بخشی از مقاله
چکیده:
علم نانو به عنوان فناوری قرن 21 توانسته است سایر علوم را تحت تاثیر خود قرار دهد و با توسعهی بینظیر خود منجر به ایجاد انقلاب عظیم در بخشهای مختلف از جمله صنایع غذایی گردد. حسگرهایی که در ابعاد نانومتری ساخته شدهاند، قادر به تشخیص وجود گاز، بو، آلودگیهای شیمیایی، عوامل بیماریزا و تغییرات شرایط محیطی هستند. این نانو حسگرها توانایی کنترل کیفیت، تضمین تازگی محصولات و بهبود ایمنی مواد غذایی را دارا میباشند.
هدف از این پژوهش بررسی کاربردهای مختلف نانو حسگرها در زمینهی بستهبندی و تأمین ایمنی مواد غذایی به منظور تشخیص آنالیتهای مربوط به مواد غذایی مانند گازها، ویروسها، باکتریها و دیگر پاتوژنها میباشد. در بخش نخست این مقاله، به معرفی انواع نانو حسگرها - شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی - و اجزای اصلی تشکیل دهنده یک حسگر در مقیاس نانو پرداخته شده است. در بخش دوم نیز مروری کامل بر کاربردهای نانو حسگرها در زمینه بستهبندی و تأمین سلامت مواد غذایی صورت گرفته است.
مقدمه:
مصرف غذاهای آلوده یکی از مشکلات رایج در جوامع بشری میباشد. حدود %30 از افراد در کشورهای صنعتی از بیماریهای ناشی از مصرف غذاهای آلوده رنج میبرند.[4] از دیرباز دستیابی به مواد غذایی با کیفیت جزء مهمترین اهداف بشر بوده است و ایمنی لازمه چنین کیفیتی میباشد. ایمنی مواد غذایی به وجود یا فقدان مقدار قابل قبول آلودگی، سموم طبیعی یا بعضی موادی که ممکن است برای سلامتی انسان مضر باشد، اشاره می نماید. به منظور حفظ تازگی و ایمن بودن مواد غذایی، بایستی در کلیه مراحل فرآوری و نگهداری مواد از فساد مواد غذایی و خطرات بهداشتی جلوگیری به عمل آورد، چرا که حتی در طول مدت تولید و نگهداری ماده غذایی بسته بندی شده در خلاء هم امکان تغییرات شیمیایی و فیزیکی آن وجود دارد. این تغییرات می تواند ضمن تأثیر در ایمن بودن ماده غذایی، منجر به تغییر در ذائقه پسند بودن غذا از حیث طعم گردند
از آنجایی که مصرف کنندگان نیاز به محصولات غذایی مطلوب، مناسب و تازه دارند، امروزه فناوریهای نوینی جهت بهبود ایمنی و بستهبندی مواد غذایی به کار گرفته میشوند. فناوری نانو از جملهی این فناوریهای نوین است. فناوری نانو شامل ساخت و دستکاری مواد، سیستمها یا اجزایی است که حداقل دارای یکی از ابعاد با طول حدود 100 - 1 نانومتر هستند.
تفاوت اصلی این فناوری با فناوریهای دیگر مربوط به عناصر پایه یعنی نانو مقیاسها است البته تنها کوچک بودن این مواد مد نظر نیست، بلکه زمانی که اندازهی مواد در این مقیاس باشد خصوصیات ذاتی آنها نسبت به مقیاس طبیعی آن مواد تغییر میکند و دلیل این تغییرات در مقیاس نانو افزایش نسبت سطح به حجم و ورود اندازهی ذره به قلمرو اثرات کوانتمی است
کاربردهای فناوری نانو در غذا و صنایع غذایی را میتوان به شش گروه : -1 فرایندهای غذایی؛ -2 سلامت غذا؛ -3 تولید غذا؛ -4 بسته بندی غذا؛ -5 نگهداری غذا؛ -6 بهبود طعم و رنگ غذا تقسیم کرد.[9] یکی از پرکاربردترین ابزارهای فناوری نانو در بخش صنایع غذایی، نانو حسگرها میباشند. امروزه صنعت غذایی نیازمند روشهای سریع و ارزان کنترل کیفیت به صورت بیدرنگ - On-line - میباشد، که باعث کاهش ضایعات تولید و صرفهجویی در هزینه شود و به روشی غیر مخرب بیانگر اطلاعاتی از تازگی محصول باشد.
در سالهای اخیر تلاشهای زیادی برای ساخت حسگرها به منظور تشخیص میکروارگانیسمهای بیماریزا صورت گرفته است. با استفاده از فناوری نانو امکان ساخت نانو حسگرهایی وجود دارد که قابلیت استفاده در چرخههای تولید مواد غذایی و همچنین در بستهبندی مواد غذایی به منظور تشخیص میکروارگانیسمهای مختلف مانند کامپیلوباکتر، اشرشیاکولای، سالمولنا و لیستریا را دارند. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطر کوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنشپذیری بسیار بالایی برخوردارند به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکسالعمل نشان میدهند.[4] حساسیت بالا، کوچک بودن، زمان پاسخ-دهی کوتاه و... - شکل - 1 از جمله مزایای استفاده از حسگرهای نانو میباشند
شکل : 1 مزایای نانو حسگرها.
