نانو سامانه‌های پلیمری قالب مولکولی هوشمند و کاربرد آن‌ها در فناوری‌های نوین

پلیمر‌های قالب مولکولی (Molecularly Imprinted Polymers) نانوسامانه‌های هوشمندی هستند که در حضور یک مولکول به عنوان الگو شکل می‌گیرند و میل شیمیایی اختصاصی و بالایی نسبت به مولکول الگو دارند و مکانیزم آن‌ها شبیه آنتی‌بادی‌ها یا آنزیم‌ها است[1و2]. از MIPها در ساخت آنتی‌بادی برای پروتئین، جداسازی در کروماتوگرافی، ساخت حسگرها، فرایندهای جداسازی و استخراج استفاده می‌شود. قالب مولکولی در سطح گسترده‌ای به عنوان یک تکنیک مناسب است و دارای فواید آشکاری مانند آماده‌سازی آسان، هزینه‌کم و استحکام شیمیایی و مکانیکی بالا می‌باشد. بنابراین ساخت MIPها به عنوان یک برنامه کاربردی وسیع می‌تواند جذب و جداسازی ترکیبات شیمیایی خاص در محیط‌های حقیقی مانند آب، پساب‌، محیط‌‌زیست، سیستم‌های زیستی، صنایع شیمیایی و پتروشیمیایی را فراهم ساخته و به عنوان حسگرهای زیستی و انتقال دارو مورد توجه قرار گیرد.

در سال 1998 برای اولین‌بار با استفاده از اکسـیـدآهـن مغنـاطیســی،MMIP با قطـر میـانگیـن 13µm از پلیمریزاسـیون سوسپانسیون مونومرها در مایع پرفلوروکربن(Perfluorocarbon) تولید شد[3]. امروزه توسعه این روش و استفاده از مونومرهای عملگرای ویژه منجر به تولید MMIPهایی شده است که به برخی عوامل محرک نیز پاسخ می‌دهند، مثل محرک‌های دمایی[4]، محرک‌های نوری[5] و محرک‌های pH [6]. به عنوان مثال MMIP با پایهPNIPAm حساس به محرک دمایی است، به صورتی‌که با کاهش دما، آب‌دوستی PNIPAm افزایش یافته و سبب متورم شدن در آب و دستیابی به آنالیت‌ می‌گردد. علاوه بر استفاده از نانوذرات مغناطیسی، نانوکپسول‌ها، نانوسیم‌ها و نانولوله‌ها را که دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند را نیز می‌توان به MIP متصل نمود و ظرفیت اتصال و سینتیک اتصال آن‌ها را افزایش داد. از کاربردهای MMIP که در سال‌های اخیر پیشرفت زیادی کرده است، می‌توان به استفاده در جداسازی‌های سلولی و پروتئین، تثبیت آنزیم و سایر مولکول‌ها، تغلیظ بسیار سریع مولکول‌های هدف در نمونه‌ها، روش‌های استخراج فازی جامد، کروماتوگرافی و کاربردهای کاتالیزوری اشاره نمود. به عنوان مثال جهت شناسایی و استخراج آنتی‌بیوتیک‌ها[7و8]، شناسایی و حذف مواد از آب و محلول‌های آبی[9و10]، استخراج برخی مواد شیمیایی دارویی و برخی مواد موجود در داروهای گیاهی[11]، استخـراج و شناسـایی ترکیـبات از ادرار[12]، اسـتخراج و شـناسـایی هــورمـون‌ها [13]، اسـتخراج و شناسـایی برخی ترکیـبـات شیمیایی[14]‌، شناسایی رنگ[15] و غیره می‌توان اشاره کرد. به‌طور کلی مهم‌ترین ویژگیMMIP، امکان جداکردن و بازیابی آن‌ از محلول به کمک یک میدان مغناطیسی خارجی است، زیرا MMIPها بعد از حذف میدان مغناطیسی خارجی، کلوخه نمی‌شوند و امکان استفاده مجدد از آن‌ها وجود دارد.

2. روش‌ آماده‌سازی MMIP

در ساخت انواع MMIP مطابق شکل 1، چهار مرحله اساسی وجود دارد.

