1-1- الکترودهای اصلاح شده شیمیایی الکترودهای اصلاح شده شیمیایی نتیجه تغییر هدفمند یک ماده هادی برای ایجاد یک الکترود مناسب برای یک هدف ویژه که خواص آن متفاوت تراز ماده اصلاح نشده است، می باشد[1, 2]. ویژگی-ها و عملکرد مختلف این الکترودها عبارتند از: الکتروکاتالیز واکنش ها[3, 4]، آشکارسازی تغییرات در واکنش ها، حفظ الکترود از خوردگی، مفید برای توصیف فرایندهای انتقال الکترون و جرم در پلیمرها و دیگر مواد و آگاهی از این که چگونه واکنش ها و فرایندها در ساختارهای سطحی اتفاق می افتد[5]. الکترود زمینه ای که به کار گرفته می شود خود باید چندین ویژگی منحصر به فردی داشته باشد تا برای مدت های طولانی بتوان از آن استفاده کرد: الف- باید هدایت الکتریکی بالایی داشته باشد ب- در برابر خوردگی و صدمات شیمیایی که ممکن است از طرف محلولی که با آن تماس دارد وارد شود، مقاومت خوبی داشته باشد. ج- در پتانسیل های خیلی مثبت و تحت دماهای بالا و شرایط اسیدی بالا برای زمانی که الکترود به عنوان آند به کار گرفته می شود، پایدار باشد د- همچنین از پایداری مکانیکی بالایی برخوردار باشد قبل از اصلاح کردن، معمولا الکترود با الماس یا پودر آلومینا و پارچه پشمی جلا داده می شود، سپس با اسید نیتریک و آب شسته می شود و اغلب از دستگاه سونیکیت برای جداکردن ذرات چسبیده شده به سطح الکترود نیز استفاده می شود. انواع الکترودهای زمینه ای که به کار گرفته می شوند عبارتند از: فلزات، فرم های مختلفی از کربن، نیم رساناها و پلیمرهای هادی و ترکیبات آلی- فلزی. لایه های اصلاح کننده مورد استفاده برای اصلاح شیمیایی الکترود می تواند از مواد مختلفی از قبیل، سورفکتانت های آلی، گونه های معدنی جذب سطحی شده، نانوذرات فلزی یا شبه فلزی، نانولوله های کربنی یا مواد بیولوژیکی تشکیل شده باشد. روش های مختلفی برای قراردادن این مواد اصلاح کننده برروی سطح الکترود وجود دارد. معمول ترین روش ها برای قراردادن یک تک لایه روی سطوح الکترود، فرایندهای جذب سطحی غیربرگشت پذیر ، پیوند کوالانسی یا روش لانگمیور - بلودگیت و روش های خودتجمعی می باشد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزوها و ساختارهایی هم چون الکترودها می باشد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت می توان کارآیی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو موثری بهبود بخشید و یا در تولید نانوکامپوزیت ها با استفاده از این ذرات، پیوندهای شیمیایی مستحکم تری بین ماده زمینه و ذرات برقرار شده و استحکام آن به شدت افزایش می یابد. علاوه براین، افزایش سطح ذرات، فشار سطحی را کاهش داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود. تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و نسبت سطح به حجم بالا در نانوذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده دارد. حسگرها و زیست حسگرها نیز از انواع دیگر الکترودهای اصلاح شده به روش شیمیایی می باشند که به منظور اندازه گیری گونه های ارزشمند با کمترین تداخل به صورت انتخابی در حضور سایر گونه ها طراحی و ساخته می شوند. 1-2- حسگرها امروزه نیاز روز افزون به مشاهده و اندازه گیری عنصرها و ترکیب های شیمیایی در بخش های مختلف محیط اطراف، اعم از زنده یا غیر زنده، دیده می شود. این نیاز می تواند با مواردی چون آلودگی محیط زیست، سلامتی و ایمنی فردی افزایش یابد. مواد شیمیایی موجود در جو، محیط زندگی، آلودگی آب ها، گازهای قابل اشتعال در صنایع مختلف، کنترل سوخت ها، تعیین و تشخیص گونه های شیمیایی در سیالات، محیط های زنده و به خصوص بدن انسان، نیاز به کار بر روی حسگرها و زیست حسگرها را بیان می کنند. در این زمینه، مطالعه و تحقیق در مورد طول عمر حسگرها، پایداری فیزیکی و شیمیایی و قابلیت کاربرد آن ها در محیط های مختلف دارای اهمیت خاصی می باشد. تعیین آلودگی ها و گونه های آنالیت در مقادیر اندک، بدست آوردن حدود آشکارسازی پایین تر و بهبود در دقّت و صحت اندازه گیری ها از اهداف شیمی تجزیه نوین است. وجود ابزاری که قابل حمل و کوچک بوده و دارای حساسیت بالا برای اندازه گیری آنالیت باشند، از اهداف شیمیدان تجزیه است. به طور کلی حسگرها را می توان به عنوان ابزارهایی که یک کمیّت فیزیکی و یا شیمیایی مرتبط با آنالیت را به علایم قابل آشکارسازی تبدیل می کنند، تعریف کرد. حسگرها بسته به آنالیت هدف، انواع متفاوتی دارند که از میان آن ها، حسگرهای شیمیایی (به خصوص حسگرهای الکتروشیمیایی) و زیست حسگرهای شیمیایی دارای اهمّیت خاصی هستند. 