معماری
نانو

روش‌های سنتز نانوذرات مختلف

روش‌های سنتز نانوذرات

سنتز نانوذرات به صورت شیمیایی و فیزیکی قابل انجام است. در این مبحث ما به روش‌های تهیه نانوذرات فلزی با روش‌های زیست سنتتیک پرکاربرد می‌پردازیم. لازم به ذکر است که این روش‌ها برای مدت زیادی نیست که شناخته شده‌اند و برخی از آن‌ها به سرعت در حال تکمیل و توسعه هستند.

روش‌های ساخت مواد نانو به روش‌های شیمیائی و روش‌های فیزیکی می‌تواند از دو منظر کلی بررسی شود؛ دسته اول شامل روش بالا به پایین (Bottom-Up) است که عبارت است از روش خرد کردن یک تکه از ماده به وسیله بریدن و یا شکستن پیوندهای بین مولکولی برای کوچک کردن آن به ابعادی که می‌خواهیم. در واقع این امکان وجود دارد که مواد را آنقدر تجزیه کنیم تا در حد نانومتری برسند یعنی در حد 9-10 متر. امروزه این عمل توسط شکست فیزیکی و شیمیایی انجام پذیر می‌باشد و شامل روش‌هایی مانند خوردگی و خردایش فیزیکی توسط میکروارگانیسم ها است. دسته دیگر، گروه روش‌های پایین به بالا (Bottom-Up) است؛ در طی این روش ساخت، اتم‌ها و مولکول‌ها به طور خیلی دقیق کنار هم قرار داده می‌شوند تا به یک ساختار نانویی برسیم، که این به واسطه خاصیت خودآرایی قابل حصول می‌باشد. روش تولید پایین به بالا را فقط می‌توان برای ساخت مواد در مقیاس نانومتری استفاده کرد، اما روش‌های تولید بالا به پایین هم برای تولید مواد نانو و هم میکرو و … کاربرد دارند. از روش‌های مرسوم در دسته‌بندی پایین به بالا در بیولوژی، رسوب شیمیایی و خودچیدمانی اتمی می‌باشند.

در دسته‌بندی دیگر تولید نانوذرات، از روش‌های متفاوتی به منظور بدست آوردن خواص ویژه بهینه مواد استفاده می‌شود. این خواص محدود به سایز (قطر، طول و حجم)، توزیع اندازه ذرات، تقارن خواص سطحی، پوشش‌های سطحی، خلوص و کاربری راحت نبوده و اغلب برای تولید انبوه می‌باشند. روش‌های استفاده شده برای اهداف تجاری یا تولید نانوذرات به 4 گروه عمده تقسیم‌بندی می‌شوند که عبارتند از:

  1. پروسه‌های فاز گازی شامل تولید با پیرولیز شعله، تبخیر در دمای بالا و پلاسما.
  2. رسوب‌دهی و سنتز از فاز بخار (Vapor-Deposition)
  3. روش‌های فاز مایع یا کلوئید که در آن واکنش‌های شیمیایی در حلال، باعث تشکیل کلوئید می‌شود.
  4. پروسه‌های مکانیکی شامل سایش، آسیاب کردن و آلیاژسازی

برای تمام این پروسه‌ها، مرحله بازیابی (بدست آوردن) تقریباً شبیه هم می‌باشد و شامل تکنیک‌های جابجا کردن پودرهای مخلوط حاصله می‌باشد. همان طورکه می‌بینید روش‌های سنتز بیولوژیک در دسته روش‌های تولید تجاری نانوذرات قرار ندارند.

 

سنتز زیستی نانوذره نقره

استخراج از ارگانیسم‌های زیستی می‌تواند هم به صورت عامل احیاء و هم به صورت عامل پوشاننده (Capping agent) در سنتز نانوذرات نقره انجام شود. احیاء یون‌های نقره به وسیله ترکیب با بیومولکول‌هایی که در عصاره سلولی موجودند از قبیل آنزیم‌ها، پروتئین‌ها، اسیدهای آمینه، پلی‌ساکاریدها و ویتامین‌ها با محیط زیست سازگار است، در حالی که سنتز با مواد شیمیایی به این صورت نیست. حجم گسترده‌ای از گزارشات نشان می‌دهد که سنتز نانوذرات نقره با استفاده از ترکیبات آلی زیستی موفقیت‌آمیز است، به عنوان مثال عصاره جلبک تک‌سلولی سبز کلرلا ولگاریس برای سنتز نانوپلیت‌های کریستالی نقره در دمای اتاق مورد استفاده قرار گرفت. پروتئین‌های موجود در عصاره، عملکرد دوگانه‌ای از احیاء نقره و کنترل شکل آنها در سنتز نانوذرات نقره ارائه می‌دهند. گروه‌های کربوکسیل در باقیمانده اسپارتیک، گلوتامین و گروه‌های هیدروکسی در باقیمانده تیروزین موجود در پروتئین‌ها به عنوان عملگرهای احیاء یون نقره پیشنهاد شده‌اند. انجام فرایند احیاء به وسیله یک تری‌پپتید دو عملکردی ساده که بیشتر در باقیمانده اسیدآمینه شناسایی شده است، صورت می‌گیرد. این فرآیند سنتز، نانوپلیت کوچک نقره با بس پاشیدگی کم را حاصل می‌کنند.

