الکترود اصلاح شده (GCE/AP/MNP/CHIT/GOx) با بهرهگیری از تلفیق روش اصلاح کوالانسی و روش تثبیت بر پایه اصلاح لایه به لایه ساخته شد.
۳-۴-۱-۱- تهیه الکترود اصلاح شده با گروه آمینوفنیل (GCE/AP) به روش اصلاح با نمکهای دیآزونیوم
مطابق روش ارائه شده در بخشهای پیشین ابتدا سطح الکترود کربن شیشهای با بهره گرفتن از پودر آلومینا صیقل داده شد. سپس با بهره گرفتن از محلول ۰/۱ میلیمولار ترکیب ۴-نیتروبنزن دیآزونیوم تترافلوروبورات و ۱/۰ مولار تترابوتیل آمونیوم تترافلوروبورات در حلال استونیتریل و با انجام الکترولیز در پتانسیل ثابت ۴۲/۰- ولت الکترود اصلاح شده با گروه نیتروفنیل (GCE/NP) تهیه گردید. سپس گروه نیتروفنیل در این الکترود با انجام کاهش الکتروشیمیایی به گروه آمینو تبدیل شد. گروههای آمین موجود در سطح الکترود میتوانند در محیط اسیدی پروتونه شوند و سطحی با بار مثبت ایجاد کنند. در نتیجه گروههای با بار منفی میتوانند از طریق جاذبه الکترواستاتیک بر روی سطح قرار گیرند.
۳-۴-۱-۲- تکمیل اصلاح الکترود با انجام اصلاح لایه به لایه با بهره گرفتن از نیروی جاذبه الکترواستاتیک
ابتدا الکترود اصلاح شده با گروه آمینوفنیل در محلول بافر با pH برابر ۰/۲ قرار گرفت. به این صورت سطحی پروتونه با بار مثبت ایجاد میشود. اکثر نانو ذرات دارای سطحی با بار منفی هستند و میتوانند به صورت الکترواستاتیک جذب سطوح با بار مثبت گردند. از این میان نانو ذرات مغناطیسی آهن علاوه بر داشتن بار سطحی منفی این مزیت را نسبت به بسیاری از نانوذرات دارند که ارزان قیمت و دارای روش تهیه ساده هستند. در این مرحله ۰/۱ میکرولیتر از محلول سوسپانسیون MNP (1/0 گرم در ۵ میلی لیتر) بر روی سطح الکترود قرار گرفت و تحت جریان گاز آرگون با خلوص بالا خشک گردید. الکترود سپس به خوبی با آب شسته شده و در مرحلهی بعدی ۰/۱ میکرولیتر از محلول کیتوسان (۵ میلی گرم کیتوسان در ۱۰ میلیلیتر محلول ۱۰ درصد استیک اسید) به صورت قطرهای بر روی سطح قرار گرفت و با گاز آرگون خشک گردید. این پلیمر دارای بار سطحی مثبت است و میتواند به راحتی به سطح باردار نانوذرات مغناطیسی جذب گردد. همانطور که میدانیم گلوکز اکسیداز یک آنزیم دارای بار سطحی منفی میباشد. الکترود اصلاح شده با آنزیم با افزودن ۰/۱ میکرولیتر از محلول گلوکز اکسیداز حاوی ۰/۵ میلی گرم گلوکز اکسیداز در ۰/۱ میلیلیتر از بافر فسفات ۰۵/۰ مولار در pH برابر ۰/۷ بر روی سطح الکترود تهیه شد. الکترود کامپوزیت تهیه شده با این روش با عنوان GCE/AP/MNP/CHIT/GOx نامگذاری شد. مراحل مختلف اصلاح الکترود به همراه مرحله آخر اصلاح با حد واسط اکسایش-کاهش نیل بلو در شکل ۳-۶۷ آورده شده است.
شکل ۳-۶۷- مراحل اصلاح لایه به لایه سطح الکترود کربن شیشهای به روش کوالانسی و تهیه الکترود اصلاح شده با آنزیم گلوکز اکسیداز
۳-۴-۱-۳- دنبال کردن مراحل اصلاح سطح الکترود با بهره گرفتن از ردیاب اکسایش - کاهش زوج فرو / فری سیانید
به دلیل اینکه مراحل مختلف اصلاح سطح با تغییر در بار سطح الکترود همراه است، میتوان از ردیاب اکسایش–کاهش زوج فرو/ فری سیانید که باردار میباشد و میتواند نسبت به بار سطح حساسیت نشان دهد، برای دنبال کردن تغییرات سطح الکترود استفاده نمود.