سنتز نانوذرات Fe₃O₄: معمولا به روش هم‌رسوبی- کاهشی انجام می‌گیرد و غالبا از نانوذره مغناطیسی مگنتیت و در برخی موارد از مگمیت (γ-Fe₂O₃) استفاده می‌شود[16].پوشش‌دهی نانوذرات مغناطیسی با سیلیکا و اصلاح سطح: از آن‌جا که به علت وجود نیروی وان‌دروالسی و جذب مغناطیسی متقابل، امکان کلوخه شدن Fe₃O₄ها وجود دارد، از ذرات سیلیکا که دارای ثبات شیمیایی و استحکام فیزیکی و دوام مکانیکی بالائی هستند به‌عنوان مولکول پوشش‌دهنده محافظتی برای تثبیت اکسیدهای آهن استفاده می‌شود. این لایه نقش محافظت از هسته را دارد. علاوه بر این در این مرحله بعد از اصلاح و عاملدار کردن، شیمی سطح به‌گونه‌ای تغییر می‌یابد که اتصال به پلیمر در مرحله بعدی ممکن گردد[11].پلیمریزاسیون: در این مرحله احتیاج به پنج واکنشگر است؛ نانوذره مغناطیسی پوشش‌دهی شده با سیلیکا که با توجه به نوع پلیمر مورد نظر که سطح آن اصلاح شده، عامل ایجاد اتصالات عرضی مانند EGDMA(ethylene glycol dimethacrylate)، مونومر دارای گروه‌های عاملی مانند MAA (2-(trifluoromethyl) acrylic acid)، آغازگر و ماده مورد نظر به عنوان الگو. با افزودن این مواد در حال هم‌زدن به تدریج دما بالا برده می‌شود و واکنش انجام می‌گیرد.جداسازی الگو از MMIP: در این مرحله مواد با حلالی که بتواند الگو را جداسازی کند، چندین بار شستشو داده می‌شوند و در نهایت خشک می‌شود.نکته: در برخی از آزمایش‌های مشخصه‌یابی، احتیاج به نانوسامانه‌ای است که فاقد مولکول الگو باشد. برای سنتز این مولکول تمامی مراحل قبلی انجام می‌شود، با این تفاوت که مرحله سوم بدون افزودن مولکول الگو است. مولکول تولید شده در این مرحله MNIP نام دارد. در ضمن قابل ذکر است که در سنتز اثر حلال، اثر زمان پلیمریزاسیون، نسبت مولی ترکیبات مورد استفاده در راندمان جذب و واجذب و شکل، ساختار و اندازه نانوذرات موثر می‌باشند و باید بهینه‌سازی شوند.

پس از سنتز، خشک کردن و مشخصه‌یابی باید عوامل موثر بر جذب و واجذب نظیر دما، زمان، غلظت اولیه، حلال و pH بررسی و بهینه گردند. برای مشخص کردن ظرفیت جذب و واجذب MMIP، از مدل‌های مختلف ایزوترم (مانند لانگمیر و فرندلیچ) استفاده می‌شود و پارامترهای سینیتیکی و ترمودینامیکی بررسی می‌گردد. باید نتایج حاصل از بررسی اتصال مولکول‌های هدف به MMIP و MNIP در مدل‌های ایزوترم قرار داده شده و با به‌دست آمدن ثابت تعادل، تمایل مولکول‌های هدف به MMIP و MNIP ارزیابی شود. با مقایسه ظرفیت جذب تعادلی MMIP و MNIP مشخص می‌شود که جایگاه‌هایی برای مولکول هدف در MMIP وجود دارند که ظرفیت جذب تعادلی را در آن بالا می‌برند، در حالی‌که این جایگاه‌های ویژه درMNIP وجود ندارند.

3. روش‌های تعیین ویژگی‌های MMIP

بعد از سنتز MMIP باید ترکیب هسته و ویژگی‌های ساختاری نانوذرات مغناطیسی، اندازه و شکل نانوسامانه‌ها، تاثیر ساختار نانوسامانه بر خاصیت مغناطیسی هسته مغناطیسی، گروه‌های عاملی موجود در ترکیب، توانایی نانوسامانه در جذب مولکول الگو به دقت ارزیابی و بهینه‌سازی شود.

برای تعیین ترکیب هسته و ویژگی‌های ساختاری نانوذرات مغناطیسی سنتز شده، از تکنیک XRD استفاده می‌شود. مطابق شکل2، در طیف (A) وجود شش پیک منطبق با اطلاعات کتابخانه‌ای کمیته مشترک استانداردهای پراش پودری (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) ، تاییدکننده حضور Fe₃O₄ می‌باشد. در طیف‌های دیگر B و C این شش پیک نیز تکرار می‌شوند که بیان‌گر حضور نانوذرات Fe3O4 به صورت هسته در این ترکیبات است. با افزایش مراحل پوشش با SiO₂ و MMIP شدت پیک‌ها و میزان پهنای پیک‌ بیشینه در نصف ارتفاع آن کاهش می‌یابد.

