تثبیت مولکول ها و زیست مولکول های(تیونین، سلستین بلو، گوانین،fad، nad وdna) برروی نانومواد و نانوذرات اکسید نیکل و بکارگیری آنها در طراحی و ساخت حسگرها و زیست حسگرها و استفاده از روش چند لایه ای در ساخت زیست حسگرهای جدیدگلوکز

چکیده نانومواد دارای ابعاد مشابهی با زیست مولکول ها هستند. تجمع نانوذرات با خواص بی نظیر الکترونیکی، نوری و کاتالیزوری با زیست مولکول ها با خواص منحصر بفرد زیست تشخیصی و کاتالیزوری، منجر به تشکیل سیستم های هیبریدی جدیدی می شود که تواما از خواص بی نظیر زیست مولکول ها و نانوذرات بهره می برند. در کارهای گزارش شده در این پایان نامه سطح الکترود کربن شیشه ای ( gc) با هیبریدی از نانومواد و مولکول ها/ زیست مولکول های مختلف اصلاح و برای ساخت حسگرها و زیست حسگرها بکار گرفته شده است. در بخش اول، یک روش ساده برای اصلاح الکترود کربن شیشه ای با نانوذرات نیکل اکسید ( niox) و حدواسط های رنگی محلول در آب ارائه شده است. با قرار دادن الکترود gc/niox در محلول سلتین بلو و یا تیونین برای مدت زمانی اندک فیلم نازکی از این مولکول ها در سطح الکترود ایجاد می شود. الکترود اصلاح شده یک زوج پیک ردوکس در محدوده وسیعی از phها نشان می دهد. در مقایسه با سایر روش های بکار رفته برای تثبیت مولکول های رنگی نظیر الکتروپلی مریزاسیون و یا جذب سطحی در سطح الکترودهای پیش اکسید شده پایداری و برگشت پذیری این الکترود اصلاح شده به مقدار بسیار زیادی بهبود یافته است. غلظت سطحی (?c) و ثابت سرعت انتقال الکترون (ks) تیونین و سلستین بلوی جذب شده به ترتیب برابر با molcm-2 10-10 ×5/3، s?112/6، molcm-2 10-10 ×9/5، s?158/6 محاسبه شد. این نتایج نشان می دهند که نانوذرات نیکل اکسید به مقدار بسیار زیادی جذب و سینتیک انتقال الکترون فیلم تیونین و سلستین بلو را افزایش داده اند. الکترود اصلاح شده خواص کاتالیزوری بسیار مناسبی برای احیای هیدروژن پراکسید در پتانسیل های مازاد کم دارد. ثابت سرعت کاتالیزوری (kc) برای الکترود اصلاح شده با سلستین بلو و تیونین به ترتیب برابر با m?1 s?1 103×96/7 و m?1 s?1 103×5/5 محاسبه شد. حد تشخیص( lod)، حساسیت و محدوده کالیبراسیون خطی هیدروژن پراکسید برابر با ?m67/0، na?m?114/4 ، ?m5 تا mm20 و ?m36/0، na?m?162/7 ، ?m1 تا mm 10به ترتیب برای الکترودهای اصلاح شده با تیونین و سلستین بلو محاسبه شد. این الکترود های اصلاح شده دارای مزایای بسیار زیادی از جمله خاصیت الکتروکاتالیزوری بسیار مناسب، تکرار پذیری بالا، روش تهیه آسان، پایداری بسیار زیاد سیگنال، حساسیت بالا و محدوده کالیبراسیون وسیع هستند. در بخش دوم، رفتار الکتروشیمیایی انسولین در سطح الکترود کربن شیشه ای اصلاح شده با نانوذرات نیکل اکسید و گوانین بررسی شده است. برای ترسیب الکترودی نانوذرات نیکل اکسید و گوانین از تکنیک ولتامتری چرخه ای استفاده