در این قسمت از ولتامتری چرخهای این ردیاب برای دنبال کردن تغییرات سطح در هر مرحله از اصلاح استفاده شد. به این صورت که الکترود پس از اصلاح در هر مرحله در محلول ۰/۱ میلیمولار پتاسیم فرو/ فری سیانید در ۰/۲=pH قرار گرفت و با انجام ولتامتری چرخهای تغییرات سطح دنبال شد. همانطور که درشکل (۳-۶۸ A منحنیa) نشان داده شده است در مرحلهی اول اصلاح بر روی سطح گروههای آمینوفنیل (AP) داریم که میتوانند در محیط اسیدی پروتونه و سطحی با بار مثبت ایجاد کنند. این امر باعث ایجاد یک پاسخ مشخص از ردیاب فروسیانید در سطح الکترود میشود. با قرار گرفتن نانو ذرات مغناطیسی آهن بر روی سطح الکترود علاوه بر ایجاد یک پوشش جدید روی سطح، سطح دارای بار منفی میگردد که هر دو اثر مانع از رسیدن گونه های ردیاب به سطح الکترود و در نتیجه کاهش جریان ردیاب میگردند (۳-۶۸ A منحنیb).
کیتوسان در مرحلهی بعد به صورت یک لایه پلیمری ضخیم بر روی سطح قرار میگیرد که این امر باعث کاهش بیشتر فعالیت ردیاب بر روی سطح میگردد (شکل ۳-۶۸ A منحنیc). با قرار گرفتن گلوکز اکسیداز بر روی سطح هم به دلیل پوشش بیشتر سطح و هم به دلیل بار منفی موجود بر روی این آنزیم، سطح نسبت به این ردیاب غیر فعالتر میگردد (شکل ۳-۶۸A منحنیd).
۳-۴-۱-۴- دنبال کردن مراحل اصلاح سطح الکترود با روش طیفسنجی مقاومت ظاهری
در این مرحله منحنیهای مقاومت ظاهری (EIS) از مراحل مختلف اصلاح الکترود گرفته شد. این اندازهگیریها در حضور ردیاب اکسایش–کاهش [Fe(CN)6]3/4 – در غلظت ۰/۵ میلیمولار، در بافر فسفات با pH برابر ۰/۲ صورت گرفت. اندازهگیریهای EIS با قرار دادن منحنیهای سینوسی با دامنهئ ۵ میلیولت بر روی پتانسیل ثابت ۲۳/۰ ولت که پتانسیل فرمال ردیاب فرو / فری سیانید است، درمحدودهئ ۱۰ کیلو هرتز تا ۱۰۰ میلی هرتز انجام شد. ابعاد نیم دایره در منحنیهای امپدانس مربوط به مقاومت انتقال بار در سطح الکترود کربن شیشهای میباشد. افزایش ابعاد نیم دایره نشان دهنده افزایش در مقاومت انتقال بار است. شکل (۳-۶۸ B) منحنیهای EIS را نشان میدهد که از مراحل مختلف اصلاح الکترود گرفته شده است. همانطور که در این شکل نشان داده شده است، تفاوت قابل توجهی بین ابعاد نیم دایره حاصل در مراحل مختلف اصلاح وجود دارد. در مرحلهی اول که الکترود با گروه آمینوفنیل پوشیده شده است، به دلیل جاذبه الکترواستاتیک قوی بین گروههای آمین با بار مثبت در سطح و ردیاب با بار منفی در محلول کوچکترین میزان ابعاد نیم دایره و در نتیجه کمترین مقاومت انتقال بار در سطح تماس مشاهده شد. با اصلاح الکترود با نانو ذرات مغناطیسی به دلیل نیروی دافعه بین نانو ذرات با بار منفی و ردیاب، ابعاد نیم دایره و در نتیجه مقاومت انتقال بار افزایش یافت. با ادامه مراحل اصلاح الکترود به دلیل افزایش میزان پوشش سطح با انجام هر مرحله از اصلاح شاهد افزایش ابعاد نیم دایره و در نتیجه مقاومت انتقال بار در سطح الکترود بودیم.
