کاربرد پلیمرهای نشاندار مولکولی برای آنالیز باقیمانده‌ی آفت کش ها در غذا (1)

چکیده

کاربردهای روز افزون آفت کش ها برای اهداف کشاورزی موجب شده تا ریسک جدی در زمینه‌ی استفاده از این مواد ایجاد گردد. این ریسک به دلیل وجود باقیمانده های این آفت کش ها در غذا و آب آشامیدنی، ایجاد می شود. از آنجایی که ایمنی غذا یک مسئله‌ی بسیار مهم می باشد، لذا علاقه‌ی رو به رشدی در زمینه‌ی توسعه‌ی روش های تحلیلی ارزان قیمت و قابل اطمینان برای اندازه گیری باقیمانده‌ی آفت کش ها در غذا، بوجود آمده است. بوسیله‌ی این اندازه گیری ها و آنالیزها، اطمینان حاصل می شود که باقیمانده‌ی آفت کش ها کمتر از میزان حد مجاز (MRI) است. در سال های اخیر، یک روش جدید با استفاده از پلیمرهای نشاندار مولکولی (MIP) توسعه یافته است که نه تنها غلظت این آفت کش را تعیین می کند، بله همچنین توانایی استخراج انتخابی ماده‌ی مورد آنالیز را نیز دارا می باشد. این توانایی در زمانی حیاتی است که نمونه یک ماده‌ی پیچیده است و یا وجود ناخالصی در شناسایی اختلال ایجاد می کند. هدف از این بررسی، بررسی کلی زمینه‌ی پلیمرهای نشاندار مولکولی است. تمرکز این بررسی بر روی آماده سازی پلیمرهای نشاندار مولکولی و استفاده از آنها به عنوان جاذب برای استخراج حالت جامد می باشد. این مقاله، بر روی بررسی حالت کنونی استفاده از این پلیمرها به عنوان مواد انتخابی در استخراج حالت جامد نشاندار مولکولی تمرکز دارد که برای آنالیز باقیمانده‌ی آفت کش ها در غذاها ، مورد استفاده قرار گرفته است. یک بررسی برروی آماده سازی و استفاده از پلیمرهای نشاندار مولکولی (MIP) در غذاها نیز مورد بحث قرار گرفته است.

مقدمه

امروزه،‌ کشاورزی مدرن به طور گسترده مواد شیمیایی استفاده می کند. این مواد شیمیایی عمدتا در کودها و آفت کش ها قرار دارند. هدف از استفاده از این آفت کش ها و سموم، افزایش تولید محصولات غذایی می باشد. آفت کش های گیاهی مورد استفاده عمدتا به گروه های مختلف مواد شیمیایی تعلق دارند. این گروه ها عبارتند از ارگانو فسفرها (OPPs)، ارگانوکلرین ها (OCPs) و پیرتروییدها. استفاده از آفت کش ها می تواند موجب باقیماندن این مواد در غذا شود. در واقع متابولیسیم این مواد در هر محیطی (یعنی آب و خاک)، باعث می شود تا باقیمانده های این مواد شیمیایی در محصولات اساسی کشاورزی مانند جو و گندم، سبزیجات و میوه جات وجود داشته باشند. در سال های اخیر، مطالعات زیادی که در این زمینه انجام شده است، نشان داده است که این آفت کش ها موتاجنیک، سرطان زا، سیتوکسیک، ژنوکسیک، تراتوژنیک و ایمونوتوکسیک هستند و برخی بر روی عملکرد تولید اثر نامناسب دارند. بنابراین، انالیز باقیمانده های آفت کش ها در غذا و محیط زیست هنوز هم به عنوان یک موضوع بارز، مطرح می شود. سمیت باقیمانده های آفت کش ها موجب شده است تا قوانین و مقرراتی در مورد استفاده از آنها و میزان حد مجاز (MRI) آنها در غذا، برای آنها تدوین گردد. این قوانین این اطمینان را حاصل می کنند که میزان ماده‌ی سمی موجود در غذا در حد مناسبی است و بدین وسیله اثرات بد آنها بر روی سلامتی کاهش یافته است. یکی دیگر از اهداف ارزیابی میزان آفت کش ها در غذاها، اطمینان حاصل کردن از این موضوع است که ریسک سلامتی غذایی مربوط به رژیم غذایی حفظ شده است. اتحادیه‌ی اروپا، قوانین مربوط به کشاورزی و محصولات غذایی ایالات متحده‌ی