که قادر به شناسایی این ترکیبات پر خطر باشند، صورت گرفته است. اما همچنان نیاز به کیت پایدار و نیز روشی آسان برای شناسایی مواد شیمیایی چندگانه - مواد منفجره و عوامل اعصاب - در یک روش سریع وجود دارد. در این مقاله از گیت منطقی مبتنی بر آنزیم به منظور تشخیص این عوامل پر خطر استفاده شده است. این سیستم قادر به شناسایی حضور ترکیبات مواد منفجره و عوامل اعصاب از طریق هشدار سریع میباشد که در جلوگیری از حمله تروریستی موثر است.
در برخی بررسیها، بیوسنسورهای طراحی شده تنها قادربه تشخیص و آنالیز یک سوبسترای خاص بوده اما در این سیستم، از چهار آنزیم موثر بهره گرفته که به تشخیص ترکیبی از انواع مواد خطرناک میپردازد. این سیستم، آبشاری بیوکاتالیتیک فراهم میکند که قادر است انواع متفاوت از مواد مخاطره انگیز را با روشی آسان و قابل اعتماد کشف کند. این عمل با تشکیل آبشار بیوشیمیایی که عملکرد منطقی دارد و از اصل بولی - از این اصل در طراحی مدارهای الکترونیک استفاده شده و در آن مقادیر درست و غلط و یا مقادیر پایین و بالا با اعداد صفر یا یک نشان داده میشوند - پیروی میکند، انجام میشود. گیت منطقی NOR آبشاری از واکنشها که توسط چهار آنزیم نیتروردوکتاز - NRd - ، هورس رادیش پراکسیداز - HRP - ، استیلکولیناستراز - AchE - و کولین اکسیداز - Cho - کاتالیز میشوند را نشان میدهد. این چهار آنزیم، بدنه این گیت را تشکیل میدهند.
استیل کولین استرازها - EC 3.1. 1.7 - از آنزیمهای سرین هیدرولاز بوده و تحت شرایط بهینه، استرهای کولین را با سرعت بالاتر از سایر استرها هیدرولیز میکنند. آنزیم هورسرادیش پراکسیداز ,EC - 1.11.1.7 - برای تقویت سیگنالهای ضعیف و افزایش قدرت آشکارسازی مولکولهای هدف استفاده میشود. این آنزیم از خانواده متالوآنزیمها بوده و کوفاکتور آن گروهِم است. آنزیم نیتروردوکتاز، از خانواده اکسیدوردوکتازها بوده و کوفاکتور آنها FMN است. این آنزیم، ترکیبات حاوی نیتروژن را احیا میکند. آنزیم کولین اکسیداز EC - 1.1.3.17 - ، از خانواده اکسیدوردوکتازها بوده و در متابولیسم اسیدهای آمینه گلیسین، سرین و ترئونین شرکت نموده و به طور کلی واکنش زیر را کاتالیز میکند:
در این بیوسنسور از جفت شدن کاتالیتیکی AChE/ ChO ، H2O2 تولید میشود. H2O2 از طریق آبشار بیوکاتالیتیکی NRd/HRP در حضور سوبسترای نیتروآروماتیک به آب تیدیل میشود. از احیای H2O2 بر سطح الکترود جریان الکتریکی ایجاد می شود که مقدار آن متناسب با غلظت هیدروژن پراکسید است. مهار شدن فعالیت آنزیم استیل کولین استراز توسط عوامل اعصاب ارگانوفسفره در سطح الکترود، موجب کاهش غلظت هیدروژن پراکسید شده و جریان حاصل نیز کاهش می یابد
شکل.1 آبشار کاتالیتیکی آنزیمی در گیت NOR
گیت منطقی NOR، نوعی گیت دیجیتال میباشد که عملکرد آن براساس جدول ارزش یا صحت میباشد - شکل . - 2 در این گیت، H2O2 به عنوان سیگنال خروجی است و عوامل پرخطر تیانتی، پاراکسون، متیل پاراتیون و دی نیترو تولوئن، ورودی این گیت را تشکیل میدهند.
شکل.2 گیت منطقی NOR
