متن مقاله / گزارش

نانومترولوژی و چالش‌های تنظیم مقررات سلامتی (بخش اول)

تاریخ : 1396/04/07 تعداد بازدید : 209 دسته بندی : استانداردسازی
مترولوژی:
مترولوژی علمی است که تمام جنبه‌های نظری و عملی مربوط به اندازه‌گیری را در بر می‌گیرد و منظور اندازه‌گیری‌هایی است که دارای دقت بالایی هستند. زمانی که قرار است در مورد موضوع مهمی تصمیم‌گیری شود توجه زیادی به مفاهیم مترولوژیکی می‌شود. این اندازه‌گیری‌ها در هر کجا که لازم باشد قابل تبدیل شدن به سیستم بین‌المللی (IS) است.
در حال حاضر به دلیل اندازه‌گیری‌های دقیق، نتایج آزمایشگاهی که امروزه انجام و ارائه می‌شود، بهتر از سوی مردم پذیرفته می‌شود. براساس الزامات استاندارد ISO/IEC 17025 اندازه‌گیری که قابل رهگیری نباشد دقیق نیست. شواهدی که برای رهگیری یک اندازه‌گیری جمع‌آوری می‌شوند از نقطه نظر ارزیابی کیفیت اهمیت زیادی دارند.
یکی از مهمترین اصول برای ایجاد نتایج قابل اعتماد، انجام مقایسه‌های بین آزمایشگاهی در سطح بین‌المللی است. برای انجام چنین مقایسه‌هایی باید نتایج گزارش شده حاوی اعداد مربوط به عدم قطعیت بوده و در آن از نمونه استانداردهای اصلی و بین‌المللی با قابلیت رهگیری استفاده شده باشد. در بخش صنعت، قابلیت اطمینان نتایج اندازه‌گیری شده، پایه و اساس تولید محصولات یا ارائه خدمات با کیفیت بالا هستند. این موضوع موجب شده تا کسب و کار ملی و بین‌المللی کشورها متأثر از مترولوژی بوده و علاقه زیادی برای فائق آمدن بر سدهای موجود در این مسیر وجود داشته باشد.

فناوری‌نانو و نانومترولوژی:
به اجسامی که یکی از ابعاد آنها بین یک تا صد نانومتر باشد، نانومواد اطلاق می‌شود. نانومواد معمولا باید به شکلی باشند که نیمی از جمعیت ذرات به هم نچسبیده و یکی از ابعاد آنها در مقیاس یک تا صد نانومتر باشد.
نانومترولوژی موضوعی است که در آن به اندازه‌گیری گونه‌ها یا رویدادها در مقیاس نانومتری پرداخته می‌شود برای مثال، برهم‌کنش میان مولکول‌ها و زیست‌مولکول‌ از جمله موارد مورد بحث در نانومترولوژی است. بزرگترین چالش در حوزه نانومترولوژی، توسعه و ایجاد روش‌های اندازه‌گیری جدید است که بتواند با دقت بالا نتایج مورد نظر محققان را ارائه کند. این نوع اندازه‌گیری برای صنایع بسیار مفید و مناسب است.
برزیل به‌عنوان یکی از کشورهای سرمایه‌گذاری کننده در حوزه نانومترولوژی شناخته می‌شود. این کشور در سال 2008 اقدام به تاسیس مرکز نانومترولوژی در سازمان ملی فناوری، کیفیت و مترولوژی کرد. اتحادیه اروپا نانومترولوژی را به چند حوزه مختلف دسته‌بندی کرده است: لایه‌های نازک، الکتریکی، مکانیکی، زیستی، شیمیایی، ابعادی، مدل‌سازی و شبیه‌سازی.

ابعادی:
نانومترولوژی ابعادی، به‌صورت مستقیم به اندازه‌گیری خواص ابعاد ماده در مقیاس نانو می‌پردازد. با توجه به کاربردهای مختلف فناوری‌نانو، کنترل دقیق ابعاد در فرآیند تولید اهمیت زیادی دارد. بنابراین، روش‌های اندازه‌گیری می‌تواند منجر به ارائه نتایج با ارزشی شود. در حال حاضر برای تعیین ابعاد ذرات از روش‌هایی نظیر میکروسکوپ الکترونی، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و اینترفرومتری نوری استفاده می‌شود.
میکروسکوپ نیروی اتمی مدت‌هاست که به‌عنوان ابزاری رایج برای اندازه‌گیری در فناوری‌نانو استفاده می‌شود. این دستگاه می‌تواند با قدرت تفکیک بالا و با استفاده از نوک بسیار تیز خود تصویربرداری کند. قدرت تفکیک این میکروسکوپ هم به‌صورت جانبی و هم عمودی قابل ارائه است. این دستگاه قادر به تصویربرداری در مقیاس نانومتری بوده و معمولا به‌صورت مکمل با دیگر روش‌های اندازه‌گیری به کار می‌رود. موسسه ملی مترولوژی، اینترفرومتری نوری را به‌عنوان ابزار اصلی برای اندازه‌گیری تفاوت بسیار ناچیز میان ارتفاع دو جسم پیشنهاد می‌کند. در حال حاضر امکان ارائه قدرت تفکیک زیر یک نانومتر با این ابزار میسر است. با این حال این دستگاه دارای اشکالاتی است برای مثال، در محدوده‌های نانومتری و زیر یک نانومتری خطاهایی وجود دارد که با استفاده از الگوریتم‌هایی این خطاها قابل رفع و رجوع است. در حال حاضر در حوزه مترولوژی اینترفرومتری نوری به محدودیت عملکردی خود رسیده است. موسسات مترولوژی مختلف در حال ارائه روش‌هایی برای بهبود این ابزار هستند.
میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) قادر است هم در مقیاس‌های بالا و هم در پایین تصویربرداری کند. پرتوی برخورد کرده به سطح، بعد از بازگشت و رسیدن به شناساگر موجب تشکیل تصویر می‌شود. این میکروسکوپ تنها از سطوح مسطح و دو‌بعدی تصویر گرفته و تمام فرآیند نیز در خلاء انجام می‌شود. در حال حاضر موسسات مترولوژی مختلف از این ابزار برای کالیبراسیون نانوذرات استفاده می‌کنند.

