گرافن برای حسگری الکتروشیمیایی و حسگری زیستی

گرافن برای حسگری الکتروشیمیایی و حسگری زیستی – 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 حسگری الکتروشیمیایی و حسگری زیستی

چکیده

ین نکته اثبات شده که گرافن یک نانو ماده عالی برای کاربرد در الکتروشیمی است. ما پیشرفت در ساخت حسگرهای الکتروشیمایی و حسگرهای زیستی با کارایی بالا را مورد بررسی قرار می دهیم. ما همچنین بحث می کنیم درباره:

• روشهای مختلف برای ساخت گرافن

• الکترودهای اصلاح شده گرافن و الکترودهای چند سازه گرافن برای حسگری به انضمام الکترودهای مبتنی بر مایعات یونی

• ترکیب کردن عناصر تشخیص زیستی با الکترودهای با پایه گرافن و

• حسگرهای الکتروشیمیایی و حسگرهای زیستی براساس نانو ذرات الکتروکاتالیتیکی با پایه گرافن

کلید واژه ها: تشخیص زیستی، حسگر زیستی، نانو لوله کربنی، آشکار سازی، حسگرهای الکتروشیمیایی، الکتروشیمی، گرافن، نانو ماده، نانو ذره، حسگر

گرافن برای حسگری الکتروشیمیایی و حسگری زیستی

۱- مقدمه

نانو مواد با پایه گرافن در میان فیزیکدانان، شیمیدانان و دانشمندان مواد توجه زیادی را به خود جلب کرده است. گرافن یک ورقه دوبعدی (۲-D) از اتمهای کربن در پیکربندی هگزاگونال با اتم های پیوند یافته به وسیله پیوندهای sp² می با شد. این پیوندها و این پیکربندی الکترونی دلایل خواص فوق العاده گرافن هستند. این خواص شامل مساحت سطح بسیار بزرگ [m²/g 2630که دو برابر مساحت سطح نانو لوله های کربنی تک دیواره (SWCNTها) می باشد]، شکاف نوار قابل تنظیم، اثر هال در دمای اتاق، استحکام مکانیکی بالا (۲۰۰ برابر بیشتر از فولاد) و کشسانی و رسانایی گرمایی بالا می باشند [۱].

 گرافن جدیدترین عضو خانواده نانو مواد کربنی چند بعدی است که با فولرن ها به عنوان یک ماده صفر بعدی (۰-D) و SWCNTها به عنوان نانو مواد یک بعدی (۱-D) شروع می شود و به گرافیت به عنوان ماده سه بعدی (۳-D) ختم می شود. گرافن شکاف نانو مواد کربنی دو بعدی (۲-D) را پر می کند (شکل ۱). جداسازی ورقه های منحصر بفرد گرافن مدتی طولانی جستجو شد اما فقط در سال ۲۰۰۴ توسط یک تکنیک ساده شگفت انگیز به این هدف دست یافته شد [۲]. از آن موقع به بعد، تحقیق بنیادی و بررسی بر روی کاربردها به سرعت افزایش یافته است. در حالیکه گرافن تک لایه ای بسیار جالب است،  خواص منحصر به فردی به همان اندازه جالب نیز به وسیله گرافن دو لایه ای و چند لایه ای [صفحات کوچک گرافن انباشته (GNPها) نامیده می شوند] ارائه شده است [۳].

گرافن به خاطر رسانایی الکتریکی دو بعدی (۲-D) بسیار زیاد، مساحت سطح بزرگ و هزینه پایین یک ماده ایده آل برای الکتروشیمی است [۷-۴]. دو مزیت گرافن در مقایسه با CNT ها به صورت زیر آشکار است.

(۱) گرافن بر خلاف CNT ها [۸] محتوی ناخالصی های فلزی نیست. در بعضی مواد، چنین ناخالصی هایی حاکم بر الکتروشیمی CNT ها هستند (تا بحال، این تاثیر منفی برای هیدرازین [۹ و۱۰]، هیدروژن پروکسید [۱۱ و ۱۲]، هالوتان [۱۳]، گلوکز [۱۴]، آمینو اسیدها [۱۵] و پپتیدهای تنظیمی کوتاه [۱۶] حتی در مقادیر کمتر از ppm100 ناخالصی ها در CNT ها [۱۷] شناخته شده اند) و منجر به نتیجه گیری های اشتباهی می شوند.

(۲) در تولید گرافن، از گرافیت که ارزان و در دسترس است، استفاده می شود.

در اینجا، ما کاربرد گرافن در حسگرهای الکتروشیمیایی و حسگرهای زیستی را بررسی می کنیم. این حوزه با اولین مقالاتی که در سال ۲۰۰۸ پدیدار شد، بسیار جالب است. از آن موقع به بعد، تعداد آنها به طور انفجاری رشد کرده است.

