نانوحسگر زیستی چیست؟
نانوحسگرهای زیستی (Nanobiosensors) حسگرهای شیمیایی هستند که به محرک فیزیکی یا شیمیایی بسیار حساس‌اند. تغییرات جزئی در ترکیبات فعال زیستی، تغییرات متابولیسم، گرما و غلظت pH آنها را فعال می‌کند. این تغییرات نشان‌دهنده فرآیندهای حیاتی و یا تغییرات فیزیولوژیکی گیاه است. برای مثال، تغییرات غلظت هورمون گیاهی (phytohormone)، که نشان‌دهنده مولکول‌های یک گیاه است، به عنوان نشانگرهای زیستی عمل می‌کند. این حسگرها چنین سیگنال‌هایی را تشخیص می‌دهند و آنها را به سیگنال‌های استاندارد (به عنوان مثال، الکتریکی) تبدیل می‌کنند تا به موجب آن در یک پلتفرم دیجیتال آنالیز شوند.
مزایای نانوحسگرهای زیستی و کاربردهای آنها
نانوحسگرهای زیستی ماندگاری میوه‌ها، زیست‌پذیری بذر، کمبود مواد مغذی و تنش‌های زیستی و غیرزیستی را تشخیص می‌دهد. مزایای اصلی نانوحسگرهای زیستی عبارتند از؛
- سریع
- سیستم تشخیصی کم‌هزینه
- قابل‌حمل
- پایش در لحظه
- کنترل از راه دور
چندین نانوحسگر زیستی براساس مکانیزم ترارسانی برای تشخیص در حوزه کشاورزی طراحی شده‌اند. نانوحسگرهای زیستی با تغییرات جزئی در آنالیت‌ها فعال می‌شوند و به صورت خروجی‌های نوری یا الکتریکی نمایش داده می‌شوند. خصوصیات حسگرها با استفاده از عوامل تشخیص اختصاصی مانند آنتی‌بادی، الیگوهای DNA، آنزیم‌ها و آپتامرها افزایش می‌یابد.
با استفاده از تشدید پلاسمون سطحی (خواص نوری) می‌توان کارایی نانوحسگرهای زیستی را بهبود بخشید. استفاده از گرافن و یا مواد نانو مقیاس رسانای الکترون به نام نانولوله‌های کربنی نیز حساسیت حسگر را افزایش می‌دهد؛ چون این مواد به عنوان مبدل عمل می‌کنند. انواع مختلف نانوحسگرهای زیستی برای رشد گیاهان مفید هستند. در زیر برخی از نانوحسگرهای زیستی مورد استفاده برای نظارت بر رشد گیاه (به صورت مستقیم یا غیرمستقیم) مورد بحث قرار گرفته است.
نانوحسگرهای زیستی پوشیدنی گیاه
دانشمندان انواع مختلفی از حسگرهای پوشیدنی گیاه را که مبتنی بر نانوحسگرهای زیستی سبک و بسیار نازک هستند، توسعه داده‌اند. آنها به مرز جدید تشخیص محصولات تبدیل شده‌اند و دستگاه‌های انعطاف‌پذیری هستند که مستقیماً به بافت‌های گیاه (به عنوان مثال برگ‌ها) متصل می‌شوند تا بتوانند در لحظه عملیات پایش را انجام دهند.
انواع مختلفی از نانوحسگرهای زیستی پوشیدنی در دسترس هستند، مانند نانوحسگر پوشیدنی مبتنی بر گرافن که می‌تواند تبخیر آب از برگ گیاهان را کنترل کند. این نانوحسگر بر اساس مکانیزم تغییرات مقاومت الکتریکی گرافن در شرایط رطوبتی مختلف، عمل می‌کند.
نوع دیگری از این نانوحسگر زیستی پوشیدنی سبک گیاه، خرداقلیم (microclimate) محلی، رطوبت و دمای گیاه را پایش می‌کند و به طور غیر مستقیم رشد گیاه را تقویت می‌کند.
یک حسگر چند منظوره به شکل پروانه که دما و رطوبت را اندازه‌گیری می‌کند، الکترودهای طلا به ضخامت ۱۸۰ نانومتر را بر روی بستر انعطاف‌پذیر پلی‌ایمید (PI) / پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) چاپ می‌کند.
نانوحسگرهای زیستی مبتنی بر نانوذرات فلزی و یا شبه‌فلزی
نانوذراتی، مانند Au، Ag، Si، Pt و بسیاری از نانوذرات اکسید فلزی دیگر، معمولاً برای تولید حسگرهای زیستی استفاده می‌شود. آنها مبدل و لیگاندهای سیگنال مانند آنتی‌بادی و یا الیگوهای DNA را برای شناسایی و تعیین کمی اهداف مولکولی تشخیص می‌دهند. برخی از نانوذرات فلزی/ شبه‌فلزی که معمولاً در نانوحسگرهای زیستی استفاده می‌شوند به شرح زیر است؛
- نانومیله‌های Ag برای شناسایی عوامل بیماری‌زای گیاهی مختلف استفاده می‌شود. این نانوذرات همچنین می‌توانند سموم را با استفاده از طیف سنجی ارتقاء یافته سطحی رامان تشخیص دهند.
