برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۷,۴۲۷
  • بازدید این ماه ۵
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۹۱
  • قبول شدگان ۱۲۳
  • شرکت کنندگان یکتا ۷۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۵۹
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نانوذرات اصلاح شده با مایعات یونی و کاربرد آنها

ذرات با اندازه نانو، مواد امیدبخشی در بسیاری از کارایی‌های مختلف هستند. اصلاح سطح نانو مواد یک تکنولوژی مهم برای توسعه این کارایی‌ها می‌باشد. در سال‌های اخیر اصلاح مواد با مایعات یونی (Ionic Liquids) از طریق قرار دادن آنها بر روی سطح مواد سیلیکا و پلیمرها و یا با استفاده از سطوح جامد دیگری صورت گرفته است. در این مقاله، روش انجام اصلاح سطوح با مایعات یونی از طریق اتصالات کوالانسی، جذب فیزیکی، پلیمریزاسیون و یا روش سل-ژل مرور خواهد شد. همچنین کاربرد این سطوح اصلاح‌شده در زمینه‌های مختلف شیمی بررسی شده است.
1-مقدمه
سطوح اصلاح‌شده با مایعات یونی در زمینه‌های مختلف شیمی مانند شیمی آلی، معدنی، الکتروشیمی و شیمی تجزیه کاربرد دارند. مایعات یونی با قطبیت زیادی که دارند محیط‌های مناسبی برای نگهداری (Immpbilization) گونه‌های کاتالیستی همچون کمپلکس‌های فلزی می‌باشند. کاربرد این مواد در شیمی تجزیه بیشتر در استخراج (استخراج مایع-مایع، استخراج میکروفاز-مایع، استخراج میکروفاز-جامد) و جداسازی (کروماتوگرافی مایع، الکتروفورز موئین) می‌باشد.
در سال‌های اخیر اصلاح مواد با مایعات یونی از طریق قرار دادن آنها بر روی سطح مواد سیلیکا و پلیمرها و یا توسط سطوح جامد دیگری صورت گرفته است. اصلاح سیلیکا و زئولیت یا آلومینا با مایعات یونی دارای مزیت‌های زیادی است. قدرت اسیدی این سطوح به آسانی قابل تنظیم می باشند. همچنین با تغییر اندازه زنجیره جانبی کاتیون می توان خواص آب گریز و آب دوست بودن این سطوح را نیز تغییر داد. اصلاح سطح با مایعات یونی با روش‌های اتصالات کوالانسی ، جذب فیزیکی، پلیمریزاسیون و یا سل-ژل انجام می گیرد. وقتی که به عنوان کاتالیست از این مواد استفاده می شود، اصلاح سطح باعث افزایش انتخاب پذیری و واکنش پذیری می گردد (برای اطلاعات بیشتر می توانید به مقاله نانوکاتالیست‌ها مراجعه بفرمایید). در سال های اخیر اصلاح سطح نانوسیلیکا از طریق پیوند کوالانسی با مایعات یونی صورت گرفته است. هرچند قرار دادن مایعات یونی بر سطح باعث می شود که برخی از خواص این ترکیبات همچون گستره مایع بودن آن‌ها (Liquid Range) تغییر کند، ولی خواص منحصر به فردمایعات یونی همچون قطبیت و فشار بخار بسیار پایین با قرارگیری بر سطح حفظ می‌ شود.

2- روشهای اصلاح سطح توسط مایع یونی
اصلاح سطح با مایعات یونی می تواند از طرق مختلف انجام گیرد که با توجه به برهمکنش های بین مایع یونی و سطح دسته بندی می شوند. در شکل 1 این دسته بندی نشان داده شده است. مایع یونی می تواند از طریق پیوند کوالانسی بین گروه سیلانول (Si-OH) سطح و آنیون و یا کاتیون از مایع یونی صورت پذیرد. همچنین مایع یونی بدون پیوند کوالانسی به شکل فاز مایع بر سطح قرار داده شده (Supported Liquid Phase- SLPs) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل 1- اصلاح مایع یونی به طریق آنیون ، کاتیون یا فاز مایع بر سطح قرار داده شده [1]

