1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

مروری بر حسگرهای الکتروشیمیایی با استفاده از نانومواد ورقه ای دو بعدی

افراد مقاله : ‌ مترجم - پری میراحمدپور , مترجم - سید محمد حسین بنی طباء بیدگلی

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : حسگر زیستی - گرافن - نانوساختار دو بعدی - دی سولفید مولیبدن - حسگر شیمیایی تاریخ مقاله : 1394/03/23 تعداد بازدید : 3126

با پیشرفت روز افزون علم در جهان و پیدایش تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر رخ داده است، اندازه گیری دقیق پارامترهای فیزیکی و شیمیایی در مقیاس مولکولی نیاز به ساخت حسگرهایی کوچکتر ، دقیقتر و با حساسیت بالاتر دارد که با علم نانو می توان به آن دست یافت. نانو مواد ورقه ای دو بعدی مثل گرافن و دی سولفید مولیبدن (MoS2) به دلیل دارا بودن خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی منحصر به فرد خود در علم مواد ظهور یافتند. همچنین رشد چشمگیری در ساخت حسگرهای الکتروشیمیایی برای شناسایی و اندازه گیری طیف وسیعی از مولکولهای شیمیایی و زیستی با استفاده از این نانومواد دو بعدی (2D) صورت گرفته است. مقاله مروری حاضر ترجمه و خلاصه مختصری از پیشرفتهای اخیر در استفاده از گرافن و دی سولفید مولیبدن برای توسعه حسگرهای الکتروشیمیایی در شناسایی مولکولهای کوچک، پروتئینها، اسیدهای نوکلئیک و سلولها است.

 

 

1. مقدمه

حسگرهای الکتروشیمیایی به واسطه‌ی داشتن مزایای بی‌شماری از جمله سادگی، کم هزینه بودن، گزینش پذیری زیاد و حساسیت بالا مورد توجه هستند. از این رو این حسگرها به ابزارهای قدرتمندی در حوزه‌های مختلف از جمله غذا، محیط زیست، تشخیص بیماری‌ها، بررسی و نظارت‌های پزشکی و سیستم‌های امنیتی ضد تروریسم 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 مؤثر در کارآیی بالای حسگرهای الکتروشیمیایی از اهمیت به‌سزایی برخوردار است. در دو دهه‌ی گذشته، نانومواد در تهیه و ساخت حسگرهای الکتروشیمیایی به‌دلیل برخورداری از مزایای بی‌شماری از جمله خواص الکترونیکی، مکانیکی و کاتالیتیکی بسیار مورد استفاده قرار گرفته‌اند و به‌طور قابل توجهی الگوی پیشرفت حسگرها را تغییر داده‌اند.

در سال‌های اخیر، نانومواد ورقه‌ای دوبعدی مانند گرافن، نیترید بور با ساختار شش ضلعی و دی کالکوژنید فلزات واسطه[1] به‌دلیل دارا بودن خواص رضایت‌بخش این ترکیبات و کاربرد وسیعشان در صنایع الکترونیک، اپتوالکترونیک، کاتالیزورها و وسایل ذخیره‌ی انرژی، زمینه‌های تحقیقی و پژوهشی فوق‌العاده زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. گرافن اولین نمونه این گروه از مواد است. کشف افسانه‌ای این ترکیب در سال 2004 توجه بسیار زیادی را به خود معطوف کرد و منجر به کشف خواص الکترونیکی فوق‌العاده، قابلیت‌های انتقال الکترون، نفوذ ناپذیری بی‌سابقه، استحکام مکانیکی بسیار زیاد، هدایت گرمایی و الکتریکی فوق‌العاده آن گردید.این نانوماده‌ی دوبعدی، سهم زیادی در پیشرفت و توسعه‌ی 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. دراین مقاله‌ی مروری به پیشرفت‌های اخیر در توسعه‌ی حسگرهای الکتروشیمیایی با استفاده از نانو ورقه‌های گرافن و دی‌سولفید مولیبدن و کاربرد آن‌ها در زمینه‌های مختلف پرداخته شده است.

