پلیمرهای زیستی

تکنولوژی نانو، راه برگزیده

نانو به راستی کوچک است چرا که مقیاس نانو متر به معنای یک میلیاردم متر است(^9-10 متر). برای احساس اندازه های مادون ریز، قطر موی سر انسان را که یک دهم میلیمتر است در نظر بگیرید، یک نانومتر صدهزار برابر کوچکتراست (^9-10 متر).

در واقع تکنولوژی نانو عبارت است از به کار گیری ابزارها و سیستم ها برای کنترل، شکل و طراحی، توصیف، تولید و کاربرد ساختارها در اندازه نانومتر. اهمیت نانو مقیاس به این دلیل است که در نانو مقیاس خواص جدیدی به دست می آوردند و مواد در این مقیاس کوچک اند. مواد تولید شده در مقیاس نانو را بر اساس سه بعدی، دو بعدی و یک بعدی بودن آنها بررسی می کنند.
تکنولوژی و مهندسی در قرن پیش رو با وسایل، اندازه گیریها و تولیداتی سروکار خواهد داشت که چنین ابعاد مادون ریزی دارند. در دو دهه اخیر، پیشرفتهای تکنولوژی وسایل و مواد با ابعاد بسیار کوچک به دست آمده است و به سوی تحولی فوق العاده که تمدن بشر را تا پایان قرن دگرگون خواهد کرد، پیش می رود. درحال حاضر پروسه های در ابعاد چند مولکول قابل طراحی و کنترل است. همچنین خواص مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، نوری و. . . مواد در لایه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درک و تحلیل و سنجش است. با تکنولوژی نانو قادر به تغییر مواد در جهت مطلوب و رفع نقایص مواد هستیم. درست همان روشی که در طبیعت برای تولید کردن حاکم است. مجموعه های طبیعی، ترکیبی از دانه های مادون ریز قابل تشخیص با خواص مشابه و یا متفاوت با اندازه های در حدود نانو می باشد.

در بیانی کوتاه نانوتکنولوژی یک فرایند تولید مولکولی است. همانطور که طبیعت مجموعه ها را بطور خودکار مولکول به مولکول ساخته و روی هم مونتاژ کرده است، ما هم باید برای تولید محصولات جدید، با این اعتقاد که هرچه در طبیعت تولید شده قابل تولید در آزمایشگاه نیز هست، نظیر طبیعت راهی پیدا کنیم. البته منظور این نیست که چند هسته از مواد راپیدا کنیم و با رساندن انرژی و خوراک پس از چند سال یک نیروگاه از آن بسازیم که شهری را برق دهد. بلکه برای ترکیب و تکامل خودکار تولیدات مادون ریزکه به نحوی در مجموعه های بزرگتر مصرف دارد، راهی بیابیم. در اندازه های مادون ریز، روشها و ابزارآلات متعارف فیزیکی مانند تراشیدن و خم کردن و سوراخ کردن و. . . جوابگو نیستند.

برای ساختن ماشینهای ملکولی باید روش پروسه های طبیعی را دنبال کرد.

با تهیه نقشه های ساختاری بدن یعنی آرایش ژنها و DNA که ژنم نامیده شده است و به موازات آن دست یافتن به تکنولوژی مادون ریز، در دراز مدت تحولات بسیاری در هستی ایجاد خواهد شد. تولید مواد جدید، گیاهان، جانداران و حتی انسان متحول خواهد شد. اشکالات ساختاری موجودات در طبیعت رفع می شود و با ترکیب و خواص اورگانیک گیاهان و جانوران، موجودات جدیدی با خواص فوق العاده و شخصیتهای متفاوت بوجود خواهد آمد.

آینده علوم و مهندسی که چندین گرایشی(Multi Disciplinary) است، به طرف تولید ماشینهای مولکولی سوق داده خواهد شد تا در نهایت بتواند مجموعه های کارآیی از پیوندهای ارگانیک و سایبریک را عرضه نماید. استفاده از این روش به تولید و ساخت محصولات و ایجاد تکنولوژی‌های جدید با کارآیی بالا منجر می‌شود. نانوتکنولوژی این امکان را فراهم می‌کند که اجزا و ترکیبات مواد شیمیایی را در مقیاس نانو در آورده و داخل سلول‌ها قرار داده و مواد جدیدی را با استفاده از روش‌های جدید خود مونتاژ   (Self assembly)درست کنیم. در این روش به هیچ وسیله‌ای مانند یک روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزا نیازی نیست.

هستی را به رایانه ( سخت افزار ) و برنامه ( نرم افزار ) که دو پدیده مختلف ولی ادغام شده هستند، می توان تشبیه کرد. سخت افزار مصداق ماده ( اغلب اتم هیدروژن ) و نرم افزار یا برنامه، قابلیت نهفته در خلقت آن است.

اتم به نظر ساده و ابتدایی هیدروژن در طی میلیاردها سال با قابلیت نهفته در خود توانسته است میلیونها نوع آرایش مختلف را در هستی بوجود آورد. بشر از بوجود آوردن اساس ماده عاجز است. ولی در برنامه ریزیهای جدید و یافتن اشکال دیگری از آنچه در طبیعت وجود دارد، پیش خواهد رفت. طبیعت را خواهد شناخت و به اصطلاح، قفلهای شگفت آور آن را باز خواهد کرد. احتمالا انسان در شرایط مناسبتری از درجه حرارت و فشار که درتشکیل طبیعی مواد مختلف از هیدروژن لازم است، بتواند اتمهای مورد نباز خود را تولید کند، سیارات دیگری را در نهایت در اختیار بگیرد و بعید نیست که نواده های دوردست ما بتوانند در نیمه های راه ابدیت در اکثر نقاط جهان هستی و کهکشانها سکنی گزینند.

فناوری های نانو، در زمینه های گوناگونی همچون توسعه داروها، تصفیه آبها و زدودن انواع آلودگی های آب، فناوری های ارتباطی و اطلاعاتی، تولید مواد مستحکم تر و سبک تر دارای مزایای بالقوه هستند. امروزه بسیاری از شرکت های تجاری، بر مبنای همین فناوری ها، نانوذرات را به شکل پودر، اسپری و پوشش تولید می کنند که کاربردهای زیادی در قسمت های مختلف اتومبیل، راکت های تنیس، عینک های آفتابی ضد خش، پارچه های ضد لک، پنجره های تمیز کن خودکار و صفحات خورشیدی دارد و تعداد این شرکت ها با سرعتی باور نکردنی رو به افزایش است.

نانو چه اندازه ای است؟

محدوده اندازه ذراتی که این چنین علاقه مندان را در صنعت به سوی خود جلب کرده است، معمولا کمتر از 100 نانومتر است. برای این که تصوری از مقیاس داشته باشیم، بد نیست به اندازه موی سر انسان که چیزی حدود 10هزار تا 50 هزار نانومتر است توجه کنیم. یک سلول قرمز خون، قطری حدود 5 هزار نانومتر دارد و ابعاد یک ویروس بین 10 تا 100 نانومتر است. با کاهش اندازه ذرات، نسبت تعداد اتم های سطحی به اتم های داخلی بیشتر می شود. بر فرض درصد اتم های سطحی یک ذره با اندازه 30 نانومتر 5 درصد است، در حالی که این نسبت برای یک ذره با اندازه 3نانومتر 50 است.

این طوری است که نانوذرات در مقایسه با ذرات بزرگتر نسبت سطح به وزن بسیار بیشتری دارند و با کاهش اندازه ذرات به یک دهم نانومتر یا کمتر، اثرات کوانتومی دیده می شوند و این اثرات هم می توانند به مقدار زیادی ویژگی های نوری، مغناطیسی و الکتریکی مواد را تحت الشعاع قرار دهند. با این ویژگی های جدید است که ساختار مواد در مقیاس نانو به ما امکان طراحی و ساخت مواد جدید با ویژگی های کاملا نویی را می دهد. با کم کردن اندازه و ثابت نگه داشتن نوع ماده، ویژگی های اساسی از قبیل هدایت الکتریکی، رنگ، استحکام و نقطه ذوب ماده تغییر می کند.