هدف از این پژوهش بررسی کاربردهای مختلف نانو حسگرها در زمینهی بستهبندی و تأمین ایمنی مواد غذایی به منظور تشخیص آنالیتهای مربوط به مواد غذایی مانند گازها، ویروسها، باکتریها و دیگر پاتوژنها میباشد. در بخش نخست این مقاله، به معرفی انواع نانو حسگرها - شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی - و اجزای اصلی تشکیل دهنده یک حسگر در مقیاس نانو پرداخته شده است. در بخش دوم نیز مروری کامل بر کاربردهای نانو حسگرها در زمینه بستهبندی و تأمین سلامت مواد غذایی صورت گرفته است.
نانو حسگر:
یک نانو حسگر وسیلهای هوشمند با ابعادی در حدود 100 - 10 میکرومتر مربع میباشد، که علاوه بر دریافت - حس کردن - پارامترهای محیطی توانایی پردازش و فرماندهی را نیز دارد. شکل 2 ساختمان و اجزای سازنده یک نانو حسگر را نشان میدهد. با وجود شباهتهای یک نانو حسگر با حسگرهای در مقیاس میکرو و ماکرو، باید به این نکته توجه داشت که، نانو حسگر تنها یک حسگر کوچک و ساده نیست بلکه تواناییها و کاربردهای آن به نسبت زیادی به ابعاد آن بستگی دارد.
شکل : 2 شماتیک یک نانو حسگر یکپارچه.
نانو موادهایی از قبیل نانو ذرات فلز - مس، طلا، نقره و... - ، گرافن و مشتقات آن یعنی نانو نوارهای گرافن - GNRs - 1 و نانو لولههای کربنی - CNTs - 2 با قابلیت بالا در دریافت - حس کردن - پارامترهای محیطی، اصلی ترین واحد سازندهی بسیاری از حسگرهای نانو میباشند. براساس نوع کمیت مورد اندازهگیری، نانو حسگرها به سه دستهی نانو حسگرهای فیزیکی، نانو حسگرهای شیمیایی و نانو حسگرهای بیولوژیکی تقسیم میشوند.
نانو حسگرهای فیزیکی : - Physical Nanosensors - این نانو حسگرها برای اندازهگیری کمیتهایی از قبیل جرم، فشار، نیرو یا جابجایی استفاده میشوند. اساس کار این نوع حسگرها بر مبنای تغییر در خواص الکتریکی نانو نوارها و نانو لولهها، در اثر خم شدن و تغییر شکل است.
برای مثال یک نانو لوله کربنی میتواند در ساخت یک ترانزیستور اثر میدانی - FET - 3 در مقیاس نانو استفاده شود، که اساس کار آن بر مبنای تغییر در ابعاد، شکل و دمای نانو لوله کربنی است. تغییر شکل نانو لوله باعث تغییر در خواص الکتریکی آن میشود و در نتیجه ولتاژ خروجی ترانزیستور متناسب با این تغییر شکل تغییر مییابد. براساس همین اصل ساده انواع مختلفی از سیستمهای نانو الکترومکانیکی - NEMS - 4 با کاربردهای مختلف به عنوان نانو حسگرهای جرم، نانو حسگرهای جابجایی، نانو حسگرهای نیرو و نانو حسگرهای فشار ساخته شدهاند.
نانو حسگرهای شیمیایی : - Chemical Nanosensors - این نانو حسگرها برای اندازهگیری کمیتهایی از قبیل غلظت یک گاز و شناسایی گونهای خاص از مولکولها یا تشخیص ترکیب مولکولی یک ماده استفاده میشوند. هنگامی که انواع مختلف مولکولها بر روی نانو نوارهای گرافن یا نانو لوله-های کربنی جذب میشوند، خواص الکتریکی این نانو مواد تغییر میکند. یعنی متناسب با مقدار مولکول جذب شده تعداد الکترونهایی که از شبکه کربنی این نانو مواد عبور میکنند، کاهش یا افزایش مییابند. همانند نانو حسگرهای فیزیکی در یک حسگر شیمیایی نیز وقتی که یک نانو لوله یا نانو نوار در ساختمان ترانزیستور اثر میدانی به کار گرفته میشود، متناسب با میزان جذب مولکولها ولتاژ خروجی آن ترانزیستور تغییر میکند. براساس همین اصل ساده امروزه انواع نانو حسگرهای شیمیایی با کاربردهای مختلف ساخته میشوند.
