برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۸/۱۹ تا ۱۳۹۷/۰۸/۲۵

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۵,۷۱۱
  • بازدید این ماه ۸۲
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۰۳
  • قبول شدگان ۱۵۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۸۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۲
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

نانوحسگرهای شیمیایی آلی

با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر به وقوع پیوست، نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر، کوچکتر و با قابلیت‌های بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می‌شود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس اند. بالا بردن درجه ی حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می دهند. نانوحسگرها به طور ذاتی کوچک‌تر و حساس‌تر از سایر حسگرها می‌باشند.
1 مقدمه:
حسگرهای شیمیایی، نانوحسگرها و حسگرهای زیستی از مورد علاقه ترین موضوع‌های شیمی می باشند. این موضوع را می توان از روی حجم مطالعات انجام گرفته و همچنین تنوع روشها و تکنیکهای بکارگرفته شده در این زمینه، نتیجه گرفت. این امر خصوصا به‌دلیل نیازهای جدیدی است که در تشخیص های طبی، تجزیه های محیطی، تجزیه مواد غذایی و نظارت بر تولید برخی فرآورده ها به وجود آمده است. به عنوان نمونه حسگرها می توانند در تشخیص داروهای غیر مجاز، مواد سمی و عوامل جنگهای شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند. کنترل عملکرد داروها در بدن، دیگر جنبه کاربردی حسگرهای زیستی است که در سالهای اخیر مورد توجه فراوانی قرار گرفته است. در طراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف نظیر بیو شیمی، زیست‌شناسی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی (آلی، تجزیه، فیزیک و سطح) و شاخه های فیزیک (مکانیک، نور، ترمودینامیک) حضور دارند. قسمت اصلی یک حسگر شیمیایی یا زیستی، عنصرحسگر آن می باشد. عنصر حسگر در تماس با یک آشکارساز است. عنصر حسگر مسئول شناسایی و پیوند شدن با آنالیت هدف (گونه مورد نظر) در یک نمونه پیچیده است. سپس آشکارساز، سیگنال های شیمیایی را که در نتیجه پیوند شدن عنصر حسگر با آنالیت تولید شده اند، به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند.
در زیست حسگرها بر اجزای بیولوژیکی نظیر آنتی بادی ها (Antibody) تکیه دارند. همچنین آنزیم ها، گیرنده ها (Receptor) یا سلول ها می توانند به عنوان عنصر حسگر مورد استفاده قرار گیرند. با پیشرفت‌های اخیر در زمینه شیمی و بخصوص سنتز هدف دار و دقیق مولکول‌ها (و درشت مولکول‌ها) در شیمی آلی، می توان یک عنصر حسگر را برای آنالیت هایی پیدا کرد که برای آنها گیرنده های طبیعی وجود ندارند. این مولکول طراحی شده می‌تواند در نقش جزء حسگر در یک حسگر شیمیایی (Chemosensor) به کاررود و به صورت نسبتا اختصاصی به گونه تجزیه ای مورد تجزیه پیوند شود.

2 حسگرهای شیمیایی
سنسور یک وسیله یا گونه ای شیمیایی است که قادر است به طور برگشت پذیر (Reversible) با آنالیت ارتباط برقرار کند. این ارتباط توام با تغییری در یک کمیت مورد اندازه گیری مانند تغییر رنگ یا فلورسانس و... می‌باشد.
2-1 برخی روشهای شناسایی در کموسنسورها
1) شناسایی توسط فلورسانس (Fluorescence Detection )
2) شناسایی توسط رنگ¬سنجی (Colorimetric Detection)
3) شناسایی توسط الکتروشیمیایی (Electrochemical Detection)
که هرکدام از این روشها معایب و مزایایی دارد. فلورسانس روشی است با حساسیت بسیار بالا و در گستره بالایی مورد استفاده قرار می گیرد. روش رنگ سنجی شبیه فلورسانس است اما حساسیت پایین تری دارد. در روش الکتروشیمیایی نیز حساسیت بالاست و وسایل مورد نیاز آن ساده است اما برای گونه های خاصی مورد استفاده قرار می گیرد.