 

2. ساختار و خواص نانومواد ورقه‌ای دوبعدی

نانو ورقه‌های دو بعدی به دلیل 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 شش ضلعی و دی‌کالکوژنید فلزات واسطه وجود دارند. به‌دلیل ساختارهای ویژه‌ی آن‌ها، محققان تلاش‌های زیادی در جهت تولید نانو ورقه‌های دوبعدی از طریق تفکیک این ترکیبات به لایه‌های مجزا انجام داده‌اند. به‌عنوان مثال، گرافن ورقه دوبعدی تک اتمی با پیوندها‌ی sp2 اتم‌های کربن است که در یک ساختار شبکه‌ای لانه زنبوری متراکم شده است و دارای ضریب جذب بسیار ضعیف 3/2 درصدی از نور سفید است. گرافن خواص جالب بی‌شماری دارد. مساحت سطح نظری گرافن 2630 مترمربع بر گرم است که دو برابر نانولوله‌های کربن با مساحت سطح 1315 مترمربع بر گرم است. مهم‌تر این‌که گرافن دارای تحرک الکترونی بالا با مقادیر بیش از 15000 سانتی متر مربع 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 کاربردهای نوری، گرافن دارای توانائی تقویت پراش رامان برای مولکول‌های آلی است. گرافن همچنین فرونشاننده‌ی محدوده‌ی وسیعی از فلورسان سازها محسوب می‌شود. از این‌رو، کاربرد گرافن و مشتقات آن در گستره‌ی وسیعی از حسگرها شامل حسگرهای فلورسانس، حسگرهای رامان تقویت‌شده بر سطح[2]، حسگرهای الکتروشیمیایی، حسگرهای مبتنی بر ترانزیستورهای اثر میدانی[3] مورد بررسی قرار گرفته‌است. به‌عنوان مثال گرافن به‌عنوان فرونشاننده[4] برای ساخت گروهی از حسگرها جهت‌شناسایی یون‌های فلزی، نوکلوئیک اسیدها و پروتئین‌ها به کار رفته است.

در سال‌های اخیر، دی‌سولفید مولیبدن (MoS2) نیز توجه بسیار زیادی را به خود اختصاص داده است. به‌عنوان یک ترکیب مشابه گرافن، نانوورقه‌های دی‌سولفید مولیبدن دارای شباهت‌هایی با گرافن است و در نتیجه فرصت‌های جدیدی در‌شناسایی و ساخت حسگر، باتری‌های لیتیم، اپتوالکترونیک و ذخیره انرژی فراهم کرده است. محققان زیادی نشان دادند که لایه‌های مجزای دی‌سولفید مولیبدن دارای انرژی تا 9/1 الکترون‌ولت هستند. به‌علاوه دی‌سولفید مولیبدن خواص فرونشانندگی فلورسانس و فوتو لومینسانس را دارا است. انرژی مستقیم و محدود دی‌سولفید مولیبدن راه حل پیشی گرفتن از کمبودهای گرافن را فراهم کرده است. به‌عنوان مثال‌، Zhang و همکارانش، حسگرهای ترانزیستورهای اثر میدانی برپایه‌ی دی‌سولفید مولیبدن را برای‌شناسایی نیتروز اکساید تهیه کردند. آن‌ها دریافتند که حسگرهای ترانزیستورهای اثر میدانی برپایه‌ی تک‌لایه‌ی دی‌سولفید مولیبدن پاسخ سریعی به نشر اکسید نیتروژن دارند اما جریان در آن‌ها ناپایدار است. با این وجود، وسایلی با حسگرهای ترانزیستورهای اثر میدانی برپایه‌ی دی‌سولفید مولیبدن چند لایه پاسخ‌های سریع با جریان پایدار نسبت به انتشار اکسید نیتروژن تولید می‌کنند.Su و همکارانش نقاط حساسی را با رشد دادن نانوذرات طلا در سطح نانوورقه‌های دی سولفید مولیبدن ایجاد کردند که به‌عنوان لایه‌های فعال تقویت‌کننده‌ی پراکندگی رامان برای حسگرهای شیمیایی مورد استفاده قرار گرفت. همان‌گونه که در بالا اشاره شد، نانومواد ورقه‌ای دو بعدی به طور موفقیت‌آمیزی در ساخت حسگرهای فلوئورسانس‌، حسگرهایی با سطوح فعال تقویت‌کننده‌ی پراکندگی رامان و حسگرهای الکتروشیمیایی با بهره‌مندی از خواص فیزیکی و شیمیایی به کار گرفته شدند. در بخش بعدی به مرور توسعه و بهبود حسگرهای الکتروشیمیایی با استفاده از گرافن و دی‌سولفید مولیبدن پرداخته خواهد شد.

 

