فناوری نانو و جايگاه آن در کشاورزی

[Eng.probe]

فناوری نانو کاربرد موثری در کشاورزی و منابع طبیعی دارد


فناوری نانو، در زمینه های مختلفی مانند تشخیص سریع بیماری های گیاهی، شناسایی باقیمانده سموم در محصولات کشاورزی و حذف آنها، انتقال هوشمند دارو، سموم و عناصر غذایی در دام، شیلات و گیاهان، تصفیه آب های روان، افزایش کیفیت فراورده های کشاورزی مرتبط با صنایع نساجی، مهندسی ژنتیک گیاهان و دام و افزایش میزان تولید محصول از طریق تولید حیوانات و گیاهان، افزایش مدت زمان انبارداری محصولات کشاورزی و موارد بسیاری نظیر آن می تواند نقش بسیار موثری را در بخش کشاورزی و منابع طبیعی ایفا کند.
در حال حاضر، حدود 200 شرکت در سراسر جهان در زمینه تحقیقات فناوری نانو فعال هستند و انتظار می رود که تعداد آنها بسرعت افزایش یابد و به موازات آن، کاربردهای بیشتر، جدیدتر و پیچیده تری از این فناوری پدیدار شود.


** کاربرد فناوری نانو در صنایع غذایی

فناوری نانو، توانایی اثرگذاری در بسیاری از زمینه های صنایع غذایی را دارد. این علم و فناوری جدید می تواند نقاط ضعف صنعت بسته بندی را برطرف کند. بعنوان مثال فیلم هایی با ساختارهای نانویی و نیز با افزودن برخی مواد در ساخت آنها، به تولید بسته بندی هایی ختم می شود که می تواند از تهاجم عوامل بیماری زا و میکروب ها و دیگر میکروارگانیزم هایی که بهداشت و سلامت غذا را به خطر می اندازد، جلوگیری کنند. همچنین نانو حسگرهای بکار رفته در بسته بندی مواد غذایی، می تواند برای نمایش کیفیت مواد غذایی بسته بندی شده و اعلام وضعیت سلامت آن بکار رود. بطور خلاصه حوزه های مختلف کاربردی فناوری نانو در غذا و صنایع غذایی را می توان به شش دسته نگهداری غذا، بهبود طعم و رنگ، سلامت غذا، بسته بندی، تولید غذا و فرایندهای غذایی تقسیم کرد.

- نانو مواد آلی و غیرآلی (نانو رس)
کاربرد نانو مواد مرکب، می تواند کیفیت بسته بندی را با افزایش خاصیت مانع بودن آن، قیمت کمتر، نمایش بهتر و مواد سازگار با محیط زیست، بهبود دهد.

- بسته بندی کاربردی
بسته بندی غذا با طراحی قاب های مختلف، مزیت های عملی مانند مقاومت در برابر آتش، جاذب گاز و مقاومت های حرارتی و مکانیکی، زمینه را برای افزایش توانایی مصرف و غیره فراهم می کند.

- نانو ذرات و نانوساختارها
این مواد می توانند بطور موثری باکتری های مضر را در غذا از بین ببرند و سلامت غذا را افزایش دهند.

- بسته بندی هوشمند با استفاده از نانو حسگرها
این بسته بندی ها می توانند تغییرات و فساد محتویات درون خود را آشکار سازند و به مصرف کننده، مواد مغذی دقیق را نشان دهند و قبل از فاسد شدن غذا به وی اطلاع دهند.


** کاربردهای فناوری نانو در علوم دامی

در علوم دامی، فناوری نانو، یک رویکرد جدید و تکمیل کننده است. فناوری نانو می تواند در راستای افزایش بهره وری از طریق مواد خوراکی و تغذیه، بهداشت و اصلاح نژاد انواع دام و طیور و آبزیان نیز بسیار موثر باشد. از جمله کاربردهای فناوری نانو در علوم دامی می توان به فناوری نانو دی.ان.ای، تشخیص بیماری ها و درمان دام ها و اصلاح نژاد دام اشاره کرد.


** کاربرد فناوری نانو در آبیاری مزارع کشاورزی

استفاده از فناوری نانو برای تولید قطره چکان های تنظیم کننده فشار و مقاوم به نفوذ ریشه، لوله های پلاستیکی تراوا و لوله های رسی، از مهمترین دستاوردهای فناوری نانو در علم آبیاری می باشند که با استفاده از آنها راندمان آبیاری از 30-40 درصد به 92-93 درصد افزایش می یابد. با توجه به اینکه 94 درصد از منابع آبی کشور در بخش کشاورزی مصرف می شود و با وجود خشکسالی های پی در پی، دستیابی به این میزان افزایش در راندمان مصرف آب می تواند کمک انکار ناپذیری برای خروج از بحران آب در پی داشته باشد. در این زمینه استفاده از یک هسته نانویی برای آمیخته شدن پلاستیک و علف کش هنگام ساخت لوله های پلاستیکی سبب شده است که از تجمیع ریشه و شکسته شدن لوله هنگام استفاده از آن در آبیاری زیرزمینی جلوگیری شود.

امروزه فناوری نانو علاوه بر اصلاح انواع محصولات کشاورزی در مقابل تنش ها ی گرمایی، بیماری ها و آفات، می تواند آنها را در مقابل خشکسالی نیز مقاوم سازد. از آنجاییکه 95 درصد از آب های موجود در جهان را آب های نامتعارف تشکیل می دهد، *****های نانو در کشاورزی و برای استفاده در آبیاری مزارع نیز می تواند به کار برده شود.
نانوفیبرهایی اکسید آلومینیم با اندازه های 2 نانومتر، قادرند ویروس ها، باکتری ها و کیست ها را در آب از بین ببرند. کشورهایی چون هند و آفریقای جنوبی با همکاران آلمانی خود و با تخصیص منابع مالی هنگفت چند میلیون دلاری از بودجه تحقیقاتی خود، توانسته اند گام های موثری را در این مسیر بردارند.


** فناوری نانو و کاربرد آن در گیاه پزشکی

علم گیاه پزشکی نیز از پیشرفت هایی که فناوری نانو به ارمغان آورده است بی بهره نخواهد بود. فناوری نانو می تواند علم گیاه پزشکی را دگرگون کند. دستاورد های جدید ناشی از فناوری نانو مانند تیمار مولکولی بیماری ها، ردیابی سریع بیماری ها، افزایش توامندی گیاهان برای جذب مواد غذایی همگی از عوامل تحول زا در بهبود کارایی علم گیاه پزشکی می باشند.


** کاربردهای فناوری نانو در بیوتکنولوژی کشاورزی

فناوری نانو اجازه می دهد تا اجزا و ترکیبات دلخواه را داخل سلول دستورزی نمود و مواد و محصولات جدیدی با استفاده از روش های جدید "اتو اسمبلی" (سرهم کردن خود) و تغییر ژن ساخت. استفاده از این نوع قابلیت های موجب تولید گیاهان، دام و بطور کلی موجوداتی با ویژگی های برتر شده که مزیت های مختلفی را در کشاورزی و صنایع غذایی ایجاد می کنند.


** کاربردهای فناوری نانو در ماشین های کشاورزی

صنعت ماشین های کشاورزی می تواند توسط فناوری نانو از یک پتانسیل جدید برای توسعه خود بهره مند شود. بسیاری از پیش بینی های کنونی نشان می دهد که تا 10 سال آینده طراحی و تولید خودروها به میزان 60 درصد تحت تاثیر فناوری نانو و زیر شاخه های آن قرار خواهد گرفت. بعنوان مثال کاربردهای انرژی نوین ، کاهش وزن خودرو، افزایش کارکرد مواد، افزایش راحتی و افزایش بهره وری در برابر هزینه های تمام شده از جمله مزایای قابل تعریف برای صنعت خودرو و ماشین های کشاورزی است.
ساخت و تولید ماشین های کشاورزی می تواند از فناوری نانو در زمینه های فراوانی همچون شاسی و بدنه، موتور و سیستم های انتقال نیرو، رنگ و لایه گذاری ها، روغن کاری و روان سازها، تایرها، سیستم تخلیه و مبدل های کاتالیستی و تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی سود برد.

