ساخت قفل مولکولی نانویی برای ردیابی BPA در آب شرب
گروه هوش مصنوعی: محققان سنسوری ساخته اند که می تواند مقادیر خیلی کم بیسفنول A یا BPA را در آب شرب شناسایی کند؛ ماده ای که به علت اثرات احتمالی بر سیستم هورمونی مورد توجه قرار گرفته است.
به گزارش گروه هوش مصنوعی به نقل از مهر، بیسفنول A یا BPA یکی از مواد شیمیایی است که حضور آن در محیط های آبی و احتمال اثرگذاری آن بر سیستم هورمونی انسان، توجه محققان را به خود جلب کرده است. این ترکیب در تولید برخی انواع پلاستیک ها و مواد پلیمری کاربرد داشته و امکان انتقال مقادیر بسیار کمی از آن به آب وجود دارد. حالا محققان با ترکیب پلیمرهای قالب مولکولی در مقیاس نانو و فناوری تشدید پلاسمون سطحی یا SPR، سنسوری ساخته اند که می تواند مقادیر خیلی کم BPA را در آب شرب شناسایی کند.
این سامانه که در پژوهشی انتشار یافته در مجله Communications Chemistry معرفی شده، از پلتفرمی معروف به nanoMIP-SPR استفاده می نماید. خصوصیت مهم آن، شناسایی انتخابی BPA بدون احتیاج به استفاده از برچسب های شیمیایی و امکان پایش برخط یا لحظه ای است. سنسور جدید در محدوده غلظتی ۵ تا ۸۰۰ نانومولار پاسخ قابل اندازه گیری نشان داد و حد تشخیص آن به ۱٫۴۶ نانومولار رسید.
اندازه گیری BPA معمولا با روشهای آزمایشگاهی بسیار دقیقی مانند کروماتوگرافی گازی-طیف سنجی جرمی یا GC-MS و کروماتوگرافی مایع-طیف سنجی جرمی دومرحله ای یا LC-MS/MS صورت می گیرد. این تکنیک ها از نظر انتخاب پذیری و دقت بسیار قدرتمند هستند، اما به تجهیزات گران قیمت، آماده سازی نمونه و نیروی متخصص نیاز دارند و در بعضی مراحل نیز استفاده از حلال های آلی می تواند هزینه و نتایج زیست محیطی داشته باشد. بنابراین، توسعه حسگرهایی که بتوانند BPA را سریع تر، ساده تر و با هزینه کمتر شناسایی کنند، اهمیت زیادی دارد.
راز سنسور جدید در ماده ای به نام پلیمر قالب مولکولی یا MIP نهفته است. این پلیمر را میتوان به صورتی یک «قفل مولکولی مصنوعی» درنظر گرفت. در فرآیند ساخت، مولکول هدف، یعنی BPA، بعنوان قالب در ساختار پلیمر حضور دارد. بعد از تشکیل پلیمر و خارج کردن مولکول های BPA، حفره هایی باقی می مانند که از نظر شکل و خصوصیت های شیمیایی با مولکول هدف سازگاری دارند. درنتیجه، هنگامی که نمونه حاوی BPA باردیگر با این ماده تماس پیدا کند، مولکول های BPA تمایل دارند در این حفره های اختصاصی قرار بگیرند.
پژوهشگران برای ساخت nanoMIP ها ابتدا دانه های شیشه ای را بعنوان بستر جامد آماده کردند. سطح این دانه ها با هیدروکسید سدیم فعال شد تا گروههای سیلانول واکنش پذیر ایجاد شود. سپس با استفاده از ۳-آمینوپروپیل تری اتوکسی سیلان یا APTES، گروههای آمینی روی سطح به وجود آمد. در مرحله بعد، آنتی بادی های اختصاصی BPA بوسیله شیمی EDC/NHS به سطح متصل شدند تا مولکول های BPA روی این بستر تثبیت شوند.