کاربرد نانوتکنولوژی در پزشکی

یک باکتری مغناطیسی می تواند در امتداد میدان مغناطیسی زمین قرار گیرد و مطابق با آن بالا یا پایین برود تا مقصد مورد نظرش را پیدا کند.

در سال 1966 فیلمی تخیلی با عنوان «سفر دریایی شگفت انگیز» اهالی سینما را به دیدن نمایشی جسورانه از کاربرد نانوتکنولوژی در پزشکی میهمان کرد. گروهی از پزشکان جسور و زیردریایی پیشرفته شان با شیوه ای اسرارآمیز به قدری کوچک شدند که می توانستند در جریان خون بیمار سیر کنند و لخته خونی را در مغزش از بین ببرند که زندگی او را تهدید می کرد. با گذشت 36 سال از آن زمان، برای ساختن وسایل پیچیده حتی در مقیاس های کوچک تر گام های بلندی برداشته شده است. این امر باعث شده برخی افراد باور کنند که چنین دخالت هایی در پزشکی امکان پذیر است و روبات های بسیار ریز قادر خواهند بود در رگ های هر کسی سفر کنند.

همه جانداران از سلول های ریزی تشکیل شده اند که خود آنها نیز از واحدهای ساختمانی کوچک تر در حد نانومتر (یک میلیاردم متر) نظیر پروتئین ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک تشکیل شده اند. از این رو، شاید بتوان گفت که نانوتکنولوژی به نحوی در عرصه های مختلف زیست شناسی حضور دارد. اما اصطلاح قراردادی «نانوتکنولوژی» به طور معمول برای ترکیبات مصنوعی استفاده می شود که از نیمه رساناها، فلزات، پلاستیک ها یا شیشه ساخته شده اند. نانوتکنولوژی از ساختارهایی غیرآلی بهره می گیرد که از بلورهای بسیار ریزی در حد نانومتر تشکیل شده اند و کاربردهای وسیعی در زمینه تحقیقات پزشکی، رساندن داروها به سلول ها، تشخیص بیماری ها و شاید هم درمان آنها پیدا کرده اند.

در برخی محافل نگرانی های شدیدی در مورد جنبه منفی این فناوری به وجود آمده است؛ آیا این نانوماشین ها نمی توانند از کنترل خارج شده و کل جهان زنده را نابود کنند؟

با وجود این به نظر می رسد فواید این فناوری بیش از آن چیزی باشد که تصور می رود. برای مثال، می توان با بهره گیری از نانوتکنولوژی وسایل آزمایشگاهی جدیدی ساخت و از آنها در کشف داروهای جدید و تشخیص ژن های فعال تحت شرایط گوناگون در سلول ها، استفاده کرد. به علاوه، نانوابزارها می توانند در تشخیص سریع بیماری ها و نقص های ژنتیکی نقش ایفا کنند.
طبیعت نمونه زیبایی از سودمندی بلورهای غیرآلی را در دنیای جانداران ارائه می کند. باکتری های مغناطیسی، جاندارانی هستند که تحت تاثیر میدان مغناطیسی زمین قرار می گیرند. این باکتری ها فقط در عمق خاصی از آب یا گل ولای کف آن رشد می کنند. اکسیژن در بالای این عمق بیش از حد مورد نیاز و در پایین آن بیش از حد کم است. باکتری ای که از این سطح خارج می شود باید توانایی شنا کردن و برگشت به این سطح را داشته باشد. از این رو، این باکتری ها مانند بسیاری از خویشاوندان خود برای جابه جا شدن از یک دم شلاق مانند استفاده می کنند. درون این باکتری ها زنجیره ای با حدود 20 بلور مغناطیسی وجود دارد که هر کدام بین 35 تا 120 نانومتر قطر دارند. این بلورها در مجموع یک قطب نمای کوچک را تشکیل می دهند. یک باکتری مغناطیسی می تواند در امتداد میدان مغناطیسی زمین قرار گیرد و مطابق با آن بالا یا پایین برود تا مقصد مورد نظرش را پیدا کند.

این قطب نما اعجاز مهندسی طبیعت در مقیاس نانو است. اندازه بلورها نیز مهم است. هر چه ذره مغناطیسی بزرگ تر باشد، خاصیت مغناطیسی اش مدت بیشتری حفظ می شود. اما اگر این ذره بیش از حد بزرگ شود خود به خود به دو بخش مغناطیسی مجزا تقسیم می شود که خاصیت مغناطیسی آنها در جهت عکس یکدیگرند. چنین بلوری خاصیت مغناطیسی کمی دارد و نمی تواند عقربه کارآمدی برای قطب نما باشد. باکتری های مغناطیسی قطب نماهای خود را فقط از بلورهایی با اندازه مناسب می سازند تا از آنها برای بقای خود استفاده کنند. جالب است که وقتی انسان برای ذخیره اطلاعات روی دیسک سخت محیط هایی را طراحی می کند دقیقاً از این راهکار باکتری ها پیروی می کند و از بلورهای مغناطیسی در حد نانو و با اندازه ای مناسب استفاده می کند تا هم پایدار باشند و هم کارآمد.

محققان در تلاش هستند تا از ذرات مغناطیسی در مقیاس نانو برای تشخیص عوامل بیماری زا استفاده کنند. روش این محققان نیز مانند بسیاری از مهارت هایی که امروزه به کار می رود به آنتی بادی های مناسبی نیاز دارد که به این عوامل متصل می شوند. ذرات مغناطیسی مانند برچسب به مولکول های آنتی بادی متصل می شوند. اگر در یک نمونه، عامل بیماری زای خاصی مانند ویروس مولد ایدز مد نظر باشد، آنتی بادی های ویژه این ویروس که خود به ذرات مغناطیسی متصل هستند به آنها می چسبند. برای جدا کردن آنتی بادی های متصل نشده، نمونه را شست وشو می دهند. اگر ویروس ایدز در نمونه وجود داشته باشد، ذرات مغناطیسی آنتی بادی های متصل شده به ویروس، میدان های مغناطیسی تولید می کنند که توسط دستگاه حساسی تشخیص داده می شود. حساسیت این مهارت آزمایشگاهی از روش های استاندارد موجود بهتر است و به زودی اصلاحات پیش بینی شده، حساسیت را تا چند صد برابر تقویت خواهد کرد.

دنیای پیشرفته الکترونیک پر از مواد پخش کننده نور است. برای نمونه هر CDخوان،CD  را با استفاده از نوری می خواند که از یک دیود لیزری می آید. این دیود از یک نیمه رسانای غیرآلی ساخته شده است. هر تصویر، قسمت کوچکی از یک CD به اندازه یک مولکول پروتئین (در حد نانومتر) را می کند. در نتیجه این عمل یک نانو بلور نیمه رسانا یا به اصطلاح تجاری یک «نقطه کوانتومی» ایجاد می شود.

فیزیکدانانی که برای اولین بار در دهه 1960 نقاط کوانتومی را مطالعه می کردند معتقد بودند که این نقاط در ساخت وسایل الکترونیکی جدید و وسایل دید استفاده خواهند شد. تعداد انگشت شماری از این محققان ابراز می کردند که از این یافته ها می توان برای تشخیص بیماری یا کشف داروهای جدید کمک گرفت و هیچ کدام از آنان حتی در خواب هم نمی دیدند که اولین کاربردهای نقاط کوانتومی در زیست شناسی و پزشکی باشد.