شیمیایی:
در نانومترولوژی شیمیایی، اندازه‌گیری خواص و ترکیب شیمیایی مواد، حالات شیمیایی و خواص ساختاری مواد در مقیاس نانومتری ارائه می‌شود. این روش‌ها می‌تواند به‌صورت مکمل هم مورد استفاده قرار گیرند. از این دسته روش‌ها می‌توان به طیف‌سنجی‌های XPS، AES، EELS، SIMS و EDS اشاره کرد. طیف‌نگاری فوتوالکترون پرتوی ایکس XPS)) روشی است که در آن، غلظت و گونه‌های شیمیایی مواد به‌صورت کمی مورد بررسی قرار می‌گیرد. از این روش برای مشخصه‌یابی نانوذرات استفاده می‌شود. AES (اسپکتروسکوپی الکترون اوژه) برای شناسایی ترکیب شیمیایی سطح نانوساختارها تا ابعاد 10 نانومتر استفاده می‌شود. این روش، برای تعیین شیمی فضایی نیمه‌هادی‌ها به‌ویژه نقاط کوانتومی و همچنین سنجش آلودگی شیمیایی در ادوات الکترونیکی استفاده می‌شود. طیف‌سنجی جرمی یون‌های ثانویه(SIMS) برای تعیین ساختاری شیمیایی سطح مواد استفاده می‌شود. این روش حساسیت بالایی داشته و توسط صنایع الکترونیک و گروه‌های زمین‌شناسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اسپکتروسکوپی اشعه X انرژی متفرق (EDS) روشی است که معمولا با میکروسکوپ الکترونی جفت می‌شود و در نهایت، عناصر موجود در نمونه را با استفاده از نشر پرتو ایکس و اختلاف انرژی موجود در پرتو ایکس ایجاد شده شناسایی می‌کند. طیف نگاری الکترونی افت انرژی (EELS) با میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) جفت می‌شود و گونه‌های شیمیایی یک ماده را شناسایی می‌کند. همچنین نوع پیوند شیمیایی مواد با این روش قابل استخراج است. علاوه براین روش‌ها، طیف‌سنجی رامان(Raman) و تبدیل فوریه ی مادون قرمز (FTIR) نیز برای تعیین گروه‌های عاملی نمونه‌های جامد، مایع و گاز و همچنین لایه‌های نازک با ابعاد کمتر از 100 نانومتر به کار می‌رود. طیف‌سنجی رامان معمولا با FTIR جفت شده تا بتواند با حساسیت بالا نانوساختارهای کربنی نظیر نانولوله، گرافن و نانوروبان را مشخصه‌یابی کند.
برای این دسته از روش‌ها، نمونه‌های استاندارد مختلف ساخته شده‌است اما هنوز نیاز زیادی در حوزه ساخت مواد استاندارد و مرجع وجود دارد. همچنین باید این روش‌ها را به‌گونه‌ای بهبود داد که امکان افزایش قدرت تفکیک و حساسیت وجود داشته باشد.