پس از قرارگیری BPA روی سطح، مخلوطی از مونومرهای مختلف در اطراف آن پلیمریزه شد. در این فرآیند، N-ایزوپروپیل آکریل آمید یا NIPAm بعنوان مونومر ساختاری، BIS بعنوان عامل اتصال دهنده عرضی و ترکیباتی مانند APMA و اسید اکریلیک بعنوان مونومرهای عاملی مورد استفاده قرار گرفتند. N-ترت بوتیل آکریل آمید نیز برای تقویت برهم کنش های آب گریز افزوده شد.
پس از پایان پلیمریزاسیون، شست وشوی سرد برای حذف مونومرهای واکنش نداده و ذراتی با میل ترکیبی پایین انجام شد. سپس با چند مرحله شست وشو با آب داغ در دمای ۶۵ درجه سانتی گراد، مولکول های BPA از قالب خارج شدند. نتیجه، نانوذرات پلیمری بود که حفره هایی با شکل و خصوصیت شیمیایی مکمل BPA در اختیار داشتند.
بررسی این ذرات نشان داد nanoMIP های تولیدشده حدودا کروی هستند و اندازه هیدرودینامیکی متوسط آنها با استفاده از پراکندگی دینامیکی نور یا DLS حدود ۹۴ نانومتر اندازه گیری شد. در مقابل، میکروسکوپ الکترونی عبوری یا TEM اندازه فیزیکی متوسط حدود ۷۸ نانومتر را برای ذرات خشک نشان داد. تفاوت میان این دو مقدار طبیعی است، چونکه DLS اندازه ذره را در حالت پراکنده و همراه با لایه هیدراته اطراف آن اندازه گیری می کند، درحالی که TEM تصویر ذرات خشک را عرضه می کند.
در مرحله بعد، این nanoMIP ها به یک تراشه SPR مبتنی بر طلا متصل شدند. سطح تراشه ابتدا با یک تک لایه خودآرا یا SAM از ترکیب ۱۱-مرکاپتوندکانوئیک اسید یا MUDA اصلاح گردید. گروههای کربوکسیلی ایجادشده روی سطح سپس با استفاده از شیمی EDC/NHS فعال شدند تا nanoMIP ها بتوانند بصورت کووالانسی روی سطح طلا تثبیت شوند.
تصویربرداری با میکروسکوپ نیروی اتمی یا AFM نشان داد که نانوذرات پلیمری به صورت متراکم و یکنواخت روی سطح قرار گرفته اند. آزمون های الکتروشیمیایی شامل ولتامتری چرخه ای و ولتامتری موج مربعی نیز تشکیل موفق لایه شناسایی را تأیید کردند.
وقتی آب حاوی BPA از روی سطح سنسور عبور می کند، مولکول های BPA وارد حفره های اختصاصی nanoMIP ها می شوند. این اتصال سبب تغییر شرایط نوری در سطح تراشه می شود و دستگاه SPR آنرا بصورت یک سیگنال قابل اندازه گیری ثبت می کند. درنتیجه، بدون احتیاج به برچسب گذاری مولکول BPA یا واکنش های پیچیده برای تقویت سیگنال، میتوان میزان این آلاینده را اندازه گیری نمود.
یکی از نقاط قوت این سنسور، انتخاب پذیری آن بود. محققان عملکرد سامانه را در مقابل ترکیبات مشابه BPA همچون بیسفنول E، بیسفنول F و بیسفنول S بررسی کردند. باآنکه این ترکیبات در غلظت های بالاتر می توانستند پاسخ قابل اندازه گیری ایجاد کنند، شدت پاسخ به BPA بطور مشخص بیشتر بود. این رفتار نشان میدهد حفره های ایجادشده در nanoMIP ها توانسته اند تا حد قابل قبولی میان مولکول هدف و ترکیبات مشابه تمایز ایجاد کنند.
حسگر همینطور قابلیت استفاده مجدد داشت. بعد از پنج چرخه بازتولید و استفاده باردیگر، پاسخ نرمال شده SPR تنها حدود ۵٫۱ درصد کم شد. این نتیجه نشان میدهد سنسور برای اندازه گیری های تکراری مناسب می باشد، هرچند هنوز نباید آنرا به معنای اثبات عملکرد پایش مداوم و طولانی مدت دانست.
