ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

استفاده از نانوحسگرها در کنترل کیفی آب

حسگرهای مبتنی‌ بر نانومواد در امر شناسایی به گونه ای طراحی شده‌اند که دارای کارایی و انعطاف‌پذیری بالا و عملکرد چند منظوره هستند. چنین عملکردی ناشی از قابلیت‌های ذاتی بسیاری از نانوحسگرهای موجود است. با‌ این‌حال، آن‌ها باید به ابزارهای کاربر و اپراتور پسند تبدیل شوند که قابلیت شناسایی مواد در مقیاسی بزرگتر و مکان‌های غیرقابل‌دسترس در گذشته دارند. در این مقاله پیرامون اینکه چگونه حسگرهای مبتنی بر نانومواد می‌توانند در زمینه‌ی کنترل گسترده و ارزان مواد شیمیایی، میکروب‌ها و دیگر مواد در آب آشامیدنی نویدبخش باشند، صحبت می‌کنیم.


درطول تاریخ، کیفیت آب مصرفی برای به حداقل رساندن عوامل بیماری‌زا در آن همواره مورد بررسی قرار گرفته است. برای مثال، ویترویوسِ یکی از معماران مشهور در روم باستان، در یکی از کتاب‌هایش عنوان می‌کند که ترکیب آب به «کیفیت زمینی که در آن جریان دارد یا جمع‌آوری می‌شود» بستگی دارد. همچنین کیفیت آب به دو روش مشخص می‌شد: ارزیابی شرایط جسمی مردمی که از آن آب مصرف می‌کردند و اندازه‌گیری چشمی میزان خوردگی فلز برنجی که در معرض آب قرار دارد. طی قرن‌ها، انسان به‌تدریج توانایی خود را در شناسایی آلودگی آب بالا برده‌است. در بسیاری از کشورها، آب تمیز و قابل‌مصرف به صورت لوله‌کشی در دسترس قرار دارد. اما این ماجرا در همه‌جا صدق نمی‌کند. حیرت‌آور است اما بیش از 844 میلیون نفر به آب آشامیدنی مطمئن دسترسی ندارند، و سالانه حدود 2 میلیون نفر، عموما کودکان زیر 5 سال، به دلیل کمبود دسترسی به آب آشامیدنی از بین می‌روند. با حمایت سند 2030[1]  (و اهداف توسعه‌ی هزاره که پیش از آن قرار دارد) شمار این افراد رو به کاهش است، اما تغییرات آب‌وهوایی، افزایش جمعیت محلی و جهانی، مهاجرت انسان‌ها از روستا به شهر، سرمایه‌گذاری کم در زیرساخت‌ها و کاهش قابل‌توجه دسترسی به آب، بهبود بیشتر در این زمینه را با مشکل مواجه ‌کرده است.

کنترل کیفی آب، در مقیاس بزرگ و کوچک، به‌دلیل تنوع و پیچیدگی ماتریس و غلظت کم آلاینده ‌هایی که باید شناسایی شوند، امری چالش‌برانگیز است. به سبب وجود این چالش‌ها، حسگرهای مبتنی بر نانومواد، به‌ویژه پس از گزارش‌های امیدوارکننده‌ی حسگرهای نانوسیم و نقاط کوانتومی، بسیار موردتوجه پژوهشگران قرار گرفته ‌است. با توجه به ویژگی‌های جدید حسگرهای مبتنی بر نانومواد، این امکان شناسایی چندمنظوره آلودگی ها در غلظت بسیار پایین و آنالیز سریع کیفیت آب فراهم شده است. با اینکه اتفاقات هیجان‌انگیزی در آزمایشگاه‌ها و مقالات درباره‌ی حسگرهای مبتنی بر نانو فناوری درجریان است ولی تا امروز تنها تعداد کمی دستگاه حسگر  (برای مثال رپیدچک، واترسیف[2]) راهشان را به بازار بازکرده‌اند، و تاثیرات اجتماعی این خط از تحقیقات، از آنچه در ابتدا انتظار می‌رفت کمتر شده ‌است. سوالی که در این دیدگاه پرسیده می‌شود این است که مسیر بعدی شاخه‌ی نانوحسگرها، به‌ویژه درزمینه‌ی کنترل کیفی آب، چه باید باشد؟ در این مقاله، وضعیت فعلی حسگرهای مبتنی بر فناوری نانو موجود در زمینه‌ی کنترل کیفی آب مختصرا تشریخ خواهد شد و درباره‌ی بخش‌های مهم کاربردهای نانوحسگرها در حوزه‌ی کنترل کیفی آب بحث و پس از بررسی‌های نهایی نتیجه‌گیری خواهد شد.

 

حسگرهایی بر پایه‌ی فناوری نانو
کلمه‌‌‌ی sensor از ریشه‌‌ی لاتین sentio گرفته شد‌ه است که به معنی دریافتن یا مشاهده‌کردن است. در زمینه‌ی کنترل کیفیت آب، حسگرها به حضور آلودگی یا آنالیت[3] واکنش نشان می‌دهند و خروجی مطلوبی در اختیار ما می‌گذارند که توسط یک کاربر نهایی قابل تفسیر باشد. طی قرن‌ها، انسان‌ها پا را فراتر از حواس پنجگانه خود قرار داده‌اند و قادر به توسعه‌ی مجموعه‌ای از حسگرها برای شناسایی پاتوژن‌ها، مواد شیمیایی آلی و غیرآلی در آب و دیگر پارامترهای کیفی آب  (برای مثال pH، سختی  (مقدار کلسیم و منیزیوم حل‌نشده در آب) ، میزان شفافیت)