1-3- حسگرهای الکتروشیمیایی از نظر تاریخی، قدیمی ترین حسگر الکتروشیمیایی به دهه 1950 بر می گردد و مربوط به حسگرهای گازی می باشد که در اندازه گیری های اکسیژن موجود در هوا استفاده می شدند. پس از آن و در اواسط دهه 1980، حسگرهای الکتروشیمیایی در ابعاد بسیار کوچک جهت شناسایی و اندازه گیری گازهای سمّی مختلف با حساسیت و گزینش پذیری بالا طراحی شدند. اگرچه بسیاری از حسگرهای الکتروشیمیایی از لحاظ ظاهری مشابه یکدیگر هستند، عملکرد آنها اساسا متفاوت است. در نتیجه می توان کارآیی این حسگرها را بر اساس عواملی چون گزینش پذیری، حساسیت، زمان پاسخ و طول عمر حسگر طبقه بندی کرد. به طور کلّی حسگرهای الکتروشیمیایی از طریق واکنش اکسایش-کاهش گونه مورد نظر روی سطح الکترود و تولید علامت الکتریکی متناسب با غلظت گونه آنالیت عمل می کنند. یک حسگر الکتروشیمیایی نوعی شامل یک الکترود حسگر (الکترود کار) و یک الکترود مقابل است که به وسیله لایه نازکی از الکترولیت از یکدیگر جدا شده اند (شکل 1-1). گونه مورد نظر پس از آنکه از یک منفذ ورودی موئینه داخل حسگر شد، از یک سد آب گریز عبور کرده و نهایتا به سطح الکترود می رسد. این امر باعث می شود که گونه مورد نظر در سطح الکترود کار، طی مکانیسم اکسایشی-کاهشی، وارد واکنش شده و یک علامت الکتریکی تولید می کند که با غلظت گونه متناسب است. به وسیله یک مقاومت خارجی که الکترودها را به هم متصل می کند، جریانی متناسب با غلظت گونه بین الکترودهای کار و مقابل جریان می یابد. این جریان می تواند به منظور تعیین غلظت گونه آنالیت مورد اندازه گیری قرار گیرد. در حسگری که برای کار به یک ولتاژ خارجی نیاز دارد، داشتن پتانسیلی ثابت و پایدار در الکترود حسگر از اهمیت زیادی برخوردار است. شکل 1-1- ساختار یک حسگر الکتروشیمیایی نوعی (http://www.nemototech.it) در واقع، پتانسیل الکترود کار در اثر واکنش های الکتروشیمیایی متناوبی که در روی سطح الکترود صورت می گیرد، همواره متغیر است. این امر موجب زوال کارآیی و عملکرد حسگر با گذشت زمان می شود. بنابراین، به منظور بهبود کارآیی حسگرها حضور یک الکترود مرجع الزامی می باشد. الکترود مرجع در داخل محلول الکترولیت و بسیار نزدیک به الکترود کار قرار داده می شود و وظیفه آن این است که پتانسیل پایداری را که به الکترود کار اعمال می شود ثابت نگه دارد. . در نهایت علامت الکتریکی تولید شده در اثر انجام واکنش های اکسایش-کاهش روی سطح الکترود کار که متناسب با غلظت گونه مورد نظر است اندازه گیری می شود. میزان ولتاژ مورد نیاز جهت اعمال به الکترود کار، هر حسگر را برای گونه مورد نظر گزینش پذیر می کند. 1-4-زیست حسگرها زیست حسگر به عنوان یک ابزار تجزیه ای توصیف می شود که پاسخ بیولوژیکی را به سیگنال کیفی و قابل اندازه گیری تبدیل می کند[6]. همان طور که در شکل 1-2 نشان داده شده است زیست حسگر از سه قسمت تشکیل شده است: 1- گیرنده زیستیکه به طور ویژه با آنالیت پیوند می دهد 2- عنصر مبدل و یا انتقال دهنده علائم که حوادث بیولوژیکی در آنجا اتفاق افتاده و منجر به ایجاد سیگنال می شود 3-عنصر تشخیص دهندهکه سیگنال مورد نظر را شناسایی می کند. شکل1-2- عناصر تشکیل دهنده یک زیست حسگر[7] زیست حسگر مناسب باید دارای شرایط زیر باشد[7]: ? کاتالیزور زیستی باید به منظور هدف تجزیه ای ویژه باشد و تحت شرایط نرمال پایدار بوده و تغییرات کمی را نشان دهد ? واکنش نباید به پارامترهای فیزیکی از جمله هم زدن،ph و دما وابسته باشد. ? پاسخ در محدوده غلظتی مورد نظر باید خطی، دقیق و صحیح باشد. ? برای اندازه گیری سریع نمونه های بیولوژیکی