کاربردهای صنعتی نانوبیوتکنولوژی

امروزه با استفاده از زمینه‌های علمی بین‌رشته‌ای، انقلاب صنعتی دیگری در جریان است. این تحول در بهره‌برداری یکپارچه از قوانین فیزیک، خواص شیمیایی و مشخصات بیولوژیکی نهفته است. در مطلب زیر، به معرفی برخی کاربردهای صنعتی نانوبیوتکنولوژی می‌پردازیم:

 

1- ساخت حسگرهای شیمیایی بر اساس نانوبیوسیستم‌ها

 

وسعة فناوری حسگرهای شیمیایی یکی از تحقیقات جدی در زمینة نانوبیوسیستم‌ها است. حسگرهای شیمیایی با الهام از حساس‌ترین حسگرهای شیمیایی در بدن جانداران، یعنی بینی و سایر اعضای حسی طراحی شده‌اند. طرز کار این حسگرها به این شکل است که ملکول مورد نظر (که باید وجود آن حس شود) به یک دریافت‌کنندة زیستی در عضو می‌چسبد و باعث باز و بسته‌شدن یک کانال یونی که در پوستة سلول عایق قرار دارد، می‌شود.

بیشترین کاربرد حسگرها، در تولید حسگرهای بخار یا گاز و به‌طور اخص ساخت بینی الکترونیکی بوده‌است. این عمل با استفاده از آرایه‌هایی از حسگرهای غیرتخصصی ( non-Specific ) و به‌کارگیری نرم‌افزار تشخیص الگو انجام می‌شود. به کمک این نرم‌افزار، معین‌کردن بوها، گازها و بخارهای مختلف، دقیقاً مانند آنچه که در بینی حیوانات اتفاق می‌افتد، صورت می‌پذیرد.

توسعة حسگرهایی که بتوانند اجزای مخلوط گازها یا مایعات را در محیط صنعتی تشخیص دهند، از دیگر کاربردهای این حسگرها است. حسگرهای چند‌منظوره‌ای که از پلیمرها، آنزیم‌ها یا سایر ترکیبات استفاده می‌کنند، مثال‌هایی از این مورد هستند.

2- پیل‌های سوختی زیستی  

پیل‌های سوختی زیستی نوع جدیدی از پیل‌های سوختی هستند که توانایی تبدیل مستقیم انرژی بیوشیمیایی را به انرژی الکتریکی دارند. نیروی محرک در این پیل‌ها، واکنش‌های اکسیداسیون و احیای یک مادة اولیه از نوع کربوهیدرات مانند گلوکز مخلوط با اتانول است که همراه با استفاده از میکروارگانیزم یا آنزیم به‌عنوان کاتالیزور زیستی ایجاد می‌شود.

اصول کار این پیل‌ها مانند پیل‌های سوختی شیمیایی است. اختلاف اصلی بین آنها، در نوع کاتالیزور و شرایط کار است. کاتالیزور به‌کار رفته در پیل‌های سوختی زیستی، یک میکروارگانیزم و یا یک آنزیم است که جایگزین فلز در پیل‌های سوختی شیمیایی می‌شود. به‌طور کلی دو نوع پیل سوختی زیستی وجود دارد:

1- مستقیم:

در نوع مستقیم، پیل شامل الکترودهایی است که در تماس مستقیم با عوامل بیوشیمیایی هستند و در واکنش‌های اکسیداسیون و احیا مشارکت می‌کنند. توان واقعی خروجی از این پیل‌ها بین یک‌دهم تا یک‌صدم پیل‌های غیرمستقیم است. کار این نوع پیل‌ها به فرآیندهایی شامل واکنش‌های بین بیوکاتالیست و الکترود، محدود است.

2- غیرمستقیم:

در این نوع پیل‌ها، از میکروب‌ها و یا آنزیم‌ها برای تبدیل سوخت بیولوژیکی به ترکیبات با وزن مولکولی بالا و یا وزن‌ مولکولی پایین (گاز یا مایع) استفاده می‌شود. این مواد بیولوژیکی، در یک فرآیند معمول الکتروشیمیایی شرکت می‌کنند. محصولات به‌دست آمده از یک راکتور میکروبیولوژیکی ممکن است هیدروژن، آمونیاک و یا اکسیژن باشد.

خصوصیات مطلوب این پیل‌ها که استفاده از ضایعاتی مانند دی‌اکسید‌کربن و فاضلاب انسانی را ممکن می‌سازند، به استفاده از این پیل‌ها در برنامه‌های فضایی، تولید الکتریسیته و تولید اکسیژن و غذا از طریق حذف مواد زاید منتهی می‌شود.

همچنین، احتیاجات خاص نظامی ممکن است ازطریق این پیل‌ها تأمین‌گردد. به‌عنوان مثال، ساخت " پیل بدون صدای قابل شارژ " که در دمای محیط کار می‌کند، از این طریق امکان دارد. این پیل در موتور‌های دیزل و یا در مخلوط سوخت ضد‌یخ متانول- آب، قابل استفاده است. در آینده، پیل‌های سوختی زیستی جدید با اندازة کوچک و سبک، حاوی آنزیم‌های تثبیت‌شده به‌عنوان کاتالیست و متانول به‌عنوان مادة اولیه، در دسترس خواهند بود.