3. حسگرهای الکتروشیمیایی بر پایه‌ی نانومواد ورقه‌ای دو بعدی

1.3. حسگرهای مولکول‌های کوچک

1.1.3 مولکول‌های مرتبط با فرآیندهای زیستی

مولکول‌های کوچک مانند پراکسید هیدروژن (H2O2) ، انتقال دهنده‌های عصبی، نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید (NADH) و آدنوزین تری فسفات (ADT) ، نقش حیاتی در زندگی موجودات زنده ایفاء 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[5] خصوصاً در انتقال سیگنال‌های پیچیده و مسیرهای اکسیداسیون دربدن موجودات زنده است. به علاوه، نشانگر اکسیداتیو استرس[6] 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 محیط زیست حائز اهمیت است. با این هدف، حسگرهای الکتروشیمیایی بر اساس 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. Liu و همکارانش سنتز یک مرحله‌ای هیبرید سه جزئی نانوذرات طلا/پلی اکسو متالات/ گرافن را گزارش کردند. نانو هیبرید سنتز شده‌ی مذکور، خواص کاتالیتیکی بالایی نسبت به پراکسید هیدروژن با حساسیت و پایداری بالا نسبت به مقادیر کمتر از 5 میکرمولار نشان داد. الکترودهای مبتنی بر گرافن، پراکسید هیدروژن را در محیط‌های زنده و خارج از محیط‌های زنده‌شناسایی کردند. Wu و همکارانش گرافن نیتروژن‌دار شده را برای اندازه‌گیری فرایند آزاد شدن پراکسید هیدروژن از سلول‌های زنده مانند نوتروفیل[7]، سلول‌های ماکروفاژی RAW-264.7 و سلول‌های MCF-7 مورد استفاده قرار دادند. Liu و همکارانش نیز الکترودهای انعطاف‌پذیر مبتنی بر گرافن را جهت به دام انداختن ترشح پراکسید هیدروژن در سلول‌های زنده به کار گرفتند.

 

همان‌گونه که در شکل 1 مشاهده می‌شود، آن‌ها یک روش تک مرحله‌ای آسان و سازگار با محیط زیست در سنتز الکتروشیمیایی نوع جدیدی از نانو هیبرید صفحه‌ای شامل نانوسیم‌های دی‌اکسید منگنز/گرافن ارائه کردند. این الکترود انعطاف‌پذیر، فعالیت الکتروکاتالیتیکی شگفت‌انگیزی در واکنش‌های اکسایش– کاهش پراکسید هیدروژن از خود نشان داد. آن‌ها همچنین از این الکترود صفحه‌ای برای ردیابی زمان واقعی ترشح پراکسید هیدروژن از سلول‌های ماکروفاژ استفاده کردند. همین‌طور، Liu و همکارانش ﺫﺭﺍﺗﻲ ﻳﻜﭙﺎﺭﭼﻪ ﺑﺎ ﺍﻧﺪﺍﺯﻩﻱ ﻣﺸﺎﺑﻪ از دی‌سولفید مولیبدن فاقد سورفکتانت را با استفاده از روش‌های ساده اولتراسونیک و سانتریفیوژ گرادیانی سنتز کردند که برای کاهش الکتروکالیتیکی پراکسید هیدروژن به کار گرفته شد. این حسگر الکتروشیمیایی بر پایه دی‌سولفید مولیبدن توانست مقادیر بسیار ناچیز پراکسیدهیدروژن آزاد شده از سلول‌های ماکروفاژی RAW-264.7 با غلظت کمتر از 5/2 نانو مولار را‌شناسایی کند.

 انتقال دهنده‌های 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 ایفاء می‌کنند. الکترودهای اصلاح شده‌ی گرافن برای‌شناسایی اختصاصی انتقال دهنده‌های عصبی استفاده شده‌اند. عموماً‌شناسایی دوپامین، اسکوربیک اسید و اوریک اسید با الکترودهای معمولی به دلیل هم‌پوشانی پیک‌های اکسیداسیون آن‌ها کار دشواری است. جالب آنکه دوپامین، اسکوربیک اسید و اوریک اسید پیک‌های اکسایشی در نواحی 85213 و 296 میلی ولت در سطح الکترود کیتوسان-گرافن- کربن شیشه‌ای[9] از خود نشان داده‌اند که امکان‌شناسایی و تجزیه‌ی همزمان دوپامین، اسکوربیک اسید و اوریک اسید را فراهم می‌کند. در روش مشابهی، Wang و همکارانش، الکترودهای اصلاح‌شده‌ی کیتوسان/گرافن/ نانوذرات پالادیم را در تشخیص دوپامین، اسکوربیک اسید و اوریک اسید مورد استفاده قرار دادند. حد تشخیص‌های به دست آمده برای اسکوربیک اسید، دوپامین و اوریک اسید به ترتیب 20، 1/0 و 17/0 میکرومولار بود. محققان گروه Zhang، الکترود اصلاح شده‌ای از دی‌سولفید مولیبدن را به شکل نانو ورقه‌ی تک لایه‌ی کاهش یافته برای تشخیص الکتروشیمیایی دوپامین تهیه کردند. حسگر الکتروشیمیایی مذکور این توانایی را داشت که به‌صورت انتخابی و اختصاصی دوپامین را در حضور اسکوربیک اسید و اوریک اسید اندازه‌گیری کند. Su و همکارانش، دسته‌ای از حسگرهای الکتروشیمیایی مبتنی بر نانو ورقه‌های دی‌سولفید مولیبدن آمیخته با نانوذرات طلا را برای اندازه‌گیری اسکوربیک اسید، دوپامین و اوریک اسید توسعه دادند. الکترودهای اصلاح شده‌ی دی‌سولفید مولیبدن نشان دار شده با نانوذرات طلا، تحت شرایط بهینه یک پاسخ خطی در محدوده‌ی 50 تا 100000 میکرو مولار، 05/0 تا 30 میکرومولار و 50 تا 40000 میکرومولار به ترتیب نسبت به اسکوربیک اسید، دوپامین و اوریک اسید از خود نشان دادند. به‌علاوه، الکترودهای اصلاح شده‌ی مبتنی بر دی‌سولفید مولیبدن به‌طور موفقیت آمیزی در تشخیص دوپامین در نمونه‌های سرم خون انسان با کسب نتایجی رضایت‌بخش مورد استفاده قرار گرفتند.