2-1-1 اصول حسگرهای شیمیایی بر پایه فلورسانس
حسگرهای شیمیایی باید دارای دو جز اصلی فلوروفور (Fluorophore) به عنوان بخش ایجاد کننده سیگنال و گیرنده این سیگنال باشد. در حضور آنالیت، گیرنده به آن متصل می شود و فلوروفور از خود تغییر سیگنال به صورت تغییر رنگ یا فلورسانس نشان می دهند. اجزای تشکیل دهده یک حسگر شیمیایی در شکل 1 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820


شکل 1- اجزای تشکیل دهنده حسگر شیمیایی آلی [1]

در یک مثال ساده، نشر یک فوتون یا همان فلورسانس که به دنبال برانگیختگی الکترون از بالاترین اوربیتال اشغال شده (HOMO) به پایین‌ترین اوربیتال اشغال شده (LUMO) در یک مولکول رخ داده، اتفاق می افتد.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636

شکل 2- مکانسیم حسگرهای شیمیایی [2]

در شکل2 (الف) همانطور که مشاهده می کنید یک جفت الکترون غیر پیوندی در مجاورت مولکول فلوروفور قرار گرفته شده و انرژی این اوربیتال بین اوربیتال HOMO و اوربیتال LUMO بخش فلوروفور واقع شده است. با تاباندن نور، الکترون از اوربیتال HOMO به LUMO برانگیخته می شود که بلافاصله یکی از الکترون های غیرپیوندی به حفره اوربیتال HOMO فلوروفور که به دنبال برانگیختگی الکترون ایجاد شده منتقل می شود. الکترون برانگیخته به جای اینکه به حالت پایه برگردد به اوربیتال غیر پیوندی منتقل می شود و باعث خاموش شدن فلورسانس می¬شود. به چنین مکانیسمی (Photoinduced Electron Transfer- PET) می گویند.
در شکل 2 (ب) مشاهده می کنید که اگر همین جفت الکترون غیرپیوندی در یک برهم کنش پیوندی شرکت کند انرژی این اوربیتال کاهش پیدا می کند و از انتقال الکترون به حفره اوربیتال هومو جلوگیری می شود. الکترون برانگیخته از اوربیتال LUMO به حالت پایه همراه با نشر تابش برمی گردد که به چنین مکانیسمی(Chelation-Enhanced Fluorescence- CHEF) می-گویند.

2-2 حسگرهای آنیونی
حسگرهای آلی زیادی برای تشخیص بسیاری از آنیونها نظیر فلورید، سیانید، فسفات، نیترات، پیروفسفات و... طراحی شده اند. در ادامه به چند مورد اشاره شده است.
2-2-1 حسگر آنیونی برای شناسایی یون فلورید از طریق فلورسانس
نانوسیلیکا عامل دار شده توسط مولکول آلی شکل 3 (ب) در حضور آنیون فلورید در محلول آبی تغییر فلورسانس نشان می دهد. همانطور در شکل 3 (الف) نشان داده شده است، فلورسانس در حضور آنیون ها دیگر مانند برم و ید و سولفات تغییری نمی کند. این در حالی‌ است که در حضور آنیون فلورید و ایجاد پیوند هیدروژنی با هیدورژن های نیتروژن، تغییر فلورسانس ایجاد می شود. در اینجا به علت انتقال الکترون های غیرپیوندی از طرف نیتروژن ها به بخش فلوروفور این حسگر باعث خاموش شدن فلورسانس می شود.


filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2

شکل 3- (الف) تغییر در نشر فلورسانس در حضور آنیون های مختلف (ب) نانوسیلیکا عامل دار شده توسط مولکول آلی [3]

2-2-2 حسگر برای شناسایی آنیون فسفات از طریق رنگ سنجی
در این حسگر از مشتقی از فلوروسئین (Fluorescein) برای شناسایی آنیون فسفات استفاده شده است. بخش فلورسئین آن رنگ مشخصی را نشان می دهد. این حسگر همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، شامل مواد هیبریدی با جایگاه‌های پذیرنده در مقیاس نانو برای پیوند با آنیون می باشد. در غیاب آنیون فسفات، مشتق آنیونی از فلوروسئین در حفره مزوپروس نانو سیلیکا قرار می گیرد. در حضور آنیون فسفات این مشتق در محیط آزاد شده که در شکل 4 به صورت واضح علت تغییر رنگ مشخص شده است. لذا ایجاد سیگنال در واقع به خاطر آزاد شدن مشتق فلوروسیئن در محیط است.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9

شکل 4 - حسگر برای شناسایی آنیون فسفات [3]

2-3 حسگرهای کاتیونی
2-3-1 حسگر برای شناسایی کاتیون مس از طریق رنگ سنجی
این حسگر برای شناسایی کاتیون مس طراحی شده است.این حسگر با استفاده از عامل دار کردن نانولوله‌های سیلیکا با استفاده از مولکول های آلی تهیه شده است. در شکل 4 (الف) رنگ رسوب نانولوله سیلیکا عامل دار شده بدون حضور کاتیون و در شکل 4 (ب) در حضور کاتیون مس و شکل 4 (ج) در حضور کاتیونهای دیگر را مشاهده می کنید. همچنین در شکل 4 (د) نحوه برهمکنش بین مس با سایت پذیرنده برروی نانولوله سیلیکا نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d