عصاره گیاهی از یونجه تازه، عصاره آبکی علف لیمو، برگ گل شمعدانی و دیگر گیاهان به عنوان واکنش دهنده‌های سبز در سنتز نانوذرات نقره بکار گرفته شده است. واکنش آبی AgNO3 با عصاره آبی برگ گیاه پلارگونیوم گراوئولنس در طی 24 ساعت نانوذرات نقره به وجود می‌آورد. زمان این واکنش با حرارت دادن مخلوط واکنش درست در زیر نقطه جوش، به 2 ساعت کاهش می‌یابد. پروتئین‌های ترشحی موجود در سوبسترای قارچ با احیاء یون نقره توزیع یکنواختی را از نانوذرات نقره-پروتئین با میانگین اندازه 5 تا 30 نانومتر ایجاد می‌کنند. از گیاه کاسپیکوم آنوم (Capsicum annuum) نیز در سنتز نانوذرات نقره استفاده شده است. مطالعه سنتز نانوذرات نقره به وسیله جداسازی و خالص‌سازی از بیوارگانیسم‌ها ممکن است دید بهتری را برای شناختن مکانیسم این سیستم ایجاد کند. گلوتاتیون (Glutathione) به عنوان یک عامل احیاء یا پوشاننده می‌تواند نانوذرات محلول در آب و با اندازه یکنواخت تولید کند که به آسانی به مدل پروتئینی (آلبومین گاوی) متصل شود؛ این امر در کاربردهای پزشکی دارای جذابیت و اهمیت است. باقیمانده‌های تریپتوفان الیگومرهای سنتتیک در انتهای C-ترمینال خود به عنوان عامل احیاء کننده برای ایجاد نانوذرات نقره نیز شناخته شده‌اند.

 

از میکروارگانیسم‌های متعددی برای ایجاد نانو‌ذرات نقره به صورت درون سلولی و برون سلولی استفاده می‌شود؛ به عنوان مثال نانوکریستال‌های نقره از ترکیبات مختلف به وسیله باکتری سودوموناس اشتوتزری (Pseudomonas stutzeri) سویه AG259 سنتز شده‌اند. در قارچ فوزاریوم اکسیسپوروم (Fusarium oxysporum) احیاء یون‌های نقره به یک پروسه آنزیماتیک مربوط به NADH وابسته به ردوکتاز (NADH-dependent reductase) نسبت داده می‌شود. همچنین قارچ فانروگیت کریسوسپوریوم (Phanerochaete chrysosporium ) نیز یون‌های نقره را به صورت نانوذرات نقره احیاء می‌کند که به نظر می‌رسد سبب‌ساز این فرایند یک پروتئین باشد. احتمال دخالت پروتئین در سنتز نانوذرات نقره نیز در باکتری پلکتونما بوریانو سویه UTEX 485 مشاهده شده است. علاوه بر این، احیاء نقره به وسیله کشت مایع روئی (Supernatant) باکتری‌های کلبسیلا پنومونیه (Klebsiella pneumonia)، اشریشیا کلی و انتروباکتر کلوآکه (Enterobacter cloacae) تولید سریعی از انواع نانو ذرات نقره را حاصل می‌کند. در ادامه به بررسی نانوذرات مختلف فلزی و روش‌های بیوسنتز آن‌ها با شرح بیشتری آشنا می‌شویم. در جدول زیر، نانوذراتی که به وسیله میکروارگانیسم‌های مختلفی تولید شده، ارائه شده‌اند.

جدول 1: نانوذرات فلزی تولید شده به وسیله میکروارگانیسم‌ها

میکروارگانیسم محصول دمای محیط کشت (◦C) شکل ذره محل تولید
Sargassum wightii Au مشخص نیست planar خارج سلول
Rhodococcu spp. Au 37 کروی داخل سلول
Shewanella oneidensis Au 30 کروی خارج سلول
Plectonemaboryanum Au 25-100 مکعبی داخل سلول
Plectonema boryanumUTEX 485 Au 25 هشت وجهی خارج سلول
Candida utilis Au 37 مشخص نیست داخل سلول
V. luteoalbum Au 37 مشخص نیست داخل سلول
Escherichia coli Au 37 مثلثی خارج سلول
Yarrowia lipolytica Au 30 مثلثی خارج سلول
Pseudomonas aeruginosa Au 37 مشخص نیست خارج سلول
Rhodopseudomonas capsulate Au 30 کروی خارج سلول
Shewanella algae Au 25 مشخص نیست داخل سلول
Brevibacterium casei Au, Ag 37 کروی داخل سلول
Trichoderma viride Ag 27 کروی خارج سلول
Phaenerochaete chrysosporium Ag 37 مخروطی خارج سلول
Bacillus licheniformis Ag 37 مشخص نیست خارج سلول
Escherichia coli Ag 37 مشخص نیست خارج سلول
Corynebacterium glutamicum Ag 30 چند شکلی خارج سلول
Trichoderma viride Ag 40-10 مشخص نیست خارج سلول
Ureibacillus thermosphaericus Au 60 – 80 مشخص نیست خارج سلول
Bacillus cereus Ag 37 کروی داخل سلول
Aspergillus flavus Ag 25 کروی خارج سلول
Aspergillus fumigatus Ag 25 کروی خارج سلول
Verticillium spp. Ag 25 کروی خارج سلول
Fusarium oxysporum Ag 25 کروی خارج سلول
Neurospora crassa Au, Au/Ag 28 کروی داخل سلول
Shewanella algae Pt 25 مشخص نیست داخل سلول
Enterobacter spp. Hg 30 کروی داخل سلول
Shewanella spp. Se 30 کروی خارج سلول
Escherichia coli CdTe 37 کروی خارج سلول
Yeast Au/Ag 30 چند شکلی خارج سلول
Fusarium oxysporum Au-Ag alloy 25 کروی خارج سلول
Desulfovibrio desulfuricans Pd 25 کروی خارج سلول

تهیه‌ی نانو ذرات نقره از عصاره‌ی گیاهان:

سوخت و ساز‌های ثانویه گوناگون، آنزیم‌ها، پروتئین‌ها و یا دیگر عوامل کاهنده در تهیه‌ی نانوذرات فلزی به وسیله گیاهان نقش اساسی دارند. محل انباشت زیستی نانوذرات بر اساس حضور آنزیم‌ها و پروتئین‌های درگیر در تهیه‌ی آن‌ها است. بازیابی نانوذرات از بافت گیاهی خسته‌کننده و گران است و نیاز به آنزیم‌هایی برای تخریب بافت سلولزی گیاه دارد، از این رو برای تهیه‌ی نانوذرات فلزی گوناگون استفاده از عصاره گیاهان در پردازش ‌کم و مقیاس وسیع آسان‌تر است. در سال‌های اخیر استفاده از عصاره گیاهان برای تهیه‌ی نانوذرات فلزی به عنوان یک جایگزین آسان و مناسب برای روش‌های شیمیایی و فیزیکی مطرح شده است. برای اولین بار عصاره گیاه شمعدانی از برگ، ساقه و ریشه برای تولید خارج سلولی نانوذرات گرفته شد. شانکار و همکاران کاهش زیستی یون‌های فلز به نانوذرات فلز را با استفاده از عصاره برگ گل شمعدانی گزارش کردند. همچنین آن‌ها نانوذرات مثلثی و کروی فلز را با استفاده از عصاره لیمو توانستند تهیه کنند. این نانوذرات تمایل به تشکیل ساختار‌های مسطح نازک، علاوه بر ساختار‌های کروی را نیز دارند. این ذرات مسطح به طور عمده به شکل مثلثی و با درصد بسیار کمتری به شکل شش ضلعی در اندازه‌ی 100-50 نانومتر هستند. از عصاره آلوورا نیز می‌توان نانوذرات نقره را تهیه‌ کرد. افزایش آمونیاک در این واکنش باعث تسهیل کاهش نقره (I) به وسیله تشکیل کمپلکس محلول دی‌آمین‌نقره (I) کلرید می‌شود. نانوذرات تولید شده دارای ریخت‌شناسی کروی در اندازه‌های
2/4± 2/15 نانومتری می‌باشند (شکل 1). در انجام این تست در سنتز نانوذرات نقره از عصاره گیاهان استفاده شده است. چون هم نانوذرات نقره پایدار می‌شوند و هم باعث کاهش تبدیل یون Ag+ به Ag0 می‌گردد.