نقاط کوانتومی قابلیت های زیادی دارند و در موارد مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از کاربردهای این نقاط نیمه رسانا در تشخیص ترکیبات ژنتیکی نمونه های زیستی است. اخیراً برخی محققان روش مبتکرانه ای را به کار بردند تا وجود یک توالی ژنتیکی خاص را در یک نمونه تشخیص دهند. آنان در طرح خود از ذرات طلای 13 نانومتری استفاده کردند که با DNA (ماده ژنتیکی) تزئین شده بود. این محققان در روش ابتکاری خود از دو دسته ذره طلا استفاده کردند. یک دسته، حامل DNA بود که به نصف توالی هدف متصل می شد و DNA متصل به دسته دیگر به نصف دیگر آن متصل می شد. DNA هدفی که توالی آن کامل باشد به راحتی به هر دو نوع ذره متصل می شود و به این ترتیب دو ذره به یکدیگر مربوط می شوند. از آنجا که به هر ذره چندین DNA متصل است، ذرات حامل DNA هدف می توانند چندین ذره را به یکدیگر بچسبانند. وقتی این ذرات طلا تجمع می یابند خصوصیاتی که باعث تشخیص آنها می شود به مقدار چشم گیری تغییر می کند و رنگ نمونه از قرمز به آبی تبدیل می شود. چون که نتیجه این آزمایش بدون هیچ وسیله ای قابل مشاهده است می توان آن را برای آزمایش DNA در خانه نیز به کار برد. هیچ بحثی از نانوتکنولوژی بدون توجه به یکی از ظریف ترین وسایل در علوم امروزی یعنی میکروسکوپ اتمی کامل نمی شود. روش این وسیله برای جست وجوی مواد مانند گرامافون است. گرامافون، سوزن نوک تیزی دارد که با کشیده شدن آن روی یک صفحه، شیارهای روی آن خوانده می شود. سوزن میکروسکوپ اتمی بسیار ظریف تر از سوزن گرامافون است به نحوی که می تواند ساختارهای بسیار کوچک تر را حس کند. متاسفانه، ساختن سوزن هایی که هم ظریف باشند و هم محکم، بسیار مشکل است. محققان با استفاده از نانو لوله های باریک از جنس کربن که به نوک میکروسکوپ متصل می شود این مشکل را حل کردند. با این کار امکان ردیابی نمونه هایی با اندازه فقط چند نانومتر فراهم شد. به این ترتیب، برای کشف مولکول های زنده پیچیده و برهم کنش هایشان وسیله ای با قدرت تفکیک بسیار بالا در اختیار محققان قرار گرفت.

این مثال و مثال های قبل نشان می دهند که ارتباط بین نانوتکنولوژی و پزشکی اغلب غیرمستقیم است به نحوی که بسیاری از کارهای انجام شده، در زمینه ساخت یا بهبود ابزارهای تحقیقاتی یا کمک به کارهای تشخیصی است. اما در برخی موارد، نانوتکنولوژی می تواند در درمان بیماری ها نیز مفید باشد. برای مثال می توان داروها را درون بسته هایی در حد نانومتر قرار داد و آزاد شدن آنها را با روش های پیچیده تحت کنترل در آورد. یکی از نانوساختارهایی که برای ارسال دارو یا مولکول هایی مانند   DNA به بافت های هدف ساخته شده، «دندریمر»ها هستند. این مولکول های آلی مصنوعی با ساختارهای پیچیده برای اولین بار توسط «دونالد تومالیا» ساخته شدند. اگر شاخه های درختی را در یک توپ اسفنجی فرو ببرید به نحوی که در جهت های مختلف قرار گیرند می توان شکلی شبیه یک مولکول دندریمر را ایجاد کرد. دندریمرها مولکول هایی کروی و شاخه شاخه هستند که اندازه ای در حدود یک مولکول پروتئین دارند. دندریمرها مانند درختان پرشاخه و برگ دارای فضاهای خالی هستند، یعنی تعداد زیادی حفرات سطحی دارند.  دندریمرها را می توان طوری ساخت که فضاهایی با اندازه های مختلف داشته باشند. این فضاها فقط برای نگه داشتن عوامل درمانی هستند. دندریمرها بسیار انعطاف پذیر و قابل تنظیم اند. همچنین آنها را می توان طوری ساخت که فقط در حضور مولکول های محرک مناسب، خود به خود باد کنند و محتویات خود را بیرون بریزند. این قابلیت اجازه می دهد تا دندریمرهای اختصاصی بسازیم تا بار دارویی خود را فقط در بافت ها یا اندام هایی آزاد کنند که نیاز به درمان دارند. دندریمرها می توانند برای انتقال DNA به سلول ها جهت ژن درمانی نیز ساخته شوند. این شیوه نسبت به روش اصلی ژن درمانی یعنی استفاده از ویروس های تغییر ژنتیکی یافته بسیار ایمن تر هستند.  همچنین محققان ذراتی به نام نانوپوسته ساخته اند که از جنس شیشه پوشیده شده با طلا هستند. این نانوپوسته ها می توانند به صورتی ساخته شوند تا طول موج خاصی را جذب کنند. اما از آنجا که طول موج های مادون قرمز به راحتی تا چند سانتی متر از بافت نفوذ می کنند، نانوپوسته هایی که انرژی نورانی را در نزدیکی این طول موج جذب می کنند بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. بنابراین، نانوپوسته هایی که به بدن تزریق می شوند می توانند از بیرون با استفاده از منبع مادون قرمز قوی گرما داده شوند. چنین نانوپوسته هایی را می توان به کپسول هایی از جنس پلیمر حساس به گرما متصل کرد. این کپسول ها محتویات خود را فقط زمانی آزاد می کنند که گرمای نانوپوسته متصل به آن باعث تغییر شکلش شود.

یکی از کاربردهای شگرف این نانوپوسته ها در درمان سرطان است. می توان نانوپوسته های پوشیده شده با طلا را به آنتی بادی هایی متصل کرد که به طور اختصاصی به سلول های سرطانی متصل می شوند. از لحاظ نظری اگر نانوپوسته ها به مقدار کافی گرم شوند می توانند فقط سلول های سرطانی را از بین ببرند و به بافت های سالم آسیب نرسانند. البته مشکل است بدانیم آیا نانوپوسته ها در نهایت به تعهد خود عمل می کنند یا نه. این موضوع برای هزاران وسیله ریز دیگری نیز مطرح است که برای کاربرد در پزشکی ساخته شده اند.  محققان از نانوتکنولوژی در ساخت پایه های مصنوعی برای ایجاد بافت ها و اندام های مختلف نیز استفاده کرده اند. محققی به نام «ساموئل استوپ» روش نوینی ابداع کرده است که در آن سلول های استخوانی را روی یک پایه مصنوعی رشد می دهد. این محقق از مولکول های مصنوعی استفاده کرده است که با رشته هایی ترکیب می شوند که این رشته ها برای چسباندن به سلول های استخوانی تمایل بالایی دارند. این پایه های مصنوعی می توانند فعالیت سلول ها را هدایت کنند و حتی می توانند رشد آنها را کنترل کنند. محققان امیدوارند سرانجام بتوانند روش هایی بیابند تا نه فقط استخوان، غضروف و پوست بلکه اندام های پیچیده تر را با استفاده از پایه های مصنوعی بازسازی کنند.  به نظر می رسد برخی از اهدافی که امروزه در حال تحقق هستند در آینده ای نزدیک توسط پزشکان به کار گرفته شوند. جایگزینی قلب، کلیه یا کبد با استفاده از پایه های مصنوعی شاید با فناوری که در فیلم سفر دریایی شگفت انگیز نشان داده شد، متناسب نباشد اما این تصور که چنین درمان هایی در آینده ای نه چندان دور به واقعیت بپیوندند بسیار هیجان انگیز است. حتی هیجان انگیزتر اینکه امید است محققان بتوانند با تقلید از فرآیندهای طبیعی زیست شناختی، واحدهایی در مقیاس نانو تولید کنند و از آنها در ساخت ساختارهای بزرگ تر بهره گیرند. چنین ساختارهایی در نهایت می توانند برای ترمیم بافت های آسیب دیده و درمان بسیاری از بیماری ها به کار روند.