شکل 5- حسگر برای شناسایی کاتیون مس از طریق رنگ سنجی [3]

2-3-2 حسگر برای شناسایی کاتیون جیوه از طریق فلورسانس
در گزارشی حسگر شیمیایی کاتیونی برای یون سرب بر پایه نانوذره هسته-پوسته (Core-Shell) سیلیکا بر اکسید آهن ارائه شدهاست. در این کار نانوساختار هسته-پوسته با یک ترکیب آلی عامل‌دار می شود. در شکل 6 تغییر فلورسانس این حسگر را مشاهده می کنید. مولکول آلی در حضور کاتیون از خود تابش نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6- حسگر برای شناسایی کاتیون سرب از طریق فلورسانس [4]

2-4 حسگرهای شیمیایی برگشت ناپذیر کمودوزیمتر (Chemodosimetr)
این گونه حسگرها به حسگرهای اطلاق می شود که با آنالیت واکنش برگشت ناپذیر می دهند و علت تغییر رنگ یا تغییر فلورسانس در این گونه حسگرها تغیر در ساختار گونه آلی می باشد. این تغییر در این حسگرها برگشت ناپذیر است. برای آشنایی بیشتر با این گونه از حسگرها مثال‌هایی در ادامه آورده شده است.

2-4-1 کمودوزیمتر برپایه نانوذرات طلا برای شناسایی آنیون نیترات از طریق رنگ سنجی
نانو ذرات طلای عامل دار شده که خواص نوری متمایزی نشان می دهند برای شناسایی سیستم های مختلف مانند DNA، پروتئین ها، مولکول های کوچک، کاتیون های فلزی و سلول هی سرطانی استفاده می شوند. در شکل 7 کمودوزیمتر برای شناسایی آنیون نیترات نشان داده شده است. در این کمومورد در حضور آنیون نیترات، یک واکنش دو مولکولی بین دو نانوذره طلای عامل دار شده رخ می دهد و باعث جفت شدن این دو مولکول و تغییر رنگ می شود. این تغییر رنگ در شکل 3 (ب) در حضور غلظت های مختلف آنیون نیترات نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7 - کمودوزیمتر آنیونی [4]

2-4-2 کمودوزیمتر برپایه نانوسیلیکا برای شناسایی کاتیون مس از طریق فلورسانس و رنگ سنجی
این کمودوزیمتر برای شناسایی کاتیون مس طراحی شده است. سیستم در حضور کاتیون مس به صورت یک کمودوزیمتر دارای خاصیت دوگانه تغییر رنگ و فلورسانس می باشد . در حضور کاتیون های متفاوت دیگر همانطور که مشاهده می کنید هیچ تغییر فلورسانسی را نشان نمی دهد. همانطور که در شکل نشان داده شده است در حضور کاتیون مس در ساختار مولکول تغییر ایجاد شده که همین باعث تغییر در رنگ و فلورسانس می شود.

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8 - کمودوزیمتر شناسایی کاتیون مس برپایه نانوسیلیکا [3]

2-3 حسگرهای مولکولی
2-3-1 حسگر برای شناسایی گلوکز
همانطور که در شکل مشاهده می کنید حسگری برای شناسایی گلولز طراحی کرده اند که به علت انتقال الکترون های غیرپیوندی نیتروژن به بخش آنتراسنی، فلورسانسی را نشان نمی دهد. اما در حضور ساکارید و برهم کنش ساکارید با بور، بور دارای بار منفی می شود. در این حالت تشکیل بار مثبت بر روی نیتروژن افزایش می یابد. با تشکیل پیوند هیدروژنی بار مثبت بر روی نیتروژن تشکیل می شود و از انتقال الکترون جلوگیری شده و تغییر فلورسانس را نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde

شکل 9 - حسگر برای شناسایی گلوکز [4]

2-3-2 حسگر مولکولی بر پایه نانوذره، استفاده شده برای شناسایی تری نیتروتولوﺋن
حسگری برای شناسایی (Trinitrotoluene) TNT طراحی شده‌ که در شکل 7 (الف) نشان داده شده است. این حسگر، از چند رشته پلیمری تشکیل شده که حاوی پیوندهای مزدوج (Conjugate) می باشد. هر واحد این رشته پلی مری در شکل 7 (ب) نشان داده شده است. از نانوذزه فلزی روتنیوم عامل دار شده برای شناسایی تری نیتروتولوئن استفاده شده است که این شناسایی براساس تغییر در فلورسانس گونه پیرن قرار گرفته برروی نانوذره در حضور TNT صورت می گیرد (شکل 10 (ج))

filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597

شکل 10 - حسگر برای شناسایی تری نیتروتولوﺋن [5]