سایر الکترودهای گرافن، از جمله گرافن دوپه شده با نیتروژن، ورقه‌های هیبرید اکسید گرافن کاهش یافته/پلی پیرول به‌شکل آمیخته شده با نانوذرات طلا، هتروساختارهای متشکل از نانونوارهای[10] اکسید گرافن/ نانولوله‌های کربن چند‌جداره پوسته = هسته و الکترودهای گرافن سه بعدی تهیه‌شده با لیتوگرافیکی[11] در تشخیص گزینشی مولکول‌های مذکور به کار رفته‌اند. سایر انواع مولکول‌های کوچک نیز با استفاده از الکترودهایی بر پایه‌ی گرافن‌شناسایی شده‌اند. گروه محققان Niu، الکترود اصلاح شده‌ی گرافن عامل‌دار شده با مایع یونی را به منظور‌شناسایی الکتروشیمیایی NADH به کار برد. الکترودهای اصلاح شده‌ی گرافن در مقایسه با الکترودهای اصلاح نشده می‌توانند پتانسیل اضافی اکسیداسیون NADH را به میزان قابل ملاحظه‌ای از 77/0 ولت به 33/0 کاهش داده و اکسیداسیون الکتروشیمیایی NADH را تسهیل نمایند.

در گزارش مشابهی، پتانسیل اکسیداسیون NADH از 61/0 ولت در سطح الکترود کربن شیشه‌ای به 35/0 ولت در سطح الکترود اکسید گرافن کاهش یافته/ کربن شیشه‌ای جابه‌جا شد. این حسگرهای مبتنی بر گرافن، توانایی‌شناسایی مقادیر کمتر از 6/0 میکرو مولار NADH را به‌وسیله‌ی پاسخ‌های آمپرومتری خود دارند.

Guo و همکارانش از هیبریدی از نانو ورقه‌های گرافن- پورفیرین مزو تراکیس (4- متوکسیل- 3- سولفوناتوفنیل) [12] برای‌شناسایی اسید آمینه‌ی غیر ضروری آدنوزنین تری‌فسفات[13] (ATP) استفاده کردند. این حسگر هیبریدی که از کوپل کردن نانو ورقه‌های گرافن با ویژگی‌های ارائه شده به‌وسیله‌ی آپتامر آدنوزنین تری‌فسفات به دست آمده، توانست مقادیر کمتر از 7/0 نانو مولار آدنوزنین تری‌فسفات را تشخیص دهد (آپتامر: الیگونوکلئوتید یا مولکول‌های پپتیدی که به‌طور اختصاصی به مولکول هدف اتصال می‌یابند). گروه Dong برهم‌کنش قوی اوربیتال‌های π-π میان گرافن و آپتامر در حال اتصال به آدنوزین تری فسفات را در تشخیص آدنوزنین تری‌فسفات گزارش کرد. اندازه‌گیری آدنوزنین تری‌فسفات در محدوده‌ی غلظتی 15 نانو مولار تا 4 میلی مولار به روش اسپکتروسکوپی آمپدانس الکتروشیمیایی امکان‌پذیر شد. همچنین این حسگر گزینش‌پذیری فوق‌العاده‌ای نسبت به سیتیدین تری‌فسفات[14]، ریبوتیمیدین تری‌فسفات[15] و گوانوزین‌تری فسفات[16] از خود نشان داد.

 

2.1.3. حسگرهای آنزیمی

در طی دهه‌ی گذشته، زیست‌حسگرهای آنزیمی توجه زیادی را به علت کارآیی کاتالیتیکی بالا و خواص آنزیمی به خود جلب کرده‌اند. مانع اصلی در پیشرفت و توسعه‌ی حسگرهای آنزیمی، سختی تشخیص مستقیم انتقال الکترون بین آنزیم‌ها و سطح الکترود بوده است. مواد بر پایه‌ی گرافن یک ریز محیط مناسب برای آنزیم‌ها فراهم کرده‌اند. Luo و همکارانش پلیمرهای درخت مانند با پایانه‌های کربوکسیلیک را به عنوان الگو و قالب در سنتز نانوکامپوزیت اکسید گرافن کاهش یافته/ نانوذرات نقره جهت انطباق با آنزیم گلوکز اکسیداز مورد استفاده قرار دادند. در نتیجه، حسگرهای الکتروشیمیایی تهیه شده بر اساس گرافن یک محدوده‌ی تشخیص خطی از 032/0 میلی مولار تا 89/1 میلی مولار با یک حد تشخیص کم در 5/4 میکرومولار در اندازه‌گیری گلوکز فراهم کردند. سایر مواد بر پایه‌ی گرافن نیز برای سنجش گلوکز توسعه یافته‌اند که از آن جمله می‌توان به گرافن کربوکسیل کاهش یافته به روش الکتروشیمیایی، اکسید گرافن تک لایه‌ای، گرافن آمیخته با نانوذرات طلا، نانوورقه‌های نازک گرافن چند لایه‌ای عامل‌دار شده با نانوذرات پلاتین اشاره کرد. مواد مبتنی بر دی‌سولفید مولیبدن نیز فرایند انتقال الکترون میان آنزیم تثبیت شده و بستر الکترود را تسهیل می‌کنند.

به‌همان ترتیب که در شکل 2 نشان داده شده است، Su و همکارانش حسگر الکتروشیمیایی هیبریدی بر اساس دی‌سولفید مولیبدن را جهت تشخیص گلوکز توسعه دادند. آن‌ها دو پیک مشخص اکسایش- کاهش با استفاده از الکترود اصلاح شده‌ی دی‌سولفید مولیبدن/ کربن شیشه‌ای دوپه شده با اکسید گرافن آمیخته با نانوذرات طلا / تترافلورو اتیلن سولفون‌دار شده[17] به دست آوردند که می‌توانست برای تشخیص اختصاصی گلوکز در سرم خون انسان مورد استفاده قرار گیرد. همچنین گرافن به‌عنوان بستری جهت پشتیبانی نانوساختارهای فلزی مقلد آنزیم برای تشخیص گلوکز بدون تکیه بر آنزیم‌های طبیعی نیز به کار گرفته شده است. Gao و همکارانش برای نخستین بار اعلام کردند که نانوذرات اکسید آهن دارای فعالیت‌های ذاتی مقلد آنزیم هستند. Ching و همکارانش روش الکتروشیمیایی تک مرحله‌ای ساده‌ای به کمک امواج فراصوتی برای سنتز نانوکامپوزیت‌های گرافن و نانوذرات آلیاژ نیکل-پلاتین به کار بردند و از آن‌ها در تشخیص غیرآنزیمی با گزینش‌پذیری بسیار زیاد نسبت به گلوکز استفاده کردند. این حسگرهای مبتنی بر گرافن دارای حد تشخیص بسیار پایین 10 میکرومولار برای گلوکز هستند. Badhulika و همکارانش حسگرهای غیرآنزیمی گلوکزی با استفاده از الکترود هیبریدی گرافن- نانولوله‌های کربن چند‌جداره آمیخته شده با نانوساختارهای درخت مانند (شاخه‌ای) پلاتین نیز ساختند. نانو فیبرهای اکسید نیکل با بستر گرافن، نانوذرات مس، نانوذرات پلاتین-پالادیوم و تترااکسید منگنز نیز در‌شناسایی غیرآنزیمی گلوکز مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

 

