اکو تحلیل- پژوهشگران با استفاده از نقاط کوانتومی و آپتامرهای DNA، زیست‌حسگر نانو-نوری قابل‌حملی به نام «آکوافلوسنس» (AquaFluoSense) ساخته‌اند که می‌تواند یون‌های سرب و آرسنیک را در نمونه‌های آب با حد تشخیص ۱.۲ نانومولار برای سرب و ۰.۴۵ نانومولار برای آرسنیک شناسایی کند. این سامانه که نتایج آن با روش مرجع ICP-MS همبستگی بالای ۰.۹۸ داشته، جایگزینی ارزان‌قیمت و سریع برای تجهیزات آزمایشگاهی میلیاردی محسوب می‌شود.

چالش روش‌های سنتی؛ هزینه بالا و زمان طولانی

به گزارش اکوتحلیل از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، روش‌های متداولی مانند طیف‌سنجی جذب اتمی (AAS) و طیف‌سنجی جرمی پلاسمای جفت‌شده القایی (ICP-MS) از حساسیت بالایی برخوردارند و در آزمایشگاه‌ها برای اندازه‌گیری فلزات سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، هزینه بالای تجهیزات، زمان موردنیاز برای آماده‌سازی و تحلیل نمونه، نیاز به آزمایشگاه تخصصی و حضور نیروی آموزش‌دیده باعث می‌شود استفاده از این روش‌ها در بسیاری از موقعیت‌های میدانی دشوار باشد.

آکوافلوسنس؛ ترکیب نقاط کوانتومی و آپتامرهای DNA

پژوهشگران در مقاله‌ای که به‌صورت «مقاله در دست انتشار» در مجله گزارش‌های علمی (Scientific Reports) منتشر شده است، سامانه‌ای قابل‌حمل با نام آکوافلوسنس (AquaFluoSense) معرفی کرده‌اند. این سامانه یک زیست‌حسگر نانو-نوری است که با استفاده از نقاط کوانتومی تلورید کادمیم (CdTe) و آپتامرهای DNA اختصاصی، می‌تواند یون‌های سرب و آرسنیک را در نمونه‌های آب شناسایی کند.

مؤلفه نقش
نقاط کوانتومی CdTe پروب‌های فلورسانس؛ تولید سیگنال نوری در اثر تحریک با نور فرابنفش
آپتامرهای DNA شناسایی انتخابی یون‌های سرب و آرسنیک
LED فرابنفش تحریک نقاط کوانتومی
فوتودیود (آشکارساز نوری) دریافت سیگنال فلورسانس
ریزکنترلگر Arduino Uno پردازش سیگنال و نمایش نتیجه روی LCD

عملکرد؛ از اتصال یون هدف تا تغییر سیگنال نوری

اتصال آپتامرها به نقاط کوانتومی از طریق گروه‌های کربوکسیلی موجود در پوشش سطحی و با استفاده از شیمی EDC/NHS انجام شد. هنگامی که یون هدف به آپتامر متصل می‌شود، ساختار فضایی آپتامر تغییر می‌کند. این تغییر، محیط اطراف نقطه کوانتومی را تحت تأثیر قرار داده و در نتیجه شدت فلورسانس آن را تغییر می‌دهد. میزان تغییر سیگنال نوری به‌عنوان شاخصی برای تعیین غلظت آلاینده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نتایج؛ حساسیت بالا و تطابق با روش مرجع

حد تشخیص (LOD):

آلاینده حد تشخیص
سرب ۱.۲ نانومولار
آرسنیک ۰.۴۵ نانومولار

این میزان حساسیت امکان شناسایی غلظت‌هایی کمتر از سطوح راهنمای تعیین‌شده برای آب آشامیدنی از سوی سازمان جهانی بهداشت را فراهم می‌کند.