شد. الکترود اصلاح شده با نانوذرات نیکل اکسید و گوانین در مقایسه با الکترود اصلاح شده با نانوذرات نیکل اکسید و الکترود کربن شیشه ای اصلاح نشده دارای خاصیت کاتالیزوری بسیار زیادی برای اکسایش انسولین در phهای فیزیولوژیکی است. الکترود اصلاح شده برای اندازه گیری انسولین به روش ولتامتری چرخه ای و آمپرومتری بکار برده شد. در این کار حد تشخیص و حساسیت الکترود برای اندازه گیری انسولین به ترتیب برابر با pm 22، pa/pm 9/100بدست آمد. در مقایسه با سایر حسگرهای موجود برای انسولین این حسگر دارای مزایای زیادی از قبیل روش تهیه آسان، حساسیت زیاد، خاصیت کاتالیزوری بالا در ph های فیزیولوژیکی، پاسخ سریع، پایداری پاسخ و عدم آلوده شدن با محصولات اکسایش انسولین است. در قسمت اول بخش سوم، یک روش ساده برای ساخت نانوکامپوزیتهای نیکل اکسید/فلاوین آدنین دی نوکلئوتید (fad/niox) در سطح الکترود کربن شیشه ای ارائه شده است. در این روش نانوذرات نیکل اکسید در سطح الکترود تولید و در ادامه مولکول fad با آنها برهمکنش می دهد و در سطح آنها تثبیت می گردد. نانوذرات نیکل اکسید به دلیل دارا بودن سطح موثر زیاد و سازگاری با زیست مولکول ها مواد بسیار مناسبی برای تثبیت fad هستند. نانوکامپوزیت های fad/ niox دارای پایداری و رفتار ردوکس مناسبی در محلول های آبی هستند. الکترود اصلاح شده با این نانوکامپوزیت ها دارای رفتار ردوکس بسیار مناسب و پایداری در محدوده وسیعی از phها است. غلظت سطحی و ثابت سرعت انتقال الکترون fad جذب شده به ترتیب برابر با molcm-2 11-10 ×66/4 و s-163 محاسبه شد که نشان دهنده جذب مقادیر زیاد fad در سطح نانوذرات نیکل اکسید و افزایش زیاد سینتیک انتقال الکترون fad موجود در فیلم است. الکترود اصلاح شده فوق خاصیت کاتالیزوری بسیار مناسبی برای احیایs2o8-2 و h2o2 نشان می دهد. بعلاوه پارامترهای آنالیزی بدست آمده برای اندازه گیری آمپرومتری این آنالیت ها بسیار مناسب هستند. در شرایط بهینه محدوده کالیبراسیون خطی، حد تشخیص و حساسیت الکترود اصلاح شده برابر با10 تا1100 میکرومولار، 4/0 میکرومولار، na/?m 6/16 و10 تا1100میکرومولار، 4/0 میکرومولار و na/?m4/1 به ترتیب برای s2o8-2 و h2o2 محاسبه شد. در قسمت دوم بخش سوم، یک روش ساده برای ساخت نانوکامپوزیت های نیکل اکسید/نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید (nad+/niox) در سطح الکترود کربن شیشه ای ارائه شده است. در این روش نانوذرات نیکل اکسید در سطح الکترود تولید و در ادامه محصولات حاصل از اکسایش الکتروشیمیاییnad+ در سطح این نانوذرات جذب شدند. فیلم nad+/nioxتشکیل شده در سطح الکترود کربن شیشه ای دارای رفتار ردوکس مناسبی در محدوده وسیعی از phها است و با افزایش ph محیط با شیب 78/64 میلی ولت به سمت پتانسیل های منفی جابجا می شود. غلظت سطحی و ثابت سرعت انتقال الکترون به