افسانه نانو مواد

پیشرفت روزافزون علم، اندازه‌گیری دقیق پارامترهای فیزیکی و شیمیایی در مقیاس مولکولی نیاز به ساخت حسگرهایی کوچکتر، دقیق‌تر و با حساسیت بالاتر را بیش از پیش به وجود آورده که با علم نانو می‌توان به آن دست یافت.

به گزارش پایگاه خبری گسترش، روزنامه صمت نوشت: حسگرهای الکتروشیمیایی به‌دلیل داشتن مزایای بی‌شماری ازجمله سادگی، کم‌هزینه بودن، گزینش‌پذیری زیاد و حساسیت بالا مورد توجه هستند. از این‌رو این حسگرها به ابزارهای قدرتمندی در حوزه‌های مختلف ازجمله غذا، محیط‌زیست، تشخیص بیماری‌ها، بررسی و نظارت‌های پزشکی و سیستم‌های امنیتی ضدتروریسم تبدیل شده‌اند. حسگرهای الکتروشیمیایی به‌طور معمول به حسگرهای آمپرومتری، حسگرهای پتانسیومتری و حسگرهای سنجش امپدانس طبقه‌بندی می‌شوند. ایجاد مواد الکترودی جدید با هدایت، پایداری و مساحت سطح زیاد و موثر در کارآیی بالای حسگرهای الکتروشیمیایی از اهمیت بسزایی برخوردار است. در دو دهه گذشته، نانومواد در تهیه و ساخت حسگرهای الکتروشیمیایی به دلیل برخورداری از مزایای بی‌شماری ازجمله خواص الکترونیکی، مکانیکی و کاتالیتیکی بسیار مورد استفاده قرار گرفته‌اند و به‌طور قابل توجهی الگوی پیشرفت حسگرها را تغییر داده‌اند.در سال‌های گذشته، نانومواد ورقه‌ای دوبعدی مانند گرافن، نیترید بور با ساختار شش‌ضلعی و دی کالکوژنید فلزات واسطه به دلیل خواص رضایتبخش این ترکیبات و کاربرد وسیع‌شان در صنایع الکترونیک، اپتوالکترونیک، کاتالیزورها و وسایل ذخیره انرژی، زمینه‌های تحقیقی و پژوهشی فوق‌العاده زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. گرافن نخستین نمونه این گروه از مواد است. کشف افسانه‌ای این ترکیب در سال ۲۰۰۴ م توجه بسیار زیادی را به خود معطوف کرد و منجر به کشف خواص الکترونیکی فوق‌العاده، قابلیت‌های انتقال الکترون، نفوذناپذیری بی‌سابقه، استحکام مکانیکی بسیار زیاد، هدایت گرمایی و الکتریکی فوق‌العاده آن شد. این نانوماده دوبعدی سهم زیادی در پیشرفت و توسعه حسگرهای الکتروشیمیایی دارد. مساحت سطح زیاد ورقه‌های گرافن ظرفیت بالای جمع‌آوری مولکول‌های آنالیت با حساسیت بالا را فراهم می‌کند. همچنین گروه‌های عاملی قوی در سطح مشتقات گرافن روش‌های متنوعی در جفت کردن گیرنده‌های مولکولی شیمیایی زیستی را برای سنجش‌های الکتروشیمیایی پروتئین‌ها و نوکلوئیک اسیدها ارائه می‌کند. ساختار و خواص نانومواد ورقه‌ای دوبعدی نانوورقه‌های دوبعدی به‌دلیل ضخامت و ابعادی در مقیاس‌های نانو و ماکرو به‌عنوان نازک‌ترین نانومواد شناخته می‌شوند. تعداد زیادی مواد ورق‌های شناخته شده با پیوند قوی در سطح و اتصال ضعیف بین لایه‌ها مانند گرافن، نیترید بور شش‌ضلعی و دی کالکوژنید فلزات واسطه وجود دارند. به‌دلیل ساختارهای ویژه آنها