گرافن برای حسگری الکتروشیمیایی و حسگری زیستی

۲- سنتز

برای فهم خواص الکتروشیمیایی گرافن، در ابتدا باید روش سنتز گرافن را فهمید. گرافن می تواند به چندین روش تهیه شود اما فقط بعضی از این روشها برای کاربردهای الکتروشیمیایی جهت حسگری و حسگری زیستی مناسبند.

(A) گرافن می تواند به وسیله لایه برداری (peeling-off) گرافیت پیرولیتی بسیار جهت دار (HOPG) تهیه شود [۲].

(B) گرافن می تواند به صورت همبافته بر روی ویفر سیلیسیومی رشد یابد.

این دو روش برای بررسی خواص الکترونی گرافن مفید است. با این وجود، برای بررسی الکتروشیمی گرافن و کاربرد گرافن در سیستم های حسگری الکتروشیمیایی، مقادیر توده ای از گرافن مورد نیاز هستند [۱۸] و می تواند به صورت زیر ایجاد شود.

(C) رسوبگذاری بخار شیمیایی (CVD) [19]. این روش اغلب منجر به ساختارهای چند لایه ای می شود.

(D) جا دادن مولکولهای کوچک در شبکه گرافیت و پوسته پوسته شدن در اثر شوک گرمایی [۲۰] یا با استفاده از فرا صوت افکنی [۲۱].

(E) بازکردن (وافشردگی) CNT ها به روشهای مختلف. استفاده از اکسایش شیمیایی هیپرمنگنات CNT ها، که بعد از فرآوری [۲۲] شروع می شود، یا حکاکی پلاسمای [۲۳] CNT های چند دیواره (MWCNTها) برای ایجاد نانو نوارهای گرافنی امکان پذیر است. در اینجا، باید خاطر نشان کرد که سنتز گرافن از MWCNT ها خطر وارد کردن ناخالصی های فلزی جا گرفته در MWCNT ها با تمام انواع نتایج منفی که سبب ایجاد رفتار الکتروشیمیایی غیر قابل پیش بینی از چنین موادی، نظیر سمیت می شود، را با خود به همراه می آورد. بنابراین، هنگام استفاده از گرافن برای الکتروشیمی، از این روشها باید اجتناب شود مگر اینکه MWCNT ها عاری از ناخالصی باشند. ما باید این نکته را ذکر کنیم که این روشها برای تولید پوسته «توده ای» از گرافن،  معمولا اغلب مواد (%۹۹~) را به صورت GNP های چند لایه ای و فقط حدود ۱% را به صورت ورقه های گرافنی تک لایه ای واقعی ایجاد می کند [۲۱]. فقط اخیرا، روشهای جدیدی ارائه شده اند که منجر به ایجاد مونو لایه های گرافنی با بازده حدود ۹۰% می شود. ما همچنین باید براین نکته تاکید کنیم که لایه های گرافنی منحصر به فرد تمایل به انباشتگی جهت تشکیل نانو ساختارهای چند لایه ای دارند [۲۱].

گرافن برای حسگری الکتروشیمیایی و حسگری زیستی

۳- خواص الکتروشیمیایی

ساختار گرافیت پیرولیتی بسیار جهت دار (HOPG)، گرافن چند لایه ای با نقصهای بسیار کم می باشد. گرچه صفحه لبه ای یک ورقه گرافن ثابت سرعت انتقال الکترون cm/s (k_e) 01/0 ~ را دارد، صفحه اساسی، از نظر اثر، از لحاظ الکتروشیمیایی بی اثر است (k_b زیر cm/s ^9-10). صفحه اساسی یک ورقه گرافن می تواند شامل نقصهایی باشد اما این نقص ها به علت سینتیک انتقال الکترون سریع آنها عموما به عنوان سایتهای صفحه ای لبه ای در نظر گرفته می شوند. ورقه های گرافنی عادی از نقص k_b نزدیک صفر دارند [۲۴].