 با هدف محافظت از مصرف‌کنندگان در مقابل آب آلوده هستند. این دسته از حسگرها می‌توانند در مرکز سیستم تصفیه آب، در بخش توزیع یا حتی در قسمت مصرف قرار می‌گیرند. حسگرها می‌توانند آنلاین باشند و آب در جریان را بررسی کیفی کنند یا آفلاین باشند و نمونه‌های مرکب را ارزیابی نمایند. درحال‌حاضر بیشتر روش‌ها برای شناسایی آلاینده‌های معمول  (جدول1) شامل مجموعه‌ای از نمونه‌های دوره‌ای است که به‌صورت آفلاین با روش‌های کروماتوگرافی و طیف‌سنجی برای موادآلی و غیرآلی و گستره‌‌ی وسیعی از رویکردها برای کالیفرم، کالیفرم مدفوعی، ژیاردیا ، کریپتوسپوریدیم، لژیونلا و ویروس ها بررسی می‌شوند.

حسگرهای مبتنی بر فناوری نانو قابلیت جایگزینی بسیاری از حسگرهای موجود برای کنترل کیفی آب را دارند. برخی از افراد میان دو واژه‌ی نانوپویشگر[4] و نانوحسگر تفاوت قائل می‌شوند، و اشاره می‌کنند که نانوحسگر آنالیت را اندازه‌گیری می‌کند و نیازمند پوشش سریع و برگشت‌پذیری است، درحالیکه نانوپویشگر با حساسیت بالا، به‌طور انتخابی میکروب‌ها و موادشیمیایی را شناسایی می‌کند اما کمی نیست و به برگشت‌پذیری نیاز ندارد. در اینجا، برای سادگی کار، از تعریف جامع و واژه‌ی عمومی نانوحسگر استفاده می‌گردد و آن را برای تمامی پلتفرم‌هایی به‌کار می‌شود که از ویژگی‌های خاص نوری، الکتریکی یا مغناطیسی نانومواد به‌ منظور بالابردن شناسایی آنالیت، استفاده می‌کنند. تا به امروز، گستره‌ی وسیعی از نانوحسگرها برای شناسایی دقیق pH، پاتوژن‌ها و سموم موجود در آب پیشنهاد شده‌اند.

نانوحسگرها، در ابتدایی‌ترین سطح، شامل  (1) نانوماده،  (2) عنصر تشخیص و  (3) مکانیزمی برای انتقال سیگنال هستند. آنالیت‌های موردنظر با المان شناسایی‌گر واکنش‌ می‌دهند و سیگنال قابل‌ شناسایی می‌فرستند. خصیصه‌ی نانوحسگر هم با شناسایی سیگنال درونی آنالیت و هم با به‌کارگیری عناصر شناسایی بسیار خاص به‌دست می‌آید که تنها با سوژه واکنش می‌دهند. حساسیت بالای نانوحسگر ناشی از ویژگی های جدید نوری، الکتریکی و مغناطیسی نانوماده و همچنین روش انتقال سیگنالی است که منحصر به آن آنالیت است. شکل1 نشانگر ساختار نانوحسگر برای شناسایی آنالیت محیطی است.  

این دسته مقالات شامل تعداد زیادی گزارش از محدوده‌های شناسایی بسیار کم برای تعداد زیادی نانوحسگر است. هرچند این‌ محدوده‌ها در شرایط واقعی که کیفیت آب در این شاخه است قابل تایید نیست. علاوه‌براین، به‌دلیل اندازه‌ی کوچک پلتفرم معمولی نانوحسگر، اطمینان از ارتباط آنالیت با نقطه‌ی اتصال حسگر قابل ملاحظه است. چنین چیزی به‌ویژه برای آنالیت‌های زیستی مانند سلول‌های باکتریایی، ویروس‌ها و تک‌سلولی‌ها که ممکن است در غلظت‌هایی به کمی یک ارگانیسم یا یک ویروس یا با ابعادی مشابه یا بزرگتر از حسگر خطرناک باشد. در این دسته آنالیت، به‌ منظور جای‌گیری بهینه‌ روی نانوحسگر نیازمند آماده سازی نمونه  (تصفیه یا غلظت) می‌باشد. رویکردهای بالقوه‌ جهت آماده‌سازی شامل روش‌ هایی مانند جداسازی میکروفلویدی و جداسازی برپایه‌ی نانوذرات، همچنین فیلتراسیون استاندارد و روش‌های مبتنی‌بر سانتریفیوژ است که به‌ سرعت درحال توسعه است. تمرکز بسیاری از آزمایشگاه‌های پژوهشی حسگر بر روی آماده ‌سازی نمونه است اما در اینجا به بحث در این رابطه نمی‌پردازیم.

نانوحسگرها را بر اساس نوع نانوموادی که از آن ساخته می‌شوند، آنالیت‌هایی که شناسایی می‌کنند و روش‌های انتقال سیگنال که برای کنترل شناسایی آنالیت به‌کار می‌برند می‌توان طبقه‌بندی کرد. به‌ منظور سادگی از مورد آخر استفاده می‌‌شود و تنها درباره نانوحسگرهایی بحث می‌شود که بر پایه‌ی رایج‌ترین روش‌های انتقال سیگنال عمل می‌کنند: نوری، الکتریکی و مغناطیسی. جدول2 انواع نانومواد به‌کار گرفته‌شده در حسگرهای کنترل کیفی آب را خلاصه کرده ‌است. شرح مفصلی از انواع نانومواد به‌کار گرفته ‌شده در نانوحسگرها درجای دیگر آورده شده ‌است.