نانو حسگرهای بیولوژیکی : - Biological Nanosensors - این نانو حسگرها به منظور پایش فرآیندهای بیومولکولی مانند بر هم کنشهای بین پادتن و پادگن، بر هم کنشهای DNA ، واکنشهای آنزیمی، فرآیندهای سلولی و... استفاده میشوندیک. نانو حسگر بیولوژیکی معمولاً از یک واحد شناساگر بیولوژیکی یا گیرنده زیستی5 مانند یک پادتن، آنزیم، پروتئین یا DNA و یک مکانیزم مبدل مانند یک آشکارساز الکترومکانیکی، مبدل نوری و آشکارساز ولتائیک یا مغناطیسی ساخته میشود. نانو حسگرهای بیولوژیکی براساس اصول عملکردشان به دو گروه نانو حسگرهای بیولوژیکی الکترومکانیکی و نانو حسگرهای بیولوژیکی فوتومتریک تقسیم میشوند.
نانو حسگرهای بیولوژیکی الکترومکانیکی عملکردی شبیه به نانو حسگرهای شیمیایی دارند با این تفاوت که در این نوع حسگرها تغییر در خواص الکتریکی نانو نوار یا نانو لوله ناشی از یکی از موارد زیر میباشد:
-1 پروتئین یا هر گونه ترکیب شیمیایی که به نانو نوار یا نانو لوله حسگر متصل میشود.
-2 یک نوع پادگن خاص که به پادتن کاشته شده بر روی نانو لوله یا نانو نوار متصل میشود.
-3 یک زنجیره استاندارد DNA که به زنجیره DNA متصل بر نانو لوله یا نانو نوار متصل میشود.
بر اساس موارد ذکر شده نانو حسگرهای بیولوژیکی الکترومکانیکی میتوانند در صنایع غذایی و علوم پزشکی استفاده شوند. به عنوان مثال این نانو حسگرها در علوم پزشکی به منظور تشخیص سرطان ریه، تنگی نفس، ویروس های رایج مانند ویروس آنفلوانزا، انگل مالاریا و ... استفاده میشوند. نوع دیگر نانو حسگرهای بیولوژیکی بر اساس استفاده از نانو ذرات فلز و تحریک پلاسمونهای سطحی توسط امواج نوری عمل میکنند. به بیان سادهتر فرکانس تشدید پلاسمونهای سطحی که در اثر تابش نور ایجاد شده است، با جذب مواد مختلف بر روی نانو ذرات فلز تغییر میکند. این روش به روش تشدید پلاسمونهای سطحی محلی - LPSR - 1 معروف است.
وجود یک منبع نور خارجی و دستگاهی که بتواند فرکانسهای تشدید ذرات فلز را مقایسه و اندازهگیری کند در مکانیزم این نوع نانو حسگرهای بیولوژکی ضروری است. در شکل 3 اساس کار سه نوع اصلی نانو حسگرها رسم شده است.
شکل -3 - الف - یک ترانزیستور اثر میدانی نانو لوله کربنی را نشان که در ساختمان بیشتر نانو حسگرها به کار گرفته میشود. در این ترانزیستور یک نانو لوله کربنی در بین دو الکترود چشمه2 و درگاه3 قرار دارد. الکترونها تنها در صورتی از الکترود چشمه به الکترود درگاه شارش میکنند، که نانو لوله کربنی تحت تأثیر پارامترهای محیطی تغییر شکل پیدا کند. این تغییر شکل میتواند ناشی از یک نیروی خارجی - شکل -3 ب - ، مولکولهای یک گاز - شکل -3 ج - یا برهم کنش پادتن- پادگن - شکل -3 د - باشد.
شکل :3 نانو حسگرهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی بر مبنای نانو لولههای کربنی .
کاربرد نانو حسگرها در پایش کیفیت و بستهبندی مواد غذایی:
نانو حسگرها در بستهبندی مواد غذایی، برای کنترل شرایط داخلی و خارجی محصولات غذایی طراحی شدهاند. این نانو حسگرها به دو گروه نانو حسگرهای تشخیص دهنده اثرات اتمسفری - شرایط خارجی - و نانو حسگرهای تشخیص دهنده میکروارگانیسمها و مواد شیمیایی در داخل بسته - شرایط داخلی - تقسیم میشوند.
نانو حسگرها در پایش شرایط خارجی : این نانو حسگرها پتانسیل کنترل تمام اثرات اتمسفری - خارجی - بر روی محصول، از مرحله تولید تا مرحله مصرف را دارا میباشند. اگر این نانو حسگرها برای اندازهگیری دما و رطوبت به یک میوه تازه متصل شوند، میتوانند اطلاعاتی در مورد رسیدگی و تازگی میوه، شرایط نگهداری و حمل و نقل آن در اختیار ما قرار دهند. این نانو حسگرها بسیار کوچک، انعطاف پذیر و تقریباً نامرئی هستند.
نانو حسگرها در پایش شرایط داخلی : این نوع نانو حسگرها در واقع همان نانو حسگرهای شیمیایی و بیولوژیکی هستند. واحد حسکننده در این نوع حسگرها مجهز به یک گیرنده شیمیایی یا زیستی است، که با المان هدف واکنش میدهد. این واکنش باعث تغییر در پارامترهای خروجی نانو حسگر میشود
