گسترش آلودگیهای شیمیایی و میکروبی در آب و مواد غذایی، سالهاست یکی از تهدیدهای جدی سلامت عمومی در جهان به شمار میرود؛ تهدیدی که با توسعه صنایع غذایی، افزایش پسابها و پیچیدهتر شدن زنجیرههای تولید و توزیع، ابعاد آن گستردهتر شده است. پژوهشگران دانشگاه علوم پزشکی تبریز در همکاری با دانشگاه ارومیه، دانشگاه موناش و مرکز ساختافزارهای نانویی ملبورن، در یک مرور جامع به بررسی نسل تازهای از حسگرها پرداختهاند که بر پایه نانومواد مزوپور سیلیکا با خاصیت مغناطیسی (MMSNMs) توسعه یافتهاند. این حسگرهای نوظهور به دلیل ساختار نانومتری، مزوپورهای منظم و هستههای مغناطیسی، توانایی شناسایی سریع آلایندهها و جداسازی آنها را همزمان فراهم میکنند؛ قابلیتی که میتواند آینده پایش و تصفیه آب و مواد غذایی را متحول کند. این مطالعه با مرور پیشرفتهای فناورانه، چالشها و مسیرهای آینده، تصویری دقیق از نقش فناورینانو در تضمین ایمنی غذایی و آبی ارائه میدهد.
طراحی نانوحسگر مغناطیسی برای شناسایی و حذف آلایندههای غذایی و آبی
مسأله ایمنی آب و مواد غذایی دیگر یک دغدغه محدود به کشورهای در حال توسعه نیست. با پیچیدهتر شدن زنجیرههای تولید، افزایش احتمال آلودگیهای میکروبی و شیمیایی، و ورود ترکیبات نوظهور به محیط زیست، نیاز به ابزارهای دقیق، سریع و قابلاعتماد برای شناسایی آلایندهها بیش از هر زمان دیگری احساس میشود. روشهای قدیمی مانند آزمونهای شیمیایی مرسوم، دستگاههای کروماتوگرافی یا سنجشهای بیولوژیک، هرچند کارآمدند، اما نیازمند اپراتور ماهر، آمادهسازی پیچیده نمونه و زمان آزمایش طولانیاند. از دل همین محدودیتهاست که پژوهشهای نانوفناورانه سربرمیآورند، با این ادعا که میتوانند بخشی از این مسیر دشوار را کوتاهتر کنند.
در همین راستا، گروهی از پژوهشگران دانشگاه علوم پزشکی تبریز، دانشگاه ارومیه و دانشگاه موناش استرالیا، در کنار مرکز تخصصی ساختافزارهای نانوفابریکیشن ملبورن، یک بررسی جامع درباره استفاده از نانومواد مزوپور سیلیکا با خاصیت مغناطیسی (Magnetic Mesoporous Silica Nanomaterials / MMSNMs) منتشر کردهاند؛ موادی که قرار است نقش تازهای در تضمین ایمنی مواد غذایی و منابع آبی بازی کنند.
چالش اصلی ایمنی غذایی و آبی این است که آلایندهها فقط باکتری یا سم متداول نیستند. ردیف بلندبالایی از ترکیبات دارویی، فلزات سنگین، سموم گیاهی، نانوالایندهها، میکروارگانیسمها و حتی ترکیبات ناشناخته در آب و غذا یافت میشوند. ابزارهای کنونی نمیتوانند همه این موارد را بهسرعت و دقت بالا شناسایی کنند، چه برسد به اینکه امکان جداسازی و حذف آنها را نیز فراهم کنند.
اینجاست که بخش نانویی کار وارد میدان میشود: ساختار مزوپور در ابعاد نانومتر، همراه با هستههای مغناطیسی و گروههای عاملی فعال روی سطح، ترکیبی میسازد که هم قدرت تشخیص دارد، هم قابلیت جذب، و هم میتواند توسط میدان مغناطیسی بازیابی یا حذف شود.
MMSNMs ترکیبی هوشمند از دو دنیا هستند: سیلیکا مزوپور که بهواسطه ساختار دارای حفرههای ۲ تا ۵۰ نانومتری، سطح ویژه بسیار بالا و قابلیت اصلاح سطح، بستری ایدهآل برای بارگذاری یا شناسایی مولکولهای هدف محسوب میشود.
نانوذرات مغناطیسی که درون ساختار آن تعبیه شدهاند و امکان جداسازی سریع و بدون نیاز به سانتریفیوژ یا فیلتراسیون پیچیده را فراهم میکنند.