برای سنجش ابعاد، تعیین ساختار ظاهری و شکل MMIP مطابق شکل 3 از TEM (Transmission Electron Microscope) وSEM (Scanning Elecron Microscope) استفاده می‌شود.

حضور گروه‌های عاملی در ترکیب بر اساس درصد عبور نور برحسب طول‌موج‌های مختلف (400-4000 cm-1) با توجه به گراف‌هایی که درFT-IR (Fournier Transform- Infra Red) مشاهده می‌شود، تعیین می‌گردد. برای اثبات حضور محصولاتی که در هر مرحله از آماده‌سازی ذرات MMIP ایجاد می‌شوند نیز می‌توان از FT-IR بهره برد. در این آنالیز وجود گروه‌های عاملی Fe-O ،Si-O ،Si-O-Si ،Si-O-H و گروه‌های عاملی مربوط به الگو و MMIP، شناسایی می‌شوند.

برای اندازه‌گیری خواص مغناطیسی نانوذرات متصل به نانوسامانه‌های MMIP، از دستگاهVSM (Vibrating Sample Magnetometers) استفاده می‌شود. این سنجش از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا در فرایند سنتز MMIP از خاصیت مغناطیسی هسته پوشش داده شده، کاسته می‌شود و باید این مسئله به دقت ارزیابی شود. این کاهش می‌تواند به دلیل پوشش‌های پلیمری و سیلیکایی باشد، ولی قابلیت جداسازی با میدان مغناطیسی خارجی آن حفظ می‌شود[17]. می‌توان با تغییراتی، میزان اشباع مغناطیسی را افزایش داد. به عنوان مثال اگر چندین هسته درون یک MMIP قرار گیرد باعث افزایش قابل توجه مغناطیس اشباع می‌شود[18].

4. آنالیزهای جذب و واجذب

برای اندازه‌گیری غلظت قبل و بعد از جذب از تکنیک‌های مختلف تجزیه کلاسیکی و یا دستگاهی مانند تیتراسیون، روش‌های الکتروشیمیایی، جذب اتمی، جذب مولکولی، کروماتوگرافی، GC ،HPLC و غیره می‌توان استفاده کرد. به عنوان مثال، هنگامی‌که اندازه‌گیری غلظت مولکول‌های هدف جذب شده به MMIP مد‌نظر باشد، در محلولی که غلظت مشخصی از مولکول هدف وجود دارد، مقدار معینی MMIP افزوده می‌شود و به مدت چند ساعت در دمای اتاق انکوبه می‌شود؛ سپس با میدان مغناطیسی خارجی، MMIPها جدا می‌شوند و پس از افزودن متانول و اسیداستیک، مولکول‌های هدف جدا شده و با HPLC اندازه‌گیری می‌شوند و به این ترتیب درصد بازیابی MMIP، محاسبه می‌شود. با اندازه‌گیری غلظت مولکول هدف باقی‌مانده در محلول پس از جدا شدن از MMIP، توسط HPLC می‌توان با کسر کردن این مقدار، از مقدار اولیه مولکول‌های هدف، درصد جذب توسط MMIP را سنجید. علاوه بر روش‌هایی که گفته شد و معمولا در تمامی مقالات مشاهده می‌شوند، از طیف‌سنجی جرمی نیز در برخی موارد استفاده می‌شود. در این روش با استفاده از کروماتوگرام، یک اسکن کامل از موادی که در ترکیب وجود دارند گرفته می‌شود تا به حضور انواع مولکول‌هایی که در مواد جداسازی شده توسط MMIP وجود دارند، پی‌ برد.

5. کاربردهای MMIP

در ادامه اشاره مختصری به کاربردهای MMIP در موارد گوناگون می‌شود:کلرامفنیکل یک آنتی‌بیوتیک علیه باکتری‌هاست که علیرغم ممنوعیت، در برخی مواد غذایی به کار می‌رود. برای شناسایی کلرامفنیکل به عنوان آنتی‌بیوتیک در عسل از تکنیک MMIP استفاده ‌شده که دارای حساسیت و دقت کافی است. در این کار، تولید نانوذره مغناطیسی با روش هم‌رسوبی انجام گرفته و سپس MMIP با استفاده از کلرامفنیکل به عنوان مولکول قالب، سنتز گردیده است [7]. سنسور دیگری برای آشکارسازی الکتروشیمیایی استرپتومایسین ایجاد شده که بر روی ذرات مغناطیسی عملگراشده پوشش داده شده با ذرات طلا، سوار شده و توسط تکنیک MMIP طراحی شده است [8]. استفاده از سیستم MMIP با کمک نانوذرات مغناطیسی Flyash-cenospheres/Fe₃O₄ برای جذب انتخابی نانیل ‌فنل (Nonylphenol) از محلول‌های آبی توسط پن و همکارانش انجام گرفت [10]. همچنین در تعیین آنتی‌بیوتیک فلوروکینولون در نمونه‌های آب محیطی نیز کار مشابهی انجام شده است [9].