 

[آیورودا]

کاربرد فناوری نانو در صنعت کشاورزی

کاربرد فناوری نانو در صنعت کشاورزی

مقدمه

در حال حاضر جمعيت دنيا در حدود هفت ميليارد نفر است که 50 درصد آن در آسيا زندگي مي‌کنند. جمعيت زيادي از مردم کشورهاي‌در حال توسعه، هر روزه به علت تأثيرات محيطي و يا بي‌ثباتي سياسي با مشکل مواد غذايي روبه‌رو هستند، در حالي که در کشورهاي توسعه يافته با مازاد مواد غذايي مواجه‌هستند. در کشورهاي در حال توسعه تلاش مي‌شود تا فراورده‌هايي مقاوم در برابر آفات و خشکسالي پرورش داده شود تا برداشت محصول به بالاترين ميزان خود برسد. صنايع غذايي در کشورهاي‌توسعه يافته در راستاي تقاضاي مشتري - در حال حاضر تلاش در ارائه مواد خوراکي تازه‌تر و سالم‌تر حرکت مي‌کند. در چند سال اخير تقاضا براي مواد غذايي تازه تا 10 درصد افزايش داشته است. جديدترين پيش بيني ها حاكي از آن است كه تا سال 2020 ميلادي تعداد افراد دچار فقر غذایی به حدود يك ميليارد نفر خواهد رسيد و اين بدان معناست كه حفظ نوع بشر در بلندمدت و نجات خيل عظيم انسان ها از خطر گرسنگي، نيازمند توجه ويژه ي متخصصان و سياست مداران امروز جهان به توسعه ي پايدار و همه جانبه ي صنعت كشاورزي است. ورود نسل اول فناوري ها به عرصه ي كشاورزي، در چند دهه ي گذشته منجر به وقوع انقلاب سبز و گذر از كشاورزي سنتي به كشاورزي صنعتي گرديد، در اين دوره افزايش چشمگيري در كيفيت و كميت محصولات كشاورزي صورت گرفت كه البته در كنار آن استفاده ي بي رويه از منابع، مشكلاتي را نيز در پي داشت. اكنون با گذشت سال ها از وقوع انقلاب سبز و كاهش مجدد نسبت رشد توليدات كشاورزي به جمعيت جهان، لزوم به كارگيري فناوري هاي جديد در صنعت كشاورزي پيش از هر زمان ديگري آشكار است. در اين بين فناوري نانو به عنوان يك فناوري بين رشته اي و پيشتاز، رفع مشكلات و كمبود ها در بسياري از عرصه هاي علمي و صنعتي، به خوبي جايگاه خود را در علوم كشاورزي و صنايع وابسته آن به اثبات رسانيده است. فناوري نانو كاربردهاي وسيعي در همه مراحل توليد، فرآوري، نگهداري، بسته بندي و انتقال توليدات كشاورزي دارد. کاربرد فناوري‌نانو در کشاورزي و صنايع غذايي، اولين بار در نقشه راه وزارت کشاورزي آمريکا در سپتامبر 2003 مورد بحث قرار گرفت. بخش کشاورزی آمریکا در سال 2004 نسبت به سال 2003 از رشدي 900 درصدی برخوردار بوده است. بخش کشاورزی از جمله مهمترین عرصه هاست که با استفاده از فناوری نانو، منافع زیادی را متوجه این بخش خواهد نمود. توسعه روش ها، محصولات و ابزارهای مختلفی که به کمک دستاوردهای فناوری نانو هر روز بر تنوع و کارایی آنها افزوده می شود، از نکات امیدبخشی است که نشان دهنده آینده پرجاذبه ای برای بازار محصولات فناوری نانو در زمینه های مختلف کشاورزی می باشد. به جرات می توان گفت که تمام جنبه ها و زمینه های علوم کشاورزی از دستاوردهای فناوری نانو به طور جدی متاثر خواهند شد.







نانوتکنولوژي چيست ؟
در حالي که تعاريف زيادي براي فناوري نانو وجود دارد ، ‌NNI تعريفي را براي فناوري نانو ارائه مي دهد که در برگيرنده هر سه تعريف ذيل باشد.
1- توسعه فناوري و تحقيقات در سطوح اتمي ، مولکولي و يا ماکرومولکولي در مقياس اندازه اي 1 تا 100 نانومتر.
2 – خلق و استفاده از ساختارها و ابزار و سيستمهايي که به خاطر اندازه کوچک يا حد ميانه آنها، خواص و عملکرد نويني دارند .
3 – توانايي کنترل يا دستکاري در سطوح اتمي

رابطه ميان فناوري نانو وعلوم کشاورزي در زمينه هاي زير قابل بررسي است :
1- نياز به امنيت در کشاورزي و سيستم هاي تغذيه اي
2- ايجاد سيستم هاي هوشمند براي پيشگيري و درمان بيماريهاي گياهي
3- خلق وسايل جديد براي پيشرفت در تحقيقات بيولوژي و سلولي
4- بازيافت ضايعات حاصل از محصولات کشاورزي


کاربردهای نانو در زراعت :
-کشاورزی دقيق (خاص مکانی)
بطور كلی كشاورزی‌دقيق يك نوع نگرش جديد در مديريت مزرعه است. امروزه با استفاده از نانو سنسورها مشخص می شود كه هر قسمت كوچك از مزرعه به چه ميزان عناصر غذائی و سم نياز دارد و بدين وسيله از آلودگی‌محيط زيست جلوگيری‌کرده ،سلامت محصولات و افزايش بازده اقتصادی‌راممكن می سازد.
نانو سنسور ها می توانند با کنترل دقيق وگزارش دهی به موقع نياز های گياهان به مرکز پردازش اطلاعات سيستم را در نگهداری محصولات ياری نمايد
- ايجاد گلخانه‌هاي كم‌هزينه‌تر با هدف صرفه‌جويي در مصرف انرژي و دوام بيشتر در برابر رطوبت
ساختارهاي نانويي مي توانند گلخانه هايي در حجم كم اما انبوه پديد آورند كه تقريباً با اندازه ای برابر 10 درصد كل مزارع زير كشت در حال حاضر ، مي توانند جمعيت كنوني جهان را تغذيه نمايند. در اين صورت ميليونها هكتار از زمين هاي كشاورزي به محيط هاي طبيعي براي سكونت حيوانات در سراسر جهان باز گردانده مي شوند .

کاربردهای نانو در اصلاح نباتات :
- انتقال ژن های مورد نظر به سلول های گياهی با استفاده از نانومواد
در اين روش از سامانه ی رسانش نانوذرات طلای پوشيده با DNA يا RNA بداخل سلول استفاده می شود.
-ساخت ابزارهاي جديد براي بيولوژي سلولي و مولكولي
اين ابزار ها جهت تعيين مولكول‌هاي خاص ، شناسايي و جداسازی آن ها استفاده می شوند و کاربری بسياری دارند که از این بين می توان به موارد زير اشاره کرد:

- تكنولوژي و علم توليد مثل ، اصلاح نژاد حيوانات و گياهان ، تبديل ضايعات به انرژي و محصولات جانبي مفيد و علم و تكنولوژي كودسازي
- اصلاح بذور به شيوه اتمی

کاربردهای نانو در توليد سموم و کود های موثر و کم خطر : ذرات سموم کشاورزی به وسیله عواملی از قبیل باد ، وارد هوا شده و با ورود به سیستم تنفسی انسان ، آن را در معرض انواع بیماری های استنشاقی قرار می دهد ، تحولات نانوفناوری ، با افزایش میزان سوددهی و کاهش عوارض سموم کشاورزی ، معضلات ناشی از این سموم را رفع می کند و آنها را به محصولاتی کاملاً مفید تبدیل میکند.
- توليد سموم و كودهاي شيميایي با استفاده از نانوذرات و نانوكپسول ها اين نسل از سموم و کود ها قابليت رهايش كنترل شده يا تاخيري ، جذب و تاثيرگذاري بيشتر و سازگاری با محيط زيست را دارا هستند. - تولید كريستالهاي نانویی جهت افزایش كارايي استفاده از آفت‌كش‌ها استفاده از كريستالهاي نانویی امکان كاربرد آفت‌كش‌ها با دُز هاي كمتر را فراهم می آورد و اين یعنی به حداقل رساندن ورود این ترکيبات خطرناک به طبيعت.
-توليد نانوکودها (Nanofertilizers)
اين ترکيبات نانويی به سرعت و به صورت کامل جذب گياه شده و به خوبی نيازها و کمبود های غذايی آن را مرتفع می سازد.