این ترکیب باعث میشود حسگرهای مبتنی بر MMSNMs در مواجهه با انواع آلایندهها، از باکتریهای خوراکی گرفته تا فلزات سنگین و سموم پایدار، عملکرد دقیقی داشته باشند.
چطور این نانومواد شناسایی و تصفیه را همزمان ممکن میکنند؟
پژوهشگران توضیح میدهند که عملکرد این حسگرها بر دو اصل کلیدی استوار است:
افزایش حساسیت و گزینشپذیری
گروههای عاملی مختلفی میتوانند روی سطح سیلیکا قرار گیرند؛ از لیگاندهای گیرنده فلزات سنگین تا DNA و آنتیبادیهای زیستی. این تنوع به حسگر اجازه میدهد هر نوع آلاینده خاص را هدف قرار دهد.
توانایی جداسازی مغناطیسی
پس از شناسایی و اتصال آلاینده به سطح نانوذره، میدان مغناطیسی خارجی وارد عمل میشود و مجموعه را از محیط جدا میکند. این ویژگی امکان حذف مستقیم آلاینده از آب را نیز فراهم میسازد؛ یعنی یک حسگر که هم آشکارساز است و هم تصفیهگر.
طبق این بررسی، مسیرهای مختلفی برای تولید این نانومواد وجود دارد، از جمله:
روش سل-ژل که امکان کنترل دقیق ساختار حفرهها را فراهم میکند
رفلاکس اتانول که برای افزایش نظم مزوپورها کاربرد دارد
کوپلیمریزاسیون که برای تولید ساختارهای هیبریدی به کار میرود
پژوهشها نشان میدهند که اصلاح سطح، کنترل اندازه حفرهها و طراحی مغناطیسی، سه محور اصلی ارتقای عملکرد این حسگرها هستند.
این نانومواد در چند حوزه کلیدی عملکرد چشمگیری داشتهاند:
تشخیص باکتریها و ویروسها
با اتصال آنتیبادی یا آپتامر، نانوذرات قادر به شناسایی پاتوژنها در مقادیر بسیار کم هستند.
سنجش فلزات سنگین
سطح سیلیکا قابلیت بالایی در اتصال یون دارد و مغناطیس داخلی امکان برداشت سریع آلاینده را فراهم میکند.
ردیابی سموم غذایی
مانند آفلاتوکسینها، با استفاده از گیرندههای زیستی ویژه.
حذف آلایندهها
در مواردی از MMSNMs نهتنها برای سنجش، بلکه برای جذب و پاکسازی همزمان آلایندههای آبی استفاده شده است.
با وجود عملکرد قابلتوجه، پژوهشگران چند چالش مهم را نیز برمیشمارند:
احتمال گرفتگی مزوپورها بهدلیل مغناطیس زیاد
دشواری حفظ پایداری سطح در محیطهای واقعی
نیاز به توسعه حسگرهای قابلحمل و ایمن برای استفاده عمومی
نیاز به آزمونهای صنعتی و میدانی برای کاربرد در مقیاس بالا
در آینده، ترکیب MMSNMs با فناوریهایی مانند الکترونیک انعطافپذیر، نانوزیستحسگرها، و ریزتراشههای هوشمند میتواند سیستمهای پایش سریع و آنلاین را به واقعیت تبدیل کند.
این بررسی نشان میدهد که نانومواد مزوپور سیلیکا با خاصیت مغناطیسی، نه صرفاً یک ابزار آزمایشگاهی، بلکه یک فناوری چندوجهی برای آینده ایمنی آب و غذا هستند. قابلیت شناسایی فوقحساس، جداسازی سریع و امکان ترکیب با زیستحسگرها، MMSNMs را به یکی از امیدبخشترین گزینهها برای مقابله با آلودگیهای نوظهور تبدیل کرده است. پژوهش مشترک دانشگاههای ایران و استرالیا، تصویری روشن از ظرفیتهای این فناوری و مسیرهای آینده آن ترسیم میکند؛ مسیری که اگرچه پرچالش است، اما وعده ارتقای جدی در سلامت عمومی را به همراه دارد.
نتایج این پروژه در قالب مقالهای با عنوان Ensuring food and water safety using magnetic mesoporous silica nanomaterials-based biosensors در نشریه TrAC Trends in Analytical Chemistry به چاپ رسیده است.