2-1- اتصال کوالانسی
در این روش اصلاح سطح، مایع یونی توسط پیوند کوالانسی با سطح اتصال برقرار کرده و بر آن قرار می گیرد. در شکل 2 قرار گرفتن ایمیدازول بر سطح از طریق پیوند کوالانسی نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل 2- اصلاح سطح سیلیکا با استفاده از اتصال کوالانسی با ایمیدازول [2]

2-2- اصلاح سطح با اتصال آنیون
یک روش آسان برای اصلاح سطح با یک مایع یونی به روش Incipient Wetness معروف است. در این روش اتصال مایع یونی به سطح جامد از طریق آنیون آن صورت می گیرد. مایع یونی به حدی به فاز جامد افزوده می شود که ترکیب حالت پودری و خشک خود ا از دست بدهد. شکل 3 زئولیت اصلاح شده با مایع یونی را توسط این روش نشان می دهد. در این روش مایع یونی از طریق پیوند یونی با سطح اتصال برقرار می کند.


filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9
شکل 3 - اصلاح مایع یونی به طریق آنیون [1]

2-3- اصلاح سطح با اتصال کاتیون (Grafting)
همانطور که قبلا ذکر شد، اصلاح مایعات یونی از طریق پیوند کوالانسی بین آنیون مایع و گروه سیلانول (Si-OH) برروی سطح انجام می گیرد. معایب این روش این می باشد که خاصیت اسیدی مایع یونی افزایش می یابد. برای رفع این مشکل به جای افزایش مایع یونی به سطح سیلیکا، هالیدهای آلی شامل کاتیون در مایع یونی برروی سطح قرار می گیرد و در مرحله بعد هالیدهای فلزی اضافه می گردد. در این روش در واقع مایع یونی را روی سطح با تعویض آنیون همراه ایجاد می کنیم.

filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6
شکل 4- اصلاح از طریق کاتیون (روش پیوند) [1]

2-4- پلیمریزاسیون
در این روش مایع یونی از طریق پیوند کوالانسی برروی سطح پلیمر قرار گرفته است. مایع یونی قرار گرفته شده برروی پلیمر از طریق گروه پلیمری (معمولا توسط یک متصل کننده) به ایمیدازول و یا آنیون مایع یونی متصل می شود. معمولا با اتصال پلیمر به مایع یونی هدایت پلیمر افزایش می یابد. در شکل 5 اصلاح سطح پلیمر با استفاده از مایع یونی ایمیدازولیوم نشان داده شده است که باعث افزایش هدایت پلیمر شده است.

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل 5 - اصلاح سطح پلیمر با مایع یونی [2]

2-5- روش سل-ژل
در این روش سطح اصلاح شده با مایع از طریق روش سل-ژل تهیه می شود. 1-(تری اتوکسی سایلیل پروپیل)-3-متیل ایمیدازولیوم کلرید به مخلوطی از منبع سیلیکا و ماده متخلخل از سیلیکا تشکیل می شود. سپس با افزایش آلومینیوم کلرید کمپلکس یونی ایجاد می شود (شکل 6).

filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257
شکل 6- اصلاح سطح توسط مایع یونی از طریق سل-ژل [1]

2-6- جذب فیزیکی
در این روش مایع یونی از طریق پیوندهای ضعیف وان دروالس برروی سطح قرار می گیرد و در این مورد اتصال کوالانسی خاصی مطرح نیست. برای مثال شکل 7 سطح نانوذره SBA-15 اصلاح شده توسط مایع یونی از طریق جذب فیزیکی را نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_46d46a759bf6cbed0
شکل 7- جذب فیزیکی مایع یونی در سطح نانو ذرات [1]

3 - روش‌های القاح کاتالیستهای مولکولی در فاز مایع یونی قرار گرفته بر سطح
مزیت مایعات یونی اصلاح شده بر سطح نسبت به مایع یونی خالص این است که به راحتی قابل بازیافت (Recovery) می باشند. کاتالیست، مایع یونی و فاز جامد به روش های مختلفی می توانند با هم ترکیب شوند. در شکل 8 ساختار( SILP=Supported Ionic Liquid Phase) نشان داده شده است. 