ترتیب برابر با molcm-2 10-10×06/2 و s-184/58 برای nad+ جذب شده در سطح الکترود محاسبه شد که نشان دهنده جذب مقادیر زیاد nad+در سطح نانوذرات نیکل اکسید و افزایش زیاد سینتیک انتقال الکترون nad+ موجود در فیلم است. الکترود اصلاح شده فوق خاصیت کاتالیزوری بسیار مناسبی برای احیای h2o2 دارد. بعلاوه پارامترهای آنالیزی بدست آمده برای اندازه-گیری آمپرومتری این آنالیت ها بسیار مناسب هستند. در شرایط بهینه محدوده کالیبراسیون خطی، حدتشخیص و حساسیت الکترود اصلاح شده برابر 1/0 تا 120 میکرومولار، 4/0 میکرومولار و ?a(?m)-1 1745/0برای اندازه گیری هیدروژن پراکسید محاسبه شدند. در بخش چهارم، یک زیست حسگر الکتروشیمیایی dna برای تشخیص قسمتی از توالی مربوط به فاکتور سرطانی taxon:32630tumor necrosis factor (tnf)، براساس تثبیت توالی dnaی تک رشته ای در سطح الکترود کربن شیشه ای اصلاح شده با نانوذرات نیکل اکسید ساخته شده است. نانوذرات نیکل اکسید در سطح الکترود کربن شیشه ای از طریق ترسیب الکتروشیمایی تولید و براساس برهمکنش قوی میان این نانوذرات و گروه های فسفات موجود در انتهای5? رشته dna برای تثبیت توالی dna بکار رفته اند. کمپلکس [ru(nh3)5cl]pf6 در تکنیک ولتاموگرام پالس تفاضلی به عنوان ردیاب برای بررسی فرایندهای هیبریداسیون بکار گرفته شد. زیست حسگر dna ساخته شده از انتخابگری و حساسیت بسیار زیادی برای تشخیص توالی هدف برخوردار است. محدوده کالیبراسیون خطی و حد تشخیص محاسبه شده برای این زیست حسگر برابر با 3/0 تا 10 نانومولار و 68 پیکومولار محاسبه شد. در بخش پنجم، در قسمت اول، برای اولین بار نانوذرات نیکل اکسید موجود در سطح الکترود کربن شیشه ای برای تثبیت آنزیم سوپراکسید دیسموتاز (sod) بکار رفته اند. با توجه به الکتروشیمی مستقیم آنزیم sod تثبیت شده در سطح نانوذرات نیکل اکسید یک زوج پیک ردوکس با پتانسیل فرمال 03/0- ولت در بافر فسفات با ph برابر با 4/7 مشاهده می شود و آزمایشات نشان دهنده کنترل جذب سطحی بودن جریان هستند. غلظت سطحی و ثابت سرعت انتقال الکترون آنزیم تثبیت شده در سطح نانوذرات نیکل اکسید به ترتیب برابر باmol.cm-2 11-10×24/1 و s-1 5/7 محاسبه گردید که نشان دهنده توانایی نانوذرات نیکل اکسید برای تثبیت مقادیر بسیار زیاد آنزیم و سینتیک سریع انتقال الکترون میان گروه های ردوکس آنزیم و نانوذرات نیکل اکسید است. زیست حسگر ساخته شده خواص کاتالیزوری بسیار مناسبی برای احیا و اکسایش آنیون سوپراکسید دارا است. به علاوه زیست حسگر ساخته شده پاسخ آمپرومتری بسیار سریعی (کمتر از 3 ثانیه) با حساسیت na ?m-1 cm-21/24 و na ?m-1cm-2 4/22، حد تشخیص 66/2 و 1/3 میکرومولار، به ترتیب برای اندازه گیری سوپراکسید به روش کاتدی و آندی دارا است. پاسخ این زیست حسگر در محدوده10 میکرومولار تا 25/0 میلی مولار خطی است. از جمله مزایای دیگر این زیست