گرافن برای زیست حسگری

گرافن برای زیست حسگری – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه شیمی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

گرافن برای زیست حسگری

چکیده

زیست حسگری برای اصلاح کیفیت زندگی بشر بسیار مهم است. زیست حسگرها و معاهدات زیست حسگری می توانند محدوده گسترده ای از ترکیبات، حساسیت و انتخاب پذیری را با کاربرد در حوزه های امنیت، مراقبت از سلامتی برای آنالیزهای نقطه مراقبت از بیماریها و ایمنی محیط زیست شناسایی کنند. در اینجا، ما زیست حسگرها و سیستم های زیست حسگری را که از گرافن استفاده می کنند، توصیف می کنیم. گرافن یک ماده نیم رسانا با شکاف صفر می باشد که فعال الکتریکی و شفاف است. گرافن، به علت خواص جالب توجه خود، به انواع گسترده ای از نقشه های زیست حسگری راه یافته است. گرافن به عنوان یک مبدل (ترانسفور ماتور) در ترانزیستورهای اثر زیست میدانی، زیست حسگرهای الکتروشیمیایی، زیست حسگرهای امپدانس (مقاومت ظاهری)، لومینسانس شیمیایی الکتریکی و زیست حسگرهای فلوئورسانس و نیز برچسبهای زیست مولکولی به کار برده شده است. ما در مقاله مروری خود کاربرد گرافن برای زیست حسگرهای آنزیمی، حسگری DNA و ایمن حسگری (حسگری ایمنی) را توصیف می کنیم. ما راهکارهای مختلف و دیدگاه های اخیر خود در مورد توسعه آتی در این حوزه را با هم مقایسه می کنیم.

گرافن برای زیست حسگری

مقدمه

گرافن یک ماده نازک تک اتمی متشکل از کربن دارای پیوند sp² با ساختار لانه زنبوری می باشد.  گرافن با یک مولکول پلی آروماتیک بزرگ با اندازه نیمه نامحدود مشابهت دارد^۱و۲. در پنج سال گذشته، نانو مواد با پایه گرافن توجه خیلی زیادی را به خود متمرکز کرده اند.

خواص جالب و هیجان انگیز ورقه های تک لایه گرافن نظیر استحکام (مقاومت) مکانیکی بالا^۳، کشسانی و رسانایی گرمایی بالا، نشان دادن اثر هال (Hall) کوانتومی در دمای اتاق، تحرک الکترونی بالا در دمای اتاق^۲، خواص نوری قابل تنظیم^۴و۵ و شکاف نوار قابل تنظیم جامعه علمی به ویژه در حوزه های مواد، فیزیک و شیمی را برانگیخته است. خواص متفاوت اما فریبنده ای به وسیله گرافن دو لایه ای، چند لایه ای کم و چند لایه ای زیاد نشان داده شده است. از آنجا که گرافن یک ماده رسانا و در عین حال شفاف و با هزینه پایین و اثر زیست محیطی کم می باشد، برای ساخت حسگرها و ابزارهای با پایه زیست حسگر به شیوه های هدایت مختلف، از هدایت الکتریکی و الکتروشیمیایی تا هدایت نوری یک ماده ایده آل است.

شناسایی مولکول های فعال از نظر بیولوژیکی از نقطه نظرهای زیست دارویی، زیست محیطی و امنیت از اهمیت اساسی برخوردار است. این شناسایی می تواند به و سیله زیست حسگر یا به وسیله معاهدات زیست تجزیه ای انجام شود. یک حسگر شیمیایی وسیله ای است که اطلاعات مربوط به حضور یک گونه شیمیایی را به صورت کمی یا نیمه کمی به یک سیگنال مفید از نظر تجزیه ای تبدیل می کند. حسگرها متشکل از دو جزء هستند: یک دریافت کننده و یک مبدل (شکل ۱ را ببینید). دریافت کننده می تواند یک مولکول آلی یا معدنی (ترجیحا) با یک برهمکنش خاص با یک آنالیز (واکنشگر) یا گروهی از آنالیتها باشد. در مورد زیست حسگرها، جزء تشخیصی (شناسایی) یک زیست مولکول است. جزء کلیدی دوم از دستورالعمل حسگری، مبدل می باشد که اطلاعات شیمیایی را به یک سیگنال قابل اندازه گیری تبدیل می کند. معاهدات زیست تجزیه ای معمولا محتوی بیش از یک مرحله انجام فرایند (فرآوری) می باشند. در این مقاله مروری، ما زیست حسگرها و سیستم های زیست تجزیه ای را که از گرافن به عنوان یک جزء کلیدی استفاده می کنند، توصیف خواهیم کرد.