کاربردهای نانو در گیاه پزشکی :
-کنترل فعاليت های اجزای سلولی گياهان بدون آسيب رسانی به آنها شيوه های کنونی برای بررسی سلول ها بسيار ابتدايی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در سلول اتفاق می افتد ناگريزند سلول ها را از هم بشکافند و در اين حال بسياری از اطلاعات مهم مربوط به سيالهای درون سلول یا ارگانهای موجود در آن از بين می رود. پيشرفت های نانوفناوری بطور خاص مطالعات بنيادی زيست شناسی را تقويت خواهد کرد. محققان اميدوارند در آينده ای نه چندان دور با استفاده از نانوفناوری موفق شوند فعالیت اجزای هر سلول را تحت کنترل خود در آورند.
هم اکنون گام های بلندی در اين زمینه برداشته شده ، به عنوان نمونه دانشمندان میتوانند فعالیت پروتئین ها و مولکول D.N.A را در درون سلول کنترل کنند. به کمک نانوفناوری روش جدیدی برای بررسی بیان ژن و آنالیز mR.N.A سلولهای زنده بدون مرگ یا تخریب آنها با استفاده از میکروسکوب نیروی اتمی AFM ارائه شده است. - حسگرهاي هوشمند و سيستم‌هاي حمل هوشمند به منظور رديابي و مبارزه ی سريع و مفيد با ويروس‌ها و ساير عوامل بيماریزا گياهي به کار می روند.
- تيمار مولكولي بيماريها، رديابي سريع بيماريها، افزايش توانمندي گياهان براي جذب مواد مورد نياز.

کاربردهای نانو در تصفيه ی آب و ادوات آبياری: -نمک زدایی و تصفیه ی اقتصادی تر آبها جهت شرب و کشاورزی سازمان ملل پیش بینی کرده که در سال 2025 ميلادی ، 48 کشور جهان (معادل 32% جمعیت جهان) دچار کمبود آب آشامیدنی و کشاورزی می شوند، تخلیص و نمک زدایی آب به کمک نانوفناوری از زمینه های مورد توجه در دفاع پیشگیرانه و امنیت زیست محیطی است.
سامانه های نانويی طراحی شده می توانند آب دریا را با صرف انرژی 10 برابر کمتر از دستگاه اسمز معکوس، و 100 برابر کمتر از دستگاه تقطیر،نمک زدایی کنند. استفاده از نانو ذرات و نانو*****ها امکان تصفیه و بهسازی آب را با سرعت و دقت بیشتر فراهم می کند همچنين استفاده از نانو *****ها در حذف آلودگیهای میکروبی آب (Bioremediation) کاربری گسترده ای دارد.
- بي خطر ساختن مواد آلاينده آب و خاک و قابليت بازيافت آنها
یکی دیگر از روش‌های تصفیه آب که از روش پالادیم ارزان‌تر است، تزریق نانوذرات آهن به درون آب‌های آلوده است، پس از تزریق، نانوذرات آهن با اکسیژن موجود در آب تبدیل به زنگ آهن شده و آلاینده ها در تماس با این زنگ آهن خنثی می‌شوند. برای مثال، تتراکلرید کربن که ماده‌ی سمی بسیاری از شوینده‌هاست، در تماس با این زنگ آهن تبدیل به کلروفرم که ماده‌ای بی‌ضررتر است می‌شود.
توليد نانوذرات براي مصارف صنعتي از طريق پرورش گياهان در خاک‌هاي مشخص، يکي از اين نمونه‌هاست؛ به عنوان مثال، تحقيقات نشان داده‌است که گياه يونجه در خاک غني از طلا، نانوذرات طلا را از طريق ريشه‌هايش جذب کرده و در بافت‌هايش جمع آوري مي‌کند. نانوذرات طلا را مي‌توان به روشي مکانيکي در زمان برداشت از گياه جدا کرد.
- ساخت سوپر جاذبهاي آب از پليمرها و مواد کامپوزيت
اين مواد به منظور ذخيره و حفظ رطوبت بيشتر در خاک طراحی گرديده اند و استفاده از آنها به ويژه در مناطق خشک و کم آب در افزايش ميزان عملکرد بسيار مفيد خواهد بود. - ساخت مواد پوششي جديد و کارا براي پوشش درون لوله هاي فلزي این مواد پوششی به منظور جلوگيري از خوردگي ناشي از سيالات و کاهش زبري جداره لوله ها به کار می روند.
- بکار گيري پليمرها و مواد کامپوزيت براي توليد انواع قطره چکان
قطره چکان هاي ساخته شده با اين مواد قابليت تنظيم دقيق فشار آب را دارند همچنين به واسطه ی نوع مواد اولیه ی مورد استفاده اين قطره چکان ها نسبت به نفوذ ريشه گياه مقاوم هستند.

کاربردهاي فناوري نانو در بيوتکنولوژي کشاورزي
فناوري نانو اجازه مي دهد تا اجزا و ترکيبات دلخواه را داخل سلول دستورزي نمود و مواد و محصولات جديدي با استفاده از روش هاي جديد "اتو اسمبلي" (سرهم کردن خود) و تغيير ژن ساخت. استفاده از اين نوع قابليت هاي موجب توليد گياهان، دام و بطور کلي موجوداتي با ويژگي هاي برتر شده که مزيت هاي مختلفي را در کشاورزي و صنايع غذايي ايجاد مي کنند.

کاربردهاي فناوري نانو در ماشين هاي کشاورزي
صنعت ماشين هاي کشاورزي مي تواند توسط فناوري نانو از يک پتانسيل جديد براي توسعه خود بهره مند شود. بسياري از پيش بيني هاي کنوني نشان مي دهد که تا 10 سال آينده طراحي و توليد خودروها به ميزان 60 درصد تحت تاثير فناوري نانو و زير شاخه هاي آن قرار خواهد گرفت. بعنوان مثال کاربردهاي انرژي نوين ، کاهش وزن خودرو، افزايش کارکرد مواد، افزايش راحتي و افزايش بهره وري در برابر هزينه هاي تمام شده از جمله مزاياي قابل تعريف براي صنعت خودرو و ماشين هاي کشاورزي است.
ساخت و توليد ماشين هاي کشاورزي مي تواند از فناوري نانو در زمينه هاي فراواني همچون شاسي و بدنه، موتور و سيستم هاي انتقال نيرو، رنگ و لايه گذاري ها، روغن کاري و روان سازها، تايرها، سيستم تخليه و مبدل هاي کاتاليستي و تجهيزات الکتريکي و الکترونيکي سود برد.
بديهي است که استفاده از فناوري نانو در کشاورزي تنها به اين موارد ختم نمي شود و انتظار مي رود که با پيشرفت اين علم کاربردهاي آن نيز در عرصه کشاورزي گسترده تر شود.
تا كنون محصولات مختلف نانويي در دنيا توليد شده و برخي از آنها به شكل تجاري در دسترس قرار گرفته است.
از جمله كارهاي صورت گرفته در نانوتكنولوژي سبز مي توان به موارد زير اشاره كرد:
- استفاده تايلند از اين فناوري به منظور توليد نوع جديدي از برنج (بي تفاوت نسبت به طول شب ، پاكوتاه و معطر)
- ابريشم ( ضد آب و با قدرت جذب كمتر گرد و غبار)
- توليد نوعي نانوبرنج توسط شركت نانورايس ايتاليا كه 2 برابر وزن خود آب جذب مي كند .
-توليد نانو كودها و نانو سم ها در مقياس آزمايشگاهي.
- يکي از شرکت‌هاي فعال در تولید مواد شيميايي کشاورزي، Syngenta است که از نانو امولسيون‌ها در محصولات آفت‌‌کش خود استفاده مي‌کند. يکي از محصولات موفق اين شرکت که تنظيم‌کننده رشد گياهان است، Primo MAXX نام دارد که اگر پيش از شروع تنش‌هايي مانند گرما، خشکسالي و بيماري استفاده شود، مي‌تواند ساختار فيزيکي چمن‌ها را قوي‌تر ساخته، در نتيجه گياه را در مقابل تغييرات محيطي در فصل رشد مقاوم ‌کند.