شکل ۳-۶۸- (A) ولتامتری چرخهای از سطح الکترود در مراحل مختلف اصلاح (a) GCE/AP (b) GCE/AP/MNP ، © GCE/AP/MNP/CHITو (d) GCE/AP/MNP/CHIT/GOx در محلول ۰/۱ میلیمولار فری/فرو سیانید در pH برابر ۰/۲ و در سرعت روبش پتانسیل برابر ۱۰۰ میلیولت بر ثانیه.(B) نمودار مقاومت ظاهری الکترود در مراحل مختلف اصلاح (a) GCE/AP (b) GCE/AP/MNP ، © GCE/AP/MNP/CHITو (d) GCE/AP/MNP/CHIT/GOx در محلول ۵ میلیمولار فری/فرو سیانید با اعمال ولتاژ ac با دامنه ۵ میلیولت در محدوده فرکانسی ۱۰ کیلو هرتز تا ۱۰۰ میلی هرتز. پتانسیل الکترود ۲۳/۰ ولت نسبت به مرجع Ag/AgCl انتخاب شد. نمودار حاشیهای منحنی امپدانس گرفته شده با بزرگنمایی بالاتر در فرکانسهای بالا میباشد
بااستفاده از دادههای امپدانس میتوان نتیجه گرفت که مراحل ایجاد گروههای آمینو فنیل بر روی سطح و قرار دادن نانو ذرات مغناطیسی بر روی آن و سپس پوشش آن با پلیمر کیتوسان و قرار گرفتن آنزیم گلوکز اکسیداز بر روی سطح الکترود کربن شیشهای با موفقیت انجام شده است.
۳-۴-۱-۵- تثبیت نیل بلو بر روی الکترود اصلاح شده GCE/AP/MNP/CHIT/GOX و ایجاد الکترود اصلاح شده (GCE/AP/MNP/CHIT/GOX/NB)
برای این منظور از روش اصلاح الکترود در بخش ۳-۴-۱ استفاده شد. سپس بر روی الکترود اصلاح شده با آنزیم پس از خشک نمودن با گاز آرگون و شستشو ۰/۱ میکرولیتر از محلول ۰/۲ گرم بر لیتر حدواسط نیل بلو که یک ترکیب رنگی با بار مثبت است، قرار گرفت و با عبور گاز آرگون خشک گردید. رفتار الکتروشیمیایی الکترود اصلاح شده با ولتامتری چرخهای در محلول بافر فسفات ۱/۰ مولار بررسی شد (شکل ۳-۶۹ A). ولتامتری چرخهای الکترود اصلاح شده با نیل بلو در محدوده پتانسیلی ۰ تا ۸/۰- ولت نسبت به مرجع نقره/نقره کلرید رفتار چرخهای مشخصه نیل بلو را نشان داد. شکل (۳-۶۹ B) این ولتاموگرام را در سرعت روبشهای مختلف نشان میدهد.