لازم است که زیست حسگر، زمان تجزیه مناسبی را محیا کند. ? یک زیست حسگرکامل باید ارزان، کوچک، قابل حمل و توانا باشد. با این هدف،زیست حسگر ها با توجه به امکان برهمکنش ویژه توسط اصلاح الکترود با یک عنصر تشخیص مناسب که برهمکنش ویژه ای با مولکول مورد نظر دارد، از گزینندگی بالایی برخوردارند[8]. عناصر تشخیص مناسب استفاده شده در زیست حسگر ها عبارتند از آنزیم ها، نوکلئیک اسیدها، آنتی بادی ها، سلول کامل و پذیرنده ها هستند. زیست حسگر ها در اهداف وسیعی از جمله اندازه گیری نمونه های مایعات بدن انسان، نمونه های خوراکی و همچنین اندازه گیری نمونه های محیطی به کار می روند. 1-4-1- زیست حسگر های dna توسعه زیست حسگرها و ریز آرایه های dna، در چند سال اخیر افزایش چشمگیری داشته است. گزارش های بسیاری از سامانه های شناسایی dna بر پایه هیبریدشدن یک رشته dna و رشته مکمل آن که می تواند در فاز محلول و یا روی یک تکیه گاه جامد قرار بگیرد، توصیف شده است. این سامانه ها می تواند بر پایه روش های تشخیص نوری [9, 10] و یا الکتروشیمیایی باشند [11]. این سیستم ها معمولأ شامل قرار دادن پروب تک رشته dna روی یک سطح برای تشخیص رشته مکمل آن توسط هیبرید شدن است ) شکل1-3(. شکل1-3- مراحل تشخیص dna [12] 1-5- روش های تثبیت dna روی سطح الکترود مولکول dna را نیز می توان با استفاده از روش های تثبیت سایر ماکرومولکول ها بر سطح الکترود قرار داد. روش های مختلفی برای تثبیت مولکول های زیستی روی الکترود وجود دارد: 1-5-1- جذب سطحی این روش ساده ترین راه قرار دادن dna بر سطح الکترود می باشد، زیرا نیاز به آماده سازی و اصلاح مولکول dna ندارد. تثبیت از این روش شامل برهم کنش الکتروستاتیک بین پروب dna با بار منفی و بارهای مثبت در سطح الکترود می باشد. برقراری پیوندهای واندروالسی نیز می تواند موجب جذب سطحی dna شود. 1-5-2- اتصال کوالانسی اتصال کووالانسی dna به سطح از طریق گروه انتهایی آزاد نظیر آمین ها، با تشکیل پیوند آمید یا اتصال از طریق برخی اتصال دهنده های عرضی با سطوح همانند شکل1-4 صورت می گیرد. شکل1-4- تثبیت کوالانسی dna بر سطح الکترود اصلاح شده با نانو لوله های کربنی از طریق پیوند کوالانسی[13] از روش اتصال کوالانسی برای اتصال dna به سطح بسیار استفاده می شود. روش های متفاوتی از تثبیت کوالانسی dna در متون علمی گزارش شده است که به اختصار توضیح داده می شود: 1-5-1-1-جذب شیمیایی1 از این روش می توان به اتصال فلز-تیول اشاره کرد که برای اتصال کوالانسی ماکرومولکولها به سطح فلز طلا استفاده می شود که به دلیل تمایل شدید گروه های تیول به سطح طلا منجر به اتصال کوالانسی تیول به سطح طلا می شود. 1-5-1-2-اتصال کوالانسی پروب اصلاح شده روی سطح عامل دار در اتصالات کوالانسی اغلب از کربوایمیدها به عنوان واکنش گر استفاده می شود که می تواند در حضور یا در غیاب nhs باشد. 1-اتیل-3-(3-دی متیل آمینو پروپیل)کربودی ایمید (edc) متداولترین واکنش گر فعال در این روش است [14]. 1-5-1-3- برهم کنش تمایلی بین مولکول زیستی پذیرنده و جفت های تشخیصی با استفاده از پروتئین- لیگاند بیوتین – آویدین یکی از مثال های این روش است که منجر به تثبیت آنزیم ها روی سطح می شود[15, 16] شکل(1-5). شکل1-5- برهمکنش تمایلی آویدین- بیوتین[17] 1-6- ساختار مولکول dna [18-22]: با استفاده از مطالعات انجام گرفته تا سال ???? مشخص شد که نوکلئین در واقع اسید دزوکسی ریبونوکلئیک (dna) است. بررسی های شیمیایی آن مشخص کرد که زیر واحد تکرار شونده اصلیdna ، نوکلئوتید می باشد که از سه قسمت تشکل شده است: یک قند پنتوز (دزوکسی-d - ریبوز) ، یک گروه فسفات و یکی از چهار باز آلی نیتروژن دار حلقوی آدنین (a)، گوانین (g)، سیتوزین (‍c) و تیمین (t). از این چهار باز، دو باز دوحلقه ای آدنین و گوانین از بازهای پورینی و دو باز تک حلقه ای سیتوزین و تیمین از بازهای پیریمیدینی می باشند. به مجموعه قند و باز آلی نوکلئوزید گفته می شود. گروه فسفات می تواند به کربن 3 و یا 5 متصل شود. به مجموع نوکلئوزید و گروه فسفات متصل به آن نوکلئوتید می گویند. با توجه به این که یون فسفات می تواند هم به کربن 3 و هم به کربن 5 متصل شود. پس دو نوکلئوتید از طریق یک پیوند فسفودی استر به هم متصل می شوند. به این صورت که گروه هیدروکسیل یک نوکلئوتید با گروه فسفات نوکلئوتید دیگر واکنش داده و پیوند فسفودی استر را به وجود می آورد. از آن جایی که پیوند فسفودی استر، کربن های 3 و 5 دو قند مجاور را به هم متصل می کند، این پیوند را پیوند 5-3 فسفو دی استر نیز می نامند. یک زنجیره اسید نوکلئیک در اثر اتصال پشت سر هم تعدادی?