کاربرد نانو ذرات در زیست شناسی

روش‌های رایج تشخیصی DNA، بر پایه PCR و استفاده از مولکول‌های فلوروفور معدنی به عنوان نشانگر استوار است. این روش‌ها بنا به دلایلی از جمله طیف‌های جذبی و نشری وسیع و تجزیه ناهمگون مولکول‌های فلوروفور معدنی، دقت تشخیص بالایی ندارند. همچنین نیازمند تجهیزات پرهزینه و پیچیده هستند. امروزه روش‌های رایج تشخیص پروتئین‌ها عمدتابر اساس استفاده از ELISA طراحی شده است. در این جا با وجود مشکلاتی مشابه حالت قبل علاوه بر نیاز به تجهیزات زیاد برای تکثیر پروتئین‌هایی که در مقادیر کم هستند، یافتن روشی که با روش‌های معمولی مثل ELISA امکان پذیر نیست، ضروری است. در طول دهه گذشته پیشرفت‌های زیادی در استفاده از روش‌های نانو جهت تشخیص مولکولی حاصل شده است و تلاش‌ها بیشتر در جهت طراحی بیوحسگرها (Biosensors) برای تشخیص دقیق، حساس، انتخابی و کاربردی مولکول‌های زیستی می‌باشد. امروزه در بیوحسگرها برای تشخیص اسیدهای نوکلئیک و پروتئین‌ها، به طور وسیعی از نانوذرات استفاده می‌شود. این ذرات به‌دلیل دارا بودن اندازه نانو و خصوصیات فیزیک وشیمیایی قابل تغییر و تنظیم (از جمله خواص الکتریکی، الکتروشیمیایی، نوری و مغناطیسی)، کاندیدای خوبی برای جایگزینی با دیگر مولکول‌های رنگی رایج به عنوان نشانگر در تشخیص مولکولی هستند. نانوذرات در نقش نشانگر،حساسیت، سرعت و انعطاف‌پذیری تست‌های بیولوژیکی را جهت اندازه‌گیری حضور یا فعالیت مواد افزایش می‌دهند. از طرفی، چون در استفاده از این ذرات حجم کوچکی از نمونه نیاز است، برخی از روش‌های طراحی شده بر پایه نانوذرات، نیاز اولیه نمونه به تکثیر ماده مورد اندازه‌گیری را از جمله PCR برطرف می‌کند. امتیاز دیگر نانوذرات داشتن کارآیی تشخیص میکروارگانیسم‌ها، بافت‌های سرطانی و غیره را هم در شرایط داخل بدن (in vivo) و هم در شرایط آزمایشگاهی (in vitro) دارا می‌باشند. در اینجا از میان انواع نانودراتی که تاکنون طراحی و مطالعه شده است، چهار نوع نانوذره مهم که به عنوان نشانگر در تشخیص مولکولی (DNA و پروتئین) کاربرد دارند، بررسی خواهد شد. اساس تقسیم‌بندی این ذرات بر اساس سازوکار بازخوانی (Readaut) آنهاست.

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 دستکاری های 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.

نانوذرات طلا

اندازه این ذرات سه تا صد نانومتر بوده و به دلیل اینکه روش‌‌های اندازه‌گیری متعددی همچون جذب نوری، فلورسانس، پخش رامان، نیروی مغناطیسی و جریان الکتریکی می‌توانند برای تشخیص آنها به کار روند، نشانگرهای خوبی در طراحی بیوحسگرها می‌باشند. از این ذرات در تشخیص DNA، پروتئین، میکروارگانیسم‌ها و غیره استفاده می‌شود. تشخیص DNA با استفاده از نانوذرات طلا نسبت به سیستم‌های تشخیص ژنومی رایج ده برابر حساسیت و صدهزار برابر ویژگی بیشتری دارد.

 روش‌هایی که در آنها بازخوانی، به روش نورسنجی (Optical) صورت می‌گیرد

از خصوصیات نوری و دمایی پروب‌‌های نانوذرات طلای جدا از هم و مجتمع،(aggregated)  به عنوان یک روش تشخیص استفاده می‌گردد. میان‌کنشِ ویژه موجود در بین اولیگونوکلئوتیدهای تثبیت شده (DNA Probe) روی نانوذرات طلا و DNA هدف (DNA target)  باعث تجمع (assembly) نانوذرات طلا به شکل شبکه‌ای متصل به هم و در نتیجه تغییر رنگ می‌شود. این تغییر رنگ به‌واسطه خصوصیات پخش، میان‌کنشِ بین پلاسمون‌های سطح ذره و تغییر فاصله بین نانوذرات طلا ایجاد می‌گردد. این تغییر رنگ نشان‌دهنده وجود مولکول هدف در نمونه بوده و به روش چشمی هم قابل مشاهده است. این شبکه متشکل از تجمع نانوذرات به‌وسیله هیبریدشدن پروب‌های نانوذرات طلا با مولکول هدف، در درجه حرارت‌های مختلف، باعث ایجاد تغییر رنگ ناگهانی (sharp)  می‌شود.

با انتقال مخلوطی از مجتمعات ایجاد شده بین DNA تثبیت شده، زنجیره مکمل آن و رشته‌هایی با درجات متفاوتی از تغییر توالی (نسبت به زنجیره مکمل) بر روی TLC در دماهای مختلف، می‌توان الگوی استانداردی برای ارزیابی میزان هیبرید شدن در دماهای مختلف به دست آورد. با استفاده از این خصوصیات رنگ و دما می‌توان به روشی برای تشخیص وجود جهش در DNA هدف موجود در نمونه مورد بررسی، پی ‌برد. به عبارت دیگر از این روش می‌توان برای تشخیص SNPs و دیگر mismatchs استفاده کرد.

حساسیت تشخیص روش‌های رنگ‌سنجی با احیای نقره (Ag) به وسیله نانوذرات طلا افزایش می‌یابد. روش روبش‌گری (Scannometry)، یک روش سنجش ساندویچی و شامل رشته DNA متصل به یک بستر یا DNA Chip یک توالی هدف و یک پروب نانوطلاست. اتصال مولکول‌های هدف و پروب نانوطلا به توالی متصل به بستر، یک‌سری لکه‌های خاکستری (gray spot) را ایجاد می‌کند که ویژه مولکول هدف بوده و غلظت نمونه را نیز نشان می‌دهد. شدت رنگ این لکه‌ها با یک روبش‌گر (scanner)  و یا حتی چشم غیر مسلح، قابل تشخیص است. در صورت استفاده از نقره، با احیای آن روی نانوذرات طلا، می‌توان حساسیت تشخیص را بالا برد. با استفاده از نانوذرات مختلف طلا (و در نتیجه رنگ‌های مختلف) تشخیص همزمان چندین مولکول هدف میسر می‌گردد. این روش تشخیص مولکولی چهار برابر ویژگی بالاتر و صد برابرحساسیت بیشتر از روش‌های فلوریمتری رایج دارد.

یک مثال برای این روش، بارکد زیستی (Bio-barcode) است. بارکد زیستی، یک توالی DNA ساختگی و انتخابی برای یک توالی DNA هدف است که از آن برای تشخیصDNA     یا پروتئین  در نمونه‌های بیولوژیک استفاده می‌شود.