 

انتقال سیگنال نوری
در یک حسگر نوری، سیگنال زمانی تولید می‌شود که آنالیت هدف با نانوماده واکنش دهد. این رویکرد به‌دلیل سادگی عملکرد، سرعت خوانش و حساسیت عملی، بسیار محبوب است. طیف‌سنجی فلوئورسنس و پلاسمون سطحی رویکردهای غالب انتقال سیگنال نوری هستند.

فلوئورسنس بر اساس اندازه‌گیری انتشار یک فلوئوروفور است که پس از عبور نور به حالت اصلی خود بازمی‌گردد. نانوذرات فلوئورسنت مانند نقاط کوانتومی، نانوذرات فلز و نانوذرات با قابلیت تغییر فرکانس فوتون برای کارکرد تشخیص آنها مورد بررسی قرار می‌گیرند. اخیرا بسیاری از این پیشرفت‌های جالب توجه در کاربرد نانوذرات فلوئورسنت در زمینه‌ کارکرد تشخیص، توسط نِگ و همکارانش ارائه شد.

نانوذرات فلزی نجیب مانند طلا و نقره، زمانیکه توسط نور برانگیخته می‌شوند قادر به پشتیبانی از پلاسمون‌های ‌سطحی  (مانند الکترون‌های سطحی با نوسان هماهنگ) هستند که در مجاورت سطح نانوذرات  (در چند نانومتر) ، میدان‌های الکترومغناطیسی قوی تولید می‌کنند. فرکانس رزونانس الکترون‌های فلزی باعث ایجاد باند جذب می‌شوند که رزونانس پلاسمون سطحی محلی[5]  (LSPR) نامیده می‌شود و تابع اندازه، شکل، ماهیت و محیطی است که نانوذره را احاطه کرده است.  دو دسته از انتقال سیگنال‌هایی که از LSPR استفاده می‌کنند عبارت‌اند از: طیف‌سنجی رامان سطحی توسعه‌یافته[6]  (SERs) و روش های رنگ‌سنجی  (جذب).

LSPR میدان الکترومغناطیسی توسعه ‌یافته‌ای در مجاورت سطح فلز نجیب ایجاد می‌کند. زمانیکه آنالیت‌های هدف در این میدان باشند، پیک رامان آن‌ها چندین برابر می‌شود، این افزایش با عنوان SERs شناخته می‌شود. از آنجاییکه SERs روش طیف‌سنجی ارتعاشی است، طیف SERs نشان‌دهنده‌ی مشخصه‌ی پیوند کووالانسی آنالیت است. اگر سیکنال این طیف خاص که به نوعی مانند اثر انگشت مشخصه خاص آن پیوند است، به اندازه‌ی کافی شدید باشد، می‌توان آن را به‌ منظور حضور آنالیت در یک ماتریس پیچیده، به‌طور مستقیم بررسی کرد. در این حالت از شناسایی ماهیت مواد، SERs توانایی لازم برای شناسایی تک‌مولکول را نشان داده‌ است، همانطوری که آنالیت‌های غیرزیستی مرتبط در شرایط اجرایی موردنیاز را نشان می‌دهد. الزام شناسایی هات اسپات‌های کمتر از 5 نانومتر باعث پیچیدگی کاربری SERs در تشخیص میزان آلودگی آب است، بنابراین آنالیت‌های بزرگتر حذف می‌شوند. این واقعیت با این الزام جمع می‌شود که آنالیت بایستی با سطح نانوذرات فلز نجیب تماس داشته باشد و این دو می‌توانند از کاربری SERs برای حسگری ذاتی آنالیت جلوگیری کنند. رویکرد جایگزین و غالب آن است که سطح نانوذرات را با لیگاندهای affinity مانند آنتی‌بادی‌ها و آپتامرها عامل‌دار کنیم. طیف‌سنجی‌های بسیار حساس و دستی رامان بسیار مقرون‌به‌صرفه اند، بنابراین این امکان وجود دارد که SERs به‌دلیل حساسیت بالای روش و قابلیت چندگانه، به تدریج بخش بزرگتری از نانوحسگرها در حیطه‌ی پزشکی را از آن خود کنند.

شناسایی بر پایه رنگ‌سنجی شکل ساده‌تری از LSPR است و معمولا شامل کنترل حالت تراکم نانوذرات است. بی‌ثبات‌سازی نانوذرات موجب تغییر رنگ می‌شود  (برای نانوذرات کروی طلا عموما رنگ قرمز به آبی، برای نانوذرات کروی نقره رنگ زرد به قهوه‌ای تغییر پیدا می‌کند) که نشان‌دهنده‌ی اتصال پلاسمون سطحی به ذره‌ی مجاور است. این تغییر رنگ با چشم غیرمسلح یا بوسیله‌ی اسپکتروفتومتر قابل مشاهده است. تعدادی از آزمایش‌های مبتنی بر تراکم برای مواد شیمیایی و میکروب‌های آب گزارش شده ‌است  (جدول2).

 