3.1.3 آلاینده‌های زیست‌محیطی

پایش محیط زیست به یکی از زمینه‌های تحقیقاتی 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، توسعه‌ی روش‌های‌شناسایی سریع، صحیح، حساس و گزینشی برای پایش آلاینده‌ها لازم و ضروری است. از آنجایی‌که بسیاری از آلاینده‌ها ساختار آروماتیک دارند، به شدت بر روی سطح گرافن جذب سطحی می‌شوند. Dong و همکارش از نانوصفحات هیبریدی گرافن-مایع یونی به‌عنوان ترکیب بهبود دهنده برای آشکارسازی سریع الکتروشیمیایی نیتروتولوئن (TNT) که یک ماده‌ی منفجره با حد تشخیص کم ppb 4 است، استفاده کردند. همچنین آن‌ها با موفقیت TNT را در آب‌های زیرزمینی، آب شیر و آب دریاچه‌شناسایی کردند. Guo و همکارانش گرافن عامل‌دار شده با پورفرین را برای آشکارسازی الکتروشیمیایی ترکیبات منفجره‌ی نیترو آروماتیک تهیه و استفاده کردند. این حسگر پورفرین/گرافن قادر است ppb 1 از 2، 4- دی نیترو تولوئن، ppb 5/0 از 2، 4، 6- تری نیترو تولوئن، ppb 1 از 1، 3، 5- تری نیترو بنزن و ppb 2 از 1، 3-دی نیتروبنزن را‌شناسایی کند. در کنار TNT، نانومواد دو بعدی برای آشکارسازی کتکول، رزورسینول، هیدروکینون، آفت‌کش‌ها و یون‌های فلزات سنگین به‌کار گرفته شده‌اند. برای مثال، Wei و همکارانش از الکترود اصلاح‌شده با نانوکامپوزیت SnO2/گرافن اکسید احیاء شده برای‌شناسایی گزینشی و همزمان مقادیر کمی از Cd (II) ، Pb (II) ، Cu (II) و Hg (II) در آب آشامیدنی بهره گرفتند (شکل 3). حد تشخیص این حسگر مبتنی بر گرافن نسبت به Cd (II) ، Pb (II) ، Cu (II) و Hg (II) به ترتیب 10-10 0/1، 10-10 8/1، 10-10 2/2 و M 10-10 8/2 بود. چندین گروه دیگر حسگرهای الکتروشیمیایی مبتنی بر گرافن را برای‌شناسایی آفت‌کش‌های آلی فسفردار و کربامات‌ها گزارش کرده‌اند. برای مثال الکترود اصلاح شده با SnO2-کربوکسیلیک گرافن- نفیون برای آشکارسازی متیل پاراتیون و کربوفوران معرفی شده است.

 

4.1.3 مولکول‌های دارویی

پایش متابولیسم دارو و کنترل کیفیت دارو نقش مهمی در سلامت انسان ایفا می‌کنند. بنابراین، توسعه‌ی روش‌های آسان، صحیح و حساس برای آشکارسازی اجزاء فعال حائز اهمیت است. در میان چندین راهکار‌شناسایی 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. Huang و همکارانش از لایه‌های کامپوزیتی MoS2- گرافن برای تجزیه‌ی الکتروشیمیایی استأمینوفن استفاده کردند. این حسگر الکتروشیمیایی جدید عملکرد تجزیه‌ای بسیار خوبی برای آشکارسازی استأمینوفن نشان می‌دهد (حد تشخیص M 8-10 8/2 و محدوده‌ی خطیμM 100-1/0). Guo و همکارش یک الکترود اصلاح‌شده با نانوصفحات هیبریدی گرافن- سیکلودکسترین برای‌شناسایی دوکسوروبیسین و متوترکسات گزارش کردند. این حسگر مبتنی بر گرافن غلظت‌هایی به کمی nM 1/0 از دوکسوروبیسین و nM 20 از متوترکسات را با گزینش‌پذیری خوب‌شناسایی می‌کرد. این حسگر ابزاری مناسب برای‌شناسایی مقادیر کم این دو دارو در زمینه‌ی مطالعات زیست شناختی، بالینی و دارویی فراهم می‌کند. Wu و همکارانش با استفاده از الکترود اصلاح‌شده با گرافن اکسید، یک حسگر الکتروشیمیایی برای راکتوپامین و کلنبوترول ساختند. حدود تشخیص به‌ترتیب برای راکتوپامین و کلنبوترول 17 و μg L-1 15 بود. این حسگر برای‌شناسایی این دو ترکیب در نمونه‌های گوشت استفاده شد و نتایج قابل قبولی به دست آورد.

 Jiang از راهکار تقویت سیگنال با تکرار چرخه‌ای فرآیند کاتالیز شده‌ی اکسایش-کاهش برای تشخیص بسیار حساس کوکائین استفاده کرد. کوکائین یکی از مواد مخدر غیر قانونی است که اثرات فوری و مخربی بر روی سیستم اعصاب مرکزی دارد. همان‌طور که در شکل 4 نشان داده شده است، الکترود اصلاح شده با گرافن/AuNP به‌عنوان بستری برای آپتامر دو جزئی برای کوکائین عمل می‌کند. پس از افزودن کوکائین، بخش مکمل بیوتین دار آپتامر به بخش تثبیت شده بر روی سطح متصل می‌شود و تشکیل یک کمپلکس ساندویچی بر روی سطح الکترود می‌دهد. افزودن سوبسترای آلکالین فسفاتاز (ALP) و واکنشگر مکمل NADH یک چرخه‌ی اکسایش-کاهشی را میان محصول آنزیمی و گونه‌های اکسید شده به روش الکتروشیمیایی ایجاد می‌کند. این راهکار تقویت آشکارسازی موجب دستیابی به حد تشخصی به کمی nM 1 برای کوکائین می‌شود.