-دزوکسی ریبونوکلئوتید به وسیله پیوندهای قند-فسفات تشکیل می شود. تمامی نوکلئوتیدها در یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی دارای جهت یکسان می باشند. به این صورت که نوکلئوتید انتهایی در یک سمت زنجیره دارای یک گروه 5َ آزاد و نوکلئوتید انتهایی در سمت دیگر زنجیره دارای یک گروه 3َ آزاد می باشد. بنابراین زنجیره پلی نوکلئوتیدی دارای جهت بوده و این جهت را به صورت َ5 ? 3َ نشان می دهند. بنابراین اگر در نوکلئوتید ابتدایی کربن َ? در بالای حلقه پنتوز و کربن 3َ در زیر آن باشد، در تمامی نوکلئوتیدهای بعدی زنجیره کربن ?َ در بالای حلقه پنتوز جای خواهد داشت. کشف ساختار مارپیچ دو رشته ای dna در سال ????، بوسیله واتسون و کریک واقعه ای به یاد ماندنی در تاریخ علم بود. واتسون و کریک با استفاده از مطالعات تفرق اشعه ایکس ، رشته های dna که به وسیله فرانکلین و ویلکینز تهیه شده بود و همچنین ساختن مدل ها و استنباط های مشخصی، مدل فضایی خود را ارائه دادند و در سال ???? واتسون و کریک و ویلکینز به خاطر اهمیت کشف ساختمان dna به صورت مشترک جایزه نوبل دریافت کردند. مدل پیشنهادی آنان چنین بود که dna یک مارپیچ دورشته ای است که رشته های آن به دور یک محور مرکزی، معمولا به صورت راست گرد پیچ می خورند. جفت شدن دو رشته موجب ایجاد شیارهای بزرگ و کوچک در سطح دو رشته می گردد. طبق مدل واتسون و کریک، ستون-های قند - فسفات همانند نرده های پلکان به دو قسمت خارجی بازهای آلی پیچیده و به این ترتیب در معرض محیط آبی داخل سلول هستند و بازهای آلی که خاصیت آب گریزی دارند، در داخل مارپیچ قرار می گیرند. هنگام تشکیل مارپیچ رشته ها به صورت موازی مقابل هم قرار می گیرند. یعنی اگر جهت یک رشته ??? باشد، رشته دیگر ? ?? خواهد بود. پیوندهای هیدروژنی بین آدنین از یک رشته با باز تیمین رشته مقابل و باز گوانین یک رشته با سیتوزین رشته مقابل به وجود می آیند. گرچه از نظر اندازه، هر باز پورینی می تواند در مقابل یک باز پیریمیدین قرار بگیرد، ولی به دلیل وجود گروه های شیمیایی روی بازهای g و c و t و a پیوندهای هیدروژنی مناسب فقط بین c با g و t با a برقرار می شود (شکل1-6). در یک مولکول dna به این علت که در مقابل یک باز تک حلقه ای یک باز دو حلقه ای قرار می گیرد، تناسب قطر 2 نانومتر رشته همیشه حفظ می شود. شکل 1-6- شمایی از یک کروموزوم و زنجیر دورشته ای dna موجود در داخل کروموزوم و همچنین بازشده قسمتی از dna با نشان دادن پیوند فسفودی استر بین دو قند پنتوز و همچنین پیوند هیدروژنی بین بازهای آلی در ساختار دورشته ای ( dna . 1-7- نانو لوله های کربنی: با کشف نانولوله ها در سال 1991 توسط ایجیما و همکارانش[23] توجه پژوهشگران زیادی در جهان به این مواد جلب شد. نسبت طول به قطر بزرگ نانولوله ها، ناشی از طول زیاد(تا چند میکرون) و قطر کم آنها( چند نانومتر) است. در واقع می توان نانولوله ها را، به طور تقریبی ساختار یک بعدی فولرین ها در نظر گرفت. بنابراین انتظار می رود که این مواد خواص الکتریکی، مکانیکی و مولکولی جالب دیگری نیز داشته باشند. به طور کلی، این نانولوله ها به دو دسته ی نانولوله های تک دیواره و چند دیواره تقسیم می شوند. نانولوله های تک دیواره (swnts) را می توان صفحات دراز لوله شده ای از گرافن دانست. نانولوله ها عمومأ نسبت طول به قطری حدود 1000 دارند و بنابراین می توان آنها را به عنوان ساختاری تقریبأ تک بعدی در نظر گرفت. به بیان دقیق تر یک swnt از دو بخش مجزا، با ویژگی های فیزیکی و