الف) تشخیص DNA

در این روش ابتدا یک زنجیره DNA با توالی دلخواه (Bar- Code DNA) طراحی و رشته مکمل آن نیز ساخته و پس از فعال شدن، بر روی نانوذرات طلا نشانده می‌شود. همچنین رشته DNA دیگری که مکمل بخشی از DNA هدف (آنچه قرار است در نمونه شناسایی شود) است، پس از فعال شدن بر روی نانوذره طلا تثبیت می‌شود.  سپس اجازه هیبرید شدن رشته بار-کد با DNA مکمل داده می‌شود. از طرفی رشته سوم DNA که مکمل بخش دیگری از DNA هدف است، پس از فعال شدن بر روی ذرات مغناطیسی تثبیت می‌شود. با قرار گرفتن این دو ذره در محلول، اگر DNA هدف وجود داشته باشد، حتی در مقادیر بسیار اندک، موجب اتصال این دو ذره به یکدیگر می‌شود. در مرحله بعد با توجه به خاصیت مغناطیسی ذره دوم، می‌توان آنها را از محلول جدا کرد و بعد با استفاده از عواملی (مثل ترکیبات دناتوره‌کننده) که دو رشته DNA را جدا می‌کنند، DNA  بار-کد را از مکمل آن جدا و شناسایی کرد. حتی می‌توان از ترکیباتی مثل نقره که حساسیت تشخیص را بالا می‌برند نیز استفاده کرد. به این ترتیب مقادیر بسیار اندک از یک توالی DNA  بدون نیاز به PCR قابل شناسایی و حتی اندازه‌گیری است.

ب) تشخیص یا اندازه‌گیری پروتئین با استفاده از Bar- Code DNA

در این روش نیز همانند روش قبل، از یک توالی انتخابی و مکمل آن که بر روی نانوذرات طلا نشانده شده، استفاده می‌شود. همچنین آنتی بادی پلی کلونال علیه پروتئین مورد اندازه‌گیری بر روی این ذرات طلا تثبیت می‌شود. این آنتی‌بادی‌ها بر روی ذرات مغناطیسی نیز نشانده می‌شود. حال با وارد کردن این دو ذره در محلول حاوی پروتئین مورد نظر، پروتئین به آنتی‌بادی موجود در سطح هر دو ذره متصل شده و آنها را به یکدیگر متصل می‌کند. پس از شستشو و حذف سایر مواد، با توجه به خاصیت مغناطیسی ذره دوم، می‌توان آن را از محلول جدا و همانند روش قبلی، پس از جدا کردن رشته DNA بار-کد از مکمل آن با استفاده از مواد دناتوره‌کننده DNA بار- کد را، که نمادی از حضور پروتئین مورد نظر در نمونه است شناسایی و انداره‌گیری کرد. به این ترتیب مقادیر بسیار اندک پروتئین در نمونه قابل شناسایی است.

آخرین بحث مربوط به بازخوانی نوری نانوذرات طلا، ترکیب نانوذرات طلا با رنگ‌های رامان است که پخش رامان به وسیله نانوذرات طلا (SERS) را افزایش می‌دهد و به افزایش سیگنال برای مولکول‌های جذب شده در سطوح زبر فلز، به ویژه نقره و طلا مربوط می‌شود. این افزایش سیگنال از طریق دو ساز و کار تقویت موضعی میدان الکترومغناطیسی در الکترون آزاد فلز و اثر شیمیایی روی مولکول جذب شده در سطح فلز به‌وسیله نانوذرات طلا صورت می‌گیرد. محدوده تشخیص، در محدوده طیف رامان بوده و به‌صورت اثر انگشت‌های طیف رامان ظاهر می‌گردند. رنگ‌های رامان به‌دلیل باندهای جذبی باریک، تهییج از سوی لیزر و محدوده طیف رامان، قادر به افزایش سیگنال تشخیص در محدوده طیف‌های رامان می‌گردند. با این روش محدودیت لکه‌های خاکستری حاصل از روش روبشی(Scanometric) بر طرف شده، استفاده همزمان از چندین رنگ رامان در تشخیص چند مولکول امکان‌پذیر می‌گردد. نانوذرات طلا همچنین به عنوان داربست (Scafold) و فرونشاننده‌های quenchers نشر فلورسانس در تشخیص همگن اسیدهای نوکلئیک عمل می‌کنند  قطعات الیگونوکلئوتید به یک ترکیب دارای نشر فلورسانس (فلوروفور) متصل می‌شوند. سپس این رشته‌ها به نانوذرات طلا متصل می‌گردند، به طوری که به‌صورت تک‌زنجیره به ذره طلا نزدیک شده و نشر نداشته‌باشند. پس از اینکه این ذره در محلول حاوی DNA هدف قرار گرفت، در صورت تشکیل هیبرید، دو ماده فلوروفور از یکدیگر فاصله گرفته، نشر فلورسانس قابل مشاهده و آنالیز می‌شود.

 تشخیص الکتریکی مولکول‌های زیستی با استفاده از نانوذرات طلا

 یکی از روش‌های ساده شناسایی DNA هدف، تشخیص الکتریکی است. در این روش پروب‌های DNA روی صفحاتی با اندازه میکرون (chip) در بین دو الکترود، تثبیت می‌گردد. این پروب‌ها طوری طراحی می‌شود که مکمل نیمی از DNA هدف باشد. همچنین طراحی پروب‌های نانوطلا به گونه‌ای است که الیگونوکلئوتید آن مکمل نیمی دیگر از DNA هدف باشد. هیبرید شدن DNA هدف با پروب‌های نانوطلا و پروب تثبیت‌شده بر روی سطح، باعث می‌شود که نانوذرات طلا در حدفاصل بین دو الکترود قرار گیرند. با افزودن نقره، کمپلکس تشکیل شده بین دو الکترود، فلز نقره را به داخل کشیده و پلی بین دو الکترود ایجاد می‌شود. از تغییر جریان حاصل می‌توان برای تشخیص حضور DNA هدف، استفاده کرد. دقت این روش در حد 500 فمتو است و از آن در سنجش‌های ایمنی نیز استفاده می‌گردد.

 تشخیص مولکول‌های زیستی با استفاده از خواص الکتروشیمیایی نانوذرات طلا

خاصیت احیاکنندگی نانوذرات طلا باعث شده است که از آنها به عنوان نشان‌های الکتروشیمیایی در تشخیص اسید نوکلئیک استفاده گردد. هیبرید شدن DNA هدف روی الکترود تثبیت شده با پروب‌های نانوطلا یک موج اکسایش طلا در حدود 27/1 ولت ایجاد می‌کند. تشخیص حضور یک جهش منفرد یا پلی‌مورفیسم تک بازی (SNP)، همچنین شناسایی بازهای درگیر، با استفاده از نوکلئوتیدهای نشاندار با نانوذرات طلا امکان‌پذیر می‌گردد. در این روش ابتدا الیگونوکلئوتید مکمل با DNA هدف بر سطح الکترود تثبیت می‌شود. آن‌گاه محلول بیولوژیک حاوی DNA هدف به آن اضافه و هیبرید تشکیل می‌شود. اگر نمونه حاوی DNA دارای حتی یک جهش نیز باشد، چون تشکیل پیوند هیدروژنی در آن ناحیه صورت نمی‌گیرد، در ناحیه جهش، باز (ها) آزاد است. حال، نانوذرات طلای متصل به تک تک نوکلئوتیدها، مرحله به مرحله به این نمونه، افزوده می‌شود. در صورت اتصال نوکلئوتید متصل به نانوذره طلا به باز مکمل (که نشانگر وجود جهش در DNA هدف است)، موج اکسایش طلا به طریق الکتروشیمیایی قابل مشاهده و اندازه‌گیری است.