انتقال سیگنال الکتریکی
انتقال سیگنال الکتریکی از رسانایی بالا و پایداری الکتروشیمیایی سیلیکون، نانوذرات فلزات نجیب  (پلاتین، طلا، نقره) ، نانومواد کربنی  (گرافن، نانولوله‌های کربنی) و نانوذرات دوبعدی غیرآلی بهره می‌برد. نانوحسگرهای مبتنی بر انتقال الکتریکی به سه دسته تقسیم می‌شوند: مقاومت‌های شیمیایی، ترانزیستورهای اثر میدانی و حسگرهای الکتروشیمیایی. مقاومت‌ شیمیایی شامل یک مدار الکتریکی است که مقاومت آن با واکنش آنالیت و سطح حسگر تغییر می‌کند. ترانزیستورهای اثر میدانی  (FET) تحرک حامل بار  (آنالیت) را در کانالی حرکتی بار ارزیابی می‌کند که  تحت کنترل میدان الکتریکی است، این میدان با رسانایی الکترود گیت کنترل می‌شود. زمانیکه آنالیت وارد کانال می‌شود، تغییری در سیگنال تشخیص داده می‌شود. پلتفرم‌های حسگری مبتنی بر FET از زمان تحقیقات اولیه کویی و لیبر[7] در سال 2001 درحال توسعه هستند. حسگرهای الکتروشیمیایی تغییرات ولتاژ یا جریانی را اندازه می‌گیرد که به دنبال واکنش انتقال الکترون میان سطح حسگر و انالیت یا پایانه اتفاق می‌افتد. اصلاح مقاومت‌های شیمیایی، ترانزیستورهای اثر میدانی و حسگرهای الکتروشیمیایی با عناصر تشخیص  (آنتی‌بادی‌ها، آپتامرها) موجب شناسایی دقیق آلودگی‌های موجود در آب مانند Escherichia coli، هپاتیت C و بسیاری دیگر شده است.

 

انتقال سیگنال مغناطیسی
نانومواد مغناطیسی قابلیت پاسخ به میدان خارجی را دارند و عملکرد چنین نانوموادی با بیومولکول‌هایی با آنالیت خاص توانایی جداسازی مغناطیسی آنالیت‌ها و شناسایی آن‌ها را فراهم می‌کند. آرایش نانوذرات به کاربرد نهایی بستگی دارد و اندازه‌ی نانوذره و ماهیت شیمیایی آن، خاصیت مغناطیسی ذرات را مشخص می‌کند. گستره‌ای از مواد به‌ منظور تولید ذرات مغناطیسی استفاده می‌شوند که شامل آهن، اکسید آهن، کبالت، نیکل و انواع مواد چند عنصری است. نانوذرات مبتنی بر آهن  (برای مثال FeO, Fe3O4, -Fe2O3) به‌دلیل سازگاری زیستی و هزینه‌ی ترکیب پایین از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند.

استراتژی‌های شناسایی سیگنال مغناطیسی به سه دسته‌ی کلی تقسیم می‌شوند: مقاومت‌های مغناطیسی، اندازه‌گیری خواص هیدرودینامیکی و ریلکسیشن اسپین به اسپین رزونانس هسته‌ای مغناطیسی. حسگرهای مقاومت مغناطیسی تغییرات در مقاومت الکتریکی پس از اتصال آنالیت‌های نانوذره‌ای مغناطیسی را نشان می‌دهند و اخیرا برای شناسایی mycobacterium bovis و آنفولانزا نوع A استفاده شده است. تغییرات در ویژگی‌های هیدرودینامیکی  (به‌ دلیل تجمع نانوذرات به‌واسطه‌ی آنالیت) را می‌توان با دینامیک ریلکسیشن نانوذرات در یک میدان مغناطیسی وابسته به زمان کنترل کرد. کاربرد این رویکرد برای شناسایی هاگ Bacillus globigii استفاده شده ‌است. از تصویربرداری رزونانس مغناطیسی می‌توان برای کنترل تغییرات زمان ریلکسیشن اسپین به اسپین پوروتون‌های آب استفاده کرد که با جمع‌شدن نانوذره مغناطیسی در حضور آنالیت اتفاق می‌افتد. چنین رویکردی برای تشخیص حساس ویروس بیماری‌های Salmonella enterica  و  Newcastleبه عنوان ویروس نماینده استفاده می‌شود.

 

چه زمانی نانوحسگرها برای نظارت بر آب به‌کار می‌آیند؟
مسئله‌ی کلیدی که اغلب در شتاب برای توسعه‌ی نانوحسگر جدید فراموش می‌شود، توجه اولیه به این نکته است که این نانوحسگرها نیاز فعلی را نشان می‌دهند که به آن برنخورده‌ایم یا رویکردهای مقرر را بهتر اجرا می‌کنند. تجربه‌ی پیشین نشان داده‌ است که کاربرد نهایی هر فناوری نوینی به توانایی آن در ارائه‌ی قابلیت‌های بهبودیافته یا نشان دادن کمبودهای فعلی در عملکرد دستگاه وابسته است. با توجه به ماهیت سنتی انجمن تصفیه آب، این نگرانی‌ها در ابتدایی‌ترین مراحل طراحی نانوحسگر بایستی مورد توجه قرار گیرند. پیشرفت ادامه‌دار در شاخه‌ی نانوحسگر کاربردی، نیاز به تمرکز بر کاربردها دارد، که در آن نانوحسگرها قابلیت‌های نوین یا کاربردهای اضافه‌تر را به ‌خوبی ارائه می‌دهند. در زمینه‌ی کنترل کیفی آب سه موضوع مهم پیشنهاد می‌شود.

 

