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 ۳,۰۱۵
  • بازدید این ماه ۸۷
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۸
  • قبول شدگان ۴۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۷
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

نانوزیست حسگرها (4): نانوساختارهای اکسیدی و نقاط کوانتومی در زیست حسگرهای الکتروشیمیایی

در مقاله نانوزیست حسگرهای 3 به نقش نانوساختارهای فلزی در نانوبیوسنسورهای الکتروشیمیایی پرداختیم. مقاله حاضر تاثیر استفاده از نانوساختارهای اکسیدی و کوانتوم دات ها بر عملکرد سنسورهای الکتروشیمیایی را بررسی می کند. کاربرد نانوساختارها در این سنسورها معمولا به منظور پر کردن شکاف بین مبدل و گیرنده زیستی، که در مقیاس نانو می باشد، صورت می گیرد. در میان انواع ساختارهای نانو، نانوذرات اکسیدی و و نیمه رسانا جایگاه ویژه ای در بهبود عملکرد و کارایی سنسورها دارند. استفاده همزمان از مزایای نانوساختارها و تکنیک های الکتروشیمیایی به ظهور سنسورهای با حساسیت و قدرت تجزیه ای بالا منجر شده است.
1-مقدمه
نانوتکنولوژی، با پیشرفت هایی که در حوزه فیزیک و شیمی فراهم آورده دسته جدیدی از مواد با ویژگی های عالی، به عنوان حدفاصل گیرنده زیستی و مبدل سیگنال الکتریکی در سنسورها، معرفی کرده است. در این تکنولوژی نوظهور با کنترل ماده در مقیاس  100-1 nm ویژگی ها و رفتار جدیدی از ماده بدست می آید. این ذرات ویژگی های فیزیکوشیمیایی جالبی دارند که از اندازه بسیار کوچکشان منشا می گیرد. تجمیع این مواد با ابزارهای تجزیه ای به پیشرفت های ارزشمندی در شیمی تجزیه و آنالیز مواد منجر شده است. اندازه سطح به حجم بالا در نانوساختارها باعث می شود گیرنده زیستی با چگالی بالایی بر سطح الکترود اصلاح شده با نانوذره تثبیت شود. حساسیت بالای فراهم شده توسط نانوذرات همراه با حساسیت ذاتی، سادگی و کم هزینه بودن تکنیک های الکتروشیمیایی و اختصاصیت برهمکنش های بیومولکولی ابزارهای قوی برای آنالیز فراهم می کند(1). اتصال مستقیم گیرنده به سطح الکترود، تقویت سیگنال تشخیصی، زیست سازگاری و قدرت جذب سطحی بالا از مزایای این نانوساختارها می باشد (2و3).
با توجه به این واقعیت که ذرات در مقیاس نانو با بیومولکول ها در محدوده ابعادی مشترکی هستند، استفاده از نانوذرات مختلف با بهبود کارایی تثبیت مولکول های زیستی و در نتیجه عملکرد بیوسنسور همراه است. حضور نانوذرات در سطح الکترود با افزایش جایگاه های فعال در دسترس سبب افزایش حساسیت و نسبت سیگنال به نویز می شود. اصلاح سطح الکترود با نانوذرات موردنظر به جای ساخت الکترود کامل از آن جنس، ضمن حفظ عملکرد، هزینه ساخت بیوسنسور را به شدت کاهش می دهد. نانوذرات اکسیدی و نیم رسانا از جمله نانوذرات پرکاربرد در طراحی بیوسنسورها می باشند(1). در سال های اخیر جهت گیری پژوهش ها به سمت استفاده از مزایای نانوذرات در عملکرد بیوسنسورها می باشد(4و5).
نانوذرات در ساختار سنسورهای الکتروشیمیایی نقش های مختلفی دارند که این نقش ها به پنج دسته طبقه بندی می شوند. نانوساختارها با اهداف تثبیت گیرنده، کاتالیز، بهبود انتقال الکترون، برچسب زنی و شرکت در واکنش شناسایی در ساخت سنسورها بکار می روند.
کارایی افزایش یافته نانوبیوسنسورها از نسبت سطح به حجم بالا، انرژی سطحی بالا، زیست سازگاری و رسانایی نانوذرات ناشی می شود(1).