آمریکا (FAO) و سازمان سلامت جهانی (WHO) هر کدام دارای میزان حد مجاز (MRI ) مربوط به آفت کش ها، هستند. قوانین مربوط به MRI با توجه به آنالیزهای حساس بدست آمده اند. با توجه به انواع مختلفی از آفت کش ها که ممکن است در داخل محصولات کشاورزی وجود داشته باشند، توسعه‌ی روش های آنالیز و نوع روش آنالیز مورد استفاده، خود به چالشی بزرگ تبدیل شده است. اخیرا، تکنولوژی پلیمرهای نشاندار مولکولی (MIP) بر پایه‌ی شناسایی مولکولی، توسعه یافته است. از این مواد در کاربردهای دیگر مانند جاذب های انتخابی در استخراج فاز جامد (MISPE) یا فازهای ثابت در کروماتوگرافی با کارایی بالا (HPLC) نیز استفاده می شود. استفاده از این مواد در این کاربردها، یک ابزار جدید و همه کاره برای تشخیثص کمی انتخابی مواد سمی در داخل غذا مهیا کرده است. در حقیقت، این به نظر می رسد که این روش برای کاربردهای استخراجی مناسب است و می توان از آن برای تشخیص مواد سمی مختلفی استفاده کرد. این روش همچنین دارای انتخاب پذیری قابل توجهی است. یاری این مطالعه، توصیف توسعه های اصلی در زمینه‌ی کاربردهای MIP ها در زمینه‌ی کاربردهای غذایی است. تمرکز این مطالعه بر روی مواد سمی موجود در غذاهاست. ما همچنین مزیت های استفاده از MIP ها را برای شناسایی و اندازه گیری مقادیر آفت کش ها در غذاها را مورد بررسی قرار داده ایم.
تکنولوژی پلیمرهای نشاندار مولکولی (MIPs)
سنتز پلیمرهای نشاندار مولکولی
نشاندار کردن مولکولی یک روش بر پایه‌ی تمپلیت است که اجازه‌ی طراحی و سنتز مکان های تشخیصی مصنوعی را می دهد. این مکان ها به نحوی مهندسی شده اند که برای هدف مورد نظر و ماده‌ی مورد نظر، آماده می شوند. به طور خلاصه باید گفت، تکنولوژی نشاندار کردن منجر به تشکیل ساختارهای ماکرومولکولی سه بعدی می شود. این ساختارها بوسیله‌ی فرایند پلیمریزاسیونی تولید می شوند که در آن از مولکول تمپلیتی و یک مونومر فانگشنال استفاده شده است. در واقع با انجام کوپلیمریزاسیون در حضور عوامل ایجاد پیوند عرضی و یک حلال پروژنیک، فرایند پلیمریزاسیون انجام می شود. از انجایی که تشکیل یک کمپلکس تمپلیت- مونومری برای پدیده‌ی نشاندار کردن مولکولی، حیاتی است، مونومرهای فانگشنال که برای سنتز مورد استفاده قرار می گیرند، باید با مولکول های تمپلیت واکنش دهند. در این فرایند، مونومرها به طور فضایی در حول تمپلیت قرار می گیرند و یک چنین وضعیتی بوسیله‌ی کوپلیمریزاسیون (پیوند عرضی) حفظ می شود. بعد از زدایش مولکول های تمپلیت، بواسطه‌ی اعمال چندین مرحله شستشو، ارتباط میان تمپلیت و مونومر گسسته می شود و مکان های اتصال ایجاد می شود. مولکول های نشاندار شده‌ی منتج شده، می توانند به عنوان یک زمینه‌ی ماکرومتخلخل در نظر گرفته شوند که دارای مکان های تشخیصی خاص و معینی هستند. به این مکان ها بخش های نشاندار می گویند. با ایجاد این بخش ها،‌ امکان آنالیز انتخابی وجود دارد. با ایجاد این بخش ها، پلیمر قادر است به طور انتخابی از مولکول نشاندار جدا شود و در داخل یک مخلوط رهاسازی شود (شکل 1). در نتیجه، این مواد پلیمری به طور انتخابی تنها بر روی مولکول های تمپلیت اتصال می یابند. در اینجا، انتخاب محتویات شیمیایی مورد استفاده در تولید MIP، نقش مهمی ایفا می کند زیرا این ترکیبات دارای اثر قابل توجهی بر روی مورفولوژی، خواص فیزیکی- شیمیایی و کارایی مواد پلیمری مورد استفاده، د ارند.