گرافن برای زیست حسگری

اصول

انواع متفاوتی از نانو مواد با پایه گرافن وجود دارند و نوع آنها به روش تولید شان بسیار مربوط است. گرافن می تواند به چند روش تولید شود: به وسیله رشد رسوبگذاری بخار شیمیایی (CVD)، پوسته پوسته سازی مکانیکی گرافیت یا پوسته پوسته سازی گرافیت اکسید^۸.

نه گرافن تولید شده به روش CVD و نه گرافن تهیه شده به روش پوسته پوسته سازی مکانیکی، هیچکدام مقادیر زیادی از نقایص یا گروه های عاملی را دارا نیستند. با این وجود، مقادیر حجیمی (توده ای) از نانو مواد با پایه گرافن نوعا به روش های مختلفی نظیر پوسته پوسته سازی گرمایی گرافیت اکسید^۹ که ماده ای به نام گرافن کاهش یافته گرمایی (TEGO) ایجاد می کند. یا مثلا، پوسته پوسته سازی گرافیت اکسید به گرافن اکسید (GO) به کمک صوت، تهیه می شوند^۱۰. گرافن اکسید می تواند به صورت شیمیایی یا الکتروشیمیایی بیشتر کاهیده شود. گرافن اکسید کاهش یافته گرمایی (TRGO) محتوی مقادیر زیادی از نقایص می باشد و از گرافن اولیه (دست نخورده) که ساختار لانه زنبوری کاملی دارد، به طور قابل توجهی متفاوت است^۱۱. حضور نقایص عیب نیست. در مقابل، این نکته کاملا معلوم شد که انتقال ناهمگن الکترون در الکتروشیمی کربنهای sp² در لبه ها و نقایص روی می دهد و در صفحه اصلی (اساسی) ورقه های گرافن ایجاد نمی شود^۱۲. گرافن اکسید ساختاری دارد که کاملا مسطح نیست زیرا شبکه کربنی sp² به طور سنگینی آسیب می بیند. این ماده شامل مقادیر زیادی از گروه های محتوی اکسیژن است که می تواند برای عامل دار کردن از طریق عمل زیست مولکولها برای وقایع زیست تشخیصی در طی زیست حسگری مفید باشند^۱۰. گرافن اکسید می تواند به صورت شیمیایی یا الکترو شیمیایی کاهیده شود. چنین محصولاتی یک شبکه sp² تا حدی اصلاح شده دارند که محتوی درجاتی از گروه های حامل اکسیژن نیز می باشند. از این محصولات نوعا تحت عنوان گرافن اکسید کاهیده شیمیایی (CRGO) یا گرافن اکسید کاهیده الکتروشیمیایی (ERGO) نام برده می شود^۱۳. ساختارهای گرافیت اکسید، گرافن اکسید، TRGO و CRGO در شکل ۲ نشان داده شده اند.

گرافن برای زیست حسگری

گرافن در ترانزیستورهای اثر زیست میدانی

ترانزیستورهای اثر میدانی (FET)، بخش بزرگی از علاقه در حوزه زیست حسگری را به خود اختصاص داده اند زیرا آنها می توانند شناسایی الکترونی کاملی فراهم نمایند که به طور کامل به صورت تراشه های الکترونی تولید شده به وسیله شرکت های نیم رسانا تکمیل می شوند. بنابراین، این ابزارها نه تنها از نظر علمی جذابیت دارند بلکه علاقه (و سرمایه گذاری) زیادی نیز توسط صنعت به آنها معطوف شده است^۱۷. زیست حسگرهای با پایه ترانزیستور اثر میدانی بر فرایندهای (اعمال) زیست تشخیصی بین مولکولها در ورودی FET تکیه دارند^{۱۸ و۱۹}. در هنگام تشخیص زیستی بین زیست مولکولهای ردیاب و هدف، توزیع بار الکتریکی، چگالی عامل بار در لایه زیست تشخیصی و بنابراین، رسانایی کانال بین منبع و آبراهه (مسیر) را تغییر می دهد. گرافن یک ماده ایده آل برای ساخت زیست حسگرهای FET است زیرا گرافن یک نیم رسانا با شکاف نوار صفر است و شکاف نوار می تواند به وسیله اصلاح سطح تنظیم شود^۲۰. همان گونه که در بالا ذکر شد، ترانزیستورهای FET برای حسگری مولکول های باردار ایده آل هستند. بنابراین، FET های با پایه گرافن می توانند برای حسگری DNA به کار برده شوند زیرا DNA یک استخوان بندی فسفات باردار دارد^۲۱. چن، لی و همکارانش^۲۲ نشان دادند که فیلم های گرافن تک لایه و چند لایه کم رشد کرده به وسیله رسوبگذاری بخار شیمیایی CVD در مقیاس بزرگ به هیبریداسیون DNA بسیار حساس هستند (شکل ۳).