2- نانوذرات اکسیدی
استفاده از نانوذرات اکسیدسیلسیم زیست سازگار به عنوان بستر تثبیت بسیار رایج است. نانوذرات SiO2 به دلیل سهولت سنتز و زیست سازگاری خوب، بستری عالی برای تثبیت بیومولکول ها به شمار می روند. نانوذرات سیلیس در اندازه های مختلف به عنوان بستر تثبیت آنزیم گلوکزاکسید از در ساخت بیوسنسورهای گلوکز بکار رفته اند. بیوسنسورهای ساخته شده از نانوذرات ریزتر کارایی بالاتری از خود نشان می دهند. ترکیب ویژگی های ممتاز نانوذرات SiO2 با روش تجمع لایه به لایه کووالان امکان طراحی سنسورهای با کارایی بالا را فراهم می آورد. تثبیت آنزیم با نانوذرات SiO2 می تواند برای ساخت بیوسنسورهای مبتنی بر ترانزیستورهای اثر میدان یون گزین نیز استفاده شود. زمانی که سطح سنسورها با نانوذرات SiO2 و گیرنده موردنظر اصلاح می شود، افزایش حساسیت و طول عمر بیوسنسور بیانگر زیست سازگاری نانوذرات و بهبود فعالیت آنزیم و ممانعت از حذف و شسته شدن آنزیم تثبیت شده توسط نانوذرات است.
نانوذرات سیلسیم عاملدار شده با پلی گوانین می توانند در حسگری به عنوان برچسب نیز بکار روند. از جریان حاصل از اکسایش گوانین در شرایط آزمایش به عنوان شاخص میزان آنالیت استفاده می شود.
از آنجایی که ساخت نانوذره از فلزاتی نظیر مس، آهن و نیکل دشوار است، معمولا از نانوذرات اکسید فلزی به عنوان جایگزین استفاده می شود.
نانوذرات اکسیدآهن دسته مهمی از اکسیدهاست. فرایندهای الکتروکاتالیتیک و بیوالکتروکاتالیتیک، در سطح الکترود، می توانند به واسطه ذرات مغناطیسی اکسیدآهن عاملدار در حضور میدان مغناطیسی خارجی سوییچ شوند. این ذرات با نیروی میدان مغناطیسی خارجی، با جذب و دفع نانوذرات در سطح الکترود، بین دو حالت ON و OFF سوییچ می شوند. مزیت دیگر این نانوذرات سادگی مراحل پیش از آنالیز، جداسازی و خالص سازی آنالیت، از طریق اتصال آن به نانوذرات مغناطیسی است (شکل 1).


filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. سهولت جداسازی نانوذرات مغناطیسی