پژوهشگران تلاش‌های زیادی درجهت تولید نانوورقه‌های دوبعدی از طریق تفکیک این ترکیبات به لایه‌های مجزا انجام داده‌اند. به‌عنوان مثال، گرافن ورقه دوبعدی تک اتمی با پیوندهای sp۲ اتم‌های کربن است که در یک ساختار شبکه‌ای لانه زنبوری متراکم شده و دارای ضریب جذب بسیار ضعیف ۲/۳درصدی از نور سفید است. گرافن خواص جالب بی‌شماری دارد. مساحت سطح نظری گرافن ۲۶۳۰ مترمربع بر گرم است که دو برابر نانولوله‌های کربن با مساحت سطح ۱۳۱۵ مترمربع بر گرم است. مهم‌تر این که گرافن دارای تحرک الکترونی بالا با مقادیر بیش از ۱۵۰۰۰ سانتی‌مترمربع بر ولت در ثانیه در دمای محیط است. به سبب داشتن این ویژگی‌ها، گرافن برای انتقال الکترون مراکز اکسایش و کاهش در متالوپروتئین‌ها به کار می‌رود. در سال‌های گذشته، دی سولفید مولیبدن (MoS۲) نیز توجه بسیار زیادی را به خود اختصاص داده است. به عنوان یک ترکیب مشابه گرافن، نانوورقه‌های دی سولفید مولیبدن دارای شباهت‌هایی با گرافن است و درنتیجه فرصت‌های جدیدی در شناسایی و ساخت حسگر، باتری‌های لیتیم، اپتوالکترونیک و ذخیره انرژی فراهم کرده است. پژوهشگران زیادی نشان دادند که لایه‌های مجزای دی‌سولفید مولیبدن دارای انرژی تا ۱/۹الکترون‌ولت هستند. به علاوه دی‌سولفید مولیبدن خواص فرونشانندگی فلورسانس و فوتولومینسانس را دارد. انرژی مستقیم و محدود دی‌سولفید مولیبدن راه‌حل پیشی گرفتن از کمبودهای گرافن را فراهم کرده است. حسگرهای الکتروشیمیایی بر پایه نانومواد ورقه‌ای دوبعدی ۱- حسگرهای مولکول‌های کوچک ۲- مولکول‌های مرتبط با فرآیندهای زیستی مولکول‌های کوچک مانند پراکسید هیدروژن (H۲O۲)، انتقال‌دهنده‌های عصبی، نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید (NADH) و آدنوزین تری‌فسفات(ADT)‌ نقش حیاتی در زندگی موجودات زنده ایفا می‌کنند. سطوح غلظتی خارج از معمول این مولکول‌های کوچک اغلب سبب اختلالات و بیماری‌های فیزیولوژیکی می‌شود. بنابراین، شناسایی این مولکول‌ها در بدن موجودات زنده و خارج از بدن موجودات زنده از اهمیت فراوانی برخوردار است. پراکسید هیدروژن یکی از عمده‌ترین گونه‌های اکسیژن فعال به‌ویژه در انتقال سیگنال‌های پیچیده و مسیرهای اکسیداسیون در بدن موجودات زنده است. به علاوه، نشانگر اکسیداتیو استرس در بیماری‌های مرتبط با سالخوردگی مانند سرطان، بیماری‌های قلبی و عروقی و آلزایمر است. تشخیص سریع و صحیح پراکسید هیدروژن نه‌تنها در پزشکی و داروسازی بلکه در کنترل مواد غذایی و نظارت بر محیط‌زیست اهمیت دارد. با این هدف، حسگرهای الکتروشیمیایی براساس گرافن و حساس به پراکسید هیدروژن توسعه یافتند. نخستین بار گروه Dong گزارش کردند که اکسید گرافن کاهش یافته به روش الکتروشیمیایی از خواص الکتروکاتالیستی فوق‌العاده‌ای نسبت به پراکسید هیدروژن