 

2.3 حسگرهایی برای نوکلئیک اسیدها

تجزیه‌ی حساس، گزینشی، سریع و مقرون به صرفه‌ی اسیدهای نوکلئیک در ژنتیک، جرم‌شناسی، تشخیص‌های بالینی، و درمان حائز اهمیت است. شیوه‌ی الکتروشیمیایی به‌عنوان یک راهکار مناسب برای دستیابی به این اهداف در نظر گرفته می‌شود. گروه تحقیقاتی Dong از الکترود مبتنی بر گرافن برای آشکارسازی چهار باز آلی (G، A، T و C) در حالت آزاد استفاده کرد که اساسی را برای آشکارسازی DNA و میکرو RNA (miRNA) بدون نیاز به نشان‌دار کردن فراهم می‌سازد.

Luo و همکارش از نانوکامپوزیت گرافن-تیونین برای آشکارسازی الکتروشیمیایی DNA در حضور‌شناساگر داونومایسین استفاده کردند. این حسگر الکتروشیمیایی مبتنی بر گرافن، حساسیت بسیار خوبی را نسبت به رشته‌ی مکمل DNA با حد تشخیص fM 100 از خود نشان می‌داد. این حسگر DNA به‌صورت گزینشی قادر است توالی‌هایی با یک یا دو جزء اختلاف را از یکدیگر تمایز دهد. Yang و همکارش یک زیست حسگر الکتروشیمیایی بسیار حساس و بدون نیاز به نشان‌دار کردن برای DNA را بر مبنای MoS2 لایه نازک ارائه کردند. نانوصفحات MoS2 ورقه ورقه شده با امواج مافوق صوت، تمایل متفاوتی در جذب ssDNA و dsDNA از خود نشان می‌دهند. پاسخ الکتروشیمیایی حسگر مبتنی بر MoS2 در محدوده‌ی غلظتی توالی ژنی مکمل از M 16-10 0/1 تا M 10-10 0/1 خطی بود و حد تشخیص M 17-10 9/1 داشت. به‌منظور بهبود حساسیت آشکارسازی DNA، چندین راهکار تقویت سیگنال مبتنی بر گرافن برای‌شناسایی DNA پیشنهاد شده است. Shi و همکارانش از صفحات RGO آمیخته با نانو میله‌های طلا برای تثبیت مقدار زیادی از گرافن نه تنها برای ساخت زیست حسگر برای آشکارسازی DNA، بلکه برای ساخت زیست حسگرهای miRNA استفاده کردند. گروه تحقیقاتی Ai یک شیوه‌ی سنجش مستقیم بدون نشان‌دار کردن برای آشکارسازی miRNA-21 را بدون نیاز به تقویت از طریق PCR گزارش کرده‌است. همان‌طور که در شکل 5 نشان داده شده است، نوکلئیک اسید قفل شونده (LNA) به‌همراه مولکول نشانه (MB) برای به‌دام انداختن miRNA-21 مورد استفاده قرار می‌گیرد. پس از هیبرید شدن با miRNA-21 و DNA-AuNPs-LNA چند عاملی، استرپتاویدین-HRP از طریق برهم کنش ویژه با بیوتین به سطح الکترود آورده می‌شود. با تکیه بر تقویت سیگنال مبتنی بر کاتالیز HRP، این زیست حسگر حساسیتی بالا و حد تشخیصی کم در حد fM 60 را برای miRNA-21 نشان داده است. این حسگر با موفقیت، miRNA-21 را در سلول‌های انسانی BEL-7402 هپاتوکارسینوما (نوعی سلول سرطانی کبد) و سلول‌های کبد انسانی L02 تشخیص داده است. علاوه‌بر این، همان گروه یک حسگر ژنی از نوع سیگنال‌دهی "خاموش-روشن" را برای آشکارسازی miRNA-21 توسعه داده است. شیوه‌ی تقویت مضاعف توانست مقادیری به کمی fM 6 از miRNA-21 را از طریق تقویت سیگنال با بیوتین متصل به DNA-AuNP2- زیست‌بارکد و تقویت سیگنال آنزیمی فراهم سازد.