- محققان از نانوحسگرهای Pt برای تشخیص عفونت باکتریایی در خاک و سبزیجات استفاده می‌کنند. این نانوحسگر زیستی را می‌توان با استفاده از طیف‌سنجی جرمی واجذب-یونش لیزری به کمک ماتریس با آنتی‌بادی‌های IgG عامل‌دار کرد.
- نانوذرات فلورسنت Si برای شناسایی عوامل بیماری‌زای گیاهی مانند زانتوموناس کمپستریس (Xanthomonas campestris) به یک آنتی‌بادی ثانوی متصل می‌شوند. این باکتری باعث بروز بیماری لکه باکتریایی در گیاه تاجریزی (nightshade) می‌شود.
- نانوذرات Au که به یک DNA تک‌رشته‌ای خاص متصل شده‌اند، رالستونیا سولاناسیاروم (Ralstonia solanacearum) را تشخیص می‌دهند. این باکتری باعث پژمردگی آوندی در سیب‌زمینی می‌شود.
نانوحسگرهای زیستی مبتنی بر نقاط کوانتومی
نقاط کوانتومی (Quantum dots) (1-10 نانومتر) نانوکریستال‌های نیمه‌رسانا هستند که به طور گسترده در توسعه نانوحسگرهای نوری استفاده می‌شوند. این حسگرها به دلیل خاصیت گیاهی‌فیزیکی (phytophysical) منحصر به فرد خود برای شناسایی بیماری و سنجش زیستی استفاده می‌شوند. نقاط کوانتومی سمیت سلولی کمتری دارند و بسیار زیست‌سازگار هستند. این ویژگی‌ها آنها را برای تصویربرداری باکتریایی و قارچی بسیار مفید می‌سازد. محققان یک حسگر زیستی نقاط کوانتومی مبتنی بر کاغذ ایجاد کرده‌اند که به یک پرآب (probe) مناسب متصل می‌شود تا واکنش گیاهان به شرایط محیطی شدید را شناسایی کند.
نانوحسگرهای زیستی مبتنی بر آرایه
نانوحسگرهای زیستی مبتنی بر آرایه به دلیل واکنش متقابل و توانایی اندازه‌گیری اثر انگشت مولکولی، به طور خاص در تشخیص مخلوط‌های آنالیتی بسیار مشابه، سودمند هستند. دانشمندان فعالیت متابولیکی گیاه بیمار، به ویژه تولید و غلظت ترکیبات فرار مشخصه را تعیین کرده‌اند. این مشاهدات برای تشخیص سایر بیماری‌های گیاهی و استرس غیرزیستی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ترکیبات آلی فرار (VOC)، مانند اتیلن و ترپن‌ها (terpenes)، بعنوان نشانگرهای زیستی عمل می‌کنند.
یک آرایه حسگر نانوپلاسمونیک که متشکل از نانوذرات Au و یک ژل سل-ژل چاپ شده مولکولی است و به طور انتخابی ترپن‌ها را تشخیص می‌دهد. نانوذرات پلاسمونیک برای تشخیص زودهنگام بیماری بادزدگی گوجه فرنگی (tomato late blight) مورد استفاده قرار می‌گیرند. این حسگر، نوع خاصی از عوامل بیماری‌زای قارچی را شناسایی می‌کند. این امر بسیار حائز اهمیت است؛ زیرا بسیاری از عوامل بیماری‌زای قارچی نوع مشابهی از علائم را نشان می‌دهند و شناسایی نادرست می‌تواند در تعیین درمان، گمراه‌کننده باشد.
هنگامی که این حسگر نانوپلاسمونیک با یک VOC مخصوص یک برگ ارتباط برقرار می‌کند، الگوهای منحصر به فردی از تغییرات رنگ برای هر VOC ایجاد می‌کند. میکروسکوپ تلفن هوشمند، خروجی حسگر را اسکن می‌کند و عوامل بیماری‌زای گیاهی و تنش‌های غیرزیستی مانند خشکسالی و کمبود مواد مغذی را شناسایی می‌کند.
نانوحسگرهای زیستی تجاری موجود
NT سنسورز
NT سنسورز (NT Sensors) یک شرکت استارتاپی اسپانیایی است که حسگرهای نانولوله‌ای را توسعه می‌دهد که می‌توانند غلظت یون‌های حوزه کشاورزی را در لحظه اندازه‌گیری کنند. این نانوحسگر همچنین می‌تواند مقاومت یونی زهکشی را تعیین کرده و نقاط هدرروی را شناسایی نماید.
نانوحسگر NT مواد مغذی پر مصرف و مقدار آب را پایش می‌کند که به ویژه در فصول کشاورزی ضعیف بسیار مفید است. کمبود کود، مواد غذایی و آب مناسب و کافی می‌تواند منجر به کاهش چشمگیر محصولات کشاورزی شود. این حسگرها شرایط مناسب تغذیه‌ای و مقدار آب مورد نیاز برای تولید محصول را تضمین می‌کند.
نانولبز
نانولبز (NanoLabs) یک شرکت مبتنی بر مهندسی نانوفناوری اسپانیایی است. این شرکت فناوری را به نام ASAR طراحی کرده‌است که هدف آن کاهش مصرف آب در مزارع کشاورزی است. نانولبز همچنین با تعیین نوع خاک و مقدار آب بر کاهش تعداد کودها و سموم دفع آفاتی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، تمرکز دارد. این امر باعث افزایش تولید محصول می‌شود.