اعتبارسنجی با روش مرجع:

  • مقایسه نتایج آکوافلوسنس با روش ICP-MS

  • ضریب تعیین (R²) > ۰.۹۸   نشان‌دهنده همبستگی بسیار بالای نتایج

ویژگی‌های کلیدی:

  • حساسیت انتخابی مناسب نسبت به یون‌های هدف

  • عدم واکنش متقاطع قابل‌توجه با فلزات غیرهدف

  • عملکرد پایدار در نمونه‌های واقعی آب از مناطق امریتسار و باتیندا

  • عدم تأثیر قابل‌توجه اجزای ماتریس محیطی بر عملکرد سامانه

کاربردها و چشم‌انداز

این سامانه قابل‌حمل می‌تواند در موارد زیر مورد استفاده قرار گیرد:

  • پایش کیفیت آب در مناطق دورافتاده و روستایی

  • مدیریت بحران در حوادث و بلایای طبیعی

  • صنایع آب و فاضلاب برای پایش لحظه‌ای آلودگی

  • کشاورزی و دامداری برای بررسی کیفیت آب مصرفی

توسعه‌های آتی:

قابلیت توضیح
کالیبراسیون خودکار افزایش دقت و سهولت استفاده
شناسایی هم‌زمان چند آلاینده افزایش کارایی در یک اندازه‌گیری
ارتباط بی‌سیم انتقال داده به مراکز پایش
پردازش داده با هوش مصنوعی تحلیل دقیق‌تر و پیش‌بینی روند آلودگی

تحلیل اکو تحلیل

درس پیام برای فعالان اقتصادی و سرمایه‌گذاران
جایگزینی تجهیزات گران‌قیمت با فناوری نانو هزینه بالای تجهیزات آزمایشگاهی (میلیاردها تومان) و نیاز به نیروی متخصص، مانع اصلی پایش گسترده آب است. آکوافلوسنس با استفاده از قطعات ارزان‌قیمت (LED، فوتودیود، Arduino) و نقاط کوانتومی، می‌تواند هزینه پایش را به کسری از روش‌های سنتی کاهش دهد
فرصت سرمایه‌گذاری در حوزه حسگرهای نانویی با توجه به افزایش نگرانی‌ها درباره آلودگی آب و نیاز به پایش مستمر، توسعه حسگرهای قابل‌حمل می‌تواند یک بازار رو به رشد باشد. شرکت‌های فعال در حوزه نانوفناوری، تجهیزات آزمایشگاهی و پایش محیط‌زیست می‌توانند از این فناوری بهره ببرند
کاربرد در مدیریت بحران و امنیت غذایی در شرایط جنگ و بحران که دسترسی به آزمایشگاه‌های مجهز محدود می‌شود حسگرهایی مانند آکوافلوسنس می‌توانند نقش حیاتی در تأمین آب سالم و جلوگیری از بیماری‌ها ایفا کنند
پتانسیل تجاری‌سازی و صادرات با توجه به استانداردهای سخت‌گیرانه سازمان جهانی بهداشت درباره فلزات سنگین در آب آشامیدنی، این فناوری می‌تواند فرصت صادراتی مناسبی برای شرکت‌های دانش‌بنیان ایرانی ایجاد کند

نکته کلیدی: 

سامانه آکوافلوسنس با ترکیب نقاط کوانتومی، آپتامرهای DNA و قطعات الکترونیکی ارزان‌قیمت، گامی بلند در جهت مردمی‌سازی پایش کیفیت آب برداشته است. این حسگر که می‌تواند سرب و آرسنیک را با حساسیتی قابل‌رقابت با روش‌های آزمایشگاهی پیشرفته (حد تشخیص ۱.۲ و ۰.۴۵ نانومولار) شناسایی کند، در نمونه‌های واقعی آب عملکردی قابل‌اطمینان نشان داده و نتایج آن با روش مرجع ICP-MS همبستگی بالای ۰.۹۸ داشته است. با وجود اینکه این سامانه هنوز نمونه اولیه است، توسعه قابلیت‌هایی مانند کالیبراسیون خودکار، شناسایی هم‌زمان چند آلاینده و پردازش داده با هوش مصنوعی می‌تواند آن را به ابزاری قدرتمند برای پایش محیط‌زیست، مدیریت بحران و صنایع آب و فاضلاب تبدیل کند. سرمایه‌گذاران و فعالان حوزه فناوری نانو و تجهیزات آزمایشگاهی باید تحولات این حوزه را به‌دقت رصد کنند، چراکه چنین فناوری‌هایی می‌توانند موازنه هزینه و دسترسی را در بازار پایش آلودگی آب به‌طور اساسی تغییر دهند.