گرافن برای زیست حسگری

زیست حسگرهای مقاومت ظاهری سنجی گرافن

دستورالعمل امپدانس (مقاومت ظاهری) الکتروشیمیایی (EIS) حساسیت بسیار بالایی را برای زیست حسگری فراهم می کنند. ما یکی از اولین گروه هایی بودیم که دستورالعمل گرافن را برای شناسایی هیبریداسیون و چند ریختی شدن DNA با استفاده از اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی به عنوان یک تکنیک شناسایی توسعه دادیم^۲۷. ما عملکرد سه دستورالعمل مختلف گرافن را با هم مقایسه کردیم و نشان دادیم که چگونه تعداد متفاوتی از ورقه های گرافن می توانند بر شناسایی اثر بگذارند (شکل ۵). ما دریافتیم که گرافن با چند لایه کم بهترین حساسیت را فراهم می کند و ما این دستورالعمل را برای شناسایی یک چند ریختی (پلی مورفیزم) از نوکلئوئید منفرد به کار بردیم. با شناسایی مقاومت ظاهری سنجی در مقایسه با حساسیت به دست آمده از یک دستورالعمل مشابه با استفاده از روش های فلوئورسانس، حساسیت بالاتری بدست آمد. ما بر این باوریم که راهکار مبتنی بر گرافن که در اینجا ارائه شده می تواند در توسعه یک ابزار تجزیه ای برای آزمایش های تشخیصی نقطه مراقبتی و برای شناسایی بسیار حساس SNP های همبستگی یافته یا بیماری های مختلف به کار برده شود. چند طرح می تواند برای بی تحرک سازی DNA تک رشته ای یا سطوح گرافن به کار برده شود مانند یک پیوند شیمیایی بین گروه کربوکسیلک ورقه های گرافن و ssDNA اصلاح شده با NH₂²⁸. در هنگام هیبریداسیون با DNA هدف، صورت بندی (کنفورماسیون) ssDNA  از ساختار «نشسته» با مارپیچ «ایستاده» تغییر می کند. این تغییر صورت بندی DNA  و توزیع بارها در سطح الکترود (به این نکته توجه کنید که استخوان بندی DNA به علت حضور گروه های فسفات دارای بار منفی است) منجر به تغییرات امپدانس سطح الکترود و سبب یک سیگنال تجزیه ای قابل اندازه گیری می شود. هو و همکارانش^۲۸ توانستند غلظت های پایینی از ژن HIV-1 را تعیین کنند.

گرافن برای زیست حسگری

گرافن در زیست حسگرهای الکتروشیمیایی

شناسایی الکتروشیمیایی به مولکولهای فعال الکتریکی بسیار حساس است. این روش علاوه بر حساسیت (که خاصیتی از شناسایی الکتریکی است)، انتخاب پذیری شناسایی را نیز ارائه می دهد زیرا مولکولهای مختلف می توانند در پتانسیلهای متفاوتی اکسید شوند/ کاهیده شوند. گرافن یک رسانای عالی برای بار الکتریکی است. انتقال ناهمگن الکترون (انتقال الکترونها بین گرافن و مولکول در محلول برای اکسایش/ کاهش مولکول گفته شده ضروری است) در لبه های گرافن یا در نقایص (نقصها) در صفحه اصلی (اساسی) روی می دهد.