وضعیت در ایران:

تعیین موقعیت ایران در چرخة عمر نانوفناوری خیلی سخت باشد، این فناوری تقریباً در تمامی کشورهای دنیا دوران طفولیت خود را سپری می‌کند. البته یک نکته در این زمینه قابل توجه است: با توجه به سیاست‌ها و راهبردهای اتخاذشده در کشور در زمینة رویارویی با فناوری نوین نانو و نیز با توجه به ریشه‌ای بودن فناوری مذکور در بسیاری از جهات، می‌توان این‌گونه گفت که فاصلة موجود میان ایران و دیگر کشورهای جهان در زمینة این فناوری بسیار کمتر از فاصلة موجود در زمینة فناوری‌های قدیمی‌تر است و با اتخاذ تصمیمات مقتضی، نه ‌تنها می‌توان این فاصله را به صفر رساند، بلکه می‌توان در برخی شاخه‌‌ها بر دیگر کشورها پیشی گرفت. با این حال، نکتة اساسی در کشور ما (از گذشته تا کنون) عدم توجه به روند تجاری‌سازی فناوری در کشور است.
موسسات مختلفي در اين زمينه در حال كار مي باشند . كه از اين بين مي توان به پژوهشكده مهندسي جهاد اشاره نمود كه با محوريت قرار دادن توليد نانوپودرها گام بلندي را در اين زمنه برداشته است. مانند توليد پودر دي اكسيد تيتانيم در ابعاد نانو جهت گندزدايي و نگهداري مواد غذايي و استفاده به عنوان فوتوكاتاليست و تصفيه آب و يا توليد نانوپودر طلا در مقياس نانو جهت استفاده هاي بيولوژيك.
از ديگر موسسات پيشگام در اين زمينه مي توان به مؤسسه تحقيقات واكسن و سرم سازي رازي، موسسه گياه‌پزشكي كشور، موسسه تحقيقات خاك و آب، موسسه تحقيقات شيلات ايران، موسسه تحقيقات جنگلها و مراتع و پژوهشكده بيوتكنولوژي اشاره نمود.كاربرد هاي فناوري نانو در علوم كشاورزي و صنايع وابسته به آن گسترشي روز افزون دارد ،كه ادامه ي اين روند در آينده اي نه چندان دور توليد و توزيع مواد غذايي سالم ، ارزان و با كيفيت را براي استفاده ي همه ي ملل دنيا محقق خواهد كرد.استفاده از فناوری نانو در بخش کشاورزی با توجه به افزایش جمعیت و محدودیت منابع آب و خاک و همچنین اهمیت تولید غذا و امنیت غذایی و افزایش تولید بدون افزایش سطح زیرکشت را در کشور ضروری می باشد.

 

[گیاه شناسی]

نانو در زیست و کشاورزی

نانو در زیست و کشاورزی

[FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]زیست شناسی یکی از منابع الهام علم نانو می باشد، سلولها در یک نگاه مجموعه ای پیچیده از نانو ماشین های زیستی هستند. بعضی از اجزا سلول دارای ابعادی در مقیاس نانومتر هستند شامل : کاتالیست ها و د یگر سیستم های فعال ( مانند آنزیم ها، ریبوزوم ها، پروتئین ها مجموعه پروتئین – RNA) دو لایه های لیپیدی، کانالهای یونی، اجزاء اسکلت سلولی، (رشته های اکتین و ریز لوله ها ) RNA,DNA. سیستم های زیستی دارای مثالهایی فراوانی از بر همکنش نانو ساختارها در شبکه های پیچیده درون سلولی هستند و روشهای جدید از پایین به بالا، برای ساخت نانو سیستم های مصنوعی پیشنهاد می دهند و ابزارهای جدید برای مشاهده و دستکاریهای مولکولی اتمی و کلوئیدی مانند میکروسکوپ ها پروب زنیوالکتریکی ، فاکتورهای اساسی و مهمی در پیدایش علم نانو و فن آوری نانو محسوب می شوند توانایی قابل توجه برای آشکاری، دست کاری، تغییر و شکل دهی ساختارها در مقیاس نامومتر در تفکیکی اتمی به ایده های بسیار جذابی در رفتارهای جدید منجر شده است. مانند: سامان دهنده ها، نانوروبات ها، چسب خاکستری (Gray glow) که هر کدام به نوبه خود توجه زیادی را جلب نموده اند. اگر چه این ایده بیشتر علمی تخیلی به نظر می رسد تا علمی فناوری با این حال توجه عمومی زیادی را در زمینه های تحقیقاتی علم نانو به خود جلب کرده و دریچه ای به سوی فن آوری های پیشرفته بالقوه باز کرده است. نانو تکنولوژی : یک شرکت ایرانی پیشرو در زمینه فن آوری نانو توانسته است که نانو نقره را در ایران تولید نماید. این محصول که خاصیت آنتی باکتریال دارد مانع از ورود میکروب ها در محل های روکش شده توسط نانو نقره می شود. [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]کاربرد نانو [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]علوم و فناوری نانو، عنصری اساسی در درک بهتر طبیعت در دهه های آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آینده، همکاریهای تحقیقاتی میان رشته ای آموزش خاص و انتقال ایده ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تاثیرات و کاربردهای نانو تکنولوژی به شرح زیر می باشد: [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]تولید مواد و محصولات صنعتی [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]نانو تکنولوژی تغییر بنیانی مسیری است که در آینده موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد بود. امکان سنتز بلوک های ساختمانی نانو با اندازه و ترکیب به دقت کنترل شده و سپس چیدن آنها در ساختارهای بزرگتر، انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آنها، ایجاد می کند.برخی از مزایای نانو ساختارها عبارتند از: مواد سبک تر، قوی تر و قابل برنامه ریزی، کاهش هزینه عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنی، ابزارهایی نوین بر پایه اصول و معماری جدید بکارگیری کارخانجات مولکولی یا خوشه ای که مزیت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارد. [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]پزشکی و بدن انسان [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]دستیابی به قدرت اندازه گیری و ساخت اجسام در مقیاسی است که ارگانیسم های زنده قادر به انجام اکثر وظایفشان شوند. مثال : سیستم های انتقال و رهایش دارو، بانداژهای هوشمند و هیدروسل ها . فراتر از سهل شدن استفاده بهینه از دارو، نانوتکنولوژی می تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو (Drug Delivery) تهیه کند، که به نحو حیرت انگیزی توان درمانی داروها را افزایش می دهد. مواد زیست سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهد شد. نانو مواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعال، می توان برای اعمال نقش تشخیصی درون سلولها وارد نمود. افزایش توان محاسباتی بوسیله نانو تکنولوژی ترسیم وضعیت شبکه های ماکرومولکولی را در محیط های واقعی ممکن می سازد. اینگونه شبیه سازی ها برای بهبود قطعات کاشته شده زیست سازگار در بدن و جهت فرایند کشف دارو، الزامی خواهد نمود. [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]دوام پذیری منابع کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]راه حلی برای برطرف ساختن برخی مسائل زیست محیطی موجود از طریق کاهش مواد زاید و کمک به فراهم آوردن غذا، آب و انرژی فراوان می باشد. نانو تکنولوژی چنانکه ذکر شده منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهد داد. همچنین فناوری های جدید امکان بازیافت و استفاده از مجدد از مواد انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط زیست علوم و مهندسی نانو، می تواند تاثیر قابل ملاحظه ای در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو، که در طبیعت رخ می دهد در ایجاد و درمان مسائل زیست محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده ها، در توسعه فناوری های سبز جدید که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و یا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته باشد. لازم به ذکر است نانو تکنولوژی توان حذف آلودگی های کوچک از منابع آبی (کمتر از 200 نانومتر) و هوا (زیر 20 نانومتر) و اندازه گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد. در زمینه انرژی نانو تکنولوژی می تواند به طور قابل ملاحظه ای کارآیی، ذخیره سازی و تولید انرژی را تحت تاثیر قرار داده مصرف انرژی را پایین بیاورد. به عنوان مثال، شرکتهای مواد شیمیایی مواد پلیمری تقویت شده با نانو ذرات را ساخته اند که می تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیلها شود. استفاده گسترده از این نانوکامپوزیت ها می تواند سالیانه 5/1 میلیارد لیتر صرفه جویی مصرف بنزین به همراه داشته باشد. [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]هوا و فضا: [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]محدودیت های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن و علاقه به فرستادن فضاپیما برای ماموریتهای طولانی به مناطق دور از خورشید کاهش مداوم اندازه وزن و توان مصرفی را اجتناب ناپذیر می سازد مواد و ابزار آلات نانو ساختاری امید حل این مشکل را بوجود آورده است. نانو ساختن (Nanofabrication) همچنین در طراحی و ساخت مواد سبک وزن پر قدرت و مقاوم در برابر حرارت مورد نیاز برای هواپیماها، راکت ها، ایستگاههای فضایی و سکوهای اکتشافی سیاره ای یا خورشیدی، تعیین کننده است. [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]نانو و زیست شناسی [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]از جمله کاربردهای این نانو نقره می توان به موارد زیر اشاره نمود: ظروف نگهداری غذا، کولرها (تصفیه هوا)، یخچال ها، وسایل کودکان، مواد شوینده، دستمال کاغذی و ظروف نگهداری آب. [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]فن آوری نانو به تمام ما اثبات کرد که در کشور به هر بخشی اهمیت دهیم می توانیم طی مدت زمان کوتاهی پیشرفت های چشمگیر جوانان را مشاهده کنیم. نانو تکنولوژی و فن آوری اطلاعات به همه ما ثابت نموده که ایرانی اگر دارای امکانات هر چند کم باشد گام های بزرگی بر می دارد. [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif](نانو تکنولوژی)+ بیوتکنولوژی = نانو بیوتکنو لوژی [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]نانو بیوتکنولوژی حوزه نوظهور علمی و فنی است که شاخه ای چند رشته از علوم است. این حوزه به فعالیت های همگام علوم مواد و بیولوژی اشاره دارد. [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]میکروسکوپ های الکترونیکی: [/FONT][FONT=Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif]میکروسکوپ های الکترونیکی به طور کلی به دو بخش تقسیم می شوند: 1- میکروسکوپ های روبشی ( نگاره ) 2- میکروسکوپ های عبوری (گذاره) این میکروسکوپ ها وسایلی هستند که برای بررسی، مشاهده و تحلیل مواد در مقیاس بسیار ریز مورد استفاده قرار می گیرند. در این میکروسکوپ ها برای بررسی مواد از یک پرتو پر انرژي الکترونی استفاده می شود. این بررسی ها می تواند اطلاعاتی درباره شکل هندسی (مورفولوژی) نقشه سطحی (توپوگرافی) و شکل کریستالی (کریستالوگرافی) که در موضوع نانوتکنولوژی به آنها نیاز مبرم داریم، را در اختیار ما قرار دهند. علت ساخت این میکروسکوپ ها را می توان محدود بودن میکروسکوپ های نوری به فیزیک نور دانست که تنها می توانستند بزرگ نمایی بین 500 تا 1000 برابر داشته باشند. میکروسکوپ های الکترونی اولیه، همانطور که انتظار می رفت تقلیدی از میکروسکوپ های نوری بودند و اولین گونه این میکروسکوپ ها، میکروسکوپ های الکترونی عبوری نام گرفتند[/FONT]