برای ارزیابی دقت نیز نتایج nanoMIP-SPR با روش مرجع LC-MS مقایسه شد. نرخ بازیابی در سنسور SPR بین ۹۶٫۹۰ تا ۹۷٫۸۴ درصد بود، درحالی که این مقدار برای LC-MS بین ۹۸٫۲۰ تا ۹۸٫۹۳ درصد گزارش شد. نزدیکی این اعداد نشان میدهد سنسور نانویی می تواند برای اندازه گیری BPA در نمونه های حقیقی عملکرد تحلیلی قابل قبولی داشته باشد.
اما شاید جذاب ترین بخش مطالعه زمانی شروع شد که محققان سنسور را از محیط لابراتوار بیرون آوردند و سراغ آب های تجاری رفتند. آنها ۱۰ نمونه آب موجود در بطری های پلی کربناتی را بررسی کردند و در هر ۱۰ نمونه BPA شناسایی شد. غلظت اندازه گیری شده در این نمونه ها بین ۲٫۷۳ تا ۸٫۱۵ نانومولار بود.
پژوهشگران سپس تاثیر دمای نگهداری را بررسی کردند. در نمونه ای که بالاترین غلظت اولیه BPA را داشت، نگهداری آب به مدت ۱۰ هفته در دمای ۲۵ درجه سانتی گراد تنها حدود ۱٫۶ درصد افزایش در مقدار BPA ایجاد کرد. اما وقتی همین شرایط در دمای ۵۰ درجه سانتی گراد تکرار شد، غلظت BPA حدود ۲۵۶ درصد افزوده شد.
این نتیجه اهمیت شرایط نگهداری را برجسته می کند، چونکه افزایش دما می تواند مهاجرت BPA از مواد پلیمری به آب را افزایش دهد. البته محققان تاکید کردند که غلظت های اندازه گیری شده در وضعیت محلی مورد آزمایش، برمبنای حدود مقرراتی مورد استناد آنها، نشانه ای از خطر فوری برای سلامت محسوب نمی شد.
اهمیت اصلی این تحقیق در این است که nanoMIP ها می توانند قسمتی از عملکرد گیرنده های زیستی را با یک ساختار مصنوعی و مهندسی شده تقلید کنند. این ذرات در حقیقت برای شناسایی یک مولکول خاص «طراحی» شده اند و ترکیب آنها با SPR امکان تبدیل اتصال مولکولی به یک سیگنال نوری قابل اندازه گیری را فراهم می آورد.
پژوهشگران اعتقاد دارند این رویکرد می تواند در آینده به توسعه ابزارهای سریع تر و قابل استفاده تر برای پایش آلاینده های شیمیایی در آب کمک نماید. البته جهت استفاده گسترده در دنیای حقیقی، عواملی مانند پایداری طولانی مدت، عملکرد در ماتریس های پیچیده تر، تولید انبوه، استانداردسازی و مقایسه گسترده تر با روشهای مرجع همچنان باید بررسی شوند.
بااین حال، ترکیب نانومواد قالب مولکولی، SPR و تشخیص بدون برچسب یک مسیر جذاب برای ساخت سنسورهای نسل جدید به وجود آورده است؛ حسگرهایی که می توانند بجای انتقال نمونه به لابراتوار و انتظار برای نتیجه، آلاینده هایی مانند BPA را در مقادیر خیلی کم و با سرعت بیشتری در همان محل پایش کنند.
سطح این دانه ها با هیدروکسید سدیم فعال شد تا گروه های سیلانول واکنش پذیر ایجاد شود. بعد از پایان پلیمریزاسیون، شست وشوی سرد برای حذف مونومرهای واکنش نداده و ذراتی با میل ترکیبی پایین انجام شد. محققان عملکرد سامانه را در مقابل ترکیبات مشابه BPA همچون بیسفنول E، بیسفنول F و بیسفنول S بررسی کردند.
منبع: گروه هوش مصنوعی
مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب