طراحی و کاربرد ژل های هوشمند پلیمری بر مبنای تشخیص یون پلیمرهای واکنش پذیر و کاربردی

طراحی و کاربرد ژل های هوشمند پلیمری بر مبنای تشخیص یون پلیمرهای واکنش پذیر و کاربردی –  ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه 20 الی 100% رایگان مقالات ترجمه شده

1- قابلیت مطالعه رایگان 20 الی 100 درصدی مقالات 2- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر 3 فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی -- تذکر: برای استفاده گسترده تر کاربران گرامی از مقالات آماده ترجمه شده، قیمت خرید این مقالات بسیار کمتر از قیمت سفارش ترجمه می باشد.  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر -- مقالات آماده سفارش داده شده عرفا در زمان اندک یا حداکثر ظرف مدت چند ساعت به ایمیل شما ارسال خواهند شد. در صورت نیاز فوری از طریق اس ام اس اطلاع دهید.

طراحی و کاربرد ژل های هوشمند پلیمری بر مبنای تشخیص یون پلیمرهای واکنش پذیر و کاربردی

کالج علوم شیمی و مهندسی، دانشگاه هوکایدو، ژاپن

الزویر

2013

چکیده

ژل های پلیمری واکنش پذیر در برابر محرک بطور معنی داری از قابلیت تغییر حجم خود در برابر محرک های مختلف فیزیکی و شیمیایی خارجی برخوردار می باشند. ژل های هوشمند پلیمری، برای مواد شیمیایی خاص، بطور گسترده ای مورد بررسی قرار گرفته اند و این بررسی در ارتباط با ویژگی های کاربردی آنها در زمینه تشخیص مولکولی یا شیمی فرامولکولی در علوم مواد با توجه به ویژگی های مواد هوشمند می باشد. این مقاله پیشرفت های اخیر در زمینه طراحی مولکولی ژل های پلیمری واکنش پذیر در برابر محرک را مورد بررسی قرار می دهد و در این زمینه اقدام به تشخیص ویژگی های مولکولی، مخصوصا از طریق تشخیص گونه های یونی خواهد نمود.

کلمات کلیدی: ژل های پلیمری واکنش پذیر در برابر محرک، تشخیص مولکولی، تشخیص یون، مواد هوشمند

1. مقدمه

ژل های پلیمری واکنش پذیر در برابر محرک می توانند حجم خود را در واکنش به محرک های مختلف فیزیکی و شیمیایی خارجی نظیر pH [1-3]، دما [4-6]، ترکیب حلال [4، 5، 7، 8]، میدان های الکتریکی و مغناطیسی [9-11]، نور UV/vis [12-14]، و مواد شیمیایی [15-19] بطور قابل توجهی تغییر دهند. بواسطه کاربردهای مختلف نظیر مواد حافظه شکلی [20-22]، محرک ها [23، 24]، عضلات مصنوعی [25] و ابزاره های میکروسیالی [26-28] توجه زیادی معطوف به این مواد شده است. در بین آنها، ژل های پلیمری هوشمند بطور گسترده ای بعنوان مواد مورد کاربرد در تشخیص مولکولی یا شیمی فرا مولکولی در علوم مواد، با توجه به ویژگی های مواد هوشمند، مورد بررسی قرار گرفته اند. در این مقاله مختصر، ما بر روی طراحی مولکولی اخیر ژل های پلیمر واکنش پذیر در برابر یون، بر مبنای گیرنده های یونی و شبکه های پلیمری و تغییر در خواص انبساطی حاصله بوسیله یون ها بعنوان محرک، تمرکز داشته ایم.

مهمترین ویژگی ژل های پلیمری بعنوان مواد کاربردی انبساط می باشد. این منبسط شدگی به معنای افزایش شدید در شبکه سه بعدی خود برحسب حجم یا طول، بواسطه جذب مولکول های حلال، است. خواص انبساطی ژل های پلیمری بطور کلی بوسیله نسبت های آن قبل و بعد از غوطه وری در آنها مورد بررسی قرار گرفته و این مورد عمدتا می بایست تحت حاکمیت برهمکنش زنجیرای پلیمری در رسانه و ویژگی ارتجاعی لاستیک بواسطه پیوند متقاطع / عرضی زنجیرای پلیمری باشد. سازگاری مناسب زنجیرای پلیمری با رسانه سبب گسترش یا انبساط شبکه می گردد در حالی که یک سازگاری ضعیف موجب فروپاشی / رمبش آن خواهد شد. ژل های پلیمری با قابلیت پیوند عرضی متراکم محکم و انبساط آنها اندک تلقی شده، در حالی که ژل های پراکنده دارای پیوند عرضی بصورت نرم با انبساط بالا می باشند. علاوه بر این دو عامل، در مورد ژل های پلیمری واکنش پذیر یونی که شامل یک زنجیر پلیمری سازگار با رسانه و با مناطق تشخیص یونی می باشند، فشار اسمزی و دفع الکترواستاتیکی ایجاد شده بوسیله کمپلکسیشن یا مرکب شدگی بطور معنی داری سبب گسترش شبکه آنها شده و ارتباط یون های زنجیرای پلیمر بعنوان یک پیوند متقاطع فیزیکی سبب فروپاشی آنها، همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، خواهد شد. در بین این تاثیرات برای ژل های پلیمر، تشخیص یون را می توان بعنوان یک مبحث بروز تغییرات در حجم مدنظر قرار داد، که خود معرف آن خواهد بود که طراحی فرامولکولی در ارتباط با طراحی مواد می باشد.

2. ژل های پلیمری واکنش پذیر یونی

2-1. کاتیون های فلزی بعنوان محرک

کاتیون ها یا یون های مثبت فلزی، ترکیبات درشت حلقه ای، نظیر اترهای تاجی و کالکسی آرن ها، توجه زیادی را بعنوان گیرنده های مولکولی بخود جلب نموده اند و پلیمرهای حاوی ترکیبات درشت حلقه ای بطور گسترده ای مهیا گردیده و در کاربردهای مواد بعنوان یک ابزار استخراج یون های فلزی خاص استفاده شده اند. این نوع از ویژگی مرکب سازی پلیمرها با یون های فلزی منجر به طراحی ژل های پلیمری واکنش پذیر گردیده است که بواسطه یون های فلزی قابلیت ایجاد تغییرات حجمی بزرگی را دارا می باشند. بعنوان مثال، یک غشای پلیمری واکنش پذیر در برابر محرک، بر مبنای ویژگی های مرکب شدگی گروه های اتر تاجی با یون های فلزی خاص و حساسیت حرارتی بر مبنای گذار فاز پلی (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM)، بوسیله Yamaguchi و همکاران برای ایجاد غشاهای مهارکنندگی یونی گزارش شده اند [29]. اخیرا، Chu و همکاران ریزکره های هوشمند واکنش پذیر در برابر محرکی را ارائه نموده اند که بصورت همزمان یک ویژگی تشخیص یونی را بوسیله پاسخ مشابه PNIPAM ارائه می نماید [30، 31]. در محلول های K⁺، LCST ریز کره به یک دمای بالاتر تغییر یافته و ثبات کلوئیدی نیز بواسطه تشکیل کمپلکس های اتر K⁺ تاجی افزایش یافته است. این ریز کره ها بصورت هم دما شاهد یک تغییر دمای خاص با اضافه نمودن یون های پتاسیم می باشند. آنها همچنین هیدروژل های هوشمند با قابلیت تشخیص – K⁺ برای حالت خود تعدیلی کنترل شده را ارائه نموده که در بردارنده یک مود پالس – انتشا هم دمای القایی – K⁺، در یک دمای خاص، بواسطه رفتار چروکیدگی القا شده – K⁺ هم دمای این هیدروژل، از طریق تشخیص میزان افزایش در غلظت K⁺ در محیط، می باشد. تشکیل انتخابی یک کمپلکس مهمان – میزبان با ثبات 2:1 بین اتر تاجی 15-تاج-5 و یون پتاسیم سبب می شود تا شبکه پلیمری هیدرول دچار چروکیدگی گردد.

اخیرا، Schneider و همکاران بطور گسترده ای اقدام به بررسی مرکب سازی فلزی با ژل های پلیمری کی لیت ساز در آب بعنوان سیستم های شیمیایی مکانیکی نمودند. همانگونه که در شکل 2 مشخص می باشد، آنها از گروه های اتیلن دی آمین بعنوان مناطق پیوند دهنده برای یون های فلزی به هیدروژل ها با استفاده از واکنش پلی (متیل متاكریلات) با کاربرد دی اتیلن تری آمین استفاده نموده و فیلم ها / لایه های هیدروژل حاصله نشان دهنده تغییرات شکلی در واکنش با کاتیون های فلزی مختلف بوده است [32]. گروه های دی اتیلن تری آمین در فیلم های هیدروژل بعنوان حسگر یون های فلزی و پیوند عرضی از طریق هماهنگی و برهمکنش فیلم های هیدروژل با یون های فلزی در آب عمل نموده که سبب ایجاد دو ویژگی انبساط یا انقباض می گردد. یون های فلزی نظیر Pb²⁺، Cu²⁺، Mn²⁺، Ni²⁺، Zn²⁺ و Co²⁺ سبب القای انبساط حداکثری مشخص در اطراف 01/0M شده و در  همان مرتبه نیز کاهش می یابند. یون های بزرگتر، نظیر Pb²⁺، منجر به ایجاد حالت انبساط بسیار زیادی شده که سبب می شوند تا حجم به میزان 390% بزرگ شود. تغییرات اندازه فلز-القایی نیز میزان زیادی منوط به وجود یک تاثیر دهنده ثانویه نظیر سدیم بنزوات، استات، کلراید یا تارتاریک اسید می باشد. در مورد Cu²⁺، اضافه نمودن نمک به محلول های حاوی Cu²⁺، منجر به کاهش اندازه های آنها می شود. این تغییرات ابعادی القا شده فلزی کاملا قابلیت معکوس شدگی را خواهند داشت و معکوس این حرکت ها را می توان از طریق حذف یون های فلزی از فیلم های هیدروژن از طریق هر کدام از محلول های اسیدی یا EDTA انجام داد.

از جمله دیگر مثال های گزارش شده ژل های پلیمری حسگری فلز – یون کاربرد پلیمرهای با حالت طبیعی می باشند. پروتئین ها یکی از اجزای ایده آل برای طراحی  مواد هوشمند  بشمار  می آیند که قابلیت انجام عملکردهای مکانیکی مطلوب در واکنش با محرک های هدف را خواهند داشت. Daunert و همکاران اقدام به سنتز هیدروژل ها با اتصال کووالانت کالمودولین (CaM) یک پروتئین پیوند – کلسیم، بعنوان یک جزء تشخیص بیولوژیکی، نمودند [33]. CaM سبب ایجاد دو تغییر مشخص شده است. یک تغییر در حضور Ca²⁺ اعمال گردیده و تغییر دیگر در حضور فنوتیازین بوده است. علی الخصوص، CaM از حالت «دمبلی» خود در حضور Ca²⁺ به سمت یک ویژگی فشاری بیشتر به هنگام  پیوند با  فنوتیازین روی  آورده است.   هیدروژل های   واکنش پذیر  در   برابر  محرک   نیز   بوسیله   پلیمریزاسیون   رادیکال   آزاد    یک   CaM   اصلاح  شده، N-{3-[2-(trifluoromethyl)-10H-phenothiazin-10-yl]propyl}acrylamide ، آکریلامید و methylenebis – N,N^’(آکریلامید) سنتز شدند. به هنگامی که هیدروژل با Ca²⁺ اشباع شد، منطقه پیوند – فنوتیازین CaM قابل دسترس گردیده و مشتق ساکن فنوتیازین به CaM پیوند خورد، که سبب ایجاد یک پیوند عرضی کووالانسی بین شبکه پلیمری هیدروژل می شود. در پی حذف Ca²⁺ از هیدروژل با یک محلول حاوی EDTA بعنوان یک عامل قوی کی لیت ساز، هیدروژل بواسطه انتشار فنوتیازین ثابت از منطقه پیوند CaM منبسط گردیده و تغییر ملموس CaM سبب اصلاح سطح آبگریز پروتئین می گردد، که خود موجب تغییر جذب آب پلیمر می شود. تعامل این مورد در یک سیستم میکروسیال نشان دهنده پتانسیل کاربرد آن جهت کنترل سیال/ جریان می باشد. هیدروژل واکنش پذیر در برابر محرک بعنوان یک دروازه کنترل کننده جریان از یک مخزن عمل می نماید.

پیوستگی این ژل های پلیمری واکنش پذیر – یون – فلزی با کریستال های فوتونی توجه ویژه ای را اخیرا به خود جلب نموده است. Asher و Holtz مهیاسازی یک آرایه کلوئیدی بلوری نیم کره های پلیمری در داخل یک هیدروژل که سبب تغییر رنگ در واکنش به یون های فلزی از طریق تغییر خواص انکساری می شود را گزارش نمودند [34]. این مورد از کره های پلی استایرن پلیمریزه شده در داخل یک هیدروژل که حاوی اترهای تاجی بعنوان گروه های تشخیص مولکولی می باشند مهیا گردیده است، همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است.

در حضور یون های فلزی، نظیر Pb²⁺، Ba²⁺ و K⁺، ژل منبسط عمدتا خود حاصل آمده از یک افزایش در فشار اسمزی در داخل ژل بواسطه پتانسیل Donnen می باشد که خود حاصل آمده از یون های مخالف سیار در برابر کاتیون های پیوند تاج – اتری می باشد.  حجم  هیدروژل در حالت حداکثری در    رخ  می دهد که در آن اترهای تاجی اشباع خواهند شد. در غلظت های بیشتر Pb²⁺، این ژل بواسطه کاهش در فشار اسمزی Donnan دچار چروکیدگی می شوند. انکسار این ماده که بصورت معکوس با طول موج اصلی خود می باشد، پراش ماده، به هنگام تبادل Pb²⁺، با توجه به غوطه وری چند دقیقه در آب یون زدوده، طول موج اصلی خود را بدست آورده، و ماکسیمای پیک پراش این ماده قابلیت تولید مجدد در محدود 1-2nm در پی 200 مورد متوالی شستشو غوطه وری مجدد در محلول های Pb²⁺ را خواهد داشت.

2-2. آنیون بعنوان محرک

آنیون ها در هر جای دنیای طبیعی وجود دارند و نقش بسیار مهمی در سیستم های بیولوژیکی برای حفظ زندگی بازی نموده و علاوه بر آن دارای تاثیرات مضری نیز بر روی محیط زیست در قالب آلاینده های آنیونی هستند. تلاش های بسیاری در شیمی گیرنده آنیونی هم اکنون در جهت پیاده سازی مواد کاربردی اعمال شده  است، با این وجود، کاربرد ویژگی های پیوند دهنده آنیون بعنوان اصول الزامی ساختار مرتبط برای مواد واکنش پذیر در برابر محرک همچنان یک چالش قابل توجه باقی مانده است.

با توجه به آنکه یکی از ابتدایی ترین ژل های پلیمر حساس در برابر محرک شامل انتقال فاز حجم PNIPAM می باشد، Tanaka و همکاران ژل های پلیمری خاصی را آماده ساختند که قابلیت شناسایی و جذب پیرونین بعنوان یک مولکول هدف از طریق برهمکنش نقاط – متعدد را خواهد داشت [35]. اجزای ساختاری در ژل پلیمر در شکل 4 نشان داده شده اند. ژل پلیمری متشکل از PNIPAM بعنوان یک واحد حساس به حرارت است که سبب می شود تا ژل بصورت متقابل در واکنش به دما و گروه های آمونیوم چهار گانه بعنوان مناطق شناسایی برای آنیون هدف بصورت معکوس  قابلیت انبساط یا انقباض /چروکیدگی را داشته باشد. یک ژل چروکیده در 25 درجه سلسیوس قابلیت جذب پیرونین ها بصورت محلول را خواهد داشت، اما ژل های منبسط سبب انتشار پیرونین خواهند شد. مجاورت این ژل با به هنگامی که دما تغییر می یابد سبب تغییر به میزان دو مرتبه بزرگی خواهد شد.

تعامل واحدهای شناسایی مولکولی برای آنیون های خاص با ژل های پلیمری می تواند به تغییر حجم در پی پیوند آنیون خاص شود. Schneider و همکاران ژل های پلیمری شیمیایی مکانیکی مختلف را گزارش نمودند که از خود حرکت های مکانیکی را در واکنش به آنیون های مختلف نشان می دهند [32، 36-38]. آنها از گروه های دی اتیلن تری آمین بعنوان مناطق شناسایی مولکولی از طریق جفت شدگی یون یا پیوند هیدروژن برای آنیون های مختلف استفاده نمودند و همچنین از یک آلکیل آمین دارای زنجیر دراز برای پیوند متقاطع / عرضی فیزیکی بوسیله برهمکنش های آبگریز همانگونه که در شکل 5 نشان داده شده است استفاده نمودند. ژل منبسط در پاسخ به آنیون ها، و انبساط مشاهده شده به میزان زیادی منوط به pH محلول های آنیونی است. بطور مثال در pH 7، AMP و UMP که دارای گسترش حجم 45% و 75% به ترتیب می باشند و در pH 11، AMP القا شده یک درصد حجمی 280، در حالی که UMP دارای 60% حجمی می باشد. بعلاوه نشان داده شده است که تعامل اصلی در برابر تغییرات اندازه نشات گرفته از گوناگونی ها در جذب و انتشار میزان آب در این هیدروژل می باشد. در مقابل انبساط، انقباض ها در ژل غالبا بواسطه یک پیوند غیر عرضی کووالانسی بین زنجیر های پلیمر یونی بوسیله آنیون ها و بوسیله برهمکنش کاتیون – p می باشند [38].

اخیرا، کاربرد کریستال های فوتونیک برای مواد حسگری – آنیونی توجهات زیادی را به خود جلب نموده است. Yang و همکاران یک روش آسان برای تشخیص قابل مشهود SCN از طریق یک تغییر رنگ بر مبنای هیدروژل های فوتونیک هیبرید آلی – غیر آلی را نشان دادند [42]. آنها فیلم های هیبرید آلی – غیر آلی را از طریق تغییر فیلم های نازک پلی (دی متیل لامینو اتیل متاكریلات – کو – اتیلین گلیکول دی متاكریلات) و سل تیتانیا بوسیله پوشش دهی چرخشی همانگونه که در شکل 14 نشان داده شده است را فراهم آوردند. این مواد دارای یک رنگ خاص خواهد شد آنهم به هنگامی که باند توقف فوتونی به یک منطقه مشهود تنزل یافته و بنابر این  موقعیت باند توقف فوتونی را می توان از طریق تغییر دوره و یا شاخص انکساری تغییر داد. برهمکنش هیدروژل – SCN فوتونی به یک تغییر مهم در باند توقف فوتونی تعبیر می شود که منطبق با یک تغییر رنگ قابل درک و مشهود می باشد. به هنگامی که غلظت SCN تغییر نمود، باند توقف فوتونی با توجه به تغییر رنگ از قرمز به آبی واکنش نشان می دهد. یک تغییر مطلق در حول و حوش 70 nm برای غلظت های – SCN که به اندکی10^-6 M  می باشد مشاهده شده است که خود موکد آن است که فیلم هیدروژل فوتونی را می توان بعنوان یک مولفه حساس و مناسب و همچنین میله بررسی نوری دستی با حمل آسان بکار گرفت. گسترش هیدروژل فوتونیک در محلول های نمکی بوسیله فشار اسمزی مشخص می گردد. آنها یک روش آسان جهت تشخیص SCN بوسیله چشم غیر مسلح از طریق تغییر رنگ بر مبنای هیدروژل های هیبرید آلی – غیر آلی را نشان دادند.

3. نتیجه گیری

در این بررسی، ما پیشرفت های اخیر در طراحی مولکولی ژل های پلیمری تشخیص یون را معرفی نمودیم که مشخص کننده تغییرات اساسی در واکنش به یون ها یا آنیون های فلزی می باشد. آنها از طریق مرکب سازی در آب یا محلول های آلی قابلیت منبسط شدگی یا فروپاشی/ انقباض را خواهند داشت. رفتار انبساط در فرآیندهای تشخیص مولکولی مناطق گیرنده مدنظر می باشد. این مورد دیدگاه جدیدی را در کاربرد تشخیص مولکولی در علم مواد در اختیار ما قرار می دهد، چرا که تشخیص های مطمئن مولکولی در رشته شیمی فرا مولکولی به خوبی مستندسازی شده و دارای کاربرد می باشد. در حالی که تعداد قابل توجهی از ژل های واکنش پذیر در برابر محرک با استفاده از تشخیص مولکولی بین گیرنده یونی و گونه های آنیونی در این مبحث نشان داده شده اند، تاثیرات مرکب سازی بر روی تجزیه یونی به خوبی درک نگردیده و درک این ارتباط بعنوان یک چالش باقی مانده است. ویژگی دفرمه شدگی، انبساط یا فروپاشی / انقباض ژل های پلیمر ناشی از قابلیت تولید نیرو بوسیله یون های بشمار آمده و آنها همچنین می بایست قابلیت فراهم آوردن نوعی از سیستم شیمیایی مکانیکی و تبدیلی برای انتقال پتانسیل شیمیایی به ویژگی های مکانیکی را داشته باشند.