 

[گیاه شناسی]

کاربرد نانو ذرات در زیست شناسی
نانوذرات طلا
اندازه اين ذرات سه تا صد نانومتر بوده و به دليل اينکه روش‌‌هاي اندازه‌گيري متعددي همچون جذب نوري، فلورسانس، پخش رامان، نيروي مغناطيسي و جريان الکتريکي مي‌توانند براي تشخيص آنها به کار روند، نشانگرهاي خوبي در طراحي بيوحسگرها مي‌باشند. از اين ذرات در تشخيص DNA ، پروتئين، ميکروارگانيسم‌ها و غيره استفاده مي‌شود. تشخيص DNA با استفاده از نانوذرات طلا نسبت به سيستم‌هاي تشخيص ژنومي رايج ده برابر حساسيت و صدهزار برابر ويژگي بيشتري دارد.

2-1 . روش‌هايي که در آنها بازخواني، به روش نورسنجي (Optical) صورت مي‌گيرد
از خصوصيات نوري و دمايي پروب‌‌هاي نانوذرات طلاي جدا از هم و مجتمع، (aggregated) به عنوان يک روش تشخيص استفاده مي‌گردد. ميان‌کنشِ ويژه موجود در بين اوليگونوکلئوتيدهاي تثبيت شده (DNA Probe) روي نانوذرات طلا و DNA هدف (DNA target) باعث تجمع (assembly) نانوذرات طلا به شکل شبکه‌اي متصل به هم و در نتيجه تغيير رنگ مي‌شود. اين تغيير رنگ به‌واسطه خصوصيات پخش، ميان‌کنشِ بين پلاسمون‌هاي سطح ذره و تغيير فاصله بين نانوذرات طلا ايجاد مي‌گردد. اين تغيير رنگ نشان‌دهنده وجود مولکول هدف در نمونه بوده و به روش چشمي هم قابل مشاهده است. اين شبکه متشکل از تجمع نانوذرات به‌وسيله هيبريدشدن پروب‌هاي نانوذرات طلا با مولکول هدف، در درجه حرارت‌هاي مختلف، باعث ايجاد تغيير رنگ ناگهاني (sharp) مي‌شود که در شکل (1)، نمونه‌اي از آن مشاهده مي‌شود.
با انتقال مخلوطي از مجتمعات ايجاد شده بين DNA تثبيت شده، زنجيره مکمل آن و رشته‌هايي با درجات متفاوتي از تغيير توالي (نسبت به زنجيره مکمل) بر روي TLC در دماهاي مختلف، مي‌توان الگوي استانداردي براي ارزيابي ميزان هيبريد شدن در دماهاي مختلف به دست آورد. با استفاده از اين خصوصيات رنگ و دما مي‌توان به روشي براي تشخيص وجود جهش در DNA هدف موجود در نمونه مورد بررسي، پي ‌برد. به عبارت ديگر از اين روش مي‌توان براي تشخيص SNPs و ديگر mismatchs استفاده کرد. شکل (2) چگونگي استفاده از اين روش را براي تشخيص جهش در DNA هدف، نشان مي‌دهد.
حساسيت تشخيص روش‌هاي رنگ‌سنجي با احياي نقره (Ag) به وسيله نانوذرات طلا افزايش مي‌يابد. روش روبش‌گري (Scannometry)، يک روش سنجش ساندويچي و شامل رشته DNA متصل به يک بستر
(يا DNA Chip)، يک توالي هدف و يک پروب نانوطلاست. اتصال مولکول‌هاي هدف و پروب نانوطلا به توالي متصل به بستر، يک‌سري لکه‌هاي خاکستري (gray spot) را ايجاد مي‌کند که ويژه مولکول هدف بوده و غلظت نمونه را نيز نشان مي‌دهد. شدت رنگ اين لکه‌ها با يک روبش‌گر (scanner) و يا حتي چشم غير مسلح، قابل تشخيص است. در صورت استفاده از نقره، با احياي آن روي نانوذرات طلا (شکل 3) ، مي‌توان حساسيت تشخيص را بالا برد. با استفاده از نانوذرات مختلف طلا (و در نتيجه رنگ‌هاي مختلف) تشخيص همزمان چندين مولكول هدف ميسر مي‌گردد. اين روش تشخيص مولکولي چهار برابر ويژگي بالاتر و صد برابرحساسيت بيشتر از روش‌هاي فلوريمتري رايج دارد.
يک مثال براي اين روش، بارکد زيستي (Bio-barcode) است. بارکد زيستي، يک توالي DNA ساختگي و انتخابي براي يک توالي DNA هدف است که از آن براي تشخيص DNA (شکل 4) يا پروتئين (شکل 5) در نمونه‌هاي بيولوژيک استفاده مي‌شود.
الف) تشخيص DNA
در اين روش ابتدا يک زنجيره DNA با توالي دلخواه (Bar- Code DNA) طراحي و رشته مکمل آن نيز ساخته و پس از فعال شدن، بر روي نانوذرات طلا نشانده مي‌شود. همچنين رشته DNA ديگري که مکمل بخشي از DNA هدف (آنچه قرار است در نمونه شناسايي شود) است، پس از فعال شدن بر روي نانوذره طلا تثبيت مي‌شود. سپس اجازه هيبريد شدن رشته بار -کد با DNA مکمل داده مي‌شود. از طرفي رشته سوم DNA که مکمل بخش ديگري از DNA هدف است، پس از فعال شدن بر روي ذرات مغناطيسي تثبيت مي‌شود. با قرار گرفتن اين دو ذره در محلول، اگر DNA هدف وجود داشته باشد، حتي در مقادير بسيار اندک، موجب اتصال اين دو ذره به يکديگر مي‌شود. در مرحله بعد با توجه به خاصيت مغناطيسي ذره دوم، مي‌توان آنها را از محلول جدا کرد و بعد با استفاده از عواملي (مثل ترکيبات دناتوره‌کننده) که دو رشته DNA را جدا مي‌کنند، DNA بار-کد را از مکمل آن جدا و شناسايي کرد. حتي مي‌توان از ترکيباتي مثل نقره که حساسيت تشخيص را بالا مي‌برند نيز استفاده کرد. به اين ترتيب مقادير بسيار اندک از يک توالي DNA بدون نياز به PCR قابل شناسايي و حتي اندازه‌گيري است.
ب) تشخيص يا اندازه‌گيري پروتئين با استفاده از Bar- Code DNA
در اين روش نيز همانند روش قبل، از يک توالي انتخابي و مکمل آن که بر روي نانوذرات طلا نشانده شده، استفاده مي‌شود. همچنين آنتي بادي پلي کلونال عليه پروتئين مورد اندازه‌گيري بر روي اين ذرات طلا تثبيت مي‌شود. اين آنتي‌بادي‌ها بر روي ذرات مغناطيسي نيز نشانده مي‌شود. حال با وارد کردن اين دو ذره در محلول حاوي پروتئين مورد نظر، پروتئين به آنتي‌بادي موجود در سطح هر دو ذره متصل شده و آنها را به يکديگر متصل مي‌کند. پس از شستشو و حذف ساير مواد، با توجه به خاصيت مغناطيسي ذره دوم، مي‌توان آن را از محلول جدا و همانند روش قبلي، پس از جدا کردن رشته DNA بار-کد از مکمل آن با استفاده از مواد دناتوره‌کننده DNA بار- کد را، که نمادي از حضور پروتئين مورد نظر در نمونه است شناسايي و انداره‌گيري کرد. به اين ترتيب مقادير بسيار اندک پروتئين در نمونه قابل شناسايي است.
آخرين بحث مربوط به بازخواني نوري نانوذرات طلا، ترکيب نانوذرات طلا با رنگ‌هاي رامان است که پخش رامان به وسيله نانوذرات طلا (SERS) را افزايش مي‌دهد و به افزايش سيگنال براي مولکول‌هاي جذب شده در سطوح زبر فلز، به ويژه نقره و طلا مربوط مي‌شود. اين افزايش سيگنال از طريق دو ساز و كار تقويت موضعي ميدان الکترومغناطيسي در الکترون آزاد فلز و اثر شيميايي روي مولکول جذب شده در سطح فلز به‌وسيله نانوذرات طلا صورت مي‌گيرد. محدوده تشخيص، در محدوده طيف رامان بوده و به‌صورت اثر انگشت‌هاي طيف رامان ظاهر مي‌گردند. رنگ‌هاي رامان به‌دليل باندهاي جذبي باريک، تهييج از سوي ليزر و محدوده طيف رامان، قادر به افزايش سيگنال تشخيص در محدوده طيف‌هاي رامان مي‌گردند. با اين روش محدوديت لکه‌هاي خاکستري حاصل از روش روبشي(Scanometric) بر طرف شده، استفاده همزمان از چندين رنگ رامان در تشخيص چند مولکول امكان‌پذير مي‌گردد. شکل (6) چگونگي کاربرد اين روش را با استفاده از نانوذرات طلا نشان مي‌دهد.
نانوذرات طلا همچنين به عنوان داربست (Scafold) و فرونشاننده‌هاي quenchers نشر فلورسانس در تشخيص همگن اسيدهاي نوکلئيک عمل مي‌کنند [1]. همان‌طور که در شکل (7) ملاحظه مي‌شود، قطعات اليگونوکلئوتيد به يک ترکيب داراي نشر فلورسانس (فلوروفور) متصل مي‌شوند. سپس اين رشته‌ها به نانوذرات طلا متصل مي‌گردند، به طوري که به‌صورت تک‌زنجيره به ذره طلا نزديک شده و نشر نداشته‌باشند. پس از اينکه اين ذره در محلول حاوي DNA هدف قرار گرفت، در صورت تشکيل هيبريد، دو ماده فلوروفور از يکديگر فاصله گرفته، نشر فلورسانس قابل مشاهده و آناليز مي‌شود.