برخوردار است. انتقال‌دهنده‌های عصبی مانند دوپامین، اسکوربیک اسید، اوریک اسید، سروتونین، NADH و پورین‌ها گروهی از ترکیبات هستند که نقش فیزیولوژیکی بسیار مهمی را در سیستم متابولیکی بدن موجودات زنده ایفا می‌کنند. الکترودهای اصلاح شده گرافن برای شناسایی اختصاصی انتقال‌دهنده‌های عصبی استفاده شده‌اند. به طور عموم شناسایی دوپامین، اسید اسکوربیک و اسید اوریک با الکترودهای معمولی به‌دلیل همپوشانی پیک‌های اکسیداسیون آنها کار دشواری است. پژوهشگران، الکترودهای اصلاح شده کیتوسان/گرافن/ نانوذرات پالادیم را برای تشخیص دوپامین، اسید اسکوربیک و اسیداوریک مورد استفاده قرار داده‌اند. این حسگر الکتروشیمیایی توانایی دارد که به‌صورت انتخابی و اختصاصی دوپامین را در حضور اوریک اسید و اسکوربیک اسید اندازه‌گیری کند. نقش حسگرهای آنزیمی در دهه گذشته، زیست حسگرهای آنزیمی توجه زیادی را به علت کارآیی کاتالیتیکی بالا و خواص آنزیمی به خود جلب کرده‌اند. مانع اصلی در پیشرفت و توسعه حسگرهای آنزیمی، سختی تشخیص مستقیم انتقال الکترون بین آنزیم‌ها و سطح الکترود بوده است. مواد بر پایه گرافن یک ریز محیط مناسب برای آنزیم‌ها فراهم کرده‌اند. در همین زمینه پژوهشگران حسگرهایی بر پایه گرافن طراحی کرده‌اند. در نتیجه، حسگرهای الکتروشیمیایی تهیه شده براساس گرافن یک محدوده تشخیص خطی از ۰/۰۳۲ میلی مولار تا ۱/۸۹ میلی مولار با یک حد تشخیص کم در ۴/۵ میکرومولار در اندازه‌گیری گلوکز فراهم کردند. همچنین گرافن به‌عنوان بستری برای پشتیبانی نانوساختارهای فلزی مقلد آنزیم برای تشخیص گلوکز بدون تکیه بر آنزیم‌های طبیعی به کار گرفته شده است. پژوهشگران برای نخستین‌بار اعلام کردند که نانوذرات اکسید آهن دارای فعالیت‌های ذاتی مقلد آنزیم هستند. آلاینده‌های زیست‌محیطی پایش محیط‌زیست به یکی از زمینه‌های پژوهشی بسیار حائز اهمیت تبدیل شده است. با افزایش فعالیت‌های صنعتی و کشاورزی، آلاینده‌های مختلفی مانند یون‌های فلزات سنگین، گازهای سمی، ترکیبات آلی فسفردار، فاضلاب‌های صنعتی و خانگی به طبیعت وارد شده‌اند. به منظور حفاظت از طبیعت و سلامت انسان، توسعه روش‌های شناسایی سریع، صحیح، حساس و گزینشی برای پایش آلاینده‌ها لازم و ضروری است. از آنجا که بسیاری از آلاینده‌ها ساختار آروماتیک دارند به شدت بر سطح گرافن جذب سطحی می‌شوند. پژوهشگران از نانوصفحات هیبریدی گرافن مایع یونی به‌عنوان ترکیب بهبوددهنده برای آشکارسازی سریع الکتروشیمیایی نیتروتولوئن (TNT) که یک ماده منفجره با حد تشخیص کم ppb۴ است، استفاده کردند. مولکول‌های دارویی پایش متابولیسم دارو و کنترل کیفیت دارو نقش مهمی در سلامت انسان ایفا می‌کنند. بنابراین، توسعه روش‌های آسان، صحیح و حساس برای آشکارسازی اجزای فعال حائز اهمیت است. در میان