«ساخت قفل مولکولی نانویی برای شناسایی BPA در آب آشامیدنی»

به گزارش پایگاه خبری پژوهندگان عصر، بیسفنول A یا BPA یکی از مواد شیمیایی است که وجود آن در محیط‌های آبی و تأثیرات احتمالی‌اش بر سیستم هورمونی انسان، توجه محققان را جلب کرده است. این ترکیب در تولید برخی پلاستیک‌ها و مواد پلیمری به کار می‌رود و امکان انتقال مقادیر اندکی از آن به آب وجود دارد. در حال حاضر، محققان با ترکیب پلیمرهای قالب‌مولکولی در مقیاس نانو و فناوری تشدید پلاسمون سطحی (SPR)، حسگری طراحی کرده‌اند که قادر به شناسایی مقادیر بسیار کم BPA در آب آشامیدنی است. این سامانه که در پژوهشی منتشر شده در مجله Communications Chemistry معرفی شده، از پلتفرمی به نام nanoMIP-SPR بهره می‌برد. ویژگی بارز آن، شناسایی انتخابی BPA بدون نیاز به برچسب‌های شیمیایی و امکان پایش برخط یا لحظه‌ای است.

حسگر جدید در محدوده غلظتی ۵ تا ۸۰۰ نانومولار پاسخ قابل اندازه‌گیری نشان داد و حد تشخیص آن به ۱٫۴۶ نانومولار رسید. اندازه‌گیری BPA معمولاً با روش‌های آزمایشگاهی دقیق مانند کروماتوگرافی گازی-طیف‌سنجی جرمی (GC-MS) و کروماتوگرافی مایع-طیف‌سنجی جرمی دومرحله‌ای (LC-MS/MS) انجام می‌شود. این روش‌ها از نظر انتخاب‌پذیری و دقت بسیار قوی هستند، اما نیاز به تجهیزات گران‌قیمت، آماده‌سازی نمونه و نیروی متخصص دارند و در برخی مراحل استفاده از حلال‌های آلی می‌تواند هزینه و پیامدهای زیست‌محیطی به همراه داشته باشد. بنابراین، توسعه حسگرهایی که بتوانند BPA را سریع‌تر، ساده‌تر و با هزینه کمتر شناسایی کنند، از اهمیت بالایی برخوردار است.

راز حسگر جدید در ماده‌ای به نام پلیمر قالب‌مولکولی یا MIP نهفته است. این پلیمر به نوعی یک «قفل مولکولی مصنوعی» محسوب می‌شود. در فرایند ساخت، مولکول هدف، یعنی BPA، به‌عنوان قالب در ساختار پلیمر قرار دارد. پس از تشکیل پلیمر و خارج کردن مولکول‌های BPA، حفره‌هایی باقی می‌مانند که از نظر شکل و ویژگی‌های شیمیایی با مولکول هدف سازگاری دارند. در نتیجه، هنگامی که نمونه حاوی BPA دوباره با این ماده تماس پیدا کند، مولکول‌های BPA تمایل دارند در این حفره‌های اختصاصی قرار بگیرند.

