АГРОХИМИЯ, 2011, № 4, с. 3-21
УДК 63.54
НАНОФИТОСАНИТАРИЯ - НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ, ОБЪЕДИНЯЮЩЕЕ НАНОТЕХНОЛОГИЮ И СОВРЕМЕННУЮ ЗАЩИТУ РАСТЕНИЙ. ЧАСТЬ 2. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ
ФИТОСАНИТАРИИ
© 2011 г. В.А. Захаренко
Российская академия сельскохозяйственных наук 117218 Москва, ул. Кржижановского, 15, корп. 2, Россия Е-ша11:гч>а@^гошги.сош
Поступила в редакцию 11.10. 2010 г.
Рассмотрены перспективные нанотехнологии в области фитосанитарии, а также вопросы разработки перспективных наноматериалов и методов исследований на наноуровне в этой области. Ключевые слова: нанотехнология, фитосанитария, наноматериалы, методы исследований.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ ФИТОСАНИТАРИИ
Микроэлектроника и электронные приборы. Одна из областей приложения нанотехнологии в защите растений, которая сейчас входит в практику -современная микроэлектроника и электронные приборы, основой которых являются сверхбольшие интегральные схемы, реализованные по нормам 32-180 нм. Это ручные или автоматические навигаторы, представляющие собой приборы, в которых интегрированы навигационно-телекоммуникаци-онные и мультимедийные решения, которые заслуживают внимания для развития фитомониторинга.
Подъем уровня фитомониторинга на основе на-вигационно-телекоммуниционных технологий связан с развитием российской глобальной навигационной системы ГЛОНАСС, которая может дать новый толчок разработке и производству современных чипов для потребителей навигационной аппаратуры, вытеснению дорогого зарубежного оборудования, поддерживающего систему NAVSTAR (GPS) [32]. Достижения в развитии глобальной навигационной системы ГЛОНАСС позволят осуществлять разноуровневый фитосанитарный мониторинг (от частей поля до регионов и страны в целом) в стационарном и динамическом режимах, в пространстве и во времени.
Современные проблемы нанофитосанитарии связаны, прежде всего, с изучением эффективности применения биологической и экологической безопасности наноматериалов в агроэкосистемах.
Нанофитосанитария включает следующие направления исследований веществ в фитосанитарии: нанесение, осаждение, удерживание, проникновение и перемещение пестицидов и биологических средств защиты растений к местам действия в растениях и вредных организмах, визуализацию на-ночастиц, применение молекулярной биологии (нанороботов, машин для восстановления клеток, нанометрологии).
Нанофитосанитария предполагает получение от нанотехнологии ценного набора инструментов, необходимых при создании и исследованиях в ближайшем будущем диагностических и полезных для мониторинга устройств. От нанотехнологии реально ожидают нового, инновационного и коммерческого применения ее достижений в производстве пестицидов и биологических средств защиты растений.
Электронный интерфейс и другие наноэлектро-ники получат развитие в высокоточной (точечной) защите растений и в общей системе высокоточного земледелия.
Нанофитосанитария уже в настоящее время представляет крупную сферу в мировой экономике. Ее направления, реализуемые в биотехнологии, в частности в генной инженерии, в настоящее время оценены суммой 30 млрд. долл. по показателю годового объема продаж семенного материала ген-модифицированных растений; в то время как годовой объем продаж генно-инженерных фармпрепаратов оценивается в 26 млрд. долл. США [33].
НАНОПРИБОРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АНАЛИЗОВ НАНОЧАСТИЦ
Первый этап развития нанотехнологических работ в защите растений связан с их научным, методологическим и приборным обеспечением для анализа наноматериалов, например, нанопестицидных препаратов, а также наноразмерных организмов, частей организмов, метаболизма веществ и др., используемых в фитосанитарии.
В качестве оригинальных устройств, позволяющих изучать нанообъекты (визуализацию и их перемещение), выступают сканирующие зондо-вые микроскопы: атомно-силовой и туннельные. В 1986 г. E. Ruska, G. Binning и H. Roher получили Нобелевскую премию по физике за разработку электронного и сканирующего микроскопов (http://www.nano.gov).
Основой атомно-силового микроскопа служит микрозонд - тонкая пластинка-консоль, на конце которой размещен острый шип, заканчивающийся одним или группой атомов. Над шипом расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда шип опускается или поднимается на испытуемой поверхности образца, отраженный луч отклоняется, его отклонение регистрируется. В результате можно строить объемный рельеф поверхности испытуемого объекта, проводить его идентификацию.