حسگر پایداری زیاد، تکرار پذیری پاسخ ، تکرار پذیری فرایند ساخت الکترود و طول عمر نسبتا بالای آن است. در قسمت دوم این بخش الکترود کربن شیشه ای با نانوذرات سیلیکون نیترید (si3n4) اصلاح و برای تثبیت آنزیم sod مورد استفاده قرار گرفته شد. تثبیت آنزیم sod در سطح الکترود توسط تکنیک های ولتامتری چرخه ای و اسپکتروسکوپی امپدانس بررسی شد. به دلیل انجام مبادله مستقیم الکترون میان sod و سطح الکترود یک زوج پیک ردوکس با پتانسیل فرمال 057/0 ولت در ph برابر با 4/7، برای این آنزیم مشاهده شد. غلظت سطحی و ثابت سرعت انتقال الکترون مشاهده شده برای آنزیم تثبیت شده در سطح الکترود برابر باmol.cm-2 10-10×1/4 و s-1 33/20 محاسبه گردید که نشان دهنده توانایی نانوذرات سیلیکون نیترید در تثبیت مقادیر زیاد آنزیم در سطح نانوذرات و افزایش سینتیک انتقال الکترون است. زیست حسگر ساخته شده پاسخ آمپرومتری سریعی (کمتر از 3 ثانیه) برای آنیون سوپراکسید دارد. در شرایط بهینه با استفاده از تکنیک آمپرومتری حساسیت الکترود برای برای کاهش و اکسایش آنیون سوپراکسید به ترتیب برابر با na ?m-1 cm-2 8/8 و na ?m-1 cm-2 2/10 و حدتشخیص الکترود هم برای کاهش و اکسایش آنیون سوپراکسید به ترتیب برابر با 6 و 10میکرو مولار بدست آمد. از جمله مزایای این زیست حسگر پایداری زیاد و تکرارپذیری پاسخ، تکرارپذیری فرایند ساخت الکترود و طول عمر نسبتا بالای آن است. در بخش ششم، برای اولین بار یک روش جدید، ساده و سریع برای ساخت فیلم چندلایه ای از آنزیم گلوکز اکسیداز( gox) در سطح الکترود کربن شیشه ای اصلاح شده با تیواوره گزارش شده است. برای تثبیت آنزیم گلوکز اکسیداز و تیواوره در سطح الکترود کربن شیشه ای از تکنیک ولتامتری چرخه-ای استفاده شد. فیلم چند لایه ای آنزیم گلوکز اکسیداز، با جذب متناوب تیواوره و آنزیم گلوکز اکسیداز در سطح الکترود ساخته شد. مراحل ساخت فیلم چند لایه ای گلوکز توسط تکنیک ولتامتری چرخه ای و اسپکتروسکوپی امپدانس مورد ارزیابی قرار گرفته شد. فیلم ساخته شده یک زوج یک ردوکس با پتانسیل فرمال 42/0- ولت در محلول بافر فسفات با ph برابر با 7 نشان می دهد. الکترود اصلاح شده خاصیت الکتروکاتالیزوری بسیار مناسبی برای اکسیداسیون گلوکز نشان می دهد و پاسخ زیست حسگر متناسب با تعداد لایه های آنزیم موجود در سطح الکترود است. متوسط غلظت سطحی آنزیم گلوکز اکسیداز موجود در هر لایه به ترتیب برابر با molcm-2 12-10×33/1 محاسبه شد که نشان دهنده تثبیت یکنواخت آنزیم در هرلایه است. به علاوه بالا بودن ثابت سرعت انتقال الکترون محاسبه شده برای آنزیم گلوکز اکسیداز (s-12/71) نشان دهنده سینتیک بسیار سریع انتقال الکترون برای آنزیم موجود در فیلم تیواوره است. مقدار ثابت میکائیل- منتن( km) نیز برابر با 4 میلی مولار محاسبه شد که نشان دهنده خاصیت زیست کاتالیزوری بسیار قوی آنزیم گلوکز