شیمیایی متفاوت تشکیل شده است: یک دیواره جانبی و دیگری کلاهک انتهایی لوله. ساختار کلاهک به تنهایی مشابه و یا برگرفته از یک فولرین کوچک تر مانند c60 است. نانولوله های چند دیواره (mwnt) را می توان به صورت مجموعه ای از نانولوله های تک دیواره(swnt) متحدالمرکز با قطرهای متفاوت در نظر گرفت. طول وقطر این ساختارها و خواص آنها با swntها تفاوت بسیاری دارد. 1-7-1- خواص ویژه نانولوله های کربنی ? واکنش پذیری شیمیایی: واکنش پذیری یک cnt در مقایسه با صفحه گرافن، نتیجه مستقیم انحنای سطح cnt است. ? رسانایی الکتریکی: نانولوله ها با شعاع کمتر، بسته به شعاع چرخششان، دارای خواص نیمه هادی یا فلزی هستند. وجود این تفاوت ها در خواص رسانایی به علت ساختار مولکولی متفاوت است که به ساختار باندی متفاوت و در نتیجه شکاف انرژی متفاوت منجر می گردد. ? فعالیت نوری: مطالعه نظری حاکی از آن است که میزان فعالیت نوری نانولوله های جهت دار، با بزرگتر شدن نانولوله ها از بین می رود. بنابراین انتظار می رود دیگر خواص فیزیکی آنها نیز، تحت تأثیر این پارامترها قرارگیرند. فعالیت نوری مناسب نانولوله ها به ابزارهای نوری منجر می شود که cnt نقش مهمی در آنها ایفا می کند. ? استحکام مکانیکی: نانولوله ها در کل به علت طول بزرگی که دارند، بسیار انعطاف پذیر بوده و لذا این ترکیبات به طور بالقوه، برای مواد کامپوزیتی که به خواص غیر همگن نیاز دارند، مناسب می باشند. خواص ویژه نانولوله های کربنی منجر به استفاده از این مواد در کاربردهای الکتروتجزیه ای از جمله ذخیره انرژی، ذخیره هیدروژن، باتری ها، ابرخازن ها، نانوترانزیستورها، تیپ afm و به خصوص حسگرها و نانوکاوشگرها شده است[24-28]. همچنین نانولوله های کربنی به دلیل دارا بودن سختی بالا، گزینه ای ایده آل برای کاربردهای سازه ای به شمار می آیند. به عنوان مثال می توان از آنها برای تقویت مواد مرکب با استحکام بالا، وزن کم و با عملکرد بالا استفاده نمود. 1-7-2-کاربرد نانولوله های کربنی در حسکرها و نانوکاوشگرها[29, 30] به دلیل انعطاف پذیری نانولوله ها، می توان از آنها در ابزارهایی با پروب پیمایشگر استفاده نمود. از آنجا که نوک mwntها رسانا است، می توان از آنها در ابزارهای تیپ stm و afm هم استفاده نمود. استفاده از نانولوله ها به دلیل کشسانی بالا، باعث بهبود قدرت تفکیک این ابزارها نسبت به ابزارهایی می شود که از نوک های متداول بدون برخورد با سطح استفاده می کنند. نانولوله ها را می توان با اتصال گروه های عاملی به آنها از لحاظ شیمیایی اصلاح کرد و به همین دلیل است که می توان از آنها به عنوان کاوشگرهای مولکولی با قابلیت استفاده در شیمی و زیست شیمی نیز استفاده نمود. از swntها می توان به عنوان حسگرهای الکتروشیمیایی کوچک استفاده نمود، به طوریکه وقتی در معرض محیطی حاوی no2، nh3 یا o2 قرار بگیرند، مقاومت الکتریکی آنها تغییر کند. 1-8- مروری بر روش های مطالعه برهم کنش پلی آمین ها با dna تاریخچه شناخت و مطالعات در مورد پلی آمین ها حدود 200 سال قدیمی تر از dna می باشد، در سال 1678، آنتونی وان لیون هوک(antonie van leeuwenhoek) با استفاده از میکروسکوپی که خودش کشف کرده بود، موادی کریستالی را در سرم انسانی تشخیص داد که در نمونه های سرم تازه یافت نمی شد و بعد ار چند روز نگهداری سرم، مشاهده می شد. واکویلی (vauqueli) در سال 1971 گزارش کرد که این کریستال ها مشتقات فسفات از یک ماده ناشناخته جدیدند. در سال 1878، اسچرینر (schreiner) این ترکیبات جدید را به عنوان بازهای آلی معرفی کرد و سر انجام در سال 1888، لادنبرگ (ladenburg) و ابل((abel، این باز را اسپرمین نامیدند. در سال 1924 رزنهایم (rosenheim)، پوترسین، اسپرمین و اسپرمیدین را سنتز کرد [31]. پلی آمین ها، آمین های خطی با وزن مولکولی پایین هستند که قابلیت انحلال در آب را دارند. این ترکیبات دارای pka در حدود 10 می باشند و درph فیزیولوژیکی به صورت پلی کاتیون حضور دارند و به همین دلیل برهمکنش های قوی آنیونی-کاتیونی با ماکرومولکول های آنیونی از قبیل dna و rna دارند [32, 