اگاهی یافتن در مورد نقش مواد شیمیایی مورد استفاده در آماده سازی MIP ها، کاری طاقت فرساست. با توجه به مقالات، برخی نکات باید در نظر گرفته شوند: انتخاب مونومرهای فانگشنال به دلیل نقش آنها بر روی تشکیل حفرات خاص، طراحی تمپلیت های پلیمری، اهمیت انتخاب مولکول های ایجاد کننده‌ی پیوند عرضی به دلیل عملکرد آنها بر روی کنترل مورفولوژی زمینه‌ی پلیمری. این ترکیبات همچنین برای پایدارسازی مکان های اتصال نشاندار و ایجاد پایداری مکانیکی بر روی ماده‌ی پلیمری، مورد استفاده قرار می گیرند و نقش مهمی برروی حفظ قابلیت تشخیصی مولکول ها دارند. در زمینه‌ی حلال پروژنیک مورد استفاده در فرایند نشاندار کردن، برخی فاکتورها مانند طبیعت و حجم دارای نقش کلیدی در فرایند نشاندار کردن مولکولی دارد. متداول ترین حلال های مورد استفاده در سنتز MIP، عبارتست از تولوئن، کلروفرم، دی کلرو متان و استونیتریل. نقش حلال در فرایند نشاندار کردن، به حلالیت تمام اجزای شرکت کننده (مانند مونومر، تمپلیت، آغازگر و ماده‌ی ایجاد کننده‌ی پیوند عرضی) در فاز یکسان، بستگی دارد. در طی فرایند پلیمریزاسیون، حلال می توان منجر به تشکیل حفرات بزرگ می شود که این حفرات نیز این اطمینان را حاصل می کند که جریان مناسبی ایجاد شده و MIP مناسبی تشکیل می شود. بنابراین، این حلال همچنین به عنوان عامل پروژن شناخته می شود. در بیشترسنتزهای متداول MIP، حلال های قطبی و غیر پروتونی انتخاب می شود. به هر حال، اگر نیروهای آب گریز درگیر باشند،آب و یا سایر حلال های پروتونی ترجیح داده می شوند. ماده‌ی آغازگر همچنین نقش قابل توجهی بر روی اماده سازی MIP ها ایفا می کنند. عموما، استفاده از میزان آغازگر بیشتر، منجر به تشکیل پلیمرهای صلب تر با شکل معین می شود که دارای حفرات نشان دار بیشتری هستند. درعوض، وقتی مقدار آغازگر مورد استفاده کاهش یابد، دمای پیک در داخل مخلوط پلیمریزاسیون، کاهش می یابد و پلیمرهایی تولید می شود که دارای حفرات نشاندار با کیفیت بیشتری می شود. همانگونه که در شکل1 نشان داده شده است، این مکان های تشخیصی، مشابه با مکان های پیوندی سیستم های پلیمری، عمل می کنند. این مکان ها، آنتی بادی ها و آنزیم ها نامیده می شوند. به هرحال، برخلاف مواد بیولوژیکی، MIP ها در گستره‌ی وسیع تری از pH، فشار و دما، پایدار هستند. علاوه بر این، مواد پلیمری به سهولت بیشتری برای یک گستره‌ی وسیع از زیرلایه ها، سنتز می شوند و قیمت آنها کمتر از آنتی بادی هاست. علاوه براین، ماندگاری MIP ها بالاست و می توان آنها را برای مدت چند سال ذخیره سازی نمود. ذخیره سازی آنها به مدت چند سال در دمای اتاق هیچ کاهش ظاهری بر روی کارایی آنها ندارد. سایر مزیت های MIP ها عبارتند از توان بالای آنها و مزیت های ظاهری دیگر می باشد. علاوه بر این، این مواد پلیمری می توانند برای چند بار استفاده شوند بدون آنکه کاهشی در اثر آنها ایجاد شود. نشاندار کردن مولکولی با توجه به طبیعت برهم‌کنش‌های میان مونومر و تمپلیت در طی فرایند پلیمریزاسیون، طبقه بندی می شوند. امروزه، عمده ترین روش های مورد استفاده برای آماده سازی MIP ها بر اساس برهم‌کنش‌های کوالانسی، غیر کوالانسی، شبه کوالانسی و فلز واسط، طبقه بندی