آ) در نوع اول، اصلاح سطح فاز جامد با مخلوط کاتالیست و مایع یونی از طریق پیوندهای نسبتا ضعیف واندروالسی می‌باشد. در این حالت کاتالیست به صورت همگن (Homogeneous) عمل می کند.

ب) در نوع دوم مایع یونی به طور مستقیم به فاز جامد متصل شده و به صورت تک لایه (Monolayer) برروی سطح قرار می گیرد. این نوع سطوح از طریق روش پیوند کوالانسی سل-ژل تهیه می شوند و کاتالیست برروی این سطح کپسوله می شود. در شکل اصلاح سطح نانو لوله کربنی با مایع یونی نشان داده شده است و سپس کاتالیست پلاتین بروی سطح پخش می شود.

ج) در نوع سوم، مایع یونی از طریق پیوند کوالانسی برروی سطح جامد قرار گرفته و کاتالیست نیز از طریق پیوند کوالانسی به مایع یونی متصل می شود.

د) در نوع چهارم، کاتالیست برروی سطح از طریق پیوند کوالانسی قرار می گیرد و سپس مایع یونی برروی این سطح از طریق پیوند ضعیف واندروالسی قرار داده می‌شود. در شکل پخش شدن مایع یونی ایمیدازیلیوم روی سطح نانوذره SBA-15 که کاتالیست برروی سطح آن قرار دارد نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_2e3f209d4f2bb3466
شکل 8- انواع مختلف کاتالیت/مایع یونی/فاز جامد [3]

4 -کاربردهای سطوح اصلاح شده با مایع یونی
4-1- استفاده به عنوان حسگر

خواص آب دوستی و آب گریزی سطح با تغییر آنیون در مایع یونی تغییر می کند. در گزارشی نانوذرات اصلاح شده با مایع یونی بر پایه کاتیون ایمیدازولیوم تهیه شد.سطح نانو ذره طلا اصلاح شده با مایع یونی در محلول آبی به عنوان حسگر رنگ‌سنجی برای گونه های آنیونی مختلف به کار رفت. این حسگر از طریق مکانیسم تغییر آنیون (Anion Exchange) مربوط به گونه مایع یونی عمل می کند. در شکل 9 تغییر رنگ این حسگر در حضور آنیون های کلرید(-Cl)، برمید (-Br)، یدید (-I) و تترافلوروبورات (-BF4) نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_a780e798c1256020d
شکل 9- حسگر نوری برای آنیون سطح نانو ذره طلا اصلاح شده با مایع یونی [4]

4-2 - کاربرد در پزشکی
نانوذرات معدنی اکسید آهن اصلاح شده با N-متیل ایمیدازولیوم کلرید طبق روش نشان داده در شکل 10 تهیه شدند و خواص زیست-دارویی آن‌ها بررسی شد. این مواد در بدن و در محیط آزمایشگاه سمیت کمی نشان می دهند. محلول آبی از این نانوذرات معدنی اصلاح شده، سیگنال قوی در تصویر برداری رزونانس مغناطیسی (MRI) در مقایسه با محصولات تجاری نشان می دهد. علاوه بر این با مولکول های زیستی مانند DNA نیز برهمکنش می کند.

filereader.php?p1=main_ad304601e6638bf2b
شکل 10- N-متیل ایمیدازولیوم کلرید، اصلاح برروی سطح نانوذرات اکسید آهن [5]

همچنین نانوذرات طلا‌ی اصلاح شده با متیل ایمیدازولیوم کلرید همین رفتار را نشان می دهد. تغییرخواص فیزیکی و شیمیایی برای کاربرد های زیست‌دارویی حائز اهمیت می باشد. ویژگی‌های آب دوستی یا آب گریزی نسبت به اینکه آنیون همراه مایع یونی آب دوست و یا آب گریز باشد تغییر می کند. در شکل 11 با تغییر آنیون مایع یونی باعث ایجاد مایع یونی با خواص متفاوت می شود.