3- استفاده از نانوتکنولوژی برای تصفیة آب (نانوفیلتراسیون)

نانوفیلتراسیون یکی از کاربردهای مهم نانوتکنولوژی است. فناوری نانوفیلتراسیون امکان جداسازی ذرات را از آب در مقیاس نانو فراهم می‌کند. به‌ این ‌ترتیب، امکان تولید آب تصفیه‌شده در مقیاس انبوه فراهم می‌شود. با استفاده از نانوفیلترها، مواد معدنی لازم برای سلامتی انسان، در آب باقی می‌ماند و مواد سمی و مضر از آن حذف می‌شود.

با توجه به این که پنجاه درصد آب‌های زیرزمینی و هفتادوهشت درصد آب رودخانه‌ها در مناطق شهری، غیرقابل شرب است، کاربرد این فناوری برای تصفیة آب، طرفداران زیادی دارد. تحقیقات در چین نشان داده است که با مصرف آب حاصل از نانوفیلترها در مدت طولانی، شیوع بیماری‌های " قلبی و عروقی " و " سرطان " به‌ترتیب به‌میزان چهل و بیست درصد کاهش یافته‌است.

4- نانوبیوراکتورها

ماسیل‌های معکوس را می‌توان به‌عنوان نانوبیوراکتورها، هم برای تولید کریستا‌ل‌های نانویی باکیفیت و هم برای اصلاح ملکول‌های پروتئین منفرد به‌کار‌ برد. در مورد آخر، نانوراکتورها به برطرف‌کردن مشکلات اساسی و بنیادین پروتئین‌ها، یعنی حضور آنها در سیستم‌های آبی، کمک می‌کنند. به‌عنوان مثال، می‌توان به ‌کمک ماسیل‌های معکوس، RNase A تغییرساختار ‌یافته را جمع‌آوری کرد.

5- تصفیة پساب‌های صنعتی

با استفاده از نانوتکنولوژی، می‌توان مواد سمی پساب‌های آلوده را کاهش داد. یک تیم از دانشمندان و صنعتگران کشورهای آلمان، ایرلند و انگلستان، فرآیندی را توسعه داده‌اند که فلزات سنگین پساب‌های صنعتی را با استفاده از نانوذرات جدا می‌نماید. دراین فرآیند، از یک محیط مغناطیسی ساده نیز کمک گرفته می‌شود. 

 

محققان مؤسسه مواد جدید ( INM )، به‌منظور تولید ذرات کامپوزیت فوق‌مغناطیسی ( SPMC )، نانوذرات اکسید آهن را در یک محیط شیشه‌ای قرار دادند. با استفاده از خاصیت مغناطیسی این ذرات میکرونی و نانومتری، به‌راحتی می‌توان فلزات سنگین را جذب نمود. این ذرات که دارای خاصیت فوق‌مغناطیسی هستند، به درون آب فرستاده می‌شوند و فلزات سنگینی را که در آنجا وجود دارند، جذب می‌کنند. سپس این آب از میان یک میدان مغناطیسی عبور داده می‌شود و ذرات فوق‌مغناطیس حاوی فلزات سنگین، از جریان خارج می‌شوند. یکی از مزایای این روش آن است که بر خلاف روش‌های قبلی، مانند فرآیندهای ته‌نشینی یا شیمیایی، در پایان عمل تصفیه، می‌توان به خلوص بالایی رسید. این موضوع به‌خصوص زمانی مهم است که فلزات موردنظر خیلی سمی باشند، مانند جیوه یا سرب.  

البته این‌گونه روش‌های جداسازی، خیلی سخت و پرهزینه هستند. هر چند این روش‌ها در آزمایشگاه به نتیجه رسیده است، اما برای صنعتی کردن آنها، سه سال زمان نیاز است. مشکل این روش در درست ‌مخلوط‌نمودن ذرات کامپوزیت، به‌منظور جداسازی یک فلز خاص است. در حال حاضر، این روش برای تمام صنایع مفید نیست؛ اما می‌تواند راه حل بسیار خوبی برای حدود نیمی از صنایعی باشد که فلزات سنگین تولید می‌کنند. شرکت‌های آلمانی، سالانه حدود 15هزار تن از این نوع فلزات را تولید می‌کنند. این رقم در آمریکا بالاتر است.

مآخذ:

• R.C. Merkle, “Biotechnology as a route to nanotechnology”, Trends in Biotechnology, 17 (1999), pp. 271–274 .

• C.R. Lowe, “Nanobiotechnology: the fabrication and applications of chemical and biological nanostructures”, Current Opinion in Structural Biology, Vol. 10, Issue 4, 1 August 2000, pp. 428-434.

• S. Ferretti, S. Paynter, D.A. Russell, K.E. Sapsford, D.J. Richardson, Trends in Analytical Chemistry, Vol.19, no. 9,2000.

• Jean-Marc Laval, Joel Chopineau and D. Thomas, “Nanotechnology: R & D Challenges and opportunities for application in biotechnology”, TIBTECH, Elsevier Science Ltd., Vol.13, November 1995.

• B.S. Leadbeater, R. Riding, “Biomineralization in Lower Plants and Animals”, Clarendon Press, Oxford , 1986.

• X. Zhang, J. Wang, B. Ogorevc, E. Spichiger, “Glucose Nanosensor Based on Prussian-blue “ , 1999.

• M. Walsh, “ Nano- and MEMS Technologies for chemical biosensors”, 2003.

• J. Haes , R.P. Van Duyne,”A highly Sensitive and Selective Surface-Enhanced Nanobiosensor”, 2002

نویسنده: مهدی رهایی