نظارت بهتر شبکه‌های توزیع آب
روش فعلی در زمینه‌ی تامین آب در بیشتر نقاط دنیا بر اساس توزیع و عرضه‌ی متمرکز است. تحت این پارادایم، آب در تصفیه خانه‌ای متمرکز طی تعدادی فرآیند فیزیکی و شیمیایی پیش از توزیع تصفیه می‌شود. در بسیاری از کشورها، درست قبل از خروج آب از تصفیه ‌خانه، از ماده‌ی ضدعفونی‌کننده‌ی رسوبی به‌ منظور به حداقل رساندن غلظت پاتوژن استفاده می‌شود. ‌در سیستم توزیع، آب تصفیه شده ممکن است در معرض آلودگی توسط زباله، آب‌های سطحی یا زیرزمینی قرار گیرد و به‌دلیل اشباع آلاینده‌های موجود در مواد لوله‌کشی  (برای مثال سرب، مس،پلیمرها) یا رشد مجدد باکتری کیفیت آن افت کند. تصفیه خانه‌های آب، تانکرهای آب و شیرهای آب اجزای قابل‌مشاهده‌ای از سیستم‌های تصفیه آب هستند؛ هرچند ممکن است به‌دلیل تفاوت زیاد میان سیستم توزیع آب آشامیدنی و شبکه‌های لوله‌کشی ساختمان‌ها از نظر حجم و فاصله‌، اهمیت نسبی آن‌ها به عنوان مکان‌های نمونه‌گیری کم و زیاد شود  (شکل2). این زیرساخت‌های پنهان دربردارنده‌ی اکوسیستم مهندسی‌شده‌ی بسیار پیچیده‌ای هستند که ویژگی‌های آن با پارامترهای عملیاتی و محیط‌زیستی تاثیر می‌گیرد و تعریف می‌شود و درحال‌حاضر ما به‌طور کامل بر جزییات آنها احاطه نداریم. در سیستم‌های مرکزی تصفیه‌، تعدادی از نمونه‌ها‌ی کیفی آب به‌طورمرتب در تصفیه‌خانه، در نقطه‌ای انتخابی در سیستم توزیع یا گاهی در ساختمان‌ها  (لوله‌کشی) جمع‌آوری می‌شوند. این رویکرد نمونه‌گیری نگرانی بابت تفاوت‌های جغرافیایی، سن آب و دیگر فاکتورهایی که ممکن است در طراحی برنامه‌ی نمونه‌گیری از نظر دور مانده باشند را به وجود می آورد. افزون‌براین، چنین رویکردهایی می‌تواند به جهت‌گیری‌های غیرعمدی یا هدفمند منجر شود که کیفیت کلی آب را اشتباه بیان می‌کند. برای مثال در بحران سرب فلینت، ایالت میشیگان، طبق آنچه به ثبت رسیده بود کارکنان تصفیه‌خانه از خانه‌هایی با شبکه‌های آب‌رسانی سربی به تعداد کافی نمونه‌گیری نکرده بودند، هرچند که از نظر قانونی لازم بود چراکه این خانه‌ها در معرض بیشترین خطر هستند.

توسعه‌ی اینترنت اشیا  (IoT) [8] نوید گسترش شبکه‌های سنسوری را می‌دهد که داده‌ها را در زمان واقعی از گره‌های سنسوری در سرتاسر مناطق گسترده می‌گیرد. این مفهوم به‌طور ویژه برای تامین و مدیریت آب استفاده می‌شود چراکه این شبکه‌های سنسوری به‌طور بالقوه می‌توانند درک شیمیایی و زیستی دقیق‌تری از آب توزیع شده از تصفیه‌خانه تا شیرآب را در اختیار ما قرار دهند. یک از چشم اندازهای جذاب برای IoT اتصال شبکه‌های نانوحسگر به IoNT[9] است که دستگاه‌هایی در مقیاس نانو را بهم متصل و آن را به IoT متصل می‌کند. در زمینه‌ی توزیع آب، چنین شبکه‌ای می‌تواند شامل آرایش یکپارچه‌ای از نانوحسگرها باشد که کنترل زمان واقعی کیفی و کمی آب زمان واقعی در مقیاس زمانی و جغرافیایی را در مکان‌هایی در سیستم توزیع ارائه می‌دهد که با رویکردهای موجود غیرقابل دسترسی اند  (برای مثال لوله‌های سر بسته، نقطه‌ی اتصال service mains، شبکه‌های آب‌رسانی و لوله‌کشی، دربیوفیلم‌ها، در دوش‌ها و غیره؛ شکل2).

IoT به‌سرعت درحال پیشرفت است و می‌دانیم چالش‌های زیادی باقیست که بایستی باتوجه به جمع‌آوری داده، ارتباطات داده، ذخیره‌‌سازی داده و توان دستگاه آن را برطرف سازیم و این رویا را به واقعیت تبدیل کنیم. یکپارچه سازی نانوحسگرهای تعبیه‌ شده در زیرساخت‌های آبی مستلزم بهینه‌سازی قابل ملاحظه‌ی نانوحسگرهاست. بسیاری از نانوحسگرها که تاکنون توسعه یافته‌اند  (جدول2) به منظور  (1) فعال‌کردن دستگاه تحت شرایط محیط‌زیستی بسیار متغیر،  (2) ساده‌سازی جایگزینی حسگرهای در میدان،  (3) ساده‌سازی ارتباطات داده و  (4) به حداقل‌رساندن پتانسیل رسوب حسگرها نیاز به تنظیم و طراحی مجدد دارند. مورد آخر بایستی تمرکز خاصی بر حسگرهای تعبیه شده داشته باشد چرا که رسوب با نمک، مواد آلی و رشد زیستی باید در مراحل اولیه‌ی توسعه درنظر گرفته شود. علاوه بر این مسائل و دیگر مسائل فنی، ضروری است که توسعه‌ی شبکه‌های کنترل کیفی آب توزیعی با نهایت دقت و ملاحظه برای امنیت و حفظ حریم داده‌ها انجام گیرد. اگر بنا باشد یک سیستم متصل IoT نانوحسگرها در سیستم توزیع قرار گیرد، بایستی الزامات مربوط و معمول به سرعت در فرآیند طراحی درنظر گرفته شود. جنبه‌ی مهم ارزیابی نهایی آن است که نشان دهد نانوحسگرها پایدارند و از بین نمی‌روند. بطور خاص پتانسل نانومواد برای آزاد شدن از آرایش نانوحسگرها در طول استفاده از آن‌ها، می‌بایست همراه با پیامدهای بهداشتی هرگونه  خطرات بعدی درنظر گرفته شود.