چنانچه الکتروشیمی ورقه های گرافن به وسیله لبه های آن (یا در گرافن صفحه ای یا در گرافن حلقوی – CNT ها) دنبال شود که در آنجا انتقال الکترون ناهمگن (HET) سریع است، هنگام نگاه کردن به ساختار CNT و گرافن (شکل۱ را ببینید)، می توان انتظار زیادی داشت که HET روی ورقه های گرافن به سادگی دیده شوند زیرا تعداد زیادی لبه در هر مقدار ماده وجود دارد. با این وجود، فقط سه مقاله بر این مقایسه تمرکز می کند و به چیزی منتهی می شود که از مشاهدات ساختار آشکار است. ما اثبات می کنیم که سرعت HET مشاهده شده مواد نانو لوله کربنی با گرافیت قابل مقایسه است فقط به علت اینکه مواد CNT محتوی مقادیر بزرگی از ناخالصی های نانو گرافیتی هستند. هنگامی که از نانو لوله های کربنی خالص استفاده می شود، سرعت HET مشاهده شده واقعا به طور قابل توجهی کمتر از مواد گرافیتی است. از طرف دیگر، اغلب فعالیت های الکتروشیمیایی نانو لوله های کربنی ناشی از حضور ناخالصی های نانو گرافیتی موجود در داخل آنهاست [۲۵]. آلواراپان و همکارانش [۲۶] الکتروشیمی SWCNT ها و گرافن را با استفاده از ولتامتری چرخه ای و ولتامتری ضربان تفاضلی (DPV) با هم مقایسه کردند. آنها چندین ترکیب فعال الکتریکی (الکترواکتیو) [مانند فرو/فری سیانید،

گرافن برای حسگری الکتروشیمیایی و حسگری زیستی

۴- کاربردهایی به عنوان حسگرهای الکتروشیمیایی و حسگرهای زیستی

بخشهای فرعی زیر کاربردهای مهم گرافن در حسگری و حسگری زیستی را نشان می دهند. اولین بخش فرعی (۴-۱) بر گرافن به عنوان یک مبدل برای حسگری الکتروشیمیایی به فرم الکترودهای اصلاح شده با پودر گرافن یا الکترودهای چند سازه گرافنی تمرکز می کند. بخش فرعی ۴-۲ بر حسگری زیستی الکتروشیمیایی تمرکز می کند. روشهای مختلف ترکیب اجزای تشخیص زیستی در ابزارهای حسگری الکتروشیمیایی با پایه گرافن مورد بحث قرار می گیرند. در بخش فرعی ۴-۳، ما نشان می دهیم که گرافن می تواند به صورت مناسبی به عنوان یک سطح رسانا با مساحت سطح بسیار بالا برای رسوبگذاری نانو ذرات کاتالیزوری (NPها) و حسگری الکتروشیمیایی حاصله مورد استفاده قرار می گیرد. ما پارامترهای کمی این حسگرها و حسگرهای زیستی (هنگام دسترسی) را در جدول ۱ خلاصه می کنیم.

۴-۱ حسگرهای الکتروشیمیایی

پاپاکونس تانتینو و همکارانش [۱۹] اولین محققینی بودند بودند که از نانو مواد با پایه گرافن برای حسگری الکتروشیمیایی استفاده کردند. آنها فیلم های GNP را با استفاده از یک روش فاقد کاتالیزور بر روی سوبستراهای سیلیکایی رشد دادند. GNP ها ضخامت چند ده نانومتر دارند و بنابراین محتوی چند صد رقه گرافنی انباشته (متراکم) می باشند. خصوصیات بسیار دقیق مواد تهیه شده توسط این نویسندگان باید به وسیله میکروسکوپی عبوری الکترون با تفکیک بالا (TME)، میکروسکوپی پویشی الکترون، اسپکتروسکوپی  پرتو X با پخش انرژی و اسپکتروسکوپی فوتوالکترون پرتو X تایید شود. GNP ها برای جفت فرّو/ فرّی سیانید سینیتیک انتقال الکترون سریع و برای اندازه گیری همزمان دوپامین، آسکوربیک اسید و اوریک اسید عملکرد بسار خوبی را نشان دادند. عملکرد الکتروشیمیایی GNP ها از الکترود شیشه –کربن (GCE) عالی تر اما با الکترود گرافیتی پیرولیتی با صفحه لبه ای (EPPG) قابل مقایسه بود (شکل ۲).

۴-۲٫ زیست حسگرهای الکتروشیمیایی

چن و همکارانش از صفحات کوچک گرافیتی (با ضخامت زیر nm100) برای تهیه زیست حسگر گلوکز بر اساس مخلوطی از GNP ها، چسب نافیون و گلوکز اکسید از (GOx) استفاده کردند [۴۲]. این نویسندگان ادعا کردند که انتقال مستقیم الکترون از  گلوکز به GNP ها را مشاهده کرده اند.