MMIP برای استخراج انتخابی مهارکننده‌های فسفودی‌استراز نوع 5 که از جمله داروهای مهاری در درمان به شمار می‌آید، شامل sildenafil ،vardenafil ،homosidenafil hydroxyhomosudenafil ، acetidenafil و aminotadalafil به کار رفته است و درصد بازیابی مناسب و محدودیت تشخیصی پایین برای آن حاصل شده است [11].

لیزوزیم یک آنزیم باکتریولیتیک است که از لوکوسیت‌ها مشتق می‌شود که در مورد حفاظت از هجوم میکروبی نقش مهمی را دارد. تعیین میزان لیزوزیم اوره انسان، در موارد کلینیکی تشخیصی، آزمایشات سم‌شناسی و تحقیقات در مورد اثر آلوده‌کننده‌های محیطی بر روی سلامتی انسان اهمیت دارد. به همین دلیل در این مورد، از ذرات MMIP همراه با تکنیک لومینسانس شیمیایی برای تعیین میزان لیزوزیم در نمونه‌های اوره انسانی به کار رفته است [12].

ترکیب تکنیک قالب‌گیری مولکولی با ذرات پلیمر مغناطیسی جهت تولید MMIP چنانکه گفته شد فواید زیادی دارد. استفاده از روش سنتز با مایکروویو نیز به دلیل زمان پلیمریزاسیون کوتاه‌تر و بازده بالاتر و توزیع ذره باریک‌تر مفید می‌باشد. در مطالعه‌ای از ترکیب این دو روش برای تهیه ذرات MMIP جهت جمع‌آوری استرول‌ها بهره گرفته شد که در نهایت با GC-MS تعیین مقدار شد [13].

به دلیل خصوصیت سرطانی، استفاده از رنگ‌های سودان در فرآورده‌های غذایی برخی کشورها ممنوع شده است. با این‌حال هنوز در برخی از غذاها حضور این نوع رنگ‌ها مشاهده می‌شود. بنابراین وجود روش‌های آنالیزی برای سنجش دقیق و سریع آن‌ها ضروری است. در مقاله‌ای، MMIPهایی با کمک متاکریلیک اسید و EGDMA و Sudan IV به عنوان مولکول قالب برای جذب رنگ‌های سودان از پودر فلفل به کار برده شد و سپس توسط دستگاه HPLC تعیین مقدار گردید [15].

6. نتیجه‌گیری

MMIP، بسیار مورد توجه و علاقه قرار گرفته است. زیرا با این تکنیک امکان انتخاب‌گری بالا (بر اساس شکل، اندازه و گروه عاملی) برای شناسایی مولکول‌های هدف ممکن می‌شود. این میزان از انتخاب‌گری در بسیاری از حوزه‌های کاربردی از جمله در سنسورها، کروماتوگرافی، کاتالیزوری و حذف فاز جامد بسیار مهم است. MMIPها در مقایسه با پذیرنده‌های طبیعی، علاوه بر قدرت بالای حذف و جداسازی، امکان اتصال قوی به مولکول‌ها و استفاده مجدد را نیز دارند و آماده‌سازی و کاربرد آن‌ها بسیار مقرون به صرفه می‌باشد. از این‌رو پیشرفت در حوزه‌های مختلف علوم و صنعت و افزایش بهره‌وری تا حد زیادی با کاربرد این نانوسامانه‌های هوشمند ممکن می‌شود. علاوه بر این موارد، نانوسامانه‌های MIP مغناطیسی و یا MMIPها، شرایط را جهت کنترل و جداسازی با استفاده از میدان مغناطیسی فراهم می‌کنند و جایگزین بسیار مناسبی برای سانتریفیوژ و انواع سیستم‌های فیلتراسیون هستند، زیرا در دسترس بوده و به صرفه می‌باشند و امکان حذف MMIPهای توزیع شده در ماتریکس تنها در اثر اعمال میدان مغناطیسی وجود دارد.