نانوذرات اکسیدفلزی دیگر مانند اکسیدمنگنز و اکسید زیرکونیوم نیز به طور موفقیت آمیزی برای تثبیت و مشاهده الکتروشیمی مستقیم بیومولکول ها استفاده می شوند.
پروتئین ها به واسطه دارا بودن گروه های آمین و کربوکسیل می توانند به اکسید زیرکونیوم متصل شوند. بنابراین نانوذرات اکسیدزیرکونیوم می توانند برای تثبیت آنزیم ها استفاده شوند. تثبیت آنزیم بر اساس تمایل ذاتی به نانوذره سبب می شود فعالیت آنزیم پنج مرتبه بهتر از حالت اتصال متقاطع باشد.
استفاده از نانوذرات اکسید مس و اکسید قلع در اصلاح سطح الکترود در مقایسه با ذرات بزرگتر این اکسیدها حساسیت سنسور را تا چند ده مرتبه افزایش می دهد.
برخی نانوذرات اکسیدی به دلیل برخورداری از ویژگی های کاتالیتیکی خاص در سیستم های آنالیز الکتروشیمیایی بکار می روند. از دهه های قبل اکسید منگنز به عنوان واسطه ای مفید یا کاتالیزگر برای کاهش پتانسیل مازاد اکسیداسیون پراکسیدهیدروژن شناخته شده است. مشاهده چنین اثر کاتالیتیکی در نانوذرات اکسیدمنگنز نیز قابل پیش بینی است.
هرچند توانایی انتقال الکترون در نانوذرات اکسیدی به اندازه نانوذرات فلزی نیست اما در سیستم های خاص می توان از این نانوذرات به عنوان ناقل الکترون بین الکترود و پروتئین استفاده کرد. نانوذرات TiO2، SiO2، Fe3O4، Al2O3، NiO و MnO2 نیز به منظور بهبود انتقال الکترون بین الکترود و پروتئین های تثبیت شده استفاده شده است.


filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. انواع نانوساختارهای اکسیدفلزی

نانوذرات به دلیل انرژی سطحی بالا از لحاظ شیمیایی نسبت به مواد بالک فعال تر بوده و حتی رفتار شیمیایی متفاوتی نشان می دهند. به عنوان مثال در حالی که اکسید منگنز فرایند تجزیه پراکسید هیدروژن را کاتالیز می کند، نانوذرات اکسید منگنز با پراکسید هیدروژن مستقیما وارد واکنش می شوند. بر مبنای این تفاوت و استفاده از نانوذرات به عنوان واکنشگر می توان سیستم های تجزیه ای الکتروشیمیایی جدید با حساسیت بالاتر را طراحی کرد (1).

3-کوانتوم دات ها
کوانتوم دات ها کریستال هایی از مواد نیم رسانا هستند که معمولا به عنوان برچسب یا ردیاب برای آنالیزهای الکتروشیمیایی استفاده می شوند. این نانوساختارهای نیم رسانا به طور وسیعی به عنوان برچسب یا ردیاب الکتروشیمیایی در سنسورها مخصوصا DNA سنسورها بکار می روند. کوانتوم دات ها ساختارهای هسته-پوسته ای هستند که عموما از ترکیب اتم های گروه دوم و ششم (CdSe, CdS, CdTe)، یا سوم و پنجم (InP) در هسته خود تشکیل شده اند و با پوسته ای از جنس آلی یا معدنی پوشش داده می شوند (شکل 3). پوسته ضمن بهبود پایداری هسته نانوذره ای ویژگی های فیزیکی مطلوبی به نانوذره مرکزی القا می کند. نانوذرات سولفیدکادمیوم، سولفید سرب و سولفید  روی بیشترین کاربرد را در این زمینه دارند (1).
 

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3. ساختار کوانتوم دات
 

4- مثال های کاربردی
در بیوسنسور گلوکز با کارایی بالا از نانوذرات SiO2 بر روی الکترود پلاتین استفاده شده است. سپس آنزیم گلوکزاکسیداز بر روی این نانوذرات بارگذاری می شوند. بارگذاری موثر آنزیم بر سطح وسیع نانوذرات فاکتور کلیدی ساخت این بیوسنسور به شمار می رود. فاصله موجود برای انتقال جرم گلوکز و هیدروژن پراکسید فاکتور کلیدی دیگری است که با تنظیم ضخامت دیواره نانوذرات SiO2 بر سطح الکترود بهینه سازی می شود (شکل 4) (5).


filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4. تاثیر ضخامت لایه نانوذرات SiO2 بر پاسخ الکترود