۳-۴-۱-۶- اکسایش الکتروکاتالیزوری گلوکز در سطح زیستحسگر GCE/AP/MNP/CHIT/GOX
الکترود اصلاح شده GCE/AP/MNP/CHIT/GOx به ظرف الکتروشیمیایی حاوی فروسن ۰۲۲۵/۰ مولار در محلول آب/اتانول با نسبت حجمی ۸۰/۲۰ منتقل شد. شکل (۳-۷۰) ولتاموگرام چرخهای این زیستحسگر را در حضور غلظتهای مختلف گلوکز در محلول فروسن نشان میدهد. یک جفت دماغه ولتامتری برگشت پذیر در عدم حضور گلوکز مشاهده شدند (منحنی a در شکل۳-۷۰). این رفتار مربوط به واکنش اکسایش - کاهش تک الکترونی زوج Fc+/Fc میباشد. با افزودن گلوکز به محلول فروسن، رفتار کاتالیزوری مشخصی مشاهده گردید که جریان دماغه الکتروکاتالیزوری با افزایش غلظت گلوکز در محلول بافر افزایش مییابد(شکل۳-۷۰ منحنیهای b و d). نتایج بیانگر این امر است که گلوکز اکسیداز تثبیت شده بر روی سطح با این روش فعالیت الکتروکاتالیزوری خود را برای اکسایش گلوکز پس از تثبیت حفظ کرده است. این واکنش میتواند توسط مکانیسم زیر شرح داده شود[۱۸۵]
شکل ۳-۶۹- (A) ولتاموگرام چرخهای الکترود اصلاح نشده با نیل بلو (GCE/AP/MNP/CHIT/GOx) (a) و اصلاح شده با نیل بلو (GCE/AP/MNP/CHIT/GOx/NB) (b) در محلول ۱/۰ مولار بافر فسفات با pH برابر ۰/۷ در سرعت روبش ۱۰۰ میلیولت بر ثانیه (B) ولتامتری چرخهای الکترود اصلاح شده در سرعت روبشهای به ترتیب از داخل به خارج ۲۰، ۴۰، ۷۰، ۸۰ و ۱۰۰ میلیولت بر ثانیه
(۳-۲۳)
(۳-۲۴)
(۳-۲۵)
که در آن GOx(FAD) و GOx(FADH2) بیانگر اشکال اکسید شده و کاهیده شده گلوکز اکسیداز، G و G1 به ترتیب β-D- گلوکز و گلوکونو-D- لاکتون[۷۷] میباشند. در عدم محدودیت انتقال جرم، جریان حاصل از ولتاموگرام چرخهای ترکیب فروسن (Ip) از معادله(۳-۲۶) پیروی میکند[۱۸۶].
(۳-۲۶)
kred = k2k1/ (−k1 + k2). ( 3-27)
که در آن F ثابت فارادی، S سطح الکترود، ΓEغلظت سطحی آنزیم،[Fc] غلظت حدواسط، [G] غلظت گلوکز در محلول و Ip از روی جریان تصحیح شده زمینه و با کم کردن جریان فاقد گلوکز از جریان در حضور گلوکز در پتانسیل ۳/۰ ولت محاسبه شده است. غلظت سطحی گلوکز اکسیداز قرار گرفته بر روی سطح بر اساس معادله بالا و با دانستن مقادیر ثابت سرعت k2 = ۷۰۰ s−۱, k3 = ۱٫۲×۱۰۷ M−۱ s−۱, kred = ۱٫۱×۱۰۴M−۱ s−۱ [۱۹۱-۱۸۷] تعیین شد. بر این اساس میزان پوشش آنزیم فعال ΓET برابر ۱۱-۱۰×۳۸/۳ مول بر سانتیمتر مربع محاسبه شد.اگر در نظر بگیریم که تک لایه اشباع از گلوکز اکسیداز دارای غلظت سطحی ۱۲-۱۰×۷/۱ مول بر سانتیمتر مربع باشد[۱۸۷]، Γ ET برابر ۲۰ تک لایه خواهد بود.
شکل ۳-۷۰- ولتاموگرام چرخهای از الکترود اصلاح شده GCE/NH2/MNP/GOx در محلول فروسن ۰۲۲۵/۰ مولار در حضور غلظتهای ۰،۰/۱ و ۵/۲ میلیمولار گلوکز. سرعت روبش برابر ۵۰ میلیولت بر ثانیه انتخاب شده است.
