فصل سوم
بحث و نتیجه‌گیری
۳-۱- اصلاح سطح الکترود کربن شیشه‌ای با رنگ‌های فنوکسازین
طراحی سطح تماس الکترود و محلول اهمیت بالایی در ساخت حسگرها و زیست‌حسگرها دارد. در این تحقیق تلاش شد یک روش جدید برای اتصال کوالانسی حدواسط‌های الکتروشیمیایی معرفی شود و از ترکیبات نیل بلو، تولوئیدین بلو و تیونین به عنوان مدل استفاده گردید. این ترکیبات جزو مشتقات اکسازین‌ها هستند که به عنوان حدواسط انتقال الکترون در ساخت حسگرها و زیست‌حسگرها به‌کار رفته‌اند. همه‌ی این ترکیبات دارای یک گروه آمین اتصال یافته به حلقه آروماتیک می‌باشند. ساختار سه ملکول استفاده شده در این تحقیق در شکل (۳-۱) آورده شده است. بسیاری از ترکیبات زیستی حائز اهمیت در تهیه زیست‌حسگرها، دارای گروه عاملی آمین در ساختارشان می‌باشند. روش‌هایی که برای اتصال ترکیبات دارای گروه آمین به سطح الکترود استفاده می‌شوند را می‌توان برای اتصال ترکیبات زیستی

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

دارای گروه آمین به سطح الکترود نیز استفاده نمود مشروط بر اینکه در ساختار آن‌ها تغییری که منجر به تغییر در رفتار مورد انتظار از آن‌ها شود صورت نگیرد. به این دلیل که اتصال کوالانسی مستقیم این ملکول‌ها با روش تشکیل نمک دی‌آزونیوم از آن‌ها نیاز به معرف‌های شیمیایی دارد که ممکن است به تغییر ساختار زیستی و خواص آن‌ها منجر شود، نمی‌توان از این روش برای اتصال این ترکیبات استفاده نمود. نتایج این تحقیق می‌تواند به عنوان راه‌کاری برای اتصال این ترکیبات زیستی به سطح استفاده شود.
شکل ۳-۱- ساختار سه ترکیب فنوکسازین استفاده شده در این تحقیق
۳-۱-۱- روش اصلاح سطح الکترود کربن شیشه‌ای با رنگ‌های فنوکسازین
یک روش ۴ مرحله‌‌ای برای اصلاح سطح الکترود طراحی شد. مراحل استفاده شده به طور خلاصه به صورت زیر می‌باشد.
اصلاح سطح الکترود کربن شیشه‌ای با گروه نیتروفنیل و تولید الکترود اصلاح شده با نیتروفنیل (GCE/NP)
کاهش الکتروشیمیایی گروه نیتروفنیل به گروه آمینوفنیل و تولید سطح اصلاح شده با آمینوفنیل (GCE/AP)
اتصال گلوتارآلدهید و یا بنزن دی‌آلدهید به سطح اصلاح شده با آمینوفنیل و تولید (GCE/GLU) و یا (GCE/BD)
اتصال رنگ‌های فنوکسازین به سر آلدهیدی موجود بر روی سطح و تولید الکترود اصلاح شده با رنگ‌های فنوکسازین (GCE/NB) یا (GCE/TB) و یا (GCE/TH)
شکل ۳-۲ این مراحل را برای ترکیب نیل بلو با اتصال دهنده گلوتارآلدهید به عنوان نمونه نشان می‌دهد. از آنجا که اصلاح سطح تا مرحله‌ی آلدهید برای کلیه‌ی رنگ‌ها یکسان است، ابتدا این مراحل توضیح داده می‌شود. گروه‌های عاملی قرار داده شده بر روی سطح طی این مراحل از لحاظ الکتروشیمیایی در محیط آبی فعال نیستند و در نتیجه دنبال کردن مراحل اصلاح سطح با ولتامتری مستقیم امکان پذیر نمی‌باشد. زوج فرو/فری سیانید یک ردیاب اکسایش–کاهش باردار است و بنابراین می‌تواند نسبت به تغییر بار سطح حساسیت نشان ‌دهد. از ولتامتری چرخه‌ای این ردیاب برای دنبال کردن تغییرات سطح در هر مرحله‌ اصلاح استفاده شد. تایید بیشتر با ثبت منحنی مقاومت ظاهری از سطح الکترود طی مراحل مختلف اصلاح صورت گرفت.