filereader.php?p1=main_52053048decaa0cbd
شکل 11- تغییر آب گریزی نانوذرات از طریق تغییر آنیون [5]

4-3 کاربرد در شیمی تجزیه
این مواد در شیمی تجزیه بیشتر در استخراج (استخراج مایع-مایع، استخراج میکروفاز مایع، استخراج میکروفاز جامد) و جداسازی (کروماتوگرافی مایع، الکتروفورز موئین) می باشد.
سطوح اصلاح شده با مایع یونی با تغییر کاتیون و آنیون ها در جداسازی به عنوان فاز ساکن (Stationary Phase) با قطبیت کم برای ترکیبات غیرقطبی و در رفتار متضاد (با ساختار قطبی) برای ترکیبات که پروتون دهنده قوی هستند استفاده می شود. این رفتار به مکانیسم جداسازی که شامل برهمکنش های الکتروستاتیک، آب گریز و π است بستگی دارد.

ویژگی های منحصربه فرد مانند رفتار دوگانه، پایداری حرارتی و طراحی سطوح با مایعات یونی دارای خواص مختلف باعث شده است که برای گستره وسیعی از گونه های تجزیه ای (Analyte) استفاده شوند. به همین دلیل این مواد به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography)، کروماتوگرافی مایع (Liquid Chromatography) و الکتروفورز موئینه (Capillary Electrophoresis ) استفاده می شود و به عنوان جاذب در استخراج فاز جامد و میکرواستخراج فاز جامد (Solid Phase Microextraction) استفاده می شود. همچنین به عنوان افزودنی به فاز متحرک در کروماتوگرافی مایع استفاده می شود.
معمولا از کاتیون ایمیدازولیوم برای اصلاح سطح به خاطر خواص عالی‌اش در استخراج و جداسازی در حالت مایع استفاده می شود. به علاوه آروماتیک بودن حلقه باعث می شود که سطح برهمکنش π-π با گونه‌ تجزیه‌ای داشته باشد. به همین خاطر برای جداسازی و استخراج ترکیبات آروماتیک استفاده می شود. دیگر کاتیون‌‌ها مانند پیریدینیوم و تری آلکیل فسفونیوم به ندرت استفاده شده اند. آنیون های همراه برای این مایعات یونی کلرید، برمید، هگزافلوروفسفات (-PF6) و تترا فلورو بورات می باشند.
مشکل سطوح اصلاح شده با مایعات یونی در کاربرد استخراج و جداسازی این می باشد که وقتی در مجاورت محلول نمکی قرار می گیرند واکنش تغییر آنیون در این سطح رخ داده و خواص سطح تغییر می کند. موادی همچون سیلیکا و پلیمرها با مایعات یونی اصلاح می شوند. این مواد برای استخراج و جداسازی گستره وسیعی از مواد (اسیدی، بازی، طبیعی، قطبی و غیرقطبی) استفاده می شوند.

4-3-1 کروماتوگرافی گازی (GC)
سطح های اصلاح شده با مایع یونی در کروماتوگرافی گازی به عنوان فاز ساکن به کار می روند. پایداری حرارتی (در GC معمولا از شرایط دمایی بالا استفاده می‌شود) و انتخاب پذیری بالا علت استفاده از سطوح در کروماتوگرافی گازی می باشد. مایعات یونی دارای پیوند هیدروژنی و اسیدی، انتخاب پذیری بالایی نسبت به سطح سیلان و پلی اتیلن گلیکول دارند. این نشان می دهد که در کروماتوگرافی به خاطر گستره دمایی بالا و نیاز به ستون قطبی از این سطوح استفاده می شود. در جدول 1 گونه های تجزیه ای جدا شده با استفاده از ستون های برپایه سطوح اصلاح شده با مایع یونی نشان داده شده است.