چندین راهکار شناسایی مختلف، حسگر الکتروشیمیایی مبتنی بر گرافن به دلیل سطح زیاد و هدایت الکتریکی بالا به‌طور گسترده برای آشکارسازی مولکول‌های دارویی مورد استفاده قرار گرفته است. پژوهشگران از لایه‌های کامپوزیتی MoS۲ گرافن برای تجزیه الکتروشیمیایی استامینوفن استفاده کردند. این حسگر الکتروشیمیایی جدید عملکرد تجزیه‌ای بسیار خوبی برای آشکارسازی استامینوفن نشان می‌دهد. حسگرهایی برای نوکلئیک اسیدها تجزیه حساس، گزینشی، سریع و به‌صرفه اسیدهای نوکلئیک در ژنتیک، جرم‌شناسی، تشخیص‌های بالینی و درمان حائز اهمیت است. شیوه الکتروشیمیایی به‌عنوان یک راهکار مناسب برای دستیابی به این اهداف در نظر گرفته می‌شود. پژوهشگران از الکترود مبتنی‌بر گرافن برای آشکارسازی ۴ باز آلی ( G، A، T و C) در حالت آزاد استفاده کرد که زمینه آشکارسازی DNA و میکرو miRNA(RNA) را بدون نیاز به نشاندار کردن فراهم می‌کند. حسگرهایی برای پروتئین تشخیص زیست نشانگرهای تومورها برای تشخیص زودهنگام سرطان بسیار حائز اهمیت است. حسگرهای ایمنی الکتروشیمیایی ساختار بسیار ساده‌ای دارند که آنها را در مقایسه با سایر انواع حسگرهای ایمنی که از فلورسانس، کمی لومینسانس، پراکندگی رامان تقویت شده بر سطح و رزونانس پلاسمون سطح بهره می‌گیرند، متمایز می‌سازد. برای بهبود حساسیت حسگرهای الکتروشیمیایی، استفاده از نانومواد به‌عنوان مواد اصلاح‌کننده سطح الکترود برای بارگذاری و تثبیت آنتی‌بادی‌ها پیشنهاد می‌شود. پژوهشگران از گرافن ترکیب شده با AuNPs برای تثبیت HRP نشاندار شده با آنتی‌بادی مربوط به آنتی‌ژنی به نام آنتی کار سینوامبریونیک (CEA) استفاده کردند. این حسگر ایمنی عملکرد بسیار خوبی برای تشخیص CEA با حد تشخیص قابل توجهmL/ pg۴۰ از خود نشان داد. این حسگر ایمنی الکتروشیمیایی برای شناسایی CEA در نمونه‌های سرم بالینی به کار رفت که نتایجی قابل مقایسه با آزمایش استاندارد ELISA داشت. حسگرهایی برای سلول‌ها تشخیص سلول‌های ویژه نیز برای تشخیص‌های بالینی، پایش سمیت و حفاظت از سلامت عمومی حائز اهمیت است. گرافن و مشتقات آن به‌دلیل زیست‌سازگاری خوب به‌عنوان بسترهایی بالقوه برای رشد سلول مورد توجه قرار گرفته‌اند. درنتیجه، حسگرهای الکتروشیمیایی مبتنی بر گرافن شیوه‌ای جدید برای پایش سلول‌های سرطانی ارائه کرده است.پژوهشگران از گرافن عامل‌دار شده با آپتامر برای تشخیص الکتروشیمیایی گزینشی سلول‌های سرطانی بدون نیاز به نشان‌دار کردن استفاده کردند.با تکیه بر قابلیت بالای آپتامر AS۱۴۱۱ در اتصال بسیار گزینشی به نوکلئونین بیش بیان یافته۱۸ روی سطح سلول سرطانی، این حسگر الکتروشیمیایی و آپتامری مبتنی بر گرافن می‌تواند سلول‌های سرطانی را از سلول‌های طبیعی تشخیص دهد و یکی از آنها را در میان هزار سلول سالم شناسایی کند.