Сканирующий микроскоп позволяет перемещать атом в точку, выбранную оператором на поверхности. Для этого создают условия, чтобы атом "прилип" к острию микрозонда, а потом зонд перемещают и сбрасывают атом на новое место. Таким образом, можно создавать наноструктуры размером порядка 1 нанометра, как это было продемонстрировано сотрудниками IBM [17]. Ведутся работы по совершенствованию микроскопов и их адаптации для выполнения различных работ.
Широкое практическое использование сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) для контроля геометрических параметров наночастиц требует существенного повышения уровня его характеристик при массовом проведении измерений.
Технология сбора статистической информации о параметрах частиц подразумевает быстрый первоначальный поиск этих частиц на поверхности образца, а затем последовательное определение параметров каждой частицы. Для решения поставленной задачи разработано и использовано специализированное вычислительное устройство - сигнальный процессор (СП), реализованный при создании системы управления СТМ на основе цифровой схемотехники. С помощью цифрового СТМ решена
также задача последовательного выполнения двух этапов: обнаружения частиц на большой площади поверхности образца (10 х 10 мкм2) с относительно невысоким разрешением и определения геометрических параметров наночастиц (площадь исследуемой области -1000 х 1000 А2) с высоким (атомарным) разрешением.
Разработанное цифровое СТМ за счет применения многосекционного сканера позволяет проводить исследования как с атомарным разрешением, так и исследования с большим полем зрения. Программное обеспечение (ПО) цифрового СТМ, разделенное между двумя разнородными вычислительными устройствами (сигнальным процессором и основной ЭВМ), позволило не только осуществлять обработку, хранение, но и вывод информации на дисплей [34, 35].
Наряду со сканирующей зондовой микроскопией, которая является мощным инструментом трехмерной визуализации нанообъектов живой природы (ДНК, РНК, белков, липополисахаридов, бислойных мембран и их комплексов) активно развивается новое направление - бионаноскопия молекулярного узнавания, которое связано с дальнейшим совершенствованием зондовой микроскопии и родственных экспериментальных методов, а также необходимо, когда требуется постановка прецизионных экспериментов по изучению парного взаимодействия между отдельными молекулами заранее известного состава и структуры. Необходимость таких исследований обусловлена потребностями создания искусственных сенсорных систем, по чувствительности и избирательности приближающихся к органам обоняния человека и животных, а также к соответствующим органам насекомых. В настоящее время с помощью атомно-силовой микроскопии удается регистрировать силовое взаимодействие между отдельными макромолекулами. Однако остаются нерешенными вопросы невозму-щающего закрепления исследуемых молекул на твердой подложке, установление взаимосвязи между регистрируемыми силовыми взаимодействиями и информационными состояниями макромолекул. Системы обоняния в живой природе существенно превосходят по всем параметрам искусственно создаваемые сенсоры и датчики. Это касается, в частности, технологий работ в фитосанитарии с феромонами насекомых и при изучении коммуникационных связей различных организмов [36].
Мощным средством нанотехнологий может стать лазерный пинцет, представляющий собой устройство, использующее сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов. С помощью пинцета можно перемещать час-
тицы размером от 10 нм до 10 мкм, собирать их в различные структуры.
Для исследований можно использовать биологические методы переноса нанообъектов. Перспективными при проведении исследований являются углеродные нанотрубки - супрамолекулярные структуры, состоящие исключительно из атомов углерода. Их особенностью является форма: они выглядят как замкнутые, полые внутри трубки. Трубки прочнее графита, так как в отличие от графита, у которого атомы углерода находятся в листах, в этом случае атомы образуют трубчатую поверхность, которую труднее согнуть и разорвать. Нить из нанотрубок толщиной в человеческий волос способна удерживать груз в сотни кг. Необычные электрические свойства нанотрубок могут сделать их одним из основных материалов нано-электроники. Квантовые трубки являются перспективным инструментом для биологов-фитоса-нитаров.
Способностью собираться вместе и образовывать наноразмерные структуры обладают не только атомы углерода, но и многие другие атомы, не только одного элемента, но и сочетания нескольких, и не только с различными атомами, но и с молекулами. Такие наноструктуры в объемном изображении напоминают пирамидку и называются квантовыми точками. В то время как внутреннюю структуру атомов мы не можем изменять, параметры квантовых точек можно задавать и определять. Квантовые точки обладают способностью самосборки в растворе, которая может быть эффективной при создании контролируемых высокодиспер-гированных форм препаратов. Квантовые точки различных размеров в растворах светятся разным светом при облучении монохроматическим светом (одной длины волны), поэтому они представляют удобный биологический инструмент для изучения внутренних структур клеток. Был разработан метод "пришивания", "присоединения" к квантовым точкам молекул, которые бы прилипали к изучаемой внутриклеточной структуре и вызывали ее цветное отображение.
Перспективным элементом для изучения нано-мира являются дендримеры - наноструктуры, образующиеся при соединении огромного числа молекул и обр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.