می شوند. نشاندار کردن غیر کوالانسی همچنین روش خود مونتاژی نامیده می شود که مشخصه‌ی آن ایجاد برهم‌کنش‌های ضعیف میان مولکول های تمپلیت و مونومرهای عامل دار است. مثال هایی از این نوع برهمکنش عبارتست از پیوند هیدروژنی، نیروهای واندروالس و برهم‌کنش‌های یونی یا آب دوست (شکل 3a). برای افزایش استحکام آرایه های مونومری عامل دار و تمپلیتی، مولکول های تمپلیت باید دارای مکان های عامل دار باشد. در این روش، مونومرهای عامل دار به طور مازاد مورد استفاده قرار می گیرند. در نتیجه، یک آرایه‌ی ساختاری از مواد تجزیه شونده‌ی هدف، مولکول مصنوعی نامیده می شود. این مولکول به دلایل اقتصادی مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین استفاده از انها، ریسک نشت تمپلیت باقیمانده از پلیمر را کاهش می دهد. این مسئله یکی از مسائل ایجاد کننده‌ی خطا در بسیاری از آنالیزها می باشد. این پدیده که همچنین اختلال تمپلیتی نامیده می شود، یکی از مسائل بحرانی در نظر گرفته می شود مخصوصا در روش MISPE. در روش نشاندار کردن غیر کوالانسی، این متداول است که از حلال های با قطبیت کمتر مانند کلروفرم یا تولوئن استفاده شود. این حلال ها، تشکیل برهم‌کنش‌های غیر کوالانسی- قطبی را تشهیل می کند. این برهم‌کنش‌ها تشکیل کمپلکس های مونومری عامل دار را در تمپلیت، ترقیب می کند. استفاده از حلال های قطبی تر، موجب ایجاد تفکیک برهم‌کنش‌های غیر قطبی در ترکیب پیش پلیمر می شود، و موجب محدود شدن استفاده از این حلال ها در فرایند نشاندار کردن غیر قطبی می شود. شکل 2 برخی ترکیبات را نشان می دهد که به عنوان عوامل مونومری عامل دار و ایجاد کننده‌ی پیوند عرضی، در سنتز MIP ها مورد استفاده قرار می گیرد.
در نشاندار کردن کوالانسی که به عنوان یک روش دوباره سازماندهی شده، نامیده می شود، حالت کوالانسی بازگشت پذیر است و پیوند های موجود در این روش،‌ به آسانی گسسته می شوند. در واقع این پیوندها میان مولکول های تمپلیت و مونومرهای عامل دار بوجود می آید که ذاتا پیوندهای برگشت پذیر است. تشکیل این پیوندها موجب تشکیل توده ای هموژن از مکان های پیوند، می شود(شکل 3b).
دراین روش، کمپلکس تمپلیت- مونومر بدست می آید( بدون آنکه از مونومر عامل دار اضافی استفاده شود) و بدین وسیله از ایجاد برهم‌کنش‌های اضافی جلوگیری می شود. این تکنیک ها نیازمند سنتز کمپلکس های تمپلیت- مونومر، پیش از پلیمریزاسیون است.همچنین این روش نیازمند ایجاد پیوندهای کوالانسی است تا بدین صورت تمپلیت از زمینه‌ی پلیمری زدوده شود. این مسئله نشاندهنده‌ی برخی از محدودیت های این روش است. علاوه براین، انتخاب محدود مونومرهای عامل دار که در این روش انجام می شود، کاربرد پذیری این روش را کاهش می دهد.
روش شبه کوالانس از پیوند کوالانسی میان تمپلیت و گروه های با قابلیت ایجاد پلیمر، استفاده می کند. استفاده از این پیوند ها منجر به تشکیل پلیمر می شود (شکل 4). در برهم‌کنش‌های غیر کوالانسی، از پیوند دهی مجدد تمپلیت استفاده می شود. مشابه با روش نشاندار کردن کوالانسی، روش شبه کوالانسی نیز به تعداد اندکی از گروه های عامل دار، محدود می شود. این گروه ها را باید پیش از پلیمریزاسیون، بر روی تمپلیت ایجاد کرد.