33]. به نظر می رسد که فعالیت پلی آمین ها وابسته به بار الکتریکی آنهاست، به طوری که انرژی پیوند از اسپرمین به اسپرمیدین کاهش می یابد و نشان داده شده است که اسپرمین، بیشترین فعالیت و پوترسین حداقل فعالیت را در کنترل فرآیندهای مختلف بیولوژیکی دارد [34]. پلی آمین های زیستی، پوترسین، اسپرمیدین و اسپرمین، رایج ترین پلی آمین ها در سلول های زنده می باشند. این پلی کاتیون های خطی کوچک در بسیاری از فرآیند های بیولوژیکی مختلف از جمله تنظیم بیان ژن، فعالیت های آنزیمی، فعالیت های سنتزی dna و تکثیر سلولی درگیر هستند [31, 35, 36]. همچنین از dna در مقابل عوامل خارجی [37] و آسیب های تابشی محافظت می کنند [38]. پلی آمین ها همچنین توانایی ایجاد تغییر در ساختار dna را دارند، مطالعات جذب uv نشان می دهد ساختار b-dna در حضور پلی آمین ها به ساختار z تبدیل می شود [39]. تصور می شود مکانیسم مولکولی متراکم کردن dna توسط پلی آمین ها، شامل خنثی سازی اسکلت باردار منفی dna به وسیله گروه های آمین باردار مثبت اسپرمین و اسپرمیدین می باشد [40]. مطالعات پیوند پلی آمین ها با b-dna در محلول به وسیله دیالیز تعادلی [41]، گرماسنجی [42]، مطالعات nmr هسته های 23na [43]، 14n [44]، 1h [45] یک مدل پیوندی را شامل برهمکنش های غیرویژه الکترواستاتیک بین فسفات های dna و پلی آمین های کاتیونی نشان می دهند. در مورد برهم کنش پلی آمین ها با dna تاکنون چندین مدل پیشنهاد شده است که این مدل ها همیشه با هم در توافق نبوده اند. در هر حال مدلی که در مورد آن به عنوان اولین مکانیسم برهمکنش، اتفاق نظر وجود دارد ماهیت الکتروستاتیک برهم کنش است. اگرچه بسیاری نویسندگان بر اثرات الکتروستاتیک تأکید دارند ولی به نظر می رسد که این اثر به تنهایی نمی تواند برهم کنش پلی آمین-dna را شرح دهد. مطالعات بیشتر روی ترکیبات مشابه پلی آمین علاوه بر اثرات الکتروستاتیک، وجود خواص ساختاری ویژه ای را برای کمپلکس dsdna- پلی آمین نشان داده اند. برخی کارهای تئوری انجام شده با این فرضیه در توافق خوبی می باشند. مطالعات به وسیله پراش اشعه x نشان دادند که مولکول های پلی آمین در طول شیارهای dsdna قرار می گیرند. بنابراین، اجازه برهم کنش با بازهای dna را می یابند. بسیاری از این بلورها شامل الیگومرهای فرم b-dna هستند که اثرات پایدارکنندگی dsdna را به وسیله پلی آمین ها اثبات می کند. از جنبه مولکولی بهبود در مطالعات تکنیکی ویژگی ها و تغییرات ساختاری dna بر اثر برهم کنش با پلی آمین ها جهت درک جامع نقش زیستی پلی آمین ها مهم به نظر می رسد. چیکا(ruiz-chica) و همکارانش [46] با استفاده از طیف سنجی رامان برهم کنش پلی آمین ها و dna را بررسی کردند و پیشنهاد کردند که پیوند ترجیحی پوترسین و اسپرمیدین با شیارهای کوچک dna است درحالی که اسپرمین با شیارهای بزرگ وارد برهم کنش می شود. از طرفی دنگ ((deng و همکارانش [40] با مطالعه طیف سنجی رامان دریافتند که فسفات های b-dna اهداف اولیه برهم کنش هستند و اغتشاشاتی نیز در شیارهای بزرگ dna در اثر برهم کنش ایجاد می شود. مطالعات تئوری با شبیه سازی دینامیک مولکولی (md) نشان داد که اسپرمیدین با شیارهای بزرگ b-dna که کم عمق اند و به راحتی در دسترس این مولکول ها هستند، برهم کنش می کند [47]. کامر و تاج میر ریاحی (quameur &tajmir-riahi) برهم کنش dna با پلی آمین ها را با روش-های ft-ir و الکتروفورز مویینه بررسی کردند [48]. آن ها دریافتند که در غلظت های پایینی از این پلی کاتیون ها، پوترسین به طور ترجیحی با شیارهای بزرگ و کوچک dsdna پیوند می دهد در حالی که اسپرمین و اسپرمیدین با شیارهای بزرگ پیوند می دهند. در غلظت های زیاد پلی کاتیون ها، برهم کنش پوترسین با بازها ضعیف می باشد، در حالی که اسپرمیدین در محل شیارهای بزرگ و کوچک dna پیوند قوی با بازها برقرار می کند. همچنین در مطالعاتی که انجام دادند به محل های پیوندی این سه پلی آمین با dna اشاره شده است. بدین ترتیب که با توجه به طول و فاصله گروه های آمینی در پلی آمین ها، برهم کنش با شیارها به گونه ای است