زیست‌شناسی:
نانوزیست‌ مترولوژی از علوم نوظهوری است که به دنبال مشخصه‌یابی مواد زیستی در مقیاس نانومتری است. این رشته در حوزه‌های داروسازی و پزشکی کاربرد داشته و از آن می‌توان در بخش ساخت ادوات قابل کاشت در بدن، نانوزیست‌مواد مهندسی شده و پزشکی شخصی استفاده کرد.
از نقطه نظر سلامت، فناوری‌نانو می‌تواند برای تشخیص و رصد بیماری و همچنین درمان برخی بیماری‌ها مورد استفاده قرار گیرد. فناوری‌نانو موجب ظهور صنایع جدیدی شده که محصولات، تجهیزات و داروهای مختلفی نتیجه ظهور این فناوری‌ها است. یکی از کاربردهای نانوزیست‌فناوری، اندازه‌گیری دما در سلول‌های زنده در مقیاس نانومتری است که در نتیجه آن امکان تعیین نقشه گرادیان دمایی درون سلولی فراهم می‌شود. نانومترولوژی زیستی یک علم کاربردی در بخش‌های مختلف سلامت و علوم زیستی است که به شکل روزافزونی در حال نفوذ در لایه‌های مختلف جامعه است. این کار با ارائه محصولاتی نظیر حسگرهای گلوکز و نانوداروهای ضدسرطان در حال انجام است. با تمام این پتانسیل‌ها، مترولوژی در حوزه زیستی هنوز در مراحل اولیه رشد خود قرار دارد و نیاز مبرمی برای توسعه ابزارها و روش‌های اندازه‌گیری دارد.
موسسه‌های مترولوژی در سراسر جهان درگیر فعالیت‌های مترولوژی در حوزه نانوزیست‌فناوری هستند. در اروپا کونانومت گزارشی درباره اولویت‌های تحقیقاتی آینده در حوزه مترولوژی زیستی منتشر کرده است که این حوزه ها به قرار ذیل هستند:
1- مشخصه‌یابی خواص شیمیایی، فیزیکی، ساختاری و مکانیکی نانوزیست‌مواد و سطوح زیستی و همچنین ساختار‌های زیستی مهندسی شده.
2- سنجش کمی، تعیین توزیع، شناسایی ساختاری و فعالیت‌های مواد زیستی.
3- اندازه‌گیری و توزیع نانوذرات در سیستم‌های زیستی.
تعیین مشخصات ساختارهای نانومقیاس بدون تغییر خواص اولیه نمونه، اهمیت زیادی در تحقیقات فناوری‌نانو دارد. روش‌های مختلفی با هدف افزایش دقت در آنالیز ساختارهای زیستی نظیر اسیدهای نوکلئیک، پروتئین‌ها، سلول‌ها و میکرواورگانیسم‌ها ابداع شده‌است. روش‌هایی نظیر انتقال انرژی رزونانس فلورسانس (FRET)، رزونانس پلاسمون سطحی، میکروبالانس بلوری کوارتز، طیف‌سنجی رامان و IR از روش‌های رایجی است که در مترولوژی محیط‌های زیستی استفاده می‌شود.
نانوزیست‌ مترولوژی برای اندازه‌گیری دقیق ساختار، ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی زیست‌مواد نانوساختار کاربرد دارد. در حال حاضر از نانوذرات در بخش پزشکی و داروسازی استفاده می‌شود. نانوذراتی که برای این کار استفاده می‌شود، با رسیدن به سلول‌ها، توسط دیواره سلولی بلعیده شده و در نهایت وارد سلول می‌شوند. این کار می‌تواند موجب بروز مشکلاتی در سلول‌ها شود که دلیل این امر، رهایش گونه‌های مخرب اکسیژن، نظیر رادیکال‌های اکسیدکننده توسط این نانوذرات است. هنوز اثرات متقابل میان نانوذرات و محیط‌زیست برای محققان خیلی شفاف و روشن نیست و گروه‌های مختلف تحقیقاتی برای بررسی اثرات سمی این نانومواد روی محیط‌زیست در حال مطالعه هستند. برای ایجاد ایمنی در محصولات باید قوانین مناسبی وضع شود. در حال حاضر نیاز مبرم و فوری به تحقیقات روی اثر نانوذرات بر بدن وجود دارد که در این تحقیقات نانومترولوژی می‌تواند نقش بسیار مهمی ایفا کند. روش‌ها و ابزارهای مختلفی برای بررسی، مشخصه‌یابی، توزیع و سیستم‌های زیستی وجود دارند. آگلومره شدن (تجمع ذرات) در نتیجه ویژگی‌های فیزیکی شیمیایی سطوح نانوذرات اتفاق می‌افتد. وجود برخی ویژگی‌های سطحی موجب اتصال نانوذرات به زیست مولکول‌ها می‌شود. پدیده آگلومره شدن در نتیجه اتفاقات مختلفی نظیر جذب و واجذب زیست مولکول‌ها در سطح نانوذرات است که این فرآیند پیچیدگی بالایی دارد.
طبیعت کمپلکس پروتئین نانوذره اثر شگرفی روی نوع برهم‌کنش میان نانوذرات و سیستم‌های زیستی دارد و همین برهم‌کنش‌ها هستند که تعیین کننده میزان سمی بودن نانوذرات هستند. به همین دلیل، نیاز جدی به ارائه روش‌های دقیق و قابل رهگیری در ارزیابی توزیع نانوذرات در محیط‌های زیستی وجود دارد. از آنجایی که دامنه کاربرد نانوذرات در سیستم‌های زیستی نظیر نانودارو و نانوحامل‌ها رو به افزایش است بنابراین، باید هر چه سریع‌تر روش‌های ارزیابی توسط سازمان‌های نانومترولوژی تدوین شوند.

مرجع:
Nanometrology - challenges for health regulation,
Vigilância Sanitária em Debate 11/2013; 1(4(. (Jailton Carreteiro Damasceno Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro), Rio de Janeiro, RJ, Brazil , E-mail: jcdamasceno@ inmetro.gov.br)