در سال 2013 در مجله Food Chemistry نتیجه پژوهشی به چاپ رسیده که در آن با استفاده از یک نانوبیوسنسور میزان تازه بودن ماهی تعیین می شود. در این مطالعه سطح الکترود طلا با استفاده از نانوذرات اکسیدآهن (Fe3O4)، بارگذاری شده با آنزیم زانتین اکسیداز، اصلاح شده است.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5. ولتاموگرام چرخه ای الکترود بدست آمده در (a) غیاب و (b) حضور نانوذرات اکسیدآهن در حضور زانتین اکسیداز

زانتین اکسیداز واکنش های زیر را پیش می برد. سنسور برای اندازه گیری میزان زانتین در نمونه های مستخرج از ماهی استفاده می شود.
زانتین+اکسیژن+2آب← 2هیدروژن پراکسید+اسید اوریک
2هیدروژن پراکسید← 2پروتون+2الکترون+اکسیژن
این سنسور الکتروشیمیایی که بر اساس تکنیک آمپرومتری عمل می کند، از حساسیت و انتخابگری بالایی برخوردار است (شکل 5). اتصال کووالان زانتین اکسیداز بر سطح نانوذرات با روش FT-IR تایید می شود. حد تشخیص سنسور 2.5 پیکومولار و محدوده خطی 2.4-0.4 نانومولار با زمان پاسخدهی 2 ثانیه می باشد (6).
طراحی سنسورهایی که درآن ها مزایای استفاده از آنزیم با مزایای استفاده از نانوذرات همراه شده است، نویدبخش تجزیه مقادیر آثار مواد مختلف با اختصاصیت بالا می باشد. در سنسوری که برای اندازه گیری آنیون رادیکال سوپراکسید و با همکاری دو مرکز شیمی و بیوتکنولوژی با مرکز مهندسی الکترونیک در کشور هند ساخته شده است، آنزیم سوپراکسید دیسموتاز بر روی نانوذرات اکسید آهن بارگذاری شده و بر سطح الکترود طلا پوشش داده شده است. مطالعه آمپرومتری وقایع سطح الکترود بیانگر آن است که بیوالکترود پاسخ سریعی در زمان 4 ثانیه با حدتشخیص 3.46 نانومولار و با محدوده 1.4-0.2 میکرومولار نسبت به سوپراکسید نشان می دهد (شکل 6). پاسخ سریع الکترود از انتقال مستقیم و سریع الکترون بین نانوذرات اکسیدآهن بارگذاری شده با سوپراکسیددیسموتاز و الکترود طلا، بدون نیاز به واسطه ردوکس، بدست می آید (7).
filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6. ولتاموگرام چرخه ای و نمودار کالیبراسیون الکترود برای غلظتهای مختلف آنزیم سوپراکسید دیسموتاز

از نانوذره هسته-پوسته مغناطیسی MgFe2O4-SiO2، اصلاح شده با گروه های آمین، برای تثبیت آنزیم تیروزیناز بر سطح الکترود خمیر کربن استفاده شده است. تثبیت نانوذره بر الکترود با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی صورت می گیرد. اندازه گیری فنول با استفاده از این نانوبیوسنسور با حفظ فعالیت زیستی، پاسخ سریع و حساسیت بالا همراه است. نانوذرات CdFe2O4-SiO2 نیز به روش مشابه در ساختار سنسورها بکار رفته اند. دست ورزی آسان و امکان بازتولید مکرر سطح الکترود از مزایای اختصاصی این نانوذرات می باشد(1).
در سال 2011 پژوهشگران چینی مطالعه مقایسه ای اثر تکنیک تثبیت نانوساختارها بر کارایی سنسور انجام دادند. در این پژوهش دو سنسور ساخته شد. در اولی ابتدا نانومیله های اکسیدروی به روش هیدروترمال در محلول سنتز شده و در نهایت روی الکترود تثبیت می¬گردد. در سنسور دوم آرایه ای از نانومیله های اکسیدروی بر روی نانوسیم طلا رشد داده شده و سپس این نانوسیم های طلای حاوی نانوذره بر روی الکترود تثبیت شدند. در هر دو الکترود آنزیم گلوکزاکسیداز بر روی نانومیله های اکسیدروی بارگذاری شده و سنسورها برای تشخیص گلوکز استفاده شده اند (شکل 7).


filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7. تصویر FESEM گرفته شده از: a و b آرایه منظم از نانومیله ها از بالا و سطح جانبی و c قرارگیری تصادفی نانومیله ها


منحنی کالیبرالسیون (شکل 8) نشان می دهد که حساسیت سنسور دوم پنجاه و دو درصد بیش از سنسور اول بوده و ویژگی هایی نظیر زمان پاسخدهی، حدتشخیص و محدوده خطی نیز برای سنسور دوم بهتر از سنسور اول می باشد. مطالعه موید این واقعیت است در سنسور ساخته شده بر مبنای آرایه منظم نانومیله ها، به دلیل وجود منطقه سطحی وسیع و در نتیجه میزان بالای بارگذاری آنزیم، همچنین مسیر مستقیم تر تجمع الکترون، در نتیجه انتقال بهتر سیگنال، کارایی بهتر از سنسور ساخته شده از نانومیله های با جهت گیری تصادفی است.


filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8. مقایسه نمودار کالیبراسیون سنسور اول (مشکی) و دوم (قرمز) در تعیین گلوکز


می توان نتیجه گرفت حساسیت علاوه بر مورفولوژی، تحت تاثیر تکنیک تثبیت نانوساختارها نیز می باشد (8).
الکترود گرافیتی اصلاح شده با نانوذرات اکسید زیرکونیوم حاوی هموگلوبین پیک زوج ردوکس پایدار و مشخصی نشان می دهد که سرعت انتقال الکترون در آن بالاست. این الکترود پایداری حرارتی و فعالیت الکتروشیمیایی قابل توجهی در کاهش پراکسیدهیدروژن نشان می دهد(1).
در مقاله نانوزیست حسگر 2 اشاره شد که سنسورهای مبتنی بر اثر میدان دارای الکترود سومی به نام gate هستند. وقوع برهمکنش بر سطح این الکترود منجر به تغییر هدایت کانال می شود که از این خاصیت در حسگری استفاده می شود. معادله (1) نقش نانوذرات اکسیدمنگنز را به عنوان واکنشگر در حسگری گلوکز نشان می دهد.

β-D-glucose + MnO2 + H+   filereader.php?p1=main_22ac3c5a5bf0b520d Mn2+ + D-gluconate + H2O

با نشاندن نانوذرات اکسیدمنگنز بر سطح gate ، بر اثر وقوع برهمکنش 1، pH سیستم تغییر می کند. تغییرات غلظت پروتون که با غلظت گلوکز متناسب است توسط سنسور مبتنی بر ISFET (ترانزیستور اثر میدان یون گزین) اندازه گیری می شود. از این روش در آنالیز لاکتات و اسیداسکوربیک در حضور نانوذرات MnO2 که با تولید پروتون یا هیدروکسیل همراه است نیز استفاده می شود(1).
در یک کار پژوهشی الیگونوکلئوتیدهای لیبل دار با نانوذرات سولفیدکادمیوم به عنوان برچسب برای آشکارسازی پدیده هیبریداسیون بکار رفته اند. به دنبال انحلال نانوذرات با اسید نیتریک و ترسیب کادمیوم بر سطح الکترود و انحلال مجدد آن در محلول جدید (استریپینگ)، غلظت یون کادمیوم اندازه گیری شده و سیگنال الکتریکی آنالیز DNA فراهم می شود.
نانوذرات نیم رسانای مختلف می توانند در یک سیستم حسگری برای آشکارسازی همزمان چندین DNA هدف بکار روند. چنین سیستمی برای آنالیز همزمان سه DNA هدف با سه نانوذره ZnS، CdS، و PbS بکار رفته است (شکل 9).



filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 9. آشکارسازی همزمان چندین DNA هدف با کوانتوم دات


سه اسیدنوکلئیک مختلف بر روی نانوذرات مغناطیسی تثبیت شده و هر کدام با DNA مکمل خود در نمونه هیبرید می شوند. سپس DNAهای پروب که با سه نانوذره مختلف برچسب زنی شده اند به سیستم اضافه شده و هر کدام با مکمل خود هیبرید می شوند. استریپینگ ولتامتری یون های فلزی حاصل از انحلال نانوذرات نیم رسانا پیک های مشخصی در پتانسیل های جدا از هم نشان داده و آنالیز در غلظت های بسیار کم آنالیت ها را فراهم می کنند(1).

نتیجه گیری
حضور نانوساختارهای اکسیدی و نیم رسانا سبب بهبود کارایی، حساسیت و زمان پاسخدهی در سنسورها می گردد. سهولت ساخت و زیست سازگاری سبب رواج استفاده از این نانوذرات در طراحی بیوسنسورها شده است. نانوساختارهای اکسیدی بیشترین کاربرد را به عنوان بستر و کاتالیزگر و ناقل الکترون و نانوذرات نیم رسانا بیشترین کاربرد را به عنوان برجسب دارند. ترکیب حساسیت بالای ناشی از نقش نانوذرات با حساسیت و سادگی تکنیک های الکتروشیمیایی و اختصاصیت واکنش های زیستی امکان آشکارسازی های در حد فمتومولار و حتی تک مولکول را فراهم می کنند.

منابـــع و مراجــــع

[1] Xiliang Luo, Aoife Morrin, Anthony J. Killard, Malcolm R. Smyth, “Nanoparticles in Electrochemical Biosensors”, National Centre for Sensor Research, Dublin City University, Dublin 9, Ireland, pp. 1-90, (2011).

[2] Wei Sun, Peng Qin, Hongwei Gao, Guicun Li, Kui Jiao, “Electrochemical DNA biosensor based on chitosan/nano-V2O5/MWCNTs composite film modified carbon ionic liquid electrode and its application to the LAMP product of Yersinia enterocolitica gene sequence”, Biosensors and Bioelectronics, Vol. 25, pp. 1264-1270, (2010).

3] Martin Pumera, Samuel S´anchez, Izumi Ichinose, Jie Tang, “Electrochemical nanobiosensors”, Sensors and Actuators B, Vol. 123, pp.1195-1205, (2007).

[4] Ali Mehdinia, S. Habib Kazemi, S. Zahra Bathaie, Abdolhamid Alizadeh, Mojtaba Shamsipur, Mir Fazlollah Mousavi, “Electrochemical DNA nano-biosensor for the study of spermidine–DNA interaction”, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis,Vol. 49, pp. 587–593, (2009)

[5] Haipeng Yang, Yongfa Zhu, “A high performance glucose biosensor enhanced via nanosized SiO2”, Analytica Chimica Acta, Vol. 554, pp. 92-97, (2005).

[6] Kavitha Thandavan, Sakthivel Gandhi, Swaminathan Sethuraman, John Bosco Balaguru Rayappan, Uma Maheswari Krishnan, “Development of electrochemical biosensor with nano-interface for xanthine sensing – A novel approach for fish freshness estimation”, Food Chemistry, Vol. 139, pp. 963–969, (2013).

[7] Kavitha Thandavan, Sakthivel Gandhi, Swaminathan Sethuraman, John Bosco Balaguru Rayappan, Uma Maheswari Krishnan, “A novel nano-interfaced superoxide biosensor”, Sensors and Actuators B, Vol. 176, pp. 884-892, (2013).

[8] Yang Lei, Xiaoqin Yan, Jing Zhao, Xi Liu, Yu Song, Ning Luo,Yue Zhang, “Improved glucose electrochemical biosensor by appropriate immobilization of nano-ZnO”, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, Vol. 82, pp. 168-172, (2011).