 

 

3.3 حسگرهایی برای پروتئین

تشخیص زیست‌نشانگرهای 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. به‌منظور بهبود حساسیت حسگرهای الکتروشیمیایی، استفاده از نانومواد به‌عنوان مواد اصلاح کننده‌ی سطح الکترود به‌منظور بارگذاری و تثبیت آنتی بادی‌ها پیشنهاد می‌شود. Zhu و همکارانش از گرافن ترکیب شده با AuNPs برای تثبیت HRP نشان‌دار شده با آنتی بادی مربوط به آنتی ژنی با نام آنتی-کارسینوامبریونیک (CEA) استفاده کردند. این حسگر ایمنی عملکرد بسیار خوبی برای تشخیص CEA با حد تشخیص قابل توجهpg/mL 40 از خود نشان داد. این حسگر ایمنی الکتروشیمیایی برای‌شناسایی CEA در نمونه‌های سرم بالینی به‌کار برده شد که نتایجی قابل مقایسه با آزمایش استاندارد ELISA حاصل کرد. در تجزیه‌ی نمونه‌های بالینی،‌شناسایی هم‌زمان دو یا چند نشانگر تومور می‌تواند به‌میزان قابل توجهی تشخیص را بهبود دهد. همان‌طور که در شکل 6 نشان داده شده است، Yuan و همکارانش یک آزمون ایمنی الکتروشیمیایی مبتنی بر گرافن برای‌شناسایی همزمان سه نشانگر سرطان کبد (α- فتوپروتئین (AFP) ، گونه‌ای از α- فتوپروتئین (AFP-L3) و پروترومبین غیرعادی (APT) ) ارائه کردند که در آن از سه فرآیند اکسایش-کاهش متمایز به‌عنوان نشانه‌های سیگنال و از AuNPهای پوشش داده شده با نانولوله‌های کربنی به‌عنوان تقویت کننده‌ی سیگنال استفاده شده بود. حد تشخیص AFP، AFP-L3 و APT به‌ترتیب 3/8، 7/4 و pg/mL 0/6 بود. سایر گروه‌های تحقیقاتی نیز حسگرهای ایمنی الکتروشیمیایی مبتنی بر گرافن مشابهی برای دو یا چند زیست‌نشانگر تومور معرفی کرده‌اند.

 

4.3 حسگرهایی برای سلول‌ها

تشخیص سلول‌هایی ویژه نیز برای تشخیص‌های بالینی، پایش سمیت و حفاظت از سلامت عمومی حائز اهمیت است. گرافن و مشتقات آن به‌دلیل زیست سازگاری خوب، به‌عنوان بسترهایی بالقوه برای رشد سلول مورد توجه قرار گرفته‌اند. در نتیجه، حسگرهای الکتروشیمیایی مبتنی بر گرافن، شیوه‌ای جدید برای پایش سلول‌های سرطانی فراهم کرده است. Feng و همکارانش 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 AS1411 در اتصال بسیار گزینشی به نوکلئونین بیش بیان یافته[18] بر 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 سالم‌شناسایی کند. Kang و همکارش نیز از گرافن برای تشخیص الکتروشیمیایی سلول‌های تومور با فراوانی کم استفاده کردند. آن‌ها از نانوذرات سیلیکای پوشش داده شده با نقاط کوانتومی به‌همراه انتقال سریع الکترون در گرافن برای توسعه‌ی یک شیوه‌ی تقویت سیگنال مضاعف استفاده کردند که به دستیابی به یک شیوه‌ی الکتروشیمیایی بسیار حساس و ویژه برای اندازه‌گیری هم زمان دو نوع مختلف از زیست-نشانگرهای پروتئینی بر روی سطح سلول‌های تومور منتهی شد (شکل 7). این حسگر قابلیت تشخیص 10 سلول در هر میلی لیتر را دارد و کاربردهای گسترده‌ای برای تشخیص‌های بالینی و مولکولی از خود نشان داده است.

 

5. نکات برجسته

در این مقاله‌ی مروری، به پیشرفت‌های اخیر در خصوص کاربرد نانومواد دوبعدی در حوزه‌ی الکتروشیمی تجزیه‌ای پرداختیم و به‌ویژه بر روی حسگرهای شیمیایی و زیستی مبتنی بر گرافن و MoS2 متمرکز شدیم. از چالش‌های باقی‌مانده در این حوزه می‌توان به عدم تکرارپذیری در تولید نانومواد دوبعدی با شیوه‌های سنتز موجود اشاره کرد. مواد گرافنی فعلی معمولاً از لحاظ ابعاد یکدست نیستند که این امر می‌تواند عملکرد حسگر از لحاظ حساسیت، پایداری و تکرارپذیری را تحت تأثیر قرار دهد. از دیگر چالش‌ها، نیاز به بهبود خواص الکتریکی گرافن و نیاز به کنترل ساختار سطوح اصلاح‌شده با این ترکیبات اشاره کرد. علی‌رغم این چالش‌ها، گسترش سریع تحقیقات در این حوزه، بدون شک آینده‌ای درخشان را برای حسگرهای الکتروشیمیایی مبتنی بر نانومواد دوبعدی رقم خواهد زد.

 

منبع:

S. Su, J. Chao, D. Pan, L. Wang, C. Fan, “Electrochemical Sensors Using Two-Dimensional Layered Nanomaterials”, Electroanalysis, 27 (2015) 1-12.