اکسیداز تثبیت شده برای اکسایش گلوکز است. ازجمله مزایای این زیست حسگر گلوکز می توان به محدوده وسیع کالیبراسیون خطی ?a50 تا mm5، پاسخ سریع (کمتر از 4 ثانیه)، حساسیت زیاد?a mm-1cm -2 369/6 و حد تشخیص کم 24 میکرومولار اشاره کرد. از دیگر مزایای این زیست حسگر می توان به پایداری بسیار زیاد، تکرارپذیری زیاد مراحل ساخت و پاسخ و طول عمر نسبتا زیاد آن اشاره کرد. روش گزارش شده در اینکار می تواند برای ساخت سایر زیست حسگرهای حساس با تکرار-پذیری بالا براساس روش لایه به لایه ای، بکار رود. در بخش هفتم، یک روش ساده برای اصلاح الکترود کربن شیشه ای با نانولوله های کربنی چند جداره ( mwcnts) و سلستین بلو ارائه شده است. ولتاموگرام های چرخه ای الکترود اصلاح شده یک زوج پیک ردوکس با پایداری بالا در محدوده وسیعی از phها (2-12) را نشان می دهند. پتانسیل فرمال زوج ردوکس با افزایش ph محلول به سمت پتانسیل های منفی تر جابجا می شود. غلظت سطحی سلستین بلوی جذب شده در سطح نانولوله های کربنی برابر با molcm-2 10-10×95/1محاسبه شد که نشان دهنده جذب مقادیر زیاد سلستین بلو در سطح نانولوله های کربنی است. ضریب انتقال بار کاتدی(?) و ثابت سرعت انتقال الکترون محاسبه شده برای فیلم سلستین بلو موجود در سطح نانولوله-های کربنی به ترتیب برابر با 43/0 وs-126/1 محاسبه شد. الکترود اصلاح شده دارای خاصیت کاتالیزوری مناسبی برای احیای اکسیژن در پتانسیل های مازاد کم است. برای ساخت زیست حسگر گلوکز فیلم نازکی از کامپوزیت سل-ژل حاوی آنزیم گلوکز اکسیداز در سطح الکترود قرار می گیرد. زیست حسگر ساخته شده برای اندازه گیری گلوکز بر اساس کاهش جریان کاتدی حاصل از احیای هیدروژن پراکسید بکار برده شد. حد تشخیص، حساسیت و محدوده کالیبراسیون خطی برای اندازه-گیری گلوکز به ترتیب برابر با 3/0 میکرومولار، ?a/mm 83/1 و 10 میکرومولار تا 6 میلی مولار محاسبه شد. کاربردی بودن و صحت الکترود اصلاح شده با اندازه گیری گلوکز در محلول سرم خون توسط روش افزایش استاندارد مورد ارزیابی قرارگرفته شد. پاسخ زیست حسگر در کمتر از 3 ثانیه به مقدار ثابت و پایداری رسیده و گونه های اکسید شونده (مثل آسکوربیک اسید )َaa) و اوریک اسید(ua )) مزاحمتی در اندازه گیری گلوکز ایجاد نمی کنند. ثابت میکائیل- منتن برای الکترود اصلاح شده برابر با 4/2 میلی مولار محاسبه شد که نشان دهنده خاصیت کاتالیزوری زیاد آنزیم موجود در سطح الکترود برای اکسیداسیون گلوکز است. از جمله مزایای این زیست حسگر می توان به سادگی روش، کوتاه بودن زمان ساخت زیست حسگر، حساسیت زیاد اندازه گیری، پایداری و تکرار پذیری پاسخ، عدم مزاحمت گونه های اکسید شونده موجود در ماتریکس سرم خون و صحت بالا برای اندازه گیری گلوکز در نمونه-های حقیقی اشاره کرد. کلمات کلیدی: نانو ذرات نیکل اکسید، سلیکون نیترید، گلوکز اکسیداز، الکترود، اسیدهای نوکلئیک