که متناسب با ابعاد پلی آمین ها باشد. از آنجا که فاصله بین خارجی ترین گروه آمین در تمام ترکیبات ترانس پلی آمین ها 23/6، 13/11 و 04/16 انگسترومبه ترتیب برای پوترسین، اسپرمیدین و اسپرمین می باشد و همانطور که در شکل 1-7 نشان داده شده است، فاصله بین دو گروه آمینی جدا شده توسط سه گروه متیلی برابر با 5 انگستروم و فاصله بین دوگروه آمینی جدا شده توسط 4 گروه متیل، 23/6 انگستروم می باشد] 48[ شکل1-7- ساختار پلی آمین های زیست ژنی ] 48 [. در شیارهای بزرگ dsdna، اتم های n7 گوانین و آدنین به دلیل اینکه درگیر پیوندهای هیدروژنی واتسون-کریک نمی شوند، فعال ترین جایگاه ها هستند. فاصله بین این اتم ها و نزدیکترین اتم اکسیژن از گروه فسفات در حدود 36/6 و 47/6 انگستروم است که در تناسب بسیار خوی با فاصله n-n پوترسین (23/6) می باشد.گروه های آمین انتهایی در پوترسین با توجه به شکل1-8- قادرند دو پیوند هیدروژنی را با یک اتم اکسیژن از گروه po2 و یکی از اتم های n7 گوانین و یا آدنین از همان رشته در شیارهای بزرگ تشکیل دهند ] 48[ . شکل1-8- مدل پیوندی پیشنهادی کمپلکس پوترسین-dna، گروه های فسفات و n7 بازهای پورین در شیارهای بزرگ و همچنین برهمکنش های فسفات- فسفات درون شیاری ] 48[ . اگرچه اندازه مولکولی پوترسین برای برهم کنش های درون رشته مناسب نیست، با این وجود در یک مدل شیار کوچک، فاصله بین اتم o2 تیمین و گروه po2- از همان رشته 02/6 تخمین زده شده است که در توافق با فاصله n-n پوترسین می باشد. در نتیجه با توجه به شکل1-9- می توان گفت، گروه های +nh3 پوترسین از یک طرف با گروه فسفات و از سمت دیگر با اتم o2 تیمین در شیارهای کوچک برهم کنش می دهد] 48[. شکل1-9- مدل پیوندی پیشنهادی برای کمپلکس های پوترسین-dna، گروه های فسفات و o2 تیمین مربوط به یک رشته در شیارهای کوچک ] 48[ . در مورد اسپرمیدین به نظر می رسد در غلظت های پایین، تنها برهم کنش با شیارهای بزرگ مهم باشد اما در غلظت های بالا، برهم کنش هم با شیارهای کوچک و هم با شیارهای بزرگ مهم می شود. حضور گروه آمین ثانویه در اسپرمیدین، امکان پیوند را گسترش می دهد، از آنجا که فاصله n-n در ساختار ترانس اسپرمیدین 2/11 انگستروم است، این امکان را به وجود می آورد که با سایت های فعال قرار گرفته در دو رشته dna پیوند ایجاد کند. با توجه به فاصله بین اتمی در شیارهای بزرگ، با توجه به شکل 1-10- سه گروه فسفات مجاور در یک رشته با فاصله 9/11 انگستروم، مکان مناسبی برای برهم کنش اسپرمیدین می باشد. فاصله o2p1 تا o2p2 برابر باa? 3/6 وفاصله o2p2 با o2p3 برابر با a? 7/5 می باشد که در توافق کامل با فاصله بین گروه های آمینی(a?6.23 و a?5) اسپرمیدین است ] 48[ شکل1-10- مدل پیوندی پیشنهادی کمپلکس spd-dna، سه گروه مجاور فسفات مربوط به یک رشته در شیار های بزرگ] 48[ در مدلی دیگر می توان فاصله بین اتم n7 آدنین و گروه فسفات را برای برهمکنش اسپرمیدین مناسب دانست به طوری که گروه nh2+ در اتصال با n7 گوانین باشد.با توجه به شکل1-11- فاصله بین o2p و n7 گوانین a?7 و فاصله n7 گوانین و n7 آدنین a?4 است که می تواند برای این برهم کنش تقریبأ مناسب باشد. شکل1-11- مدل پیوندی پیشنهادی درون رشته ای کمپلکس spd-dna در شیار های بزرگ ] 48[ . همچنین در رابطه با برهم کنش اسپرمیدین با شیارهای کوچک dna نیز پیشنهادهایی داده شده است. که نویسندگان برهمکنش درون رشته ای را بین گروه های o2 تیمین، n3 آدنین و گروه های po2- را پیشنهاد داده اند. همچنین با توجه به شکل 1-12- فاصله بین o2 تیمین و o4 شکر با فاصله a?3/11 برای این برهمکنش می تواند مناسب باشد. در این مدل اتم n3 آدنین می تواند با گروه nh2+ اسپرمیدین برهمکنش داشته باشد ] 48[ . شکل1-12- مدل پیوندی پیشنهادی درون رشته ای کمپلکس spd-dna در شیار های کوچک ] 48[ . در رابطه با اسپرمین، شیارهای بزرگ مهمترین و بهترین محل پیوند است، همانطور که مطالعات اشعه x نیز، برهمکنش اسپرمین با شیارهای بزرگ dna را تأیید می نماید [49]. همچنین برهم کنش اسپرمین با dna به طور وسیع از طریق مطالعات تئوری مطالعه شده است [50-52]. این مطالعات نشان می دهد که برهم کنش در شیارهای بزرگ از رشته های متفاوت پورین و پیریمیدین، بهترین مدلی است که می تواند برهم کنش اسپرمین با dna را به خوبی توضیح دهد. مطالعات رامان، نشان می دهد که برهم کنش در طول و درون شیارهای بزرگ و بین گروه های آمین داخلی و n7 بازهای پورین و اتم های o4 تیمین اتفاق می افتد.