2-2. تشخيص الکتريکي مولکول‌هاي زيستي با استفاده از نانوذرات طلا
يکي از روش‌هاي ساده شناسايي DNA هدف، تشخيص الکتريکي است (شکل (8) سمت راست) . در اين روش پروب‌هاي DNA روي صفحاتي با اندازه ميکرون (chip) در بين دو الکترود، تثبيت مي‌گردد. اين پروب‌ها طوري طراحي مي‌شود که مکمل نيمي از DNA هدف باشد. همچنين طراحي پروب‌هاي نانوطلا به گونه‌اي است که اليگونوکلئوتيد آن مکمل نيمي ديگر از DNA هدف باشد. هيبريد شدن DNA هدف با پروب‌هاي نانوطلا و پروب تثبيت‌شده بر روي سطح، باعث مي‌شود که نانوذرات طلا در حدفاصل بين دو الکترود قرار گيرند. با افزودن نقره، کمپلکس تشکيل شده بين دو الکترود، فلز نقره را به داخل کشيده و پلي بين دو الکترود ايجاد مي‌شود. از تغيير جريان حاصل مي‌توان براي تشخيص حضور DNA هدف، استفاده كرد. دقت اين روش در حد 500 فمتو است و از آن در سنجش‌هاي ايمني نيز استفاده مي‌گردد.

2-3. تشخيص مولکول‌هاي زيستي با استفاده از خواص الکتروشيميايي نانوذرات طلا
خاصيت احياکنندگي نانوذرات طلا باعث شده است که از آنها به عنوان نشان‌هاي الکتروشيميايي در تشخيص اسيد نوکلئيک استفاده گردد. هيبريد شدن DNA هدف روي الکترود تثبيت شده با پروب‌هاي نانوطلا يک موج اکسايش طلا در حدود 27/1 ولت ايجاد مي‌كند. تشخيص حضور يک جهش منفرد يا پلي‌مورفيسم تک بازي (SNP)، همچنين شناسايي بازهاي درگير، با استفاده از نوکلئوتيدهاي نشاندار با نانوذرات طلا امکان‌پذير مي‌گردد [1 و 5]. چگونگي انجام اين روش در شکل (8)- سمت چپ، نشان داده شده است. همان‌گونه که ملاحظه مي‌شود، ابتدا اليگونوکلئوتيد مکمل با DNA هدف بر سطح الکترود تثبيت مي‌شود. آن‌گاه محلول بيولوژيک حاوي DNA هدف به آن اضافه و هيبريد تشکيل مي‌شود. اگر نمونه حاوي DNA داراي حتي يک جهش نيز باشد، چون تشکيل پيوند هيدروژني در آن ناحيه صورت نمي‌گيرد، در ناحيه جهش، باز (ها) آزاد است. حال ، نانوذرات طلاي متصل به تک تک نوکلئوتيدها، مرحله به مرحله به اين نمونه ، افزوده مي‌شود. در صورت اتصال نوکلئوتيد متصل به نانوذره طلا به باز مکمل (که نشانگر وجود جهش در DNA هدف است) ، موج اکسايش طلا به طريق الکتروشيميايي قابل مشاهده و اندازه‌گيري است.
برهنه‌سازي الکتروشيميايي (Stripping voltametry)
يک پروتکل اندازه‌گيري الکتروشيميايي حساس است که در اندازه گيري آثار عناصر فلزي در مايعات زيستي (خون، ادرار، بزاق)، بافت‌ها (دندان و مو)، فراورده‌هاي غذايي (نوشابه‌ها وآب) و نمونه‌هاي زيستي (آب دريا و رودها) کاربرد دارد. آناليزهاي بر پايه برهنه‌سازي الکتروشيميايي از دو مرحله پيش‌تغليظ، سپس برهنه‌سازي تشکيل شده است. در مرحله پيش‌تغليظ، نمونه محلول در حجم کوچکي از الکترود قرار مي گيرد که در حقيقت براي بررسي محلول‌هاي tracer به کار مي‌رود. در محلول پيش‌تغليظ Electrodeposition انجام مي‌شود که آناليت با انجام واکنش از محلول به داخل الکترود تغليظ مي‌شود و پس از اين مرحله، مرحله برهنه‌سازي با استفاده از روش ولتامتري انجام مي‌شود که طي آن آناليت تغليظ شده با انجام واکنش عکس مجدداً حل و اندازه‌گيري مي‌شود. به‌دليل تغليظ نمونه با فاکتور صد تا هزار برابر در الکترود، جريان اندازه‌گيري شده کمتر تحت تأثير جريان خازني يا جريان باقي‌مانده ناخالصي قرار مي‌گيرد. تقويت سيگنال، با استفاده از سوارکردن چندين نانوذره طلا، سپس نانوذرات نقره بر روي يک بستر پليمري به دست مي‌آيد. نانوذرات بعداً مي‌توانند به طور آنزيمي حل و به‌وسيله برهنه‌سازي الکتروشيميايي اندازه‌گيري شوند. از اين روش در تشخيص پروتئين و DNA استفاده مي‌گردد. شکل (9) تشخيص آنتي‌ژن با استفاده از روش برهنه‌سازي الکتروشيميايي را نشان مي‌دهد. در اين شکل ابتدا يک آنتي‌بادي پيگردي روي يک ذره مغناطيسي قرار مي‌گيرد که به آنتي‌ژن هدف مي‌چسبد. آنتي بادي تشخيصي که روي نانوذره طلا سوار شده است اضافه مي‌شود، سپس نانوذره نقره افزوده مي‌شود. نانوذره طلا باعث احياي نانوذره نقره مي‌گردد. کمپلکس نانوذرات و Ag-Ab روي يک مگنت قرار گرفته و نانوذرات روي الکترودها تغليظ مي‌شوند. با اعمال پتانسيل، نانوذرات رسوب‌کرده جدا شده و به روش برهنه‌سازي الکتروشيميايي تشخيص و اندازه‌گيري مي‌شوند که تغيير جريان با غلظت نمونه برابر است.
3. نقاط يا ذرات کوانتومي
نانوکريستال‌هاي مواد نيمه‌رسانا از قبيل سلنيد و کادميم، نانوابزار ديگري براي تشخيص آزمايشگاهي محسوب مي‌شود. اين کريستال‌هاي نيمه‌رسانا به عنوان منابع نور مولکولي عمل مي‌کنند و خصوصيات آنها به اندازه و شکل شان وابسته است. به محض اتصال يک آنتي‌بادي يا ديگر مواد تثبيت‌شده روي ذرات کوانتومي به مولکول هدف مورد نظر، نقاط کوانتومي شبيه beacon در اثر عمل اتصال، نور ساطع مي‌کنند. امروزه ذرات کوانتومي به دلايلي از قبيل نشر وابسته به اندازه ذره، درخشان‌تر بودن، تجزيه نشدن در برابر نور، تهييج همزمان چندين رنگ، تهييج ساده و حساسيت بالا مورد توجه قرار گرفته‌اند.