برهم‌کنش‌های اتصال فلزی کاملا جهت دارند و فرصت مناسبی برای طراحی MIP ها در محیط حلال های پروتونی، پدید می آورند. با استفاده از این روش، امکان تولید MIP های با خواص تشخیصی و جدید، را فراهم می آورد. در این روش، یون های فلزی (عمدتا فلزات انتقالی)، با لیگاندهای با قابلیت پلیمریزاسیون، کمپلکس می شوند و به تملیت اتصال داده می شوند. استحکام این برهمکنش بوسیله‌ی حالت اکسیداسیون فلز و خواص لیگاند، تعیین می شود. این پیوند می تواند استحکامی برابر با پیوند کوالانسی داشته باشد. برخی از مزیت های این روش عبارتند از: تشکلیل این پلیمرها در داخل محیط های آبی قابل انجام می باشد (بدون نیاز به استفاده از حلال های سمی و مضر). یکی دیگر از مزیت های این روش، قابلیت برهمکنش یون های فلزی با انواع مختلفی از گروه های عامل دار، لیاندهای مختلف می باشد. این کار اجازه‌ی تغییر خواص کوئوردیناسیون یون فلزی را فراهم می آورد. بنابراین، روش های غیر کوالانسی انعطاف پذیرترین و سر راست ترین روش است که در آن از یک گستره‌ی وسیع از مولکول های تمپلیت استفاده شده است. این روش، روش مناسبی است با اینکه پایداری کمپلکس های ایجادی در برهم‌کنش‌های کوالانسی، بیشتر است. اثر نشاندار کردن که به معنای تغییر گزینش پذیری MIP ها برای تشخیص عوامل مختلف است، شامل مطالعه‌ی برهم‌کنش‌های میان تمپلیت یا مواد مورد آزمایش و MIP هاست. این مطالعات به طور موازی با مطالعات انجام شده بر روی پلیمرهای غیر نشاندار( NIP)، انجام شده است. این پلیمرهای غیر نشاندار از روشی مشابه با روش مورد استفاده در تولید MIP ها تولید شده اند ولی بدون استفاده از تمپلیت. در نتیجه، NIP ها دارای حفرات ویژه نیستند و استحکام برهم‌کنش‌های میان تمپلیت یا مواد مورد آنالیز و NIP کمتر از برهم‌کنش‌ها با MIP هاست. با وجود گزینش پذیری بالای بدست آمده بوسیله‌ی MIP ها، برخی محدودیت ها نیز در استفاده از آنها وجود دارد. این محدودیت ها عبارتند از زمان بر بودن و فرایند آماده سازی پیچیده‌ی آنها، ظرفیت پیوند پایین، قالبلیت دستیابی پایین به مکان های فعال و کینتیک اتصال آهسته. تلاش ها برای فایق آمدن بر این مشکلات بر روی بهینه سازی ساختار مواد نشاندار شده و اصلاح اشکال آنها، تمرکر دارد. اخیرا، برخی از گروه های تحقیقاتی، روش هایی را معرفی کرده اند که سرعت انجام آزمایش را کاهش می دهد. در این روش ها از MIP های بهینه‌ی برپایه‌ی شیمی ترکیبی، استفاده شده است. یکی دیگر از محدودیت های درطراحی MIP های سازگار با آب است. این محدودیت مخصوصا در زمانی بیشتر نمود پیدا می کند که فرایند نشاندار کردن برای آماده سازی مواد ماکرو متخلخل (با استفاده از برهم‌کنش‌های غیر کوالانسی)، استفاده شود. در این مورد، مولکول های آب با تمپلیت رقابت می کنند و این رقابت موجب تضعیف شدن یا تخریب شدن برهم‌کنش‌های غیر کوالانسی میان تمپلیت و مونومرهای عامل دار می شود. با وجود این، این به نظر می رسد که استفاده از برهم‌کنش‌های با اتصال فلزی، یک روش بسیار مورد اعتماد است.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون، بلامانع است.