۳-۱-۲- بررسی اصلاح سطح الکترود کربن شیشه‌ای تا مرحله اتصال دی‌آلدهید
در این بخش هر یک از مراحل اصلاح الکترود شرح داده می‌شود. الکترود پس از اصلاح در هر مرحله در محلول ۰/۱ میلی‌مولار پتاسیم فری سیانید در ۰/۲=pH قرار گرفت و با انجام ولتامتری چرخه‌ای تغییرات سطح دنبال شد. منحنی مقاومت ظاهری (EIS) از سطح الکترود طی مراحل مختلف اصلاح در محلول ۰/۵ میلی‌مولار پتاسیم فرو/فری سیانید در ۰/۲=pH ثبت شد.
۳-۱-۲-۱-۱- اصلاح سطح الکترود کربن شیشه‌ای با گروه نیتروفنیل
در مرحله‌ی اول برای اتصال گروه نیتروفنیل به سطح الکترود کربن شیشه‌ای از محلول ۰/۱ میلی‌مولار ۴- نیتروفنیل دی‌آزونیوم تترافلوروبورات در حلال استونیتریل حاوی ۱/۰ مولار تترابوتیل آمونیوم تترافلوروبورات استفاده شد اصلاح الکترود به روش کاهش الکتروشیمیایی نمک دی‌آزونیوم مزبور انجام شد. به این صورت که ابتدا دو روبش پتانسیل در محدوده ۳/۰ تا ۴۵/۰- ولت نسبت به الکترود مرجع نقره/نقره نیترات انجام شد و سپس با انجام الکترولیز در پتانسیل ۴۲/۰- ولت ترکیب ۴- نیتروفنیل دی‌آزونیوم بر روی سطح قرار گرفت. در

شکل ۳-۲- مراحل اصلاح مرحله‌ به مرحله‌ی سطح الکترود کربن شیشه‌ای به روش کوالانسی با ترکیب نیل بلو
روبش اول رفتار ولتامتری مربوط به کاهش نمک دی‌آزونیوم به صورت یک دماغه برگشت ناپذیر با پتانسیل دماغه برابر ۲۷/۰– ولت نسبت به الکترود مرجع نقره/نقره نیترات مشاهده شد(شکل ۳-۳). این رفتار شناخته شده مربوط به جدا شدن برگشت ناپذیر گروه N₂ از ترکیب نیتروفنیل دی‌آزونیوم و اتصال گروه فنیل رادیکال به سطح می‌باشد. در روبش دوم به دلیل مسدود شدن سطح توسط لایه آلی نیتروفنیل قرار گرفته بر روی سطح، این دماغه به طور کامل حذف می‌شود. این رفتار به خوبی با رفتار مشاهده شده برای اتصال گروه‌های حاوی نمک‌های دی‌آزونیوم به سطح الکترود منطبق است [۹]. سپس به مدت ۶۰۰ ثانیه به الکترود در همین محلول پتانسیل ۴۲/۰ – ولت که ۱۵/۰ ولت نسبت به پتانسیل دماغه کاتدی مشاهده شده در شکل ۳-۳ منفی‌تر است، اعمال گردید. به این ترتیب فرایند تثبیت نیتروفنیل روی سطح کامل شده و در ولتاموگرام ثبت شده با این الکترود در محلول ۰/۱ میلی‌مولار ۴- نیتروبنزن دی‌آزونیوم تترافلوروبورات هیچ دماغه‌ای مشاهده نمی‌شود (شکل ۳-۳). پس از اطمینان از کامل شدن واکنش تثبیت نیتروفنیل روی سطح الکترود، الکترود با حلال استونیتریل شسته شده و برای اطمینان از حذف گروه‌های نیتروفنیل جذب سطحی شده به مدت ۵ دقیقه در حلال استونیتریل در حمام فراصوت قرار داده شد.