جدول 1 - ستون های ساخته شده از سطوح اصلاح شده در کروماتوگرافی گازی [6]
filereader.php?p1=main_83f1535f99ab0bf4e

4-3-2- کروماتوگرافی مایع
مایع یونی به عنوان فاز ساکن (Stationary Phase) و متحرک (Mobile Phase) در کروماتوگرافی مایع استفاده می شود. ویژگی منحصر به فرد این سطوح موارد زیر می باشد.

آ-اصلاح سطح توسط مایع یونی با عث می شود که با تغییر کاتیون و آنیون و یا گروه آلکیل و یا اضافه کردن گروه های عامل دار خواص سطح را تغییر داد.

ب- با استفاده از مایع یونی به عنوان فاز ساکن می توان از آب به عنوان فاز متحرک استفاده کرد (بدون احتیاج به حلال آلی).

در جدول 2 نمونه های از سطوح اصلاح شده با مایع یونی به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی مایع آورده شده است.

جدول 2 - مایع یونی استفاده شده به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی مایع [6]
filereader.php?p1=main_0f826a89cf68c399c

5 - نتیجه گیری:
در سال های اخیر اصلاح مواد با مایعات یونی از طریق قرار دادن آنها بر روی سطح مواد سیلیکا و پلیمرها و یا توسط سطوح جامد دیگری صورت گرفته است. اصلاح سطح توسط مایع یونی با توجه به برهمکنش بین سطح و مایع یونی دسته بندی می شوند. اصلاح سطح جامد با مایع یونی از طریق اتصال کوالانسی، جذب فیزیکی، پلیمر شدن و سل-ژل انجام می‌گیرد.
در ادامه کاربرد سطوح اصلاح شده در شیمی تجزیه، در استخراج (استخراج مایع-مایع، استخراج میکروفاز-مایع، استخراج میکروفاز-جامد) و جداسازی (کروماتوگرافی مایع، الکتروفورز موئین)بررسی شد. همچنین در مقاله به روش تهیه نانوذرات معدنی اصلاح شده بر مایع یونی اشاره و کاربردهای زیستی مانند استفاده در تصویر برداری رزونانس مغناطیسی بحث شد.

منابـــع و مراجــــع

1. Valkenberg, M. H., Castor, C. D., Holderich, W. F. “Immobilisation of ionic liquids on solid supports”. Green Chemistry, Vol. 4, PP. 88, (2002).

2. Kubisa, P.” Ionic Liquids in the Synthesis and Modification of Polymers” Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 43, pp. 4675 (2005).

3. Doorsalaer, C., Wahlen, J., Mertens, P., Binnemans, K., De Vos, D. “Immobilization of molecular catalysts in supported ionic liquid phases” Dalton trans, Vol. 39, pp. 8377, (2010).

4. Itoh, H., Naka, K., Chujo, Y. “Synthesis of Gold Nanoparticles Modified with Ionic Liquid Based on the Imidazolium Cation” Journal. American. Chemical Society,Vol. 126, PP. 3026, (2004).

5. Narita, A., Naka, K., Chujo, Y.”Preparation of Ionic Liquid-Modified Inorganic Nanoparticles and Their Biomedical Application”. Ionic Liquid Applications: Pharmaceuticals, Therapeutics, and Biotechnology, Chapter 9, pp.103 (2010).

6. Vidal, L., Riekkolaa, M, L., Canals, A. “Ionic liquid-modified materials for solid-phase extraction and separation” Analytica Chimica Acta, Vol. 715 PP.19, (2012).

نظرات و سوالات

نظرات

1 0

سید جعفر سقانژاد - ‏۱۳۹۶/۰۲/۳۰

با سلام

در شکل 9 در تصویر نشان داده شده ظرف e مربوط به چه ماده ای است؟

لطفا ذکر فرمایید



با تشکر

پاسخ مسئول سایت :
با سلام و تشکر از توجه شما، اصلاح شد. موفق باشید.