برهنه‌سازی الکتروشیمیایی (Stripping voltametry)

یک پروتکل اندازه‌گیری الکتروشیمیایی حساس است که در اندازه گیری آثار عناصر فلزی در مایعات زیستی (خون، ادرار، بزاق)، بافت‌ها (دندان و مو) فراورده‌های غذایی (نوشابه‌ها وآب) و نمونه‌های زیستی (آب دریا و رودها) کاربرد دارد. آنالیزهای بر پایه برهنه‌سازی الکتروشیمیایی از دو مرحله پیش‌تغلیظ، سپس برهنه‌سازی تشکیل شده است. در مرحله پیش‌تغلیظ، نمونه محلول در حجم کوچکی از الکترود قرار می گیرد که در حقیقت برای بررسی محلول‌هایtracer  به کار می‌رود. در محلول پیش‌تغلیظ Electrodeposition  انجام می‌شود که آنالیت با انجام واکنش از محلول به داخل الکترود تغلیظ می‌شود و پس از این مرحله، مرحله برهنه‌سازی با استفاده از روش ولتامتری انجام می‌شود که طی آن آنالیت تغلیظ شده با انجام واکنش عکس مجدداً حل و اندازه‌گیری می‌شود. به‌دلیل تغلیظ نمونه با فاکتور صد تا هزار برابر در الکترود، جریان اندازه‌گیری شده کمتر تحت تأثیر جریان خازنی یا جریان باقی‌مانده ناخالصی قرار می‌گیرد. تقویت سیگنال، با استفاده از سوارکردن چندین نانوذره طلا، سپس نانوذرات نقره بر روی یک بستر پلیمری به دست می‌آید. نانوذرات بعداً می‌توانند به طور آنزیمی حل و به‌وسیله برهنه‌سازی الکتروشیمیایی اندازه‌گیری شوند. از این روش در تشخیص پروتئین و DNA استفاده می‌گردد.

نقاط یا ذرات کوانتومی

نانوکریستال‌های مواد نیمه‌رسانا از قبیل سلنید و کادمیم، نانوابزار دیگری برای تشخیص آزمایشگاهی محسوب می‌شود. این کریستال‌های نیمه‌رسانا به عنوان منابع نور مولکولی عمل می‌کنند و خصوصیات آنها به اندازه و شکل شان وابسته است. به محض اتصال یک آنتی‌بادی یا دیگر مواد تثبیت‌شده روی ذرات کوانتومی به مولکول هدف مورد نظر، نقاط کوانتومی شبیه beacon در اثر عمل اتصال، نور ساطع می‌کنند. امروزه ذرات کوانتومی به دلایلی از قبیل نشر وابسته به اندازه ذره، درخشان‌تر بودن، تجزیه نشدن در برابر نور، تهییج همزمان چندین رنگ، تهییج ساده و حساسیت بالا مورد توجه قرار گرفته‌اند.

فیلتراسیون مونواکسید به کمک فناوری نانو

هوا و آلاینده ها

هوا ضروری‌ترین ماده برای ادامه حیات موجود زنده است. درصد گازهای موجود در هوا شامل 78 درصد ازت، 19 درصد‌اکسیژن و به ترتیب 2، 1 و 3/0 درصد بخار آب، آرگون و دی‌اکسید کربن و همچنین حدود 18 پی‌پی‌ام، گاز نئون، 5 پی‌پی‌ام هلیوم، 1/5 پی‌پی‌ام متان و مجموعا 5/0 پی‌پی‌ام دی‌اکسید ازت، هیدورژن و گزنون است. به طور کلی از آلوده‌کننده‌های مهم هوا می توان "مونواکسید کربن"،" اکسیدهای گوگرد"، "اکسیدهای ازت"، "اکسیدکننده‌های فتوشیمیایی"، "هیدروکربورها"، ذرات معلق در هوا و مواد رادیو اکتیو را نام برد.

بررسی خواص گاز مونواکسید کربن

با آغاز فصل سرما مردم تلاش می‌کنند، کمتر در معرض سرما قرار بگیرند و برای گرم کردن محل سکونت و کار خود از وسایل گرم کننده‌، شامل بخاری گازی با دودکش و بدون دودکش، شومینه‌های گازی یا هیزمی، چراغ‌های خوراک پزی و غیره استفاده می‌کنند که بر اثر سوختن ناقص مواد و گازها در این وسایل، گاز "مونوکسید کربن" (CO) تولید می‌شود که این گاز بسیار خطرناک و سمی است. از چند سال گذشته به دلیل کمبود جا در خانه‌ها؛‌ برخی از کارخانه‌ها اقدام به تولید بخاری‌های بدون دودکش کرده‌اند که جای کمتری اشغال می‌کند. بر خلاف تصورات رایج بیشتر مردم خطرات ناشی از آلاینده ها در مکانهای بسته بیشتر از محیط های باز می باشد اما از آنجا که خلاف این امر صورت می گیرد و در زمستان کلیه منافذ خانه بسته است، با تولید گاز منو اکسید کربن مسمومیت و به دنبال آن مرگ به همراه می آید.

ناقص سوزی و تولید CO

اصطلاحاً زمانی که شعله آتش زرد رنگ باشد، گفته می شود که این نوع سوخت مونواکسید کربن زیادی تولید می کند که برای محیط زیست بسیار خطرناک است و هر چه محیط محدود تر باشد قطعاً خطر آن هم بیشتر می شود. ناقص سوختن یک اصطلاح علمی است که بیشتر در شیمی به کار می رود. ابن عبارت زمانی استفاده می شود که اکسیژن کافی برای سوخت کامل یک ماده وجود نداشته باشد.

منابع و صنایع مونواکسید کربن

آلودگی هوا یکی از پنج عامل اصلی تهدید کننده سلامت بشر هستند که در چند دههء اخیر می توان با تراکم و نزدیکی بیش از حد ساختمانها، عدم تهویهء مناسب هوا به منظور جلوگیری از اصراف انرژی، استفاده از مواد مصنوعی و شیمیائی در ساختمان، مبلمان و وسایل شخصی همینطور استفاده از حشره کش ها، مواد شوینده، تمیز کننده و ضد عفونی کننده دانست. مونو اکسید کربن یک گاز بی رنگ و بو می باشد که در اثر سوخت ناکامل انرژی فسیلی و سوختن ترکیبات آلی هیدروکربنها تولید و منتشر می شود. این گاز در هوای داخل در اثر دود سیگار، بسته بودن محیط و نزدیک بودن به گاراژ یا خیابان متراکم می شود. از صنایع تولید گاز مونواکسید کربن می توان به اگزوز اتومبیل ها، دودکش کارخانه جات، دود حاصل از سوختن ذغال، آتش سوزی ها، گازهای خانگی و فرآورده های نفتی اشره کرد. به طور کلی دود اتومبیل حاوی 7 درصد، بخاری نفتی 5 درصد و گاز مایع 4 درصد مونواکسید کربن هستند. منبع اصلی تولید مونواکسید در شهرها، وسایط نقلیه موتوری است. البته فعالیت‌های صنعتی و احتراق ناقص سوخت در تأسیسات تجاری و دستگاه‌های حرارتی و سوختن زباله نیز به میزان کمتر در تولید این گاز سهیم هستند.

تاثیرات نامطلوب مونواکسید کربن

مونو اکسید کربن از طریق ریه وارد خون شده، با هموگلوبین ترکیب می شود و اجازه نمی دهد که اکسیژن کافی به سلولها برسد. از علائم مونو اکسید کربن می توان آنفلوانزا، خستگی، سردرد، گیجی، حالت تهوع، ناراحتی روحی و تپش بالای قلب را نام برد. مسومیت بالای مو نو اکسید کربن می تواند به مرگ فوری منتهی شود. مسمومیت آن با میزان پائین برای خانمهای حامله می تواند عوارض جبران ناپذیری برای خانمهای حامله به جای گذارد که به دلیل دارا بودن همین خصایص، لقب قاتل پنهان گرفته است. این آلاینده تأثیر فراوانی بر سلامتی موجودات زنده بر جای می‌گذارد. لازم به ذکر است، میل ترکیبی هموگلوبین خون که عامل انتقال اکسیژن به بافت‌های بدن است، با مونواکسید کربن دویست مرتبه بیشتر از میل ترکیبی آن با اکسیژن است. در نتیجه وجود مقدار کمی از این گاز و ترکیب آن با هموگلوبین خون موجب تشکیل کربوکسی هموگلوبین می‌شود که یک ترکیب‌ پایدار است. این ترکیب از مقدار هموگلوبینی که اکسیژن را به بافت‌های بدن می‌رساند، می‌کاهد و از جدا شدن اکسیژن و هموگلوبین از یکدیگر جلوگیری می‌کند. همچنین مونواکسید کربن در خون، فشار نسبی گاز اکسیژن را کاهش داده و نیروی محرکه انتشار در بافت‌های بدن را کم می‌کند. مجموعه این تغییرات، ایجاد مسمومیت‌ها و حساسیت‌های زیادی از جمله تضعیف مرکز اعصاب، حساسیت به نور و کاهش قدرت بینایی، کاهش قوه باصره و کنترل حرکات اختیاری را فراهم می‌آورد.