شکل ۳-۳- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود کربن شیشه‌ای ثبت شده در غلظت ۰/۱ میلی‌مولار ترکیب ۴- نیتروفنیل دی‌آزونیوم تترا فلوروبورات در حلال استونیتریل حاوی ۱/۰ مولار تترا فلوروبورات در (الف) روبش اول (ب) روبش دوم و (ج) بعد از ۶۰۰ ثانیه الکترولیز در پتانسیل ۴۲/۰- ولت. سرعت روبش استفاده شده برابر ۲۰۰ میلی‌ولت بر ثانیه است
۳-۱-۲-۱-۲- بررسی شواهد موجود برای تثبیت موفقیت آمیز گروه نیترو بر روی سطح الکترود کربن شیشه‌ای
نیتروفنیل در محیط غیر پروتون دهنده با کاهش تک الکترونی به رادیکال آنیون مربوطه تبدیل می‌شود. از این رو برای اثبات موفقیت اصلاح الکترود و مشاهده گروه نیتروفنیل قرار گرفته بر روی سطح، الکترود پس از اصلاح با گروه ۴- نیتروفنیل دی‌آزونیوم به روش مزبور و شسته شدن، در محلول استونیتریل حاوی ۱/۰ مولار الکترولیت حامل تترابوتیل آمونیوم تترافلوروبورات قرار گرفت و چرخه پتانسیل روی آن انجام شد که طی آن یک دماغه از گروه نیتروی متصل به سطح در E_m=(E_pc-E_pa)/2= -1.5 ولت مشاهده شد (شکل ۳-۴). همان‌طور که در این شکل نشان داده شده است، دماغه آندی و کاتدی تقریبا در یک پتانسیل قرار گرفته اند که از ویژگی‌های گروه‌های جذب سطحی شده است. مشاهده این رفتار تایید کننده اتصال گروه نیتروفنیل به سطح الکترود می‌باشد.تایید بیشتر بر انجام موفقیت آمیز تثبیت گروه نیتروفنیل بر روی سطح الکترود با گرفتن ولتامتری چرخه‌ای از سطح الکترود در حضور ردیاب فرو‌سیانید حاصل شد (شکل ۳-۵).
شکل ۳-۴- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود کربن شیشه‌ای بعد از اصلاح با گروه ۴-نیتروفنیل در حلال استونیتریل حاوی ۱/۰ مولار تترابوتیل‌آمونیوم تترا فلوروبورات در سرعت روبش برابر ۱۰۰ میلی‌ولت بر ثانیه
همان‌طور که در شکل (۳-۵) نشان داده شده است ردیاب فروسیانید روی الکترود کربن شیشه‌ای یک رفتار برگشت پذیر نشان می‌دهد ولی با اصلاح الکترود با گروه نیتروفنیل به دلیل خاصیت آب‌گریزی این ترکیب دماغه ولتامتری فرو‌سیانید تقریباً به طور کامل حذف می‌شود که نشان می‌دهد سطح الکترود کاملاً توسط گروه نیتروفنیل مسدود شده است.
شکل ۳-۵- ولتامتری چرخه‌ای محلول ۰/۱ میلی‌مولار فرو‌سیانید در سطح الکترود قبل و بعد از اصلاح با گروه نیتروفنیل. سرعت روبش پتانسیل برابر ۱۰۰ میلی‌ولت بر ثانیه.