دیگر روش‌های بیوسنتز نانوذره نقره:

در یکی از این روش‌ها مخلوطی از نشاسته و محیط کشت تخمیر شده به عنوان عامل پایدارکننده و کاهنده استفاده شد. پروتئین‌های موجود در محیط کشت تخمیر شده می‌توانند هم به عنوان عامل کاهنده و هم عامل پایدار‌کننده باشند. از طرفی می‌توان نشاسته را در مجاورت محیط کشت تخمیر شده به گلوکز تبدیل کرد، بنابراین نشاسته نیز در این روش علاوه‌ بر نقش پایدارکنندگی، به عنوان عامل کاهنده مورد استفاده قرار گرفت.

در همین راستا برای تولید نانوذرات نقره قارچ فوزاریوم اکسیسپورم را در شرایط مشخص و زمان معینی در محیط کشت دکستروز آگار رشد دادند، سپس برای تهیه محیط کشت تخمیر شده، قارچ به همراه محیط کشت سانتریفوژ شده و مایع رویی جداسازی شد. در نهایت نشاسته با نسبت مشخصی با محیط کشت تخمیر شده مخلوط شده و محلول نیترات نقره اضافه شد. پس از 24 ساعت گرماگذاری در دمای 50 درجه سلسیوس محلول شفاف، قهوه‌ای رنگ شده و نانوذرات نقره تولید می‌شود.

در سنتز نانوذرات ممکن است از دو روش سبز مختلف (پلی‌ساکارید اصلاح شده و میکروبی) استفاده شود، درنتیجه، روش سبز جدیدی برای تولید این نانوذرات ارائه می‌شود. نانوذرات نقره تولید شده با این روش جدید میانگین اندازه کوچک‌تر، پایداری بیشتر، توزیع اندازه مناسب‌تر و بازدهی تولید بیشتری نسبت به ذرات تولیدی با روش‌های میکروبی و پلی‌ساکارید اصلاح شده دارند، همچنین زمان تولید نانوذرات در این روش سبز جدید نسبت به روش میکروبی پایین‌تر بوده و هزینه تولید نیز نسبت به روش پلی ساکارید اصلاح شده، پایین‌تر است.

در سال‌های اخیر گروهی از محققان دانشگاه میسوری به رهبری دکتر کاتش کاتی، استاد رادیولوژی و فیزیک در دانشکده پزشکی، ماده‌ای یافته‌اند که می‌تواند جایگزین تمام مواد سمی مورد استفاده در سنتز نانوذرات شود. این ماده مرموز را می‌توان تقریباً در هر آشپزخانه‌ای پیدا کرد: دارچین.

کاتی می‌گوید: «کار ما در زمینه نانوفناوری سبز نشان می‌دهد که دارچین و اجزای دیگری همچون گیاهان، برگ‌ها و دانه‌ها می‌توانند به عنوان مخازنی برای مواد شیمیایی گیاهی عمل نموده و مواد را به نانوذرات تبدیل کنند.، بنابراین راهکار ما رنسانسی در زمینه نانوفناوری سبز ایجاد کرده و می‌تواند حاکی از نقش غیرقابل‌انکار طبیعت در تمام پیشرفت‌های نانوفناوری در آینده باشد».

محققان در طول این مطالعه دریافتند که مواد شیمیایی فعال دارچین در زمان تشکیل نانوذرات آزاد می‌شوند. زمانی که این مواد فعال که مواد شیمیایی گیاهی (Phytochemicals) نامیده می‌شوند، با نانوذرات ترکیب شوند، می‌توانند در درمان سرطان به کار روند. کاتی می‌گوید این مواد گیاهی وارد سلول‌های سرطانی شده و به تخریب یا تصویربرداری از آنها کمک می‌کنند. او می‌افزاید: «این نانوذرات نه تنها از نظر محیطی و زیستی بی‌اثر هستند، بلکه از نظر زیستی فعال بوده و می‌توانند بر علیه سرطان به‌کار روند».

با توجه به مزیت‌های بسیار این روش و همچنین سازگار بودن مواد اولیه مورد استفاده در این شیوه با محیط زیست، امید است با تولید نانوذرات نقره به صورت پایلوت، این روش سبز جدید در مقیاس صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.

 

الهام زندگانی (کارشناس ارشد)، دکتر رضا میرنژاد (دانشیار دانشگاه)، وهاب پیرانفر (کارشناش ارشد)

پاسخ دهید