آمار و نتایج مطالعات مضرراتCO

 طبق آمار سازمان بهداشت جهانی، وجود گازهای آلاینده در هوای دم، منجر به افزایش مرگ و میر به میزان بیش از 500 هزار نفر در هر سال، در سراسر جهان می شود که در این راستا گزارشی در خصوص بسیاری از اختلالات فیزیولوژیک، بیوشیمیایی و جهش مولکولی ناشی از تماس با این مواد وجود ندارد.

براساس آمارهای وزارت بهداشت میزان مرگ و میر سالانه شهروندان تهرانی براثر آلودگی هوا بیش از 7 هزار نفر است که از این تعداد 4 هزار نفر بر اثر بیماریهای ناشی از ذرات معلق در هوا و 3 هزار و 300 نفر براثر سرطان های ناشی از آلودگی هوا جان خود را از دست می دهند. آمارها نشان می دهد که هر ساله براثر آلودگی هوا از هر 100 هزار نفر 62 نفر به بیماری های قلبی و تنفسی و 52 نفر نیز به سرطان مبتلا می شوند که به هیچ وجه مطلوب نیست. لذا بایستی اصول ایمنی را جهت جلوگیری از حوادث رعایت کنیم. به گزارش سازمان جهانی بهداشت (WHO) سیگارنه تنها برای سیگاری‌ها بلکه برای افرادی هم که سیگاری نیستند، اما در معرض دود سیگار دیگران قرار می‌گیرند بسیار خطرناک است. براساس آمار این سازمان، سالانه نزدیک به 200هزار نفر بر اثر عواقب دود سیگار در محل کار جان می‌بازند. مونو اکسید کربن، گاز خطرناکی است که مانع انتقال اکسیژن به خون می‌شود. این گاز ازسوخت خودروهای بنزینی یا هنگام مصرف دخانیات تولید می‌شود. در اروپا قانونی به اجرا گذاشته شده که میزان مونواکسید کربن تولید شده توسط خودروها را محدود می‌کند. در مقایسه با این قانون، یک فرد سیگاری که در روز 5 نخ سیگار می‌کشد، به نسبت، مونواکسید کربن بیشتری از یک خودرو تولید می‌کند.

استفاده از نانومیله‌های طلا برای مبازره با تومورها

 دانشمندان آمریکایی از نانو فناوری و لیزر برای درمان موفقیت آمیز تومورهای بدخیم استفاده کرده‌اند.

به گزارش خبرگزاری یونایتدپرس از وست لافایت در ایالت ایندیانا، محققان "دانشگاه پوردو" نشان داده‌اند که چگونه برای انفجار سوراخ‌ها در غشای سلول‌های تومور می‌توان نانومیله‌های ظریف طلا را با یک تابش لیزر هدف قرار داد.
برای این کار محققان فولیت folateکه مورد علاقه زیاد بسیاری از سلول‌های تومور است  را به نانومیله‌های طلا چسباندند و نانومیله‌ها را قادر ساختند تا گیرنده‌های تومور را هدف قرار دهند و به غشای سلول بچسبند.

"جی زینگ چنگ" استاد یار گفت، سپس نوری در برد نزدیک مادون قرمز به این سلول‌ها تابانده شد.

وی افزود، این نور می‌تواند به راحتی از بافت بگذرد اما نانومیله‌ها آنرا جذب و به سرعت آنرا به گرما تبدیل کردند که به انفجارهای مینیاتوری (کوچک) در سطح سلول منجر شد.

دانشمندان می‌دانند که از نانوساختارها می‌توان برای هدف‌گیری و از بین بردن سلول‌های تومور استفاده کرد اما در کل فرض شده است که مرگ سلولی به دلیل تولید گرما توسط نانوذرات جذب‌کننده نور است.

به هر حال گروه تحقیقاتی دانشگاه پوردو کشف کردند که یک سناریو زیست شیمیایی پیچیده‌تر مسئول کشته شدن این سلول‌ها

است.

خطرات وتهدیدات نانوذرات

وقتی برای گشت و گذار به دل کوه ها و کوهپایه ها پناه می برید و از شیب تند جاده به سمت پایین حرکت می کنید، بوی نامطبوعی که از لنت ترمز خودروی شما خارج می شود، شما را هشیار می کند.

وقتی برای گشت و گذار به دل کوه ها و کوهپایه ها پناه می برید و از شیب تند جاده به سمت پایین حرکت می کنید، بوی نامطبوعی که از لنت ترمز خودروی شما خارج می شود، شما را هشیار می کند.  از فرزندتان می خواهید آن را تنفس نکند چون شنیده اید بسیار سمی است. اما فکر کرده اید چرا؟ فناوری های نوین همیشه مثل سکه دو رو دارند، طرفی از آنها که در جهت رفاه و بهره مندی انسان است و وجهی دیگر که به طور مستقیم با سلامت جسمی در تضاد است.  چند سالی می شود که نانوتکنولوژی به عنوان یک کلید در حل بسیاری از مشکلات صنایع در قرن اخیر گره گشا بوده است و در بسیاری موارد به بشر خدمت می کند؛ اما نباید از روی دیگر این سکه غافل بود.

ذرات نانو در مواردی می توانند همچون غبار همان آزبست لنت ترمز عمل کنند و مثل یک ذره کاملا غیرطبیعی که بدون هدف در فضا رها شده است، از جنبه های مختلف، سلامت انسان را تهدید کنند. البته همچنان که علم نانو یک علم نو و جدید است، عوارض جانبی آن هم چندان مشخص نیست، اما دانشمندان تا حدی توانسته اند روابطی بین بعضی بیماری های تنفسی با ذرات نانو را به اثبات برسانند.

نانو و تهدید محیط زیست

در حین فرآیندهای احتراق، برای تولید انرژی یا در اتومبیل ها، فرآیندهای خوردگی مکانیکی یا فرآیندهای صنعتی معمول، نانوذراتی به صورت ناخواسته تولید می شوند که تا حد زیادی محیط زیست و زندگی انسان را تحت تاثیر قرار می دهند.
به نظر می رسد با گسترش استفاده از این فناوری ها، اثرات افزایش بیش از حد تولید و استفاده از نانو مواد بر سلامت کارکنان و مصرف کننده ها، سلامت عمومی و محیط زیست، بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.

از آنجا که فرآیند رشد و واکنش های شیمیایی کاتالیستی که در سطح اتفاق می افتند، یک مقدار مشخصی از ماده در مقیاس نانومتری، بسیار فعال تر از همان مقدار ماده با ابعاد بزرگتر است، این ویژگی ها ممکن است روی سلامت و محیط زیست اثرات منفی داشته و منجر به افزایش سمیت نانوذرات شوند.

ورود از راه تنفس

خطرات احتمالی نانوذراتی که در هوا پخش شده اند، یعنی آئروسل ها اهمیت بالایی دارند. این مساله به دلیل تحرک بالای آن و امکان جذب از طریق ریه که راحت ترین مسیر ورود به بدن است، اهمیت پیدا می کند. اندازه ذرات نانو که به نسبت سایر موادی که به ریه وارد می شوند کوچک تر است، این امکان را فراهم می کند که نشت این ذرات تا میزان بالایی روی دستگاه تنفسی، راحت تر صورت گیرد. دستگاه تنفسی سه قسمت شامل مسیرهای هوایی بالایی، ناحیه نایژه ها و ماکروفاژها دارد که امکان آلودگی آنها با مواد نانو را بررسی می کنیم.