محققان برای ساخت nanoMIP ها ابتدا دانه‌های شیشه‌ای را به‌عنوان بستر جامد آماده کردند. سطح این دانه‌ها با هیدروکسید سدیم فعال شد تا گروه‌های سیلانول واکنش‌پذیر ایجاد شود. سپس با استفاده از ۳-آمینوپروپیل‌تری‌اتوکسی‌سیلان (APTES)، گروه‌های آمینی روی سطح ایجاد شد. در مرحله بعد، آنتی‌بادی‌های اختصاصی BPA از طریق شیمی EDC/NHS به سطح متصل شدند تا مولکول‌های BPA روی این بستر تثبیت شوند. پس از قرارگیری BPA روی سطح، مخلوطی از مونومرهای مختلف در اطراف آن پلیمریزه شد. در این فرایند، N-ایزوپروپیل‌آکریل‌آمید (NIPAm) به‌عنوان مونومر ساختاری، BIS به‌عنوان عامل اتصال‌دهنده عرضی و ترکیباتی مانند APMA و اسید اکریلیک به‌عنوان مونومرهای عاملی مورد استفاده قرار گرفتند. N-ترت‌بوتیل‌آکریل‌آمید نیز برای تقویت برهم‌کنش‌های آب‌گریز اضافه شد. پس از پایان پلیمریزاسیون، شست‌وشوی سرد برای حذف مونومرهای واکنش‌نداده و ذراتی با میل ترکیبی پایین انجام شد. سپس با چند مرحله شست‌وشو با آب داغ در دمای ۶۵ درجه سانتی‌گراد، مولکول‌های BPA از قالب خارج شدند. نتیجه، نانوذرات پلیمری بود که حفره‌هایی با شکل و ویژگی شیمیایی مکمل BPA در اختیار داشتند.

بررسی این ذرات نشان داد nanoMIP های تولیدشده تقریباً کروی هستند و اندازه هیدرودینامیکی متوسط آن‌ها با استفاده از پراکندگی دینامیکی نور (DLS) حدود ۹۴ نانومتر اندازه‌گیری شد. در مقابل، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) اندازه فیزیکی متوسط حدود ۷۸ نانومتر را برای ذرات خشک نشان داد. تفاوت میان این دو مقدار طبیعی است، زیرا DLS اندازه ذره را در حالت پراکنده و همراه با لایه هیدراته اطراف آن اندازه‌گیری می‌کند، درحالی‌که TEM تصویر ذرات خشک را ارائه می‌دهد.

در مرحله بعد، این nanoMIP ها به یک تراشه SPR مبتنی بر طلا متصل شدند. سطح تراشه ابتدا با یک تک‌لایه خودآرا (SAM) از ترکیب ۱۱-مرکاپتوندکانوئیک اسید (MUDA) اصلاح شد. گروه‌های کربوکسیلی ایجادشده روی سطح سپس با استفاده از شیمی EDC/NHS فعال شدند تا nanoMIP ها بتوانند به‌صورت کووالانسی روی سطح طلا تثبیت شوند. تصویربرداری با میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) نشان داد که نانوذرات پلیمری به‌شکل متراکم و یکنواخت روی سطح قرار گرفته‌اند. آزمون‌های الکتروشیمیایی شامل ولتامتری چرخه‌ای و ولتامتری موج مربعی نیز تشکیل موفق لایه شناسایی را تأیید کردند.

وقتی آب حاوی BPA از روی سطح حسگر عبور می‌کند، مولکول‌های BPA وارد حفره‌های اختصاصی nanoMIP ها می‌شوند. این اتصال موجب تغییر شرایط نوری در سطح تراشه می‌شود و دستگاه SPR آن را به‌صورت یک سیگنال قابل اندازه‌گیری ثبت می‌کند. در نتیجه، بدون نیاز به برچسب‌گذاری مولکول BPA یا واکنش‌های پیچیده برای تقویت سیگنال، می‌توان میزان این آلاینده را اندازه‌گیری کرد. یکی از نقاط قوت این حسگر، انتخاب‌پذیری آن بود. محققان عملکرد سامانه را در برابر ترکیبات مشابه BPA از جمله بیسفنول E، بیسفنول F و بیسفنول S بررسی کردند. اگرچه این ترکیبات در غلظت‌های بالاتر می‌توانستند پاسخ قابل اندازه‌گیری ایجاد کنند، شدت پاسخ به BPA به‌طور مشخص بیشتر بود. این رفتار نشان می‌دهد حفره‌های ایجادشده در nanoMIP ها توانسته‌اند تا حد قابل‌قبولی میان مولکول هدف و ترکیبات مشابه تمایز ایجاد کنند.