که همچنین موجب برهم کنش گروه ch2 تیمین و گروه متیلن اسپرمین نیز می شود. همچنین مطالعات ft-ir نیز این مدل را تأیید می کند [48] و اشاره می کند که گروه های آمین انتهایی اسپرمین با توجه به شکل1-13- قادرند با گروه های po2-(a?04/16) از رشته های متفاوت برهم کنش کنند، که در توافق با فاصله دوگروه آمین انتهایی اسپرمین می باشد و همچنین این مدل امکان برهم کنش داخلی با گروه n7 مربوط به آدنین و گوانین را به وجود می آورد] 48[. شکل1-13- مدل پیوندی پیشنهادی درون رشته ای کمپلکس spm-dna در شیار های بزرگ ] 48[ . 1-9- اهمیت هیستونh1 هیستون ها گروه پروتئینی با مولکول های نسبتأ کوچک، دارای خاصیت بازی و ساختمان بسیار مشابهی هستند. در میان این گروه پروتئینی، هیستونهای h1 ضعیف ترین پیوندها را با کروماتین دارند و به کمک محلول های نمکی به آسانی از کروماتین جدا می شوند. پس از جدا شدن هیستون h1، باقیمانده کروماتین(هسته نوکلئوزوم) در آب حل می گردد و در محلول حاصل چهار نوع دیگر هیستون h2a، h2b، h3 وh4 به دست می آید. هیستون ها به dna یوکاریوت ها، برای تشکیل کروماتین متصل می شوند. اتصال هیستونh1 نقش حیاتی در فشردگی کروماتین دارد. کمپلکسهای متشکل از قطعات dna با هیستونh1 به عنوان مدلـی از کروماتین مورد توجه قرار دارند، زیرا هیستونh1 در کروماتین، میان کنش ضعیفی با دیگر هیستون ها دارد و به طور غیر وابسته به dna پیوند می شود [53, 54]. هیستون h1 با dna در بین نوکلئوزوم ها پیوند برقرار می کند [55]. هیستون h1 به دو انتهای نوکلئوزوم dna، جایی که ساختار نوکلئوزوم را پایدار می کند، متصل می شود [56]. هیستون h1هم درافزایش انعطاف پذیری ساختار کروماتین نقش داشته و هم فرآیند رونویسی را تنظیم می کند [57, 58]. در واقع یکی از دلایل عدم فشرد گی بخشی از کروماتین تحت شرایط یونی فیزیولوژیکی، عدم حضور هیستون h1 در آن نواحی می باشد [59]. تجمع هیستون ها با dna باعث تراکم قابل توجه آن می شود و اجازه می دهد تا dna به طول بیش از یک متر در هستهْ سلول با قطر تنها چند میکرون جای بگیرد. نواحی n ـ و cـ انتهائی هیستون های h3-h4 را در تاخوردگی فیبرهای کروماتین در مقام دوم نسبت به هیستون h1 قرار دارند. شکل1-14- نحوه عملکرد انواع هیستون ها و ساختار آنها را نشان می دهد. اتصال به dna باعث پایداری قطعات هلیکسی در بـخش کربوکسی انتهائی هیستون h1 می شود، فرم ساختار دار این بـخش از نظر عملی در کروماتین بسیار مـهم است. به عبارت دیگر ساختار گرفتن بـخش کربوکسی انتهائی h1 اهـمیت زیادی در سازمانبندی و تراکم dna رابط در کروماتین دارد. هـمچنین بر اساس بعضی شواهد تـجربـی پیشنهاد شده است که خم ـ بتا (?-turn ) در این ناحیه موجب اتصال پروتئین به شکاف کوچک dna و تراکم کروماتین می شود. احتمالا دنباله cـ انتهائی به dna رابط متصل و با خنثی کردن بار آن باعث تسهیل تراکم کروماتین می شود و اتصال ناحیه کروی اساسا با وضعیت متفاوتـی نسبت به دنباله صورت می گیرد. دیگر مطالعات، دخیل بودن میان کنش بین بـخش کروی پروتئین با dna در پایداری ساختارهای بالاتر کروماتین را نشان داده است]61[. شکل1-14- ساختار هیستون ها و نحوه عملکرد هیستون h1 در فشرده کردن کروماتین(http://www.daneshju.ir) در ادامه کارهای گروه در رابطه با طراحی و ساخت الکترودهای اصلاح شده با dna، در کار حاضر یک نانو زیست حسگر dna بر پایه نانو لوله های کربنی ساخته شد و به منظور بررسی اثر طول و تعداد گروه_های nh2 در پلی آمین های مختلف به کار رفت. همچنین به منظور بررسی سایت های فعالdna در برهمکنش با پلی آمین ها از سه توالی مختلف dna،شامل درصدهای مختلف از بازهای g.c وa.t استفاده شد.