۳-۴-۱-۷- بررسی رفتار الکتروکاتالیزوری الکترود کربن شیشهای اصلاح شده GCE/AP/MNP/CHIT/GOX/NB در حضور گلوکز
اکسایش الکتروکاتالیزوری گلوکز در سطح حسگر GCE/AP/MNP/CHIT/GOx/NB بررسی شد. شکل (۳-۷۱) ولتاموگرامهای چرخهای الکترود کربن شیشه ای اصلاح شده را در بافر فسفات ۰/۷ هوازدایی شده در محدوده پتانسیلی ۶/۰ تا ۷/۰- در حضور و عدم حضور گلوکز نشان میدهد. همانطور که در شکل (۳-۷۱A ) نشان داده شده است افزایش گلوکز به الکترود اصلاح شده در محلول اکسیژن زدایی شده هیچ اثری را نشان
شکل ۳-۷۱- مقایسهی رفتار الکتروشیمیایی الکترودهای اصلاح شده قبل و بعد از افزایش گلوکز به محلول بافر فسفات ۱/۰ مولار با ۰/۷ = pH (A) الکترود GCE/AP/MNP/CHIT/GOx/NB در محلول عاری از اکسیژن (B) الکترود GCE/AP/MNP/CHIT/GOx در محلول اشباع از اکسیژن و © الکترود GCE/AP/MNP/CHIT/GOx/NB در محلول اشباع از اکسیژن، سرعت روبش ۲۰ میلیولت بر ثانیه
نمیدهد همچنین در محلول اشباع از اکسیژن در عدم حضور نیل بلو (الکترود اصلاح شده GCE/AP/MNP/CHIT/GOx) با افزایش گلوکز هیچ اثری مشاهده نشد. (شکل۳-۷۱ B).شکل (۳-۷۱ C) ولتاموگرام چرخهای الکترود اصلاح شده GCE/AP/MNP/CHIT/GOx/NB را در محلول اشباع از اکسیژن نشان میدهد. با توجه به این شکل میتوان نتیجه گرفت که حضور اکسیژن در سل الکتروشیمیایی منجر به تغییر عمدهای در شکل ولتاموگرام چرخهای با افزایش در جریان کاتدی و کاهش متقابل در جریان آندی به دلیل اثر کاتالیزوری الکترود اصلاح شده با نیل بلو نسبت به اکسیژن میشود. در مقالات قبلی اثر الکتروکاتالیزوری نیل بلو نسبت به اکسیژن مشاهده شده است [۱۹۲]. همانطور که در این شکل مشخص است جریان دماغه در پتانسیل ۶۲/۰- ولت نسبت به Ag/AgCl نسبتا ثابت است و با تکرار روبشهای پتانسیل تغییری نمیکند. با اضافه کردن گلوکز به سل الکتروشیمیایی جریان کاتدی کم میشود که نشان دهنده کاهش میزان اکسیژن در سطح الکترود میباشد. آنزیم گلوکز اکسیداز واکنش اکسیداسیون گلوکز را کاتالیز میکند که این واکنش همراه با مصرف اکسیژن میباشد.
ولتاموگرام چرخهای الکترود اصلاح شده در حضور غلظتهای مختلف گلوکز در شکل (۳-۷۲) آورده شده است. با افزایش غلظت گلوکز جریان کاهشی الکترود اصلاح شده کم میشود که میزان کاهش جریان کاتدی متناسب با افزایش غلظت گلوکز است.
GOx
D- Glucose + O2 D-Gluconic acid + H2O2 (۳-۲۸)
۳-۴-۱-۸- اندازهگیری آمپرومتری گلوکز توسط حسگر GCE/AP/MNP/CHIT/GOX/NB
اندازهگیری آمپرومتری به عنوان یک روش حساس تجزیهای در ارزیابی کاربرد زیستحسگرها مورد استفاده قرار گرفته است. در اینجا برای تعیین محدوده درجه بندی خطی اندازهگیری گلوکز توسط الکترود اصلاح شده GCE/AP/MNP/CHIT/GOx/NBاز این روش استفاده شد. مطابق قبل در این کار با بهره گرفتن از یک مگنت و همزن مغناطیسی محلول با سرعت ثابت بههم زده شد. ابتدا به منظور بهدست آوردن بیشترین حساسیت و گزینش پذیری اثر پتانسیل اعمال شده بر روی پاسخ آمپرومتری حسگر نسبت به غلظت ۳-۱۰×۰/۴ مولار گلوکز در محلول بافر فسفات با ۰/۷=pH با غلظت ۱/۰ مولار مورد بررسی قرار گرفت(شکل۳-۷۳). نتایج این مطالعه نشان میدهد که جریان اکسایشی گلوکز در سطح الکترود اصلاح شده از پتانسیل ۲۵/۰- ولت آغاز میشود و با
۳-۷۲- تاثیر افزایش غلظت گلوکز روی رفتار الکتروشیمیایی الکترود اصلاح شده GCE/AP/MNP/CHIT/GOx/NB در بافر فسفات با ۰/۷ = pHو در محلول اشباع از اکسیژن. سرعت روبش ۲۰ میلیولت بر ثانیه. حاشیه شکل: تاثیر پتانسیل اعمال شده بر روی جریان پایا مشاهده شده در بررسی آمپرومتری از سطح الکترود اصلاح شده برای غلظت ۰/۴ میلیمولار گلوکز در بافر فسفات ۱/۰ مولار اشباع از اکسیژن در pH برابر ۰/۷
منفیتر شدن پتانسیل تا ۶۰/۰- ولت به تدریج افزایش مییابد و سپس ثابت میشود بیشینه جریان در پتانسیل ۵۱/۰- ولت مشاهده شد. این در حالی است که در این محدوده پتانسیل جریانی در سطح الکترود اصلاح نشده مشاهده نشد. جهت اطمینان از اینکه جریان تحت کنترل نفوذ است، پتانسیل ۶۰/۰- ولت نسبت به مرجع Ag/AgCl به عنوان پتانسیل بهینه برای انجام آمپرومتری انتخاب گردید
۳-۷۳- تاثیر پتانسیل اعمال شده بر روی جریان پایا مشاهده شده در بررسی آمپرومتری از سطح الکترود اصلاح شده برای غلظت ۰/۴ میلیمولار گلوکز در بافر فسفات ۱/۰ مولار اشباع از اکسیژن در pH برابر ۰/۷
۳-۴-۱-۹- رسم منحنی تنظیم با اندازهگیری آمپرومتری گلوکز توسط حسگر طراحی شده GCE/AP/MNP/CHIT/GOX/NB
شکل (۳-۷۴) پاسخ آمپرومتری الکترود کربن شیشهای اصلاح شده، بعد از تزریقهای متوالی گلوکز به محلول ۱/۰ مولار بافر فسفات با ۰/۷=pH در پتانسیل ثابت ۶۰۰- میلیولت و در سرعت چرخش ثابت را نشان میدهد. با توجه به ولتاموگرام بهدست آمده برای الکترودGCE/NB مشاهده میکنیم که بلافاصله بعد از هر تزریق گلوکز به محلول جریان به سرعت افزایش مییابد که نشان دهنده پاسخ سریع الکترود نسبت به گلوکز است. این جریان پایا برای رسم منحنی تنظیم استفاده شده است. شکل (۳-۷۴) منحنیهای تنظیم مربوط به اندازهگیری آمپرومتری از الکترود اصلاح شده را در محلول ۱/۰ مولار بافر فسفات با۰/۷=pH طی تزریق غلظتهای مختلف گلوکز نشان میدهد
همانطور که در این شکل نشان داده شده است جریان با غلظت در محدوده غلظتی ۵-۱۰×۵/۴ تا ۴-۱۰×۵/۴ مولار از معادله زیر
معادله (۳-۲۹) Ip(µA)=8.92C(mM) Cglucose (mM)-4.97 R2=0.998
شکل ۳-۷۴- پاسخ جریان-زمان الکترود کربن شیشهای اصلاح شده GCE/AP/MNP/CHIT/GOx/NB طی افزایشهای پیاپی (A) 50 میکرومولار و (B) 0/1 میلیمولار گلوکز در پتانسیل ثابت ۶/۰- ولت و در محلول بافر فسفات ۱/۰ مولار در pH برابر ۰/۷٫ شکلهای حاشیهای a و b منحنیهای تغییرات جریان بر حسب غلظت گلوکز و نمودار c پایداری پاسخ آمپرومتری در غلظت ۰/۳ میلیمولار گلوکز را نشان میدهند
و در محدوده غلظتی ۴-۱۰×۵/۴ تا ۳-۱۰×۰/۴ مولار از معادله
Ip(µA)=1.29 Cglucose (mM)-7.09 R2=0.994 معادله (۳-۳۰)
پیروی می کند که با بهره گرفتن از آنها میتوان جریان تولید شده را به غلظت گلوکز ربط داد. مطابق روشی که قبلا بیان شد با در نظر گرفتن معادلات (۳-۷) و (۳-۸) حد تشخیص الکترود برابر با ۵-۱۰×۷/۱ مولار محاسبه شد.
اصلاح کوالانسی لایه- به – لایه سطح الکترود کربن با میانجیگرهای اکسایش - کاهش- فایل ۲۷