حسگر همچنین قابلیت استفاده مجدد داشت. پس از پنج چرخه بازتولید و استفاده دوباره، پاسخ نرمال‌شده SPR تنها حدود ۵٫۱ درصد کاهش یافت. این نتیجه نشان می‌دهد حسگر برای اندازه‌گیری‌های تکراری مناسب است، هرچند هنوز نباید آن را به معنای اثبات عملکرد پایش مداوم و طولانی‌مدت دانست. برای ارزیابی دقت نیز نتایج nanoMIP-SPR با روش مرجع LC-MS مقایسه شد. نرخ بازیابی در حسگر SPR بین ۹۶٫۹۰ تا ۹۷٫۸۴ درصد بود، درحالی‌که این مقدار برای LC-MS بین ۹۸٫۲۰ تا ۹۸٫۹۳ درصد گزارش شد. نزدیکی این اعداد نشان می‌دهد حسگر نانویی می‌تواند برای اندازه‌گیری BPA در نمونه‌های واقعی عملکرد تحلیلی قابل‌قبولی داشته باشد.

اما شاید جذاب‌ترین بخش مطالعه زمانی آغاز شد که محققان حسگر را از محیط آزمایشگاه بیرون آوردند و به بررسی آب‌های تجاری پرداختند. آن‌ها ۱۰ نمونه آب موجود در بطری‌های پلی‌کربناتی را بررسی کردند و در هر ۱۰ نمونه BPA شناسایی شد. غلظت اندازه‌گیری‌شده در این نمونه‌ها بین ۲٫۷۳ تا ۸٫۱۵ نانومولار بود. محققان سپس تأثیر دمای نگهداری را بررسی کردند. در نمونه‌ای که بالاترین غلظت اولیه BPA را داشت، نگهداری آب به‌مدت ۱۰ هفته در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد تنها حدود ۱٫۶ درصد افزایش در مقدار BPA ایجاد کرد. اما وقتی همین شرایط در دمای ۵۰ درجه سانتی‌گراد تکرار شد، غلظت BPA حدود ۲۵۶ درصد افزایش یافت. این نتیجه اهمیت شرایط نگهداری را برجسته می‌کند، زیرا افزایش دما می‌تواند مهاجرت BPA از مواد پلیمری به آب را افزایش دهد.

البته محققان تأکید کردند که غلظت‌های اندازه‌گیری‌شده در شرایط محلی مورد آزمایش، بر اساس حدود مقرراتی مورد استناد آن‌ها، نشانه‌ای از خطر فوری برای سلامت محسوب نمی‌شد. اهمیت اصلی این پژوهش در این است که nanoMIP ها می‌توانند بخشی از عملکرد گیرنده‌های زیستی را با یک ساختار مصنوعی و مهندسی‌شده تقلید کنند. این ذرات در واقع برای شناسایی یک مولکول خاص «طراحی» شده‌اند و ترکیب آن‌ها با SPR امکان تبدیل اتصال مولکولی به یک سیگنال نوری قابل اندازه‌گیری را فراهم می‌کند. محققان معتقدند این رویکرد می‌تواند در آینده به توسعه ابزارهای سریع‌تر و قابل‌استفاده‌تر برای پایش آلاینده‌های شیمیایی در آب کمک کند.

البته برای استفاده گسترده در دنیای واقعی، عواملی مانند پایداری طولانی‌مدت، عملکرد در ماتریس‌های پیچیده‌تر، تولید انبوه، استانداردسازی و مقایسه گسترده‌تر با روش‌های مرجع همچنان باید بررسی شوند. بااین‌حال، ترکیب نانومواد قالب‌مولکولی، SPR و تشخیص بدون برچسب یک مسیر جذاب برای ساخت حسگرهای نسل جدید ایجاد کرده است؛ حسگرهایی که می‌توانند به‌جای انتقال نمونه به آزمایشگاه و انتظار برای نتیجه، آلاینده‌هایی مانند BPA را در مقادیر بسیار کم و با سرعت بیشتری در همان محل پایش کنند.