GO به طور موفقیت آمیزی در زیست الکتروشیمی به کار برده شده است [۴۳]. GO سیم کشی الکتریکی مناسب از مرکز کاهشی چندین متالوپروتئین محتوی هم (heme) (سیتوکروم C، میوگلوبین و پروکسیداز ترب کوهی) تا الکترود را پشتیبانی می کند (تقویت می کند) (شکل ۶ را ببینید). توجه به این نکته منطقی است که پروتئین ها هنگامی که مخلوط هایی با GO تشکیل می دهند، تمامیت ساختاری و فعالیت بیولوژیکی خود را حفظ می کنند [۴۲]. این خصوصیات کاربردهای برجسته ای را برای کمپلکس های GO/ پروتئین در توسعه (تولید) زیست حسگر و سلول سوختی زیستی پیش بینی می کنند.

۴-۳ نانو ذرات با پایه گرافن برای شناسایی الکتروشیمیایی

گرافن می تواند به عنوان یک پایه رسانا برای رسوبگذاری NP های الکتروکاتالیزوری به کار برده شود [۴۹]. از الکتروشیمی می توان برای رسوبگذاری NP های کاتالیزوری بر روی ورقه های گرافن استفاده کرد [۵۰]. NP های پالادیوم با قطر حدود nm9-7 می توانند به صورت الکتروشیمیایی بر روی نقایص روی ورقه های گرافن رسوب کنند که علت این امر هسته زایی ترجیحی پالادیوم در فضاهای خالی در امتداد لبه های جزایر گرافنی سالم با اندازه نانومتر می باشد (شکل ۸ را ببینید). روش الکتروشیمیایی برای سنتز NP های کاتالیزوری بسیار جذاب هستند زیرا NP ها در سایتهای الکترو فعال نانو مواد کربنی هسته زایی می کنند.

گرافن برای حسگری الکتروشیمیایی و حسگری زیستی

۵- نتیجه گیری

این نکته واضح است که ما شاهد رشد انفجاری در تحقیق مربوط به استفاده از الکترودهای با پایه گرافن برای حسگری الکتروشیمیایی و زیست حسگری بوده ایم. بعضی از این تحقیقات کیفیت بالایی دارند و علاوه بر الکتروشیمی و خواص حسگری جالب، شامل خصوصیات مفصل نانو مواد مربوط به گرافن می باشند. با این وجود، بعضی از مقالات فاقد چنین خصوصیاتی هستند. ما در اینجا بر این نکته تاکید می کنیم که محصول (بازده) ساخت گرافن می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد حتی اگر فقط یک تغییر اندک در روش تهیه وجود داشته باشد بنابراین همیشه فراهم کردن اطلاعات مربوط به خصوصیات مفصل به منظور اجتناب از سوء تعبیر بالقوه ضروری است.

تاکید بر این نکته مهم است که گرافن یک نانو ماده زیست سازگار است [۵۵] و در حالیکه اثرات سمیت شناسی دقیقی با CNT ها یافت می شود (عمدتا به علت حضور ناخالصی های فلزی در داخل آنها [۵۶]، گرافن یک ماده غیر سمی است. خصوصیت بسیار مهم دیگر گرافن، مواد منبع (مرجع) است. گرافن عمدتا از گرافیت ساخته می شود که ارزان قیمت است. در حالیکه برای CNT که با استفاده از NP ها به عنوان الگوهایی از گازهای محتوی کربن سنتز می شوند، عکس این امر صحیح است. علاوه بر این، گرافن می تواند در مقایسه با گرافیت به منظور کاهش ابر پتانسیل ها، چگالی و توزیع سایت الکترو فعال یکنواخت تر و بزرگتر و برای بی تحرک سازی زیست مولکولها مساحت سطح بزرگتری (حتی بزرگتر از SWCNT ها) را فراهم نماید.

ما آینده روشنی را برای گرافن به عنوان یک ماده حسگری به خاطر زیست سازگاری، فقدان ناخالصی های فلزی (که یک مانع اصلی در تحقیق حسگری الکتروشیمیایی با CNT ها می باشد)، رسانایی بالا و فراوانی ماده منبع (اولیه) ارزان قیمت آن پیش بینی می کنیم. با این وجود، قبل از اینکه گرافن واقعا تک ورقه ای بتواند در آنالیز مورد استفاده قرار بگیرد، باید این مباحث اصلی حل شوند (تحلیل شوند). اول اینکه، لازم است با افزودن NP ها از انباشتگی مجدد جلوگیری شود. اخیرا، راه حلی با جهتگیری تحقیقاتی از تک ورقه های گرافن در بازار ظاهر شده است [۵۷]. در این مورد، گرافن به وسیله ماده فعال سطحی پایدار می شود. ما همچنین در اینجا خاطر نشان می کنیم که هیچ مقایسه ای از نیرومندی حسگرهای با پایه گرافن در مراجع وجود ندارد. به طور واضح، شیمیدانان تجزیه ای توجه زیادی به نشان دادن رفتار مناسبی از حسگر گرافنی در آینده دارند.