2-4 کاربرد زیست‌شناسی و زیست محیطی از حسگرها بر پایه نانو ذرات مغناطیستی
هیبریدهای آلی-معدنی نانوذرات مغناطیستی می توانند به صورت انتخابی مولکول ها را در نمونه های زیستی و محیطی شناسایی و جداسازی کنند. جداسازی فاکتور اصلی بیماری از خون در تعداد زیاری از کلینیک ها مورد توجه قرار گرفته است. به طور معمول برای جدا کردن مستقیم مولکول های کوچک مانند اوره، پتاسیم و سرتونین از غشاها استفاده می کنند که محدود به مولکول هایی با اندازه کوچک می شود. مواد زیستی بزرگ هستند و با استفاده از این غشاها قابل جداسازی نمی باشند. در تحقیقی برای جداسازی سرب از خون انسان از نانوذرات نیکل نشان دار شده با مولکول 1 استفاده شد. همانطور که در شکل نشان داده شده، با جذب سرب توسط جایگاه‌های پذیرنده تغییر در فلورسانس مشاهده می شود. با توجه به مغناطیس بودن این نانوذره بعد از 30 دقیقه تمام سرب موجود در خون را جذب کرده وبا استفاده از آهن ربا قابل جداسازی است.

filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02

شکل 11- سنتز نانوسیلکا مغناطیستی برای جداسازی سرب از خون [6]

اورانیوم فلزی رادیواکتیو می باشد که در طبیعت وجود دارد. این گونه در آب‌های طبیعی نیز گاهی دیده می شود که برای سلامتی انسان خطرناک می باشد. بنابراین طراحی حسگرهایی که قادر به شناسایی و جداسازی این گونه باشد بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در تحقیقی توانستند با استفاده از نانوذرات مغناطیستی آهن بهینه شده با بیس فسفونات ها توانستند به راحتی این ذرات را شناسایی و جداسازی کنند. در شکل نحوه جداسازی به خوبی نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_c20ad4d76fe97759a

شکل 12 - حسگر برای شناسایی اورانیوم [6]

3 نتیجه گیری
در این مقاله، حسگرهای شیمیایی برپایه مولکول های آلی برای شناسایی مواد سمی و کاتیون ها، آنیون ها و مولکول های خنثی با استفاده از سیستم های رنگ سنجی و فلورسانس را مرور کردیم. نانو سیلیکا به عنوان یک فاز جامد مناسب برای ایجاد نانو مواد هیبریدی و عامل دار شده با مولکول های آلی می باشند. هیبرید مواد آلی و معدنی بر پایه نانو سیلیکا انتخاب پذیری بالایی برای شناسایی آنیون ها، و ترکیبات طبیعی و یون های فلزی سمی نشان می دهند. همچنین مثال های از استفاده از نانوذرات مغناطیستی عامل دار شده با گونه های آلی به عنوان حسگرهای شیمیایی با کاربرد بیولوژیکی و محیطی در ادامه بحث آورده شده است.

منابـــع و مراجــــع

1. Martınez-Manes, R., Sancenon, Felix., “Fluorogenic and Chromogenic Chemosensors and Reagents for Anions”. Chemical Reviews, 2003, Vol. 103, No. 11.

2. Jong Seung Kim, J. S., Quang, D. T. “Calixarene-Derived Fluorescent Probes” Chemical Reviews, 2007, Vol. 107, No. 9

3. Han, W. S., Lee, H.Y., Jung, S. H., Lee, S. J., " Silica-based chromogenic and fluorogenic hybrid chemosensor materials" Chemical Society Reviews. Vol. 38, pp. 1904–1915 (2009).

4. TD, J; KRAS, S, Iguchi, R; Shinkai ,S. “Novel Saccharide-Photoinduced Electron Transfer Sensors Based on the Interaction of Boronic Acid and Amine” J Am Chem Soc .1995, 117, 8982–8987.

5. Motsenbocker, M; Ichimori, Y; Kondo, K.” Synthesis and properties of fluorescent conjugated oligomers for chemosensing application”. Anal Chem. 1993. 65, 397–402.

6. Jung, J, H., Lee, J. H., Shinkai, S " Functionalized magnetic nanoparticles as chemosensors and adsorbents for toxic metal ions in environmental and biological fields" " Chemical Society Reviews. Vol. 40, pp. 4464–4473 (2011).

نظرات و سوالات

نظرات

2 -4

صبا استخری - ‏۱۳۹۴/۰۸/۰۲

عالی بود