وقتی ریه ها ملتهب می شوند

مسیرهای هوایی بالایی و نایژه ها به وسیله لایه موکوس حفاظت می شوند. ذرات بزرگتر از طریق نشستن روی دیواره مسیر هوایی، از هوای ورودی به ریه ها جدا می شوند. حرکات مژه ای این قسمت، خلط را به سمت گلو بالا برده و از آنجا یا در اثر سرفه خارج و یا با عمل بلع، بلعیده می شوند. ذرات کوچکتر (کوچکتر از 2. 5 میکرومتر) و نانوذرات، ممکن است وارد کیسه های هوایی شوند که ناحیه مبادله گاز در ریه هستند و کوچک ترین اجزای ریه محسوب می شوند که در ارتباط با مویرگ ها قرار دارند.
به منظور دفع دی اکسیدکربن از مویرگ ها به کیسه های هوایی و جذب اکسیژن، تمام غشاها و سلول ها در این قسمت ها نازک و آسیب پذیر هستند و هیچ گونه لایه حفاظتی ندارند. تنها مکانیسم حفاظتی در این قسمت، ماکروفاژها هستند. این ماکروفاژها سلول های بزرگی هستند که اشیائ خارجی را بلعیده و از طریق جابه جا کردن آنها مثلا به سوی گره های لنفاوی آنها را از کیسه های هوایی خارج می کنند. نانو ذرات تا حد زیادی از این سیستم حفاظتی رها شده و می توانند وارد بافت های تنفسی شوند.
ذرات و الیاف باقی مانده می توانند با بافت های مخاطی ریوی بر هم کنش کرده و بافت های ریوی را دچار التهاب های شدید، زخم و حتی مرگ کنند. این وضعیت ریه ها در چند بیماری دیگر هم دیده می شود، از جمله در بیماری باکتریایی ذات الریه یا بیماری های صنعتی مهلکی همچون سیلیکوسیس یا آزبستوسیس مشاهده می شوند.

چه افرادی بیمار می شوند؟

از قدیم، این دو بیماری بر اثر تنفس ذراتی مثل نانوذرات ایجاد می شده است که اثرات بسیار مهلکی بر سلامت دستگاه تنفسی دارند. سیلیکوسیس وقتی ایجاد می شود که گرد و غبار حاوی سیلیس برای مدت طولانی به درون ریه تنفس شود. سیلیس بلوری برای سطح بیرونی ریه سمی است. وقتی سیلیس بلوری در تماس با ریه قرار می گیرد، اثرات التهابی شدید به وجود می آیند، در تمام مدت این التهاب باعث می شود که بافت ریه به نحو برگشت ناپذیری آسیب دیده و ضخیم شود که این پدیده با عنوان فیبروسیس معروف است. سیلیس بلوری، معمولا در ماسه سنگ گرانیت، سنگ لوح، زغال سنگ و ماسه سیلیسی خالص وجود دارد. به همین دلیل افرادی مثل کارگرانی که با ماسه کار می کنند و کارگران کارخانه های ذوب فلزات، سفالگران و. . . در معرض این خطر قرار دارند. سیلیس بلوری از سوی سازمان بهداشت جهانی به عنوان یک ماده سرطان زا معرفی شده است.
الیاف پنبه نسوز هم، طولی حدود چند میکرومتر دارند، که هرچند جز نانو مواد نیستند، جزو موادی که آلوده کننده دستگاه تنفسی و بیماری زا هستند، طبقه بندی می شوند. پنبه نسوز یک فیبر معدنی طبیعی است که در بیش از 3 هزار ماده ساختمانی و محصول تولیدی به کار می رود. این نوع الیاف تمایل دارند به الیاف بسیار ریزتر خرد شوند. به دلیل کوچک بودن، این الیاف ممکن است بعد از پخش شدن در هوا برای مدت چند ساعت یا چند روز معلق باقی بمانند، الیاف پنبه نسوز در طبیعت پایدارند و هرگز تجزیه نمی شوند و حتی در مقابل مواد شیمیایی هم پایدارند و تبخیر نمی شوند. در آب هم غیرقابل حل هستند. این مواد باعث ایجاد سرطان ریه و مزوتلیوما که نوعی تومور خطرناک غشایی است و ریه را می پوشاند می شوند. آلودگی ذره ای هوا در مشاغل دیگری همچون تولید و فرآوری کربن سیاه و الیاف مصنوعی هم موجب ایجاد نگرانی در این زمینه می شود.

ذراتی که در شهرها معلق اند. با وجود این که میزان خالص آلودگی ذره ای هوای شهری، با کم شدن نشر ذرات از صنایع و مراکز تولید انرژی کاهش یافته است، غلظت ذرات فوق ریز ناشی از ترافیک، افزایش پیدا کرده است. اگر دقت کرده باشید وقتی از شیبی با اتومبیل تان به سمت پایین حرکت می کنید، لنت های ترمز اتومبیل شما و سایرین، بویی در هوا متصاعد می کند، که اغلب مردم از سمی بودن آن مطلع هستند، اما به طور معمول در ترافیک های سنگین شهری هم مقادیر بالایی از این مواد وارد هوا می شود که معمولا همه ما نسبت به آن بی توجهیم. با توسعه روش های اندازه گیری، آثار روشن تری از ذرات با اندازه کوچک تر مشاهده شده است. با این حال بسیاری از مطالعات کماکان ادامه دارند و خیلی کم به نتیجه رسیده اند. دانشمندان بر این عقیده اند که اثرات زیان آور آلودگی ذره ای هوا، به طور عمده به غلظت ذرات کوچک تر از 100 نانومتر ارتباط دارد و به غلظت جرمی ذرات بزرگتر چندان بستگی ندارد. به همین دلیل به نظر می رسد ترکیب اطلاعات به دست آمده از اپیدمی شناسی در محیطهای مختلف با داده های حاصل از مطالعات سم شناسی انجام گرفته بر روی حیوانات چندان هم دور از واقعیت نیست.

کابردهای دیگر فناوری نانو

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.

پزشکی و بدن انسان

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.

دوام پذیری منابع کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک

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، شرکت های مواد شیمیایی مواد پلیمری تقویت شده با نانو ذرات را ساخته اند که می تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیل ها شود. استفاده گسترده از این نانوکامپوزیت ها می تواند سالیانه 5/1 میلیارد لیتر صرفه جویی مصرف بنزین به همراه داشته باشد.

هوا و فضا:

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.

نانو و زیست شناسی

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.

 (نانو تکنولوژی)+ بیوتکنولوژی = نانو بیوتکنو لوژی

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.

میکروسکوپ های الکترونیکی:

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 انرژی 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.

و کلام آخر

کار در زمینه نانو از سال 1993 که اولین ازمایشگاه تخصصی نانو در دانشگاه رایس راه اندازی گردید اغاز شد. از آن پس، تحقیقات گسترده ای در رابطه با طراحی و ساخت مواد نانو ساختاری برای کاربردهای مختلف در زمینه های جداسازی، داروئی، شیمیائی، بیو تکنولوژی، محیط زیست و انرژی انجام گردید. همان گونه که رالف مرکل اظهار نموده است، اکسر این تحقیقات بر روی کاربردهای ساده و نسبتاً ابتدائی نانو تکنولوژی متمرکز گردیده اند:

 "اگر چه نانو تکنولوژی توانائی ساخت مشابه مواد را دارا می باشد، لیکن این امر به مفهوم تهیه رونوشت از موجودات زنده نمی باشد زیرا این گونه موجودات به طرز شگفت انگیزی با محیط خود تطابق یافته و توانائی ادامه حیات در محیط های پر فراز و نشیب طبیعی را دارا میباشد.

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.