با درنظر گرفتن اینکه تمام مشکلات فنی و اجتماعی که با توسعه‌ی پلتفرم IoT مواجه هستند قابل حل باشند، داده‌های ‌جمع‌آوری شده از نانوحسگرهای یکپارچه بایستی فهم ما را در زمینه‌ی اکوسیستم‌های پیچیده‌ی موجود در سیستم توزیع آب آشامیدنی زیر و رو کند. درحال‌حاضر پیشرفت‌های اخیر در سنجش میکروبی و شیمیایی آفلاین ارتباطات چندوجهی و بسیار پیچیده میان اجزای فیزیکی سیستم توزیع آب آشامیدنی، شیمی مربوط به آب جاری در آن و میکروارگانیسم‌های موجود در آب و چسبیده به دیواره‌ی لوله‌ها نشان داده است. مجموع دانش به‌دست آمده از کاربرد هوش مصنوعی و یادگیری ماشین با داده‌های جمع‌آوری شده در مقیاس زمان واقعی تنها به تثبیت این درک کمک می‌کند. 

 

شناسایی آنالیت‌های غیرهدف و غیرقابل‌کنترل
استفاده مجدد و بازیافت فاضلاب به عنوان منبع تامین آب به‌دلیل تغییرات آب‌وهوایی، افزایش جمعیت محلی و جهانی و مهاجرت، در بسیاری از نقاط دنیا روز به روز فراگیرتر می‌شود. در پی این امر، احتمال حضور آلودگی‌های زیستی و فیزیکی فاضلاب در آب آشامیدنی تصفیه‌شده افزایش می‌یابد. برای مثال، تحقیقات نشان داده است که سطح کریپتوسپوردیم، جیاندیا و لوجیونلا [10] در سیستم توزیع آب به وسیله آب تصفیه شده افزایش یافته است و نگرانی‌های بسیاری درباره‌ی پتانسیل افزایش انتشار پایداری آنتی‌بیوتیک با آب بازیافتی وجود دارد. در نهایت با افزایش استفاده‌ی مجدد از آب های فاضلاب، نگرانی‌ها برای احتمال اینکه بسیاری از مواد شیمیایی آلی و غیرآلی غیرقابل‌کنترل و شناسایی در آب تصفیه‌شده باشد بیشتر و بیشتر می‌شود. درحال‌حاضر 85000 ماده‌ی شیمیایی در صنایع ایالات متحده و تقریبا 140000 ماده‌ی شیمیایی در اروپا استفاده می‌شود. این مواد شامل تعداد زیادی از ترکیبات با سمیت شناخته شده مانند پارافین‌های ترکیب‌شده با کلر، ترکیباتی فلوئوری، نانومواد، میکرو پلاستیک‌ها و نانوپلاستیک‌ها و مواد نسوز است. درحالیکه انتظار نمی‌رود تمام این مواد شیمیایی در آب تصفیه‌شده باشد، معلوم نیست کدام ترکیب به احتمال زیاد در آب وجود دارد. این ندانستن‌ها تعداد و مقدار مطلق مواد شیمیایی و نحوه‌ی استفاده از آن را شامل می‌شود.

به‌طورکلی رویکردهای فعلی برای کنترل کیفی آب بر اساس پروتکل‌هایی هستند که لزوما به سوی آلودگی‌های معمول جهت می‌گیرند  (جدول1).  برای گروه‌های متفاوت آلاینده  (برای مثال فلزات، موادآلی فرار، مواد نیمه آلی یا غیرفرار) و آلاینده‌های میکروبی  (برای مثال ویروس‌ها، باکتری‌ها، تک‌سلولی‌ها) ، به پروتکل‌های مجزایی نیاز دارند. در مورد باکتری، این پروتکل‌ها به دنبال شناسایی باکتری شاخص مانند ایکولای[11] و کلیفرم‌های مدفوعی[12] هستند. تا زمانیکه این شاخص‌ها کمتر از حد معمول باشند انتظار می‌رود میزان باکتری پاتوژن نیز نگران‌کننده نباشد. متاسفانه این شاخص‌ها کاملا نشانگر نژادهای بیماری‌زا نیستند، بنابراین عدم حضور آن‌ها تضمینی بر آب عاری از پانتوژن نیست.

بسیاری از آنالیت‌ها را نمی‌توان با روش‌های موجود شناسایی کرد  (ارگانیسم‌هایی که اطلاعات چندانی درباره آنها نداریم، موادآلی کوچک با انحلال‌پذیری بالا، ژن‌های آنتی‌بیوتیکی پایدار). حال که توسعه‌ی نانوحسگرهای بسیار خاص برای شناسایی تمام آلاینده‌ها زمان‌بر و گران است، بایستی برای توسعه‌‌ی نانوحسگرها با هدف‌گیری پاتوژن‌های مشاهده‌شده[13] و موادشیمیایی با سمیت معلوم تلاش کنیم. در مراحل اولیه توسعه هر دستگاهی، تصمیم بر اینکه کدام آنالیت هدف‌ گرفته شود در اولویت است. اگر حسگرها هم‌زمان برای اهداف مهم‌تری توسعه نیافته باشند، طراحی ساده نانوحسگر دیگری برای E.coli و یون سرب، کار چندان پرفایده‌ای به‌ نظر نمی‌رسد.

