پایان انتظار برای جواب آزمایش کیفیت آب با حسگر نانویی

به گزارش روز دوشنبه گروه علمی ایرنا از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، پژوهشگران در مقاله‌ای که به‌صورت «مقاله در دست انتشار» در مجله گزارش‌های علمی (Scientific Reports) منتشر شده است، سامانه‌ای قابل‌حمل با نام آکوافلوسنس (AquaFluoSense) معرفی کرده‌اند. این سامانه یک زیست‌حسگر نانو-نوری است که با استفاده از نقاط کوانتومی تلورید کادمیم و آپتامرهای DNA اختصاصی، می‌تواند یون‌های سرب و آرسنیک را در نمونه‌های آب شناسایی کند.

روش‌های متداولی مانند طیف‌سنجی جذب اتمی یا AAS و طیف‌سنجی جرمی پلاسمای جفت‌شده القایی یا ICP-MS از حساسیت بالایی برخوردارند و در آزمایشگاه‌ها برای اندازه‌گیری فلزات سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، هزینه بالای تجهیزات، زمان موردنیاز برای آماده‌سازی و تحلیل نمونه، نیاز به آزمایشگاه تخصصی و حضور نیروی آموزش‌دیده باعث می‌شود استفاده از این روش‌ها در بسیاری از موقعیت‌های میدانی دشوار باشد.

اینجاست که فناوری نانو می‌تواند بخشی از معادله را تغییر دهد. پژوهشگران برای ساخت حسگر جدید از نقاط کوانتومی (Quantum Dots) استفاده کرده‌اند؛ نانوساختارهایی که ویژگی‌های نوری آن‌ها به اندازه ذرات وابسته است و می‌توانند پس از تحریک با نور، تابش فلورسانس ایجاد کنند. این ویژگی باعث می‌شود نقاط کوانتومی به مبدل‌های نوری بسیار مناسبی برای ساخت حسگرهای کوچک و حساس تبدیل شوند.

در سامانه آکوافلوسنس، نقطه کوانتومی از جنس تلورید کادمیم یا CdTe است که با مولکول مرکاپتوپروپیونیک اسید پوشش داده شده است. پژوهشگران این نقاط کوانتومی را از طریق یک فرایند کنترل‌شده در محیط آبی سنتز کردند تا ذراتی با پایداری کلوئیدی مناسب و توزیع اندازه نسبتاً یکنواخت به دست آید. این نقاط کوانتومی نقش پروب‌های فلورسانس را ایفا می‌کنند و در اثر تحریک با نور فرابنفش، سیگنال نوری تولید می‌کنند.

اما بخش کلیدی فناوری در این مرحله وارد می‌شود. پژوهشگران روی سطح نقاط کوانتومی، آپتامرهای DNA قرار داده‌اند. آپتامرها رشته‌های مصنوعی DNA تک‌رشته‌ای هستند که می‌توانند برای شناسایی انتخابی یک مولکول یا یون خاص طراحی شوند. در این پژوهش، آپتامرهایی مورد استفاده قرار گرفتند که تمایل بالایی برای اتصال به یون‌های سرب و آرسنیک دارند.

اتصال این آپتامرها به نقاط کوانتومی از طریق گروه‌های کربوکسیلی موجود در پوشش سطحی و با استفاده از شیمی EDC/NHS انجام شد. هنگامی که یون هدف به آپتامر متصل می‌شود، ساختار فضایی آپتامر تغییر می‌کند. این تغییر می‌تواند محیط اطراف نقطه کوانتومی را تحت تأثیر قرار دهد و در نتیجه شدت فلورسانس آن را تغییر دهد. بنابراین، میزان تغییر سیگنال نوری می‌تواند به‌عنوان شاخصی برای تعیین غلظت آلاینده مورد استفاده قرار گیرد.

برای ساخت سامانه قابل‌حمل، پژوهشگران اجزای نوری و الکترونیکی نسبتاً ساده‌ای را در کنار یکدیگر قرار دادند. یک LED فرابنفش وظیفه تحریک نقاط کوانتومی را بر عهده دارد و مجموعه‌ای از عدسی‌های دوکوژ و فیلترهای نوری، نور فلورسانس تولیدشده را جمع‌آوری و از نورهای مزاحم جدا می‌کنند. در نهایت، یک آشکارساز نوری یا فوتودیود، سیگنال را دریافت می‌کند.

این سیگنال توسط یک ریزکنترلگر آردوینو اونو (Arduino Uno) پردازش می‌شود و نتیجه به‌صورت لحظه‌ای روی نمایشگر LCD قابل مشاهده است. چنین ساختاری به این معناست که برای انجام اندازه‌گیری، الزاماً نیازی به انتقال نمونه به یک آزمایشگاه مجهز نیست و می‌توان بخش مهمی از فرایند تحلیل را در محل انجام داد.

پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد حسگر، ابتدا نمونه‌های آب آزمایشگاهی را با غلظت‌های مشخصی از یون‌های سرب و آرسنیک آلوده کردند. سپس پاسخ حسگر را در محدوده غلظت‌های نانومولار بررسی کردند. در ادامه، نمونه‌هایی از منابع واقعی آب در چند منطقه نیز جمع‌آوری شد تا عملکرد سامانه در شرایط محیطی واقعی مورد ارزیابی قرار گیرد.

نتایج نشان داد نقاط کوانتومی ساخته‌شده، رفتارهای نوری وابسته به اندازه مورد انتظار را از خود نشان می‌دهند. همچنین، آزمون‌های طیف‌سنجی از جمله FTIR و فوتولومینسانس، اتصال موفق آپتامرها به سطح نقاط کوانتومی را تأیید کردند؛ در حالی که ویژگی‌های نوری مفید این نانوساختارها همچنان حفظ شده بود.

با افزایش غلظت سرب یا آرسنیک، تغییر مشخص و وابسته به غلظت در شدت فلورسانس مشاهده شد. پژوهشگران احتمال می‌دهند تغییر ساختار آپتامر پس از اتصال به یون هدف، محیط موضعی اطراف نقطه کوانتومی را تغییر داده و سازوکارهایی مانند انتقال انرژی تشدیدی فورستر (FRET) یا انتقال الکترون القاشده توسط نور، در تغییر سیگنال فلورسانس نقش داشته باشند.

از نظر حساسیت، این حسگر توانست برای سرب حد تشخیص حدود ۱.۲ نانومولار و برای آرسنیک حدود ۰.۴۵ نانومولار به دست آورد. این میزان حساسیت امکان شناسایی غلظت‌هایی کمتر از سطوح راهنمای تعیین‌شده برای آب آشامیدنی از سوی سازمان جهانی بهداشت را فراهم می‌کند.

یکی از مهم‌ترین بخش‌های اعتبارسنجی، مقایسه نتایج آکوافلوسنس با روش ICP-MS بود. نتایج حاصل از پردازش سیگنال توسط ریزکنترلگر با داده‌های به‌دست‌آمده از روش مرجع همبستگی بالایی داشت و ضریب تعیین یا R² در مقایسه‌های انجام‌شده از ۰.۹۸ بیشتر بود. این مقدار نشان می‌دهد که نتایج حسگر و روش مرجع، تطابق تحلیلی قابل‌توجهی داشته‌اند.

آزمایش نمونه‌های واقعی آب از مناطقی از جمله امریتسار (Amritsar) و باتیندا (Bathinda) نیز تفاوت در میزان آلودگی منابع مختلف را نشان داد؛ تفاوتی که حسگر جدید نیز توانست آن را ثبت کند. افزون بر این، آپتامرهای مورد استفاده حساسیت انتخابی مناسبی نسبت به یون‌های هدف داشتند و در برابر برخی فلزات غیرهدف آزمایش‌شده، واکنش متقاطع قابل‌توجهی نشان ندادند.

این ویژگی در نمونه‌های محیطی اهمیت زیادی دارد، زیرا آب طبیعی برخلاف نمونه‌های آزمایشگاهی ساده، مجموعه‌ای پیچیده از یون‌ها، مواد آلی و ترکیبات مختلف را در خود دارد که می‌توانند عملکرد حسگر را مختل کنند. نتایج این مطالعه نشان داد اجزای موجود در ماتریس محیطی تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد سامانه نداشتند و انتخاب‌پذیری ناشی از ترکیب آپتامر و نقطه کوانتومی توانست تا حد زیادی حفظ شود.

با وجود این نتایج امیدوارکننده، آکوافلوسنس هنوز یک نمونه اولیه محسوب می‌شود و برای تبدیل‌شدن به یک ابزار پایش گسترده، به توسعه و اعتبارسنجی بیشتر نیاز دارد. پژوهشگران در گام‌های بعدی می‌توانند قابلیت‌هایی مانند کالیبراسیون خودکار، شناسایی هم‌زمان چند آلاینده، ارتباط بی‌سیم و پردازش داده با کمک هوش مصنوعی را به این سامانه اضافه کنند.

در صورت تحقق این توسعه‌ها، حسگرهای نانویی می‌توانند پایش آلودگی آب را از محیط‌های تخصصی آزمایشگاهی به نقاطی منتقل کنند که دسترسی به تجهیزات پیشرفته دشوار یا پرهزینه است. در چنین شرایطی، ترکیب نقاط کوانتومی، آپتامرهای زیستی، قطعات الکترونیکی ارزان‌قیمت و فناوری‌های پردازش داده می‌تواند نسل تازه‌ای از ابزارهای قابل‌حمل برای پایش محیط‌زیست را شکل دهد.

دستاورد آکوافلوسنس در نهایت نمونه‌ای از تلاش برای تبدیل قابلیت‌های چشمگیر نانوفناوری به ابزارهایی کاربردی و در دسترس است؛ ابزارهایی که بتوانند نه چند روز یا چند هفته بعد، بلکه همان جایی که آلودگی رخ داده است، درباره کیفیت آب هشدار بدهند.