۳-۱-۲-۲-۱- تبدیل گروه نیتروفنیل به گروه آمینوفنیل
گروه نیتروفنیل را می‌توان با کاهش شیمیایی و یا الکتروشیمیایی به گروه آمینوفنیل تبدیل کرد. کاهش الکتروشیمیایی را می‌توان با انجام روبش پتانسیل و یا الکترولیز در پتانسیل ثابت در محلول آب-اتانول انجام داد. گروه نیتروفنیل تحت کاهش ۴ الکترونی و یا ۶ الکترونی قرار می‌گیرد که کاهش ۶ الکترونی منجر به تولید آمینوفنیل می‌شود و کاهش ۴ الکترونی تولید هیدروکسی آمینوفنیل می‌کند. همچنین گروه هیدروکسی آمینوفنیل می‌تواند در تعادل با گروه نیتروزوفنیل قرار گیرد. واکنش‌های مربوطه در معاملات (۳-۱) تا (۳-۳) آورده شده است [۶۵].
معادله (۳-۱)
معادله (۳-۲)
معادله (۳-۳)
ولتاموگرام چرخه‌ای حاصله از انجام روبش‌های متوالی پتانسیل الکترود اصلاح شده با نیتروفنیل در محلول آب – اتانول ۹۰/۱۰ در شکل (۳-۶) آورده شده است. همان‌طور که در شکل نشان داده شده است، در چرخه اول یک فرایند کاهش برگشت ناپذیر شیمیایی (دماغه α) به همراه دماغه اکسید شدن نسبتا کوچک و پهن (دماغه β) مشاهده می‌شود. در روبش دوم دماغه کاهشی بزرگ مشاهده شده در روبش اول به طور کامل حذف می‌شود و دماغه‌های کاهشی کوچکی مشاهده می‌شود (دماغه γ) که همراه با دماغه‌های اکسایش هستند. این رفتار با رفتارهای گزارش شده در مقالات منطبق است[۶۵]. فرایند اکسایش- کاهش در سطح الکترود مطابق زیر است.
شکل ۳-۶- ولتاموگرام چرخه‌ای از روبش‌های متوالی پتانسیل الکترود اصلاح شده با نیتروفنیل در محلول آب – اتانول ۹۰/۱۰ در سرعت روبش ۲۰۰ میلی‌ولت بر ثانیه.
دماغه α مربوط به کاهش ۴ الکترونی گروه نیتروفنیل موجود بر روی سطح به گروه هیدروکسیل آمین APOH (معادله ۳-۱) و کاهش ۶ الکترونی گروه نیتروفنیل به گروه آمینوفنیل AP (معادله ۳-۲) می‌باشد. دماغه‌های β و γ از زوج هیدروکسیل آمین / نیتروزوفنیل^[۷۲] (معادله ۳-۳) ناشی می‌شود[۶۵] که به صورت یک دماغه برگشت پذیر اکسایش-کاهش می‌باشد ولی در این‌جا کاهش گروه نیترو به صورت کاملا برگشت پذیر صورت نمی‌گیرد و این امر باعث می‌شود دماغه مربوط به زوج هیدروکسیل آمین / نیتروزوفنیل در برخی مواقع به صورت یک دماغه و در برخی مواقع به صورت دماغه‌های شکافته شده مشاهده شوند.
۳-۱-۲-۲-۲- بررسی شواهد موجود برای تبدیل موفقیت آمیز گروه نیترو به گروه آمین
با انتقال الکترود به محلول سولفوریک اسید ۲۵/۰ مولار و ثبت ولتاموگرام‌های چرخه‌ای، در ولتاموگرام لایه کاهیده شده یک جفت دماغه اکسایش-کاهش مشاهده می‌شود که در محدوده پتانسیل‌های ۳/۰ تا ۶/۰ ولت قرار گرفته است. علاوه بر این، یک دماغه اکسایش برگشت ناپذیر با پتانسیل دماغه حدود ۱/۱ ولت نیز در این ولتاموگرام مشاهده می‌شود که این دماغه در روبش دوم حذف می‌شود (شکل ۳-۷). این دماغه مربوط به اکسایش گروه آمینوفنیل می‌باشد. مشابه این دماغه اکسایشی برای آمینوفنیل اتصال یافته به الکترود طلا در مقالات گزارش شده است [۱۶۷] و تائیدی بر تشکیل آمینوفنیل بر روی سطح می‌باشد.