رویکردی مبتنی بر فناوری نانو نویدبخش آن است که روش‌های نیمه انتخابی را گسترش دهد که بر پایه‌ی شناسایی یک الگو خاص هستند. تلاش‌های اخیر بر توسعه‌ی آرایش حسگرهایی مبتنی بر «شیمی زبان» و «شیمی بینی» متمرکز است که شناسایی آنالیت انتخابی را به‌کار می‌گیرند. واکنش هر آنالیت با آرایش حسگرها الگوی انتخابی می‌سازد. به‌این‌ترتیب پاسخ ترکیبی در آرایش حسگرها با آماری چند متغیره ارزیابی می‌شود. چنین رویکردی هنوز برای کنترل کیفی آب اجرا نشده اما در تشخیص بیماری‌ها موفقیت‌آمیز بوده است. اخیرا آرایشی نانویی قادر به تشخیص بیماری از بازدم شده است. پژوهشگران موفق به تعیین میزان ابتلا به 17 نوع بیماری مختلف، با جمعیت آماری بیش از 1400 بیمار، با استفاده از آرایش نانویی «هوش مصنوعی» ترکیبی از نانوذرات طلا اصلاح شده و شبکه‌ای تصادفی از نانولوله‌های کربنی تک دیواره شدند. باتوجه به تعداد روزافزون آلاینده‌های شناسایی شده در آب آشامیدنی، چنین رویکردی بسیار ارزشمند است چراکه می‌تواند طوری برنامه‌ریزی شود تا گونه‌هایی را شناسایی کند که درحال‌حاضر معمول نیستند  (نیتروسامین‌ها[14]). علاوه‌براین، چنین رویکردی می‌تواند از طریق توسعه‌ی سیستم‌های نمونه‌گیری گاز که فضای خالی بالای نمونه‌ی آب را، آنلاین یا آفلاین، کنترل می‌کنند، برای شناسایی آلاینده‌های فرار و نیمه‌فرار بسیار پرکاربرد باشد. چنین طرحی کمک می‌کند تا رسوب حسگر به حداقل برسد. پیچیدگی در انواع و تراکم آلاینده‌ها رویکردی جایگزین به ‌عمل می‌آورد که حسگر بجای تمرکز بر آلاینده‌ها فردی و جداگانه به آلاینده‌های گروهی است. پیشرفت‌های اخیر در غربالگری غیرهدفمند  (NTS) با استفاده از طیف‌سنجی با رزولوشن بالا، تعداد دقیق آنالیت‌ها در ماتریس‌های وابسته به آب را نشان می‌دهد. در برابر این پیچیدگی و حجم دقیق داده جمع‌آوری شده توسط رویکردهای NTS، جامعه‌ی NTS، مانند انجمن‌های پروتومیک و متاژنومیک پیش از آن، روش‌های آنالیز داده‌ها و داده‌های طیفی را به اشتراک می‌گذارد و فعالانه به بحث درباره آینده NTS می‌پردازد.

شاخه‌ی نانوحسگر می‌بایست از این داستان‌های موفقیت‌های اولیه فراگرفته شود و حتی‌الامکان با همکاری فعالیت کند تا از سازگاری با سیستم‌های مختلف که باعث پیشرفت سریع گرایش می‌شود اطمینان حاصل کند.

 

دموکراتیزه کردن سنجش کیفی آب
تصفیه‌ی مرکزی و در مقیاس بالای آب در مناطقی با جمعیت بالا و قابلیت ساخت و حفظ زیرساخت‌های ضروری برای تصفیه‎‌ی آب توزیعی، از نظر اقتصادی به صرفه‌تر است. هرچند در نواحی روستایی و کشورها و مناطقی با منابع ناکافی برای ساخت‌وساز و نگهداری، چنین امکانات مرکزی نشدنی است. افزون‌براین، تلاش برای افزایش پایداری محلی در برابر خشکسالی و دیگر بلایا ما را به سمت مرکز زدایی سوق می‌دهد. بنا به این دلایل، مرکز زدایی یا تصفیه آب مبتنی بر POU به‌طور فزاینده‌ای به عنوان رویکردی مناسب درنظر گرفته می‌شود. گستره‌ POUها در طراحی فیلترهای کم‌هزینه تا طراحی‌های پیچیده مهندسی و گران که نانوذرات یا فیلترهای مهندسی شده را به‌کار می‌گیرند متغیر است. آمار فعلی نشان می‌دهد که وضعیت بازار POU سالانه بیش از 20 میلیون دلار است، و اینکه میلیون‌ها خانوار در چین و هند درحال‌حاضر از دستگاه‌های POU برای تصفیه‌ی آب شیر با کیفیت‌های نامعلوم استفاده می‌کنند نیز مهر تاییدی به آن می‌زند. مزایای سلامتی هر نوع از POU هنوز به‌طور قطع ثابت نشده، اما روشن است که کارایی آن‌ها در این زمینه بایستی ثابت شود. در  این زمینه، توسعه‌ی دستگاه‌های POU با نانوحسگرهای یکپارچه که عملکرد را تعیین می‌کنند بایستی حمایت شود.

پلتفرم‌های سنسوری با هزینه‌های بسیار پایین  (برای مثال آزمون‌‌های کاغذی، دستگاه‌های جابه‌جایی عرضی) و پر هزینه   (برای مثال الکترونیکی، مبتنی بر کارتریج) در مقالاتی برای آنالیز کیفی آب توضیح داده شده‌اند. هرچند انتقال چنین فناوری‌های نوینی از آزمایشگاه به بازار بسیار دشوار است. مسئله کلیدی که در ابتدا باید به آن توجه کرد این است که چگونه از پس هزینه‌های انتقال یک دستگاه آزمایشگاهی برآییم. با اینکه بازار محصولات گران قیمت POU بزرگ، رقابتی و مناسب توسعه، آزمایش، جای‌گیری و بازاریابی فناوری‌های نوین است، در بازار ارزانتر این شرایط وجود ندارد. درست مانند بسیاری از حسگرهای پزشکی کم‌هزینه اما نویدبخش، چالش‌های همراه با انتقال دستگاه‌های آزمایشی جدید به بازارهای جاافتاده یا نوپاتر وجود دارد که عمدتا بازار این حسگر ها افراد در طبقه‌ی پایین است و به دلیل نداشتن انگیزه‌ی مالی که برای توسعه‌، آزمایش و بازاریابی محصول ضروری است اغلب آزرده خاطر می‌شوند. بطورکلی اگر روش‌های جدید و فناوری‌های نوین راهی برای بدست آوردن جای پایی در این عرصه باشند، سود همراه با روش جدید عمدتا بالا و ریسک پذیرش آن کم است.