3-1. توليد پروب‌هاي نقاط کوانتومي
سنتز: اين نقاط يا ذرات عمدتاً از صدها تا هزاران اتم عناصر گروه دو و شش جدول تناوبي (مثل CdTe وCdSe) و يا عناصر گروه سه و پنج (مثل InP و InAs) به‌صورت دوفازي يا سه‌فازي تهيه مي‌گردند که اين سيستم دوعنصري موجب ايجاد حالت نيمه‌رسانايي اين ترکيبات مي‌شود. ذرات کوانتومي از يک هسته (core) نيمه‌رساناي فلورسانس (مثل CdSe، CdTe، InP و يا InAs) و يک پوسته ظريف از يک ماده با باند انرژي بيشتر (مثل CdS، ZnS و يا ZnSe) تشکيل شده‌اند. اين پوسته باعث پايداري هسته در برابر نور شده، از خاموشي سطحي تهييجات جلوگيري مي‌کند و در نتيجه بازدهي کوانتوم را افزايش مي‌دهد [10 و 11]. حلال‌هاي آلي از قبيل تري- ان- اكتيل فسفين (TOPO ) و هيدروکسيل آمين جهت حفظ خصوصيات نوري ذرات کوانتومي و محافظت هسته از محيط اطراف به عنوان پوشش (cap) به کار مي‌روند. ترکيباتي مثل پلي‌اتيلن گليکول (PEG) يا گروه‌هاي کربوکسيلات باعث حل‌شوندگي اين ترکيبات مي‌گردند. مرحله آخر توليد اين ذرات، مزدوج کردن (کنژوگاسيون) آنها به ليگاندهاي بيولوژيک از قبيل پپتيدها و اوليگونوکلئوتيدها براي اتصال به ترکيبات هدف است که اين کنژوگاسيون مي‌تواند به اشکال

 

[گیاه شناسی]

پروب‌هاي نانوذرات مغناطيسي يک کلاس جديد از عوامل کنتراست و پيگردي (tracking) جهت تصويرسازي پزشکي هستند. ساختمان اين ذرات شامل يک هسته (حاوي ترکيباتي مثل اكسيد آهن اَبَرپارامغناطيس (SPIO)، نيکل و يا کبالت) بوده که امروزه بيشتر از SPIOs به‌دليل نداشتن خاصيت سمي استفاده مي‌شود. در ساختمان اين نانوذرات پوششي (coating) از دکستران يا پلي اتيلن گليکول نيز وجود دارد که از تجمع (aggregation) اين نانوذرات جلوگيري و باعث حل شوندگي آنها در آب و آماده شدنشان براي کونژوگه شدن مي‌شود. نانوذرات با SPIOs، بنا به دلايلي از جمله غير سمي بودن، نداشتن خاصيت ايمني، اندازه کوچک، خاصيت مغناطيسي بالا، قابليت تنظيم براي ارگان‌هاي هدف ويژه با تغيير در اندازه، ضخامت پوسته، شيمي سطحي و ليگاند هدف بيشتر استفاده مي‌شوند. در کاربردهاي in vivo نانوذرات آهن اکسيد مگميت و مگنيت به عنوان عوامل کنتراست در تصويرسازي‌هاي MRI و NMR استفاده مي‌شود اين ترکيبات تصوير حاصل از MRI و NMR بافت هدف را در نتيجه به هم زدنRelaxation Time آب اطراف تيره‌تر از ساير قسمت‌ها مي‌کنند و در شرايط in vivo بافت‌هايي مثل کبد، طحال، مغز استخوان و گره‌هاي لنفاوي که حاوي ماکروفاژ بيشتري هستند عوامل کنتراست مغناطيسي را بيشتر به دام مي‌اندازند و از اين خاصيت در داخل بدن براي پيگيري بيماري‌هاي اين اعضا، به‌خصوص موارد التهابي به‌صورت فرايندهاي فيزيولوژيک استفاده مي‌کنند. چون در بافت‌هاي سرطاني، اين فرايندهاي فيزيولوژيک ماکروفاژها را جذب نمي‌کنند پس در NMR رنگ درخشانتري را نشان مي‌دهند. به منظور افزايش ويژگي پروب‌هاي نانوذرات مغناطيسي به بافت هدف، ليگاندهاي خاص مولکول يا بافت هدف همراه با يکسري عوامل در سطحشان که به آنها اجازه عبور از سلولها را مي‌دهند طراحي مي‌گردند. شکل (14) تصويري از پروب SPIOs را جهت تصويرسازي ويژه به وسيله MRI نشان مي‌دهد. از نانوذرات مغناطيسي در ايمنواسي‌ها نيز استفاده مي‌شود.
Magnetorelaxometry، روشي است براي سنجش که ويسکوزيسته مغناطيسي يا Relaxation حرکت مغناطيسي يک سيستم نانوذره مغناطيسي را پس از خاموش کردن ميدان مغناطيسي اندازه‌گيري مي‌کند. در اين سنجش‌ها آنتي‌ژن‌هاي هدف در سوسپانسيوني از آنتي‌بادي نشاندار با مگنت مخلوط مي‌گردند و با اعمال يک ميدان مغناطيسي، ذرات نانو خاصيت مغناطيسي خالص پيدا کرده که با خاموش کردن ميدان مغناطيسي،Relaxation پيدا مي‌کنند. تشخيص اتصال پروب به مولکول هدف با استفاده از تمايز فرايندهايRelaxation به دست مي‌آيد؛ نانوذرات غير متصل سريعاً چرخش براوني ( Brawnian) پيدا مي‌کنند، در حالي که نانوذرات متصل به مولکول هدف به آهستگي دچار Relaxation Neel شده و يک حرکت مغناطيسي ايجاد مي‌نمايند که آشکارساز (Dtector) آن را ثبت مي‌گردد. اين روش علاوه بر امكان‌پذير ساختن توانايي تشخيص و تمايز نشانگرهاي متصل و غير متصل به مولکول هدف نياز به جداسازي نمونه را نيز بر طرف ساخته و در نتيجه اجازه تشخيص همگن ماده را مي‌دهد.
5. نانوذرات سيليکا
نانو ذرات سيليکا؛ ذرات رنگي در اندازه‌هاي دو تا 200 نانومتر هستند و ساختمانشان از تشكيل تعداد زيادي مولکول‌هاي رنگي در داخل يک ماتريکس سيليکا است. سيگنال فلورسانس اين ذرات ده هزار بار قوي‌تر از فلوروفورهاي معدني است و به خاطر نشر و درخشندگي زيادي كه دارند کانديداي خوبي براي آناليزهاي حساس به شمار مي‌روند؛ به طوري‌که نياز به آمپلي فيکاسيون قبلي نمونه را بر طرف مي کنند. نانوذرات سيليکا علاوه برآناليزهاي حساس، در تصويرسازي مولکولي و تشخيص همزمان چندين مولکول هدف با استفاده از مولکول‌هاي رنگي با اندازه‌هاي مختلف (و در نتيجه رنگ‌هاي مختلف) كاربرد دارند. پايداري و چگالي بالاي سيليکا ، جداسازي سانتريفوژي، تغييرات سطحي و ديگر فرايندهاي آناليز را راحت‌تر کرده است. از مزاياي ديگر اين ذرات، هيدروفوبيک بودن ساختمان آنهاست که باعث محافظت از حمله‌هاي ميکروبي، تورم و يا تغيير منافذ آنها در اثر تغيير pH مي شود. از خاصيت فلورسنتي بالاي نانوسيليکا براي تشخيص ميکروارگانيسم‌ها و همچنين DNA و پروتئين در زمان سريع با حساسيت بالا استفاده مي‌گردد. اين ذرات به‌دليل داشتن مولکول‌هاي رنگي بيشتر در داخل ماتريکس سيليکا، سيگنال هيبريد خيلي قوي نسبت به نانوذرات قبلي مورد اشاره شده ايجاد مي‌کنند.
با استفاده از انواع مختلف رنگ‌هاي داخل ماتريکس كه داراي غلظت‌هاي مختلف هستند، مي‌توان نانوذرات بارکدينگ Substrate) -Barcoding) ايجاد کرد که مشخصات نوري ويژه‌اي دارند، اين نانوذرات قادر به شناسايي همزمان چندين مولکول زيستي را روي سطح سلول هدف هستند.
در شکل (15) از سيستم دورنگي استفاده گرديده‌است نانوذرات و آنتي‌بادي كه با نسبت‌هاي مختلفي كه دارند، به طور ويژه ميکروسفرهاي پوشيده با آنتي بادي ثانويه مربوطه را تشخيص مي‌دهند، در نتيجه به طور همزمان فرايندهاي تشخيص بين نانوذرات گنژوگه و مولکول‌هاي هدف مربوطه روي سطح سلول انجام مي‌شود. وقتي که مخلوط نانوذرات- سلول از يک فلوسايتومتر عبور داده مي‌شود هر کمپلکس نانوذرات- سلول فلورسانس ويژه‌اي را ايجاد مي‌کند که مشخصه نانوذرات متصل شده و در نتيجه نمونه به خصوصي در ايجاد يک موجي ويژه محسوب مي‌شود. از نانوذرات سيليکا به‌دليل داشتن خاصيت احياکنندگي زيادشان به عنوان نشان‌هاي الکتروشيميايي نيز استفاده مي‌شود.
6. نتيجه‌گيري
1. ذرات نانو به عنوان Labels يا Tags، حساسيت، سرعت و انعطاف‌پذيري تست‌هاي بيولوژيکي که حضور يا فعاليت مواد مورد نظر را اندازه مي‌گيرند افزايش مي‌دهد.
2. نانوذرات قادر به آزمايش نمونه‌هاي در حجم کم هستند.
3. از بسياري از روش‌هاي توصيف شده مي‌توان براي DNA و پروتئين‌ها استفاده كرد.
4. نانوذرات امکان تشخيص ميکروارگانيسم‌ها يا مولکول‌هايي که به وسيله روش‌هاي رايج امکان‌پذير نيست فراهم مي‌سازند.
5. تشخيص اوليه بيماري‌هايي از قبيل سرطان، بهبود و موفقيت درمان را بيشتر مي‌کند.
6. برخي از روش‌‌هاي اشاره شده نياز نمونه به PCR را برطرف مي‌کنند.
7. نانوذرات با کاهش زمان مورد نياز براي تست نمونه يک اثر مثبت روي تصميم‌گيري‌هاي باليني و هزينه‌هاي درمان دارند.
8. پروب‌هاي نانوذرات امکان کاربري در تشخيص‌هاي in vivo را به‌خوبي دارا هستند.
9. اکثر اين ترکيبات غير سمي يا سميتشان خيلي پايين است.