گرافن برای زیست حسگری

فلوئورسانس

فلوئورسانس یک دستورالعمل بسیار حساس برای شناسایی زیست مولکولی است. گرافن در نقشهای متفاوتی به عنوان سوبسترا در طرح های شناسایی خاموشی فلوئورسانس به کار برده می شود. به عنوان مثال، برای شناسایی ترومبین براساس آپتامر (aptamer) از اصل خاموشی استفاده می شود^۴۸. آپتامر مخصوص ترومبین با رنگ فلوئورسانس علامت گذاری می شود (برچسب گذاری می شود). از گرافن به عنوان سوبسترا برای جذب غیر ویژه آپتامر علامت گذاری شده با رنگ فلوئورسانس جهت مجموعه غیر کووالانسی استفاده می شود. در این پیکربندی (کنفیگوراسیون)، گرافن، سیگنال فلوئورسانس را، به علت انتقال انرژی رزونانسی فلوئورسانس از رنگ به گرافن، خاموش می کند. افزودن ترومبین منجر به تشکیل کمپلکسهای ترومبین چهارگانه می شود که تمایل ضعیفی به گرافن دارند. تغییر در صورت بندی (ترکیب) منجر به یک پیکربندی می شود که در آن، رنگ دیگر در تماس با ورقه گرافن نیست و بنابراین فلوئورسانس دیگر خاموش نمی شود (شکل a9). این طرح با حدود تشخیص (شناسایی) به کوچکی pM 31 بسیار حساس است. مساحت سطح بسیار بالای گرافن اکسید نیز کاربرد طرح خاموشی فلوئورسانس مشابهی را امکان پذیر می سازد، که شناسایی چند گانه سه رشته مختلف را امکان پذیر می کند^۴۹. این امر سبب ایجاد یک حسگر چند رنگی برای شناسایی DNA های هدف در یک محلول منفرد می شود (شکل b9). شناسایی فلوئورسانس می تواند برای شناسایی ویروس در وضعیت ریز سنجش گرافن به کار برده شود^۵۰. یک پادتن مخصوص روتاویروس از طریق گروه های NH₂– به گروه های COOH – موجود بر روی گرافن اکسید به صورت شیمیایی متصل می شود. پس از پیوند یافتن روتاویروس به پادتن دارای اتصال شیمیایی، پادتن ثانویه متصل شده به نانو ذرات طلا به عنوان یک برچسب افزوده می شود. نانو ذرات طلا برای خاموش کردن فلوئورسانس گرافن اکسید عمل می کنند (شکل ۱۰).

گرافن برای زیست حسگری

نتیجه گیری و دورنما

ما، به طور خلاصه، این مطلب را توصیف کرده ایم که چگونه زیست حسگرها می توانند از گرافن به عنوان یک ماده انتقال دهنده سود ببرند. ما اختلاف های اساسی انواع مختلف گرافن و تاثیر آنها بر کاربرد زیست حسگری را مورد بحث قرار داده ایم. از آنجا که گرافن یک نیم رسانا با شکاف صفر و یک ماده الکترود فعال و شفاف است، احتمالاتی برای کاربرد آن به عنوان مبدل (انتقال دهنده) یا برچسب در طرح های زیست حسگری وجود دارد. ما زیست حسگرهای آنزیمی، حسگرهای ژنی (ژنوحسگرها) و ایمن حسگرهای مبتنی بر روش های مختلف انتقال نظیر ترانزیستورهای اثر میدانی، الکتروشیمی و لومینسانس شیمیایی الکتریکی، امپدانس (مقاومت ظاهری) و اندازه گیری های فلوئورسانس را مورد بحث  قرار داده ایم. گرچه این کار برای داشتن مقایسه پهلو به پهلو (دوشادوش) برای زیست حسگرهای مبتنی بر CNT ها و گرافن مفید می باشد، چنین گزارش هایی بسیار کمیاب هستند. این نکته معلوم شد که نانو نوارهای گرافن، که محدودیت ابعادی یک ورقه گرافن با اندازه دهها نانو متر را دارند، خواص الکتریکی متفاوت قابل توجهی از گرافن های بزرگ ورقه نشان می دهند. این امر تاکنون در طراحی FET زیستی تکامل یافته است و حساسیت و انتخاب پذیری حتی بالاتری را برای ابزارهای FET نوید می دهد. همچنین انتظار می رود که لبه های گرافن زیگزاگی و صندلی راحتی، خواص الکتروشیمیایی متفاوتی از خود نشان دهند و گرچه ساخت لبه های زیگزاگی یا صندلی راحتی خالص دشوار است، پیشرفت علمی غیر منتظره ای در این  حوزه انتظار می رود. از آنجا که این حوزه هنوز جوان است، انتظار می رود که برای برآورده ساختن نیازهای جامعه در حوزه های ایمنی، افزایش مراقبت از سلامتی و محیط زیست تمیز، این حوزه به چند کاربرد طبقه بندی شود.