با تلفیق نانوحسگرها با دستگاه‌های POU یا توسعه نانوحسگرها به تنهایی، چه در بازار ارزان و چه در بازار گران، مشتریان می‌توانند کیفیت آب مصرفی خود را آزمایش کنند و تصمیم بگیرند آیا این آب با کیفیت‌تر است یا آبی که در بطری یا هر منبع دیگری است. دراین‌صورت،  سنجش کیفی آب به‌طور فزاینده‌ای دموکراتیزه  (انتخابی) می‌شود و چنین مشتریانی متوجه می‌شوند که برای تصفیه آب و تهیه آب قابل شرب بایستی سرمایه‌گذاری شود.

 

راه پیشِ رو
همانطور که قبلا هم گفته شد، صنعت تصفیه آب سنتی است و برای اینکه مفید واقع شود بایستی روش‌های جدید آنالیز برای دستیابی به قابلیت‌های جدید ابداع شود یا روش‌هایی ارائه شود که از نظر اقتصادی بتوانند با رویکردهای موجود رقابت کنند. روشن است که حسگرهای مبتنی بر نانومواد در حوزه پزشکی و صنعتی پیشرفت چشمگیری داشته‌اند. باتوجه به این مطالعات استفاده از این حسگرها در تصفیه آب مناسب است. البته لازم به ذکر است که آب آشامیدنی ماتریسی با متغیرهای بسیاری است که با ماتریس‌هایی که درحوزه‌ی توسعه نانوحسگرها  (خون و پلاسما) وجود دارند متفاوت است و ضروری است که استفاده از آن‌ها در حوزه‌ی تصفیه آب آشامیدنی به‌طور کامل بازتعریف شود.

در سراسر دنیا ممکن است کیفیت آب تا حد بسیار زیادی متغیر باشد، این تفاوت به میزان سختی، قلیائیت  (میزان مقاومت آب دربرابر تغییرات pH) ، مواد شیمیایی آلی ماکرومولکولی پس‌زمینه  (برای مثال موادآلی طبیعی) و همچنین آلاینده‌های آلی و غیرآلی که غلظت آن‌ها تا حد زیادی به کیفیت و نوع سرچشمه‌ای دارد که برای تولید آب آشامیدنی از آن استفاده می‌شود. پلتفرم‌های نانوسنسوری بایستی قابلیت آن را داشته باشند که آنالیت‌ها را در این گستره وسیع از شرایط کیفیتی آب و در حضور احتمالی ضدعفونی کننده‌های اکسیدکننده شناسایی کنند. درحال‌حاضر از رویکردهای بسیاری برای کنترل کیفی آب و شناسایی آلاینده‌ها استفاده می‌شود. این رویکردها در طول سال‌ها و در همه‌جا آزمایش و بهینه‌سازی شده‌اند. با توجه به این و ماهیت سنتی تصفیه آب، ضروری است که حساسیت و جزئی‌نگری  (محدودیت روش شناسایی) تمام نانوحسگرها در گستره وسیعی از شرایط کیفیتی متفاوت آب ارزیابی شود و سپس با تمام رویکردهای قابل جایگزین با نانوحسگرها مقایسه شود.

در گسترش نانوحسگرها نباید اهمیت امنیت مواد را در انتهای طراحی چرخه موردتوجه قرار داد، در عوض بایستی در ابتدا و به ‌عنوان بخش کلیدی در طراحی درنظر گرفته شود. بخش عظیمی از مقالات پیامدهای بهداشتی و محیط‌زیستی نانومواد را ارزیابی کرده‌اند، این مقالات را باید به منظور ارزیابی مواد مناسب برای طراحی نانوحسگرها موردتوجه قرار داد. اصل شیمی سبز که در فنانوری‌نانو اعمال شده، چارچوب مفیدی ارائه می‌دهد که می‌توان از آن برای توسعه‌ی طرح‌های مناسب، پایدار و غیرسمی که دارای عملکردی دلخواهند استفاده کرد.

پتانسیل نانوحسگرها برای نشان دادن آلودگی‌های آب در کشورهای پیشرفته و کمتر توسعه‌یافته تنها با بهبود مداوم در طراحی حسگرها و آزمون و خطای طرح‌های مختلف در شرایط واقعی بدست می‌آید. نانوحسگرها در زمینه‌ی کوچک‌‌سازی  و قابلیت شناسایی چندگانه در گروه‌های آلاینده امیدوارکننده هستند. دستیابی به این اهداف به جامعه جهانی کمک می‌کند تا مشکل دسترسی مساوی به علم امنیت آب مصرفی را حل کند. پتانسیل نانوحسگرها برای کنترل کیفی آب بسیار بالاست، اما درحال‌حاضر تنها وعده‌ای امیدبخش است.

 

منبع:

Peter J. Vikesland, Nanosensors for water quality monitoring,  Nature Nanotechnology, VOL 13,  AUGUST 2018, 651–660.