منابع
1-Natalia, C. T. and Zhiqiang, G. (2006) “Nanoparticles in biomolecular detection” Nanotoday ; 1 (1) : 28-37
2-Salata, O. V. (2004) “Application of nanoparticles in biology and medicine” J. Nanobiotechnology; 2 (3) : 1-8
3-Kewal, K. and Jain, T. (2005) ” Nanotechnology in clinical laboratory diagnostics” Clinica Chimica Acta; 358: 37–54
4-Paolo, F. , Larry, J. and Saul, S. (2005) “Nanobiotechnology: the promise and reality of new approaches to molecular recognition” Trends in biotechnology ; 23 (4) : 169-173
5- Shad, C. and Mirkin, C. A. (2005) “DNA-Gold-Nanoparticles Conjugates” In: Nanobiotechnology: Concepts,Application and perspectives. (Niemeyer, C. M. and Mirkin, C. A.) ,WILEY-VCH. pp. 289-307
6- Shad, T. C. , Dimitra, G. and Mirkin, C. A. (2005) “Gold nanoparticle probes for the detection of nucleic acid targets” Clinica Chimica Acta. xx (2005) xxx – xxx
7-Jwa, M. N. , Shad, C. and Chad, C. M. (2003) “Nanoparticle-Based Bio-barcodes for the Ultrasensitive Detecetion of proteins” Science ; 301: 1884-1886
8- Jwa, M. N. , Savka. I. S. and Chad A. M (2004) “Bio-Bar-Code-Based DNA Detection with PCR-like Sensitivity” J. Am. Chem. Soc ; 126 (19) : 5932 -3
9-Park,S. J. and Chad, C. M. (2002) “Array-Based Electrical Detection of DNA with Nanoparticle probes” Science ; 295: 15031506
10- Xiaohu, G. , Yang, L. , John A P. and Marshall, F. (2005) “In vivo molecular and cellular imaging with quantum dots” Current |Opinion in Biotechnology ;16: 63-72
11- Xiaoho,G. and Shuming,N. (2005) “Luminescent Quantum Dots for biological Labeling” In: Nanobiotechnology: Concepts,Application and perspectives. (Niemeyer, C. M. and Mirkin, C. A.) , WILEY-VCH. pp. 343-341
12-Wu X, L. H. , and Liu, J. (2003) “Immunofluorescent labeling of
cancer marker Her2 and other cellular targets with semiconductor
quantum dots” Nat. Biotechnol. ;21: 41– 6.
13-Pedro,T. , Maria, D. and Morale, P. (2003) “The preparation of magnetic nanoparticles for application in biomedicine” J. Phys. Appl. Phys;36: R182-R197
14- Conte,L. , Nitin ,N. and Gang, B. (2005) “ Magnetic nanoparticle probes” Nanotoday ;may 2005: 32-38
15-E. Romanus, M. , Hückel, C. and Weitschies, R. (2003) “Magnetic nanoparticle relaxation measurement as a binding specific technique for in vivo diagnostics” file: //F: \nnn\Nanoparticle Symposium May 2003- Abstracts.
16- Wang,L. , Kemin, W. , Swadeshmukul, S. ,Xiaojun, Z. Yanrong, W. (2006) “Watching Silica Nanoparticles” Anal. Chem ;February 1: 646-654
17- Zhao, X. , Lisa R. Hilliard*, Mechery,S. J. , Wang ,Y. ,Rahul, P. and Jin, Sh. (2004) “ A rapid bioassay for single bacterial cell quantitation
using bioconjugated nanoparticles” PNAS;101 (42) : 15027-15032etic[/size]
[/size]
http://www.www.www.iran-eng.ir/images/smilies/icon_wink.gifdlzar کاربر تازه وارد پست ها : 1 تاريخ عضويت: پنج شنبه 01 ژانويه 70 - 03:30

 

[گیاه شناسی]

6. نتيجه‌گيري
1. ذرات نانو به عنوان Labels يا Tags، حساسيت، سرعت و انعطاف‌پذيري تست‌هاي بيولوژيکي که حضور يا فعاليت مواد مورد نظر را اندازه مي‌گيرند افزايش مي‌دهد.
2. نانوذرات قادر به آزمايش نمونه‌هاي در حجم کم هستند.
3. از بسياري از روش‌هاي توصيف شده مي‌توان براي DNA و پروتئين‌ها استفاده كرد.
4. نانوذرات امکان تشخيص ميکروارگانيسم‌ها يا مولکول‌هايي که به وسيله روش‌هاي رايج امکان‌پذير نيست فراهم مي‌سازند.
5. تشخيص اوليه بيماري‌هايي از قبيل سرطان، بهبود و موفقيت درمان را بيشتر مي‌کند.
6. برخي از روش‌‌هاي اشاره شده نياز نمونه به PCR را برطرف مي‌کنند.
7. نانوذرات با کاهش زمان مورد نياز براي تست نمونه يک اثر مثبت روي تصميم‌گيري‌هاي باليني و هزينه‌هاي درمان دارند.
8. پروب‌هاي نانوذرات امکان کاربري در تشخيص‌هاي in vivo را به‌خوبي دارا هستند.
9. اکثر اين ترکيبات غير سمي يا سميتشان خيلي پايين است. منبع:باشگاه نانو