گروه‌های آمینو موجود بر روی سطح می‌توانند به راحتی در محیط اسیدی پروتونه شوند. پروتونه شدن این گروه‌ها منجر به ایجاد سطح اصلاح شده با بار مثبت می‌گردد. بنابراین یک روش موثر دیگر در اثبات تشکیل گروه‌های آمینوفنیل بر روی سطح دنبال کردن تغییرات شدت دماغه ردیاب باردار فرو‌سیانید با تغییر pH محلول می‌باشد. این امر با انجام روبش پتانسیل در محلول ردیاب با بار منفی فرو‌سیانید در pHهای مختلف و بررسی شدت پاسخ الکترود صورت گرفت. شکل (۳-۸) جریان دماغه مربوط به ردیاب فرو‌سیانید با غلظت ۰/۱ میلی‌مولار را بر روی الکترود اصلاح شده با گروه آمینوفنیل در pH های مختلف نشان می‌دهد. همان‌طور که در این نمودار مشخص است در ۰/۲pH= بیشترین پاسخ الکترود را داریم و بعد از آن با افزایش pH بار مثبت سطح و در نتیجه جاذبه الکترود نسبت به ردیاب فری‌سیانید با بار منفی و در نتیجه جریان مربوط به ردیاب کاهش می‌یابد. این روند تا ۰/۷=pH که رفتار الکترود نسبت به ردیاب شبیه به رفتار الکترود اصلاح شده با نیتروفنیل می‌گردد، ادامه می‌یابد(شکل ۳-۸). شکل ۳-۹ ولتاموگرام چرخه‌ای ردیاب فرو‌سیانید را روی سطح الکترود در pH برابر ۰/۲ نشان می‌دهد. همان‌طور که در این شکل مشخص است شدت دماغه فرو‌سیانید با تبدیل گروه نیترو به گروه آمینو افزایش یافته و به مقدار مشاهده شده بر روی الکترود کربن شیشه‌ای اصلاح نشده(شکل ۳-۵) نزدیک می‌شود.
شکل ۳-۷- ولتاموگرام الکترود اصلاح شده با آمینوفنیل در محلول سولفوریک اسید ۲۵/۰ مولار. سرعت روبش ۱۰۰ میلی‌ولت بر ثانیه
شکل ۳-۸- منحنی جریان دماغه ۰/۱ میلی‌مولار فرو‌سیانید با تغییرات pH بر روی سطح اصلاح شده با گروه آمینوفنیل. سرعت روبش برابر ۱۰۰ میلی‌ولت بر ثانیه
شکل ۳-۹- ولتامتری چرخه‌ای محلول ۰/۱ میلی‌مولار فرو‌سیانید در ۰/۲=pH در سطح الکترود قبل و بعد از کاهش گروه نیتروفنیل به گروه آمینوفنیل. سرعت روبش پتانسیل برابر ۱۰۰ میلی‌ولت بر ثانیه
۳-۱-۲-۲-۳- بهینه سازی شرایط برای تبدیل گروه نیترو به گروه آمین
در این تحقیق هر دو روش کاهش الکتروشیمیایی اشاره شده که شامل انجام روبش پتانسیل و انجام الکترولیز در پتانسیل ثابت بود برای تبدیل گروه نیترو سطحی به گروه آمینو مورد ارزیابی قرار گرفت و سعی شد تا بهترین شرایط برای ایجاد بیشترین گروه آمینو اتصال یافته به سطح به‌دست آید. میزان تولید گروه‌های آمینو سطحی با انجام روبش پتانسیل در محلول ردیاب با بار منفی فرو‌سیانید و در pH اسیدی برابر ۰/۲ بررسی شد. همان‌طور که در شکل ۳-۸ نشان داده شده است جریان مربوط به ردیاب فروسیانید روی سطح الکترود اصلاح شده با گروه آمینوفنیل در pHهای اسیدی‌تر بیشتر است و این جریان در pH برابر ۰/۲، بیشترین مقدار را دارد. بنابراین، برای دنبال کردن پیشرفت واکنش تبدیل گروه نیتروفنیل به آمینو فنیل جریان مربوط به این ردیاب روی سطح الکترود اصلاح شده در ۰/۲=pH اندازه‌گیری شد. از آن‌جایی‌که در کاهش به روش روبش پتانسیل، تعداد روبش‌های پتانسیل صورت گرفته حائز اهمیت است و در روش الکترولیز در پتانسیل ثابت، مدت زمان انجام الکترولیز و پتانسیل استفاده شده در انجام الکترولیز اهمیت دارد، اثر تعداد چرخه‌های روبش پتانسیل و پتانسیل الکترولیز بر بازده فرایند تبدیل گروه‌های نیتروفنیل بررسی گردید. در بررسی اثر پتانسیل الکترولیز، زمان ۳۰۰ ثانیه به عنوان زمان الکترولیز انتخاب شد زیرا آزمایش‌های مقدماتی نشان داد که در زمان ۳۰۰ ثانیه به بعد راندمان فرایند مستقل از زمان می‌گردد.
نتایج حاصل در بررسی اثر تعداد روبش‌های پتانسیل استفاده شده برای کاهش گروه‌های نیتروفنیل به گروه‌های آمین در جدول (۳-۱) آورده شده است. نتایج این بررسی نشان داد که تبدیل گروه نیترو به گروه آمینوفنیل با افزایش تعداد روبش‌ها تا ۶ روبش افزایش می‌یابد و سپس ثابت می‌شود.
برای کاهش الکتروشیمیایی گروه نیتروفنیل به روش الکترولیز، الکترود اصلاح شده با نیتروفنیل به مدت ۳۰۰ ثانیه در پتانسیل‌های مشخص الکترولیز شد. تأثیر پتانسیل الکترولیز بر روی پیشرفت واکنش تبدیل گروه‌های نیتروفنیل به گروه‌های آمین در محدوده پتانسیل ۵/۰– تا ۵/۱- ولت مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده شد که مقدار تبدیل با تغییر پتانسیل الکترولیز از ۵/۰- ولت تا ۰/۱- ولت افزایش می‌یابد و در پتانسیل‌های منفی‌تر ثابت می‌شود(جدول ۳-۱).
مقایسه نتایج حاصل از کاهش گروه‌های نیترو به گروه‌های آمینو به ۲ روش اعمال پتانسیل ثابت و روش روبش پتانسیل نشان داد که با وجود این‌که بازده تبدیل زمانی‌که پتانسیل ثابت اعمال می‌شود بیشتر است، اما روش روبش پتانسیل تکرارپذیری بهتری %RSD=4.1 , n=5) ( در مقایسه با روش اعمال پتانسیل ثابت =۱۲٫۱ n=5 ) %RSD ( نشان داد. از آنجا که عامل تکرارپذیری اهمیت بالایی در ساخت و تهیه حسگرها دارد بنابراین انجام ۶ چرخه پتانسیل در محدوده ۷/۰ تا ۵/۱- ولت به عنوان شرایط بهینه برای انجام این تبدیل انتخاب شد.
۳-۱-۲-۳- تثبیت اتصال دهنده دی‌آلدهیدی به سطح اصلاح شده با گروه آمینوفنیل
برای این منظور از دو اتصال دهنده دی‌آلدهیدی گلوتارآلدهید و بنزن دی‌آلدهید